Apostila - Materiais Cerâmicos

5/14/2018

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CERÂMICA CERÂMICA PODE SER DEFINIDA COMO MATERIAIS INORGÂNICOS NÃO METÁLICOS PROCESSADOS OU CONSOLIDADOS EM ALTAS TEMPERATURAS.

CERÂMICA OU MATERIAIS CERÂMICOS COMPREENDEM TODOS OS MATERIAIS DE EMPREGO EM ENGENHARIA OU PRODUTOS QUÍMICOS INORGÂNICOS QUE SE TORNAM UTILIZÁVEIS PELO TRATAMENTO EM ALTAS TEMPERATURAS

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ELEMENTOS PRESENTES EM POLÍMEROS 9 ELEMENTOS H Li Na K Rb Cs Fr

Be Mg Ca Sr Ba Ra

B Al Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Ac

C Si Ge Sn Pb

N P As Sb Bi

O S Se Te Po

F Cl Br I At

He Ne Ar Kr Xe Rn

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu A C Bk Cf Es Fm Md No Lr m m


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ELEMENTOS PRESENTES EM METAIS 83 ELEMENTOS H Li Na K Rb Cs Fr

Be Mg Ca Sr Ba Ra


C Si Ge Sn Pb

N P As Sb Bi

O S Se Te Po

F Cl Br I At

He Ne Ar Kr Xe Rn



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Elementos Presentes em Cerâmicas e Vidros 79 ELEMENTOS H Li Na K Rb Cs Fr

Be Mg Ca Sr Ba Ra


C Si Ge Sn Pb

N P As Sb Bi

O S Se Te Po

F Cl Br I At

He Ne Ar Kr Xe Rn



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ELEMENTOS PRESENTES EM SEMICONDUTORES 21 ELEMENTOS H Li Na K Rb Cs Fr

Be Mg Ca Sr Ba Ra


C Si Ge Sn Pb

N P As Sb Bi

O S Se Te Po

F Cl Br I At

He Ne Ar Kr Xe Rn

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu A m

C Bk Cf Es Fm Md No Lr m


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TABELA PERIÓDICA DOS ELEMENTOS

ELEMENTOS UTILIZADOS NA COMPOSIÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS

H Li Na K Rb Cs Fr

Be B Mg Al Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Ra

C N O F Si P S Cl Ge As Se Br Sn Sb Te I Pb Bi Po At

He Ne Ar Kr Xe Rn

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

COMPOSTOS QUÍMICOS SILICATOS ÓXIDOS CARBETOS NITRETOS ALUMINATOS CARBONO FOSFATOS SULFETOS BROMETOS IODETOS SILICETOS


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ÓXIDOS M2O MO M2 O3 MO2 M2 O5 M3 O4 M X O Y

ÓXIDOS MISTOS ABO3 AB2O4 AB2C3O4


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Dureza 1

Mineral

Fórmula química

Talco (pode ser arranhado facilmente com a unha)

Mg3Si4O10(OH)2

2

Gipsita gesso) (pode ser arranhado com unha com um(ou pouco mais de dificuldade)

CaSO4·2H 2O

3

Calcita (pode ser arranhado com uma moeda de cobre)

CaCO3

4

Fluorita (pode ser arranhada com uma faca de cozinha)

CaF2

5

Apatita (pode ser arranhada dificilmente com uma faca de cozinha)

Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)

6

Feldspato / ortoclásio (pode ser arranhado com uma KAlSi3O8 liga de aço)

7 8

Quartzo (capaz de arranhar o vidro. Ex.: ametista)

SiO2

Topázio (capaz de arranhar o quartzo)

Al2SiO4(OH-,F-)2

9

Corindon (capaz de arranhar o topázio. Exs.: safira e Al2O3 rubi)

10

Diamante (mineral mais duro que existe, pode arranhar qualquer outro e é arranhado apenas por outro diamante)

C


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Temperatura de Fusão dos Materiais Material

Temperatura de Fusão °C(Aproximado)

Poliestireno

65-75

Polimetil-metacrilato Polietileno Nylon Teflon Sódio metálico Alumínio Superligas a base de Níquel Superligas a base de Cobalto Aço inoxidável (304) W B2O3 NaCl Vidros SiO2 Si3N4 Mulita Al2O3 ZrO2 MgO UO2 TiC C

60-90 120 135-150 (sublima) 290 98 660 1300 1330-1410 1400-1450 3370 460 801 550-1650 1650 1759-1900 1850 2050 2500-2600 2620 2800 3100 3500 (uso maximo)


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Temperatura Máxima de Uso de Materiais

Material

Temperatura (OC)

Ligas de Alumínio

400

Cobre

500

Ferro Fundido

800

Nitreto de Alumínio

1200

Carbeto de Silício

1400

Óxido de Alumínio

1600

Silicone

300


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PREÇOS FORMA BÁSICA FORMA FABRICADA

ESTÁGIOS DE FABRICAÇÃO VALOR AGREGADO PROCESSAMENTO

PREÇO DE MATERIAIS BÁSICOS SUPRIMENTO E DEMANDA CUSTO DE PRODUÇÃO DETERMINADO POR E TXTRAÇÃO RANSPORTE REFINO ENERGIA


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Cerâmica x Metais x Polímeros Metais Átomos Metálicos. Ligações Metálicas. Célula Unitária éDenso. Usualmente um Empacotamento Pequeno Número de Átomos por Célula Unitária. Planos de Escorregamento. Plasticidade. Decréscimo da Resistência Mecânica em Alta Temperatura. Diagramas de Equilíbrio Relativamente Simples. Número de Coordenação entre 8 e 12. Cinética de Reações Rápidas.

Cerâmica Polímeros Átomos Metálicos e Átomos Não Átomos Não Metálicos. Metálicos. Ligações Iônicas e Covalentes, Van Ligações Covalentes e Hidrogênio. der Waals, Hidrogênio. Empacotamento Não Tão Denso de Átomos Metálicos. Grande Número de Átomos por Célula Unitária. Planos de Clivagem. Falta de Plasticidade. Alta Resistência Mecânica em Alta Temperatura. Diagramas de Equilíbrio Complexos – Muitos Componentes. Número de Coordenação 2, 3, 4, 6, 8, 12 ou Frações. Cinética de Reações Lentas.

Estrutura Forma de Cadeias Regularesna Ordenadas. Grande Número de Átomos por Cadeia. Escoamento entre Cadeias. Alta Elasticidade. Baixa Resistência Mecânica em Alta Temperatura. Não Apresenta Equilíbrio Termodinâmico. Amorfo, número de coordenação de 6 a 8. Cinética de Reações Rápidas.

Nucleação e Crescimento.

Fases Metaestáveis e Decomposição Polimerização, Modificações Espinodal Frequentes. Químicas (Nucleação e Crescimento). Tamanho de Grão e Morfologia. Tamanho de Partícula. Tamanho de Cadeia e de Esferulitos, Peso Molecular de Cadeia. Porosidade Baixa. Porosidade Alta. Porosidade Baixa. Difícil de Formar Vidros Forma Vidros com Facilidade Amorfos Raramente Encontrados na Natureza Maioria das Fases são Encontradas Maioria são Materiais Sintéticos na Natureza


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PROCESSAMENTO DE MATERIAIS Metais

Cerâmicas

Polímeros

Muito dúcteis e podem ser conformados na forma sólida ou por fusão. A maioria permite operações de usinagens.

A maioria é frágil, não sendo possível a conformação na forma de um sólido e alguns são conformados por fusão. Raramente é possível operações de usinagens.

Alguns são dúcteis e podem ser amolecidos ou fundidos e conformados na forma de sólidos e alguns ainda permitem operações de usinagens.


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USOS E APLICAÇÕES DE MATERIAIS CERÂMICOS AEROESPACIAL AUTOMOBILÍSTICO ELETRÔNICA MEIO AMBIENTE COMUNICAÇÃO MEDICINA MILITAR PRODUTOS DE CONSUMO ESTRUTURAL REFRATÁRIOS QUÍMICOS NUCLEAR


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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS

CRISTALINOS E AMORFOS

TRADICIONAIS E AVANÇADAS ESTRUTURAIS E FUNCIONAIS

CERÂMICAS TRADICIONAIS Branca Vermelha Refratária Estrutural Técnica Artistica Cimento e Gesso Cargas


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CERÂMICAS TRADICIONAIS

Cerâmicas ou produtos cerâmicos que utilizam no seu processo de fabricação matérias primas naturais, matérias primas beneficiadas ou químicos inorgânicos industriais (matérias primas sintéticas) e que desenvolvem uma fase vítrea durante o processo de queima, sendo a sua microestrutura composta de materiais cristalinos e vítreos.

CERÂMICA VERMELHA Produtos ou materiais com cor avermelhada empregados na construção civil (tijolos, blocos, telhas, manilhas) e também argila expandida (agregado leve), utensílios domésticos e artísticos.

CERÂMICA BRANCA Produtos ou materiais constituídos por um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e que são assim agrupados pela cor branca do corpo, apos queima, necessárias por razões técnicas e /ou estéticas. Os principais produtos são louças sanitárias, louças de mesa, isoladores elétricos, azulejos, porcelanas, utensílios domésticos e de adorno, porcelanas técnicas.

MATERIAIS DE REVESTIMENTO Materiais na forma de placas utilizados na construção civil para revestimentos de paredes, pisos e bancadas tais como azulejos, placas ladrilhos para pisos e pastilhas. Utilizam dois processos principais de fabricação que são a via seca e via úmida.


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CERÂMICAS TRADICIONAIS MATERIAIS REFRATÁRIOS Materiais que tem como finalidade suportar temperaturas elevadas nas condições específicas de processo (acima de 1450º C) e de operação em equipamentos industriais, que em geral envolvem esforços mecânicos, ataques químicos, variações bruscas de temperatura e outras solicitações. Materiais usados na indústria siderúrgica, metalúrgica, petroquímica, vidros e cerâmicas.

ISOLANTES TÉRMICOS Materiais utilizados no isolamento térmico que podem ser não refratários que são utilizados, dependendo do produto, até temperaturas de 1100 ºC compreendendo produtos como vermiculita expandida, sílica diatomácea, diatomito, silicato de cálcio, lã de vidro que são obtidos por processo distintos dos materiais refratários. Também são isolantes tememos as fibras ou lã cerâmicas como sílica, sílica-alumina, alumina, zirconia que podem chegar a temperaturas de utilização de 2000 ºC ou mais.

ABRASIVOS Os abrasivos são materiais de alta dureza, como carbeto de silício, alumina, sílica e zirconita, utilizados na indústria metalúrgica como rebolos, lixas e discos de corte.

FRITAS As fritas (ou vidrado fritado) são vidros moídos, fabricados por indústrias especializadas a partir da fusão da mistura de diferentes matérias primas. Este material na forma de pó é aplicado na superfície do corpo cerâmico, que após a queima, adquire aspecto vítreo. por finalidade aprimorar a estética, tornar aEste peçaacabamento impermeáveltem e aumentar a resistência da superfície.


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CERÂMICAS TRADICIONAIS

CORANTES Os corantes são constituídos de óxidos ou pigmentos inorgânicos sintéticos obtidos a partir da mistura de óxidos ou de seus compostos. Os pigmentos são fabricados por empresas especializadas, inclusive por aquelas que produzem fritas, cuja obtenção envolve a mistura de matérias primas, calcinação e moagem.

CIMENTO, CAL, GESSO E ARGAMASSA. Materiais utilizados principalmente na industria da construção civil, muitas vezes utilizados a parte do segmento da industria cerâmica e utilizados basicamente nas funções estruturais e estéticas.

VIDROS Vidros são materiais cerâmicos não cristalinos formados por uma rede de átomos de silício e outros átomos como o sódio e que são conformados durante o resfriamento. Os produtos são utilizados principalmente na indústria da construção civil, automobilística e de recipientes (garrafas).

CARGAS Materiais particulados (pós), utilizados para modificar as propriedades de compósitos na fabricação de produtos poliméricos como talco, negro de fumo, diatomáceas e carbonato de cálcio.


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CERÂMICAS AVANÇADAS ERÂMICA AVANÇADA PODE SER DEFINIDA C COMO UMA CLASSE DE PRODUTOS CERÂMICOS FABRICADOS A PARTIR DE MATERIAIS PARTICULADOS DE ALTA PUREZA, COM TAMANHOS DE PARTÍCULAS MENORES QUE 1 MICROMETRO, MANUFATURADOS SOB CONDIÇÕES ESPECIAIS, UTILIZANDO-SE PROCESSOS USUAIS OU ESPECIAIS E QUE POSSUEM UM EXCELENTE DESEMPENHO PROPRIEDADES (PROPRIEDADES EMECÂNICAS , ÓPTICASEXCEPCIONAIS ELÉTRICAS, TÉRMICAS E MAGNÉTICAS). OS MATERIAIS QUE CONSTITUEM AS CERÂMICAS AVANÇADAS SÃO PRINCIPALMENTE ÓXIDOS, CARBETOS, CARBONO E NITRETOS. UMA DAS PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DA INDÚSTRIA DE MATERIAIS AVANÇADOS AS MATÉRIAS PRIMAS INICIAIS SÃO, GERALMENTEÉ QUE SINTÉTICAS E DE ALTA PUREZA CONVERTIDAS EM COMPONENTES DE ALTO VALOR ECONÔMICO POR COMPLICADOS SISTEMAS DE FABRICAÇÃO OU PROCESSOS DE ALTA TECNOLOGIA. O QUE CARACTERIZA OS MATERIAIS CERÂMICOS AVANÇADOS SÃO BASICAMENTE OS PROCESSOS DE OBTENÇÃO DE PÓS COM CARACTERÍSTICAS CERÂMICAS, OS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO OU CONSOLIDAÇÃO DESSES PÓS E SUAS PROPRIEDADES SUPERIORES.


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DIFERENÇAS ENTRE CERÂMICAS AVANÇADAS E TRADICIONAIS

TRADICIONAIS

AVANÇADAS

NATURAIS

SINTÉTICAS

LARGA (0,1 A 1000 µM)

ESTREITA(<1 µM)

CONFORMAÇÃO

CONVENCIONAL

ESTRITAMENTE CONTROLADA

SINTERIZAÇÃO

FASE VÍTREA CONSIDERÁVEL

POUCA OU NENHUMA FASE VÍTREA

ESCALA DE MICROSCOPIA ÓPTICA

ESCALA DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA

RESISTÊNCIA M ECÂNICA

1

10 A 1000

PREÇO RELATIVO

1

100 A 10000

MATÉRIAS PRIMAS TAMANHO DE PARTÍCULA

MICROESTRUTRA


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CERÂMICAS AVANÇADAS OU CERÂMICAS DE ALTA TECNOLOGIA ELETRO-ELETRÔNICAS MECÂNICAS MAGNÉTICAS ÓPTICAS NUCLEARES BIOLÓGICAS TÉRMICAS UÍMICAS

Q


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Processos de Fabricação de Materiais Cerâmicos

Fusão Sopro - estiramento, - prensagem

Conformação de Pós Prensagem – colagem - extrusão

Ligação Química Moldagem - gunitagem


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Fluxograma de Processamento

UFSCar - DEMa http://slidepdf.com/reader/full/apostila-materiais-ceramicos

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Fluxograma de Processamento de Pós

UFSCar - DEMa


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Fluxograma de Fabricação de Vidros

UFSCar - DEMa


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Ligação Química

UFSCar – DEMa


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Sólidos Os sólidos são caracterizados por uma associação muito próxima dos átomos, em geral representados como esferas rígidas, em contato uma com as outras e mantidas juntas por forças interatomicas.

Líquidos Nos líquidos existe energia térmica suficiente para manter os átomos em um movimento ao acaso e não existe uma ordem de longo alcance.

Cristais Nos cristais as forças de atração das ligações interatomicas se sobrepõem aos efeitos térmicos de desagregação e um arranjo ordenado de átomos ocorre (ordem de longo alcance).

Vidros Nos vidros,temperaturas. um arranjo desordenado de átomos persiste mesmo a baixas

Suspensões Nas suspensões existe uma mistura de líquido e partículas sólida com um comportamento reológico característico.

Massas Plásticas Nas massas plásticas existe uma mistura de líquidos e uma grande quantidade de partículas sólidas com um comportamento reológico característico

Gases Nos gases existe energia térmica suficiente para manter as moléculas separadas em um movimento ao acaso.


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Sólidos Modelo do átomo de Bohr

Ligações Químicas Ligações Iônicas Ligações covalentes Ligações Metálicas Ligações de Van der Walls Ligações de Hidrogênio

Ligações Iônicas


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Ligações Covalentes

Ligações Metálicas


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Estruturas Cristalinas


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Regras de Pauling Para Empacotamento de Cristais •

•

•

•

O poliedro de coordenação é formado ao redor de cada cátion na estrutura – o número de íons é determinado pelos tamanhos relativos dos cátions e anions Eletroneutralidade – o número de cargas negativas deve ser igual ao número de cargas positivas O poliedro formado ao redor de cada cátion de baixo número de coordenação tende a ser ligados pelo vértice O número de constituintes em uma estrutura tende a ser pequeno. Estruturas mais simples tendem a ser preferidas em relação ás mais complicadas

Empacotamento Cúbico


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Empacotamento FCC e HC


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Empacotamento FCC e HC Interstícios Octaedrais e Tetraedrais


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Poliedros de Coordenação


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Ligação dos Poliedros de Coordenação


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Poliedros de Coordenação e Interstícios


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Estrutura dos Óxidos Estrutura dos Sais de Rocha MgO - CaO – SrO – CdO – MnO - FeO – CoO - NiO


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Estrutura da Wurtzita

Estrutura da Blenda de Zinco


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Estrutura do Espinélio ZnFe 2 O 4 – MgAl 2 O 4 – FeAl 2 O 4 – Fe 3 O 4 - FeNiFeO 4 – FeMgFeO4


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Estrutura do Coríndom

Al 2 O 3 – Cr 2 O 3 – Fe 2 O 3


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Estrutura do Rutilo

2 2 2 TiO 2 - SnO 2 - GeO - PbO - MnO

Estrutura do Cloreto de Césio


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Estrutura da Fluorita

ZrO2

Fluorita


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Estrutura da Perovskita

3 3 BaTiO 3 – CaZrO – CaTiO -


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Estrutura Cristalina de Materiais Cerâmicos

Estrutura

Composto No. Coordenação

Empaco/to De Anions

Exemplos

Sal de Rochale

MX 6:6

CFC

Blenda de Zinco

MX 4:4

CFC

MgO CaO SrO, CdO MnO FeO CoO NiO BeO SiC

Wurtzita

MX 4:4 M2X 4:8 MX 2 8:4 MX 2 6:3 M2X3

HC

ZnO, SiC AlN

CFC

Li 2 O Na 2 O K 2 O Rb 2 O ZrO 2 CeO 2 UO 2 ThO 2 PuO 2 TiO 2 SnO 2 MnO 2 RuO 2 GeO 2 PbO 2 Al 2 O 3 Cr 2 O 3

Antifluorita Fluorita Rutilo Coríndon Sílica Nitreto de Sílicio

6:42 MO 4:2 A3X 4 4:3

Cúbica Simples HC distorcida HC Tetraedros Conectados Tetraedros de Si 3 N 4 Ligados Pelos Vértices Sub-rede AO CFC

Perovskita

ABX3 12:6:6

Espinélio

ABX4 4:6:4

CFC

Espinélio Invertido Ilmenita

B(AB)O 4 4:6:4 ABO 3 6:6:4 A 2 BO 4 6:4:4

CFC

Olivinas

HC HC


2 O 3 Fe SiO 2 GeO 2

α-Si 3 N 4 β-Si 3 N 4

BaTiO 3 CaZrO 3 CaTiO 3 SrTiO 3 PbZrO 3 Pb(SrTi)O ZnAl 2 O 4 MgAl32 O 4 FeAl 2 O 4 MgTiMgO 4 FeMgFeO 4 FeTiO 3 NiTiO 3 CoTiO 3 Mg 2 SiO 4 Fe 2 SiO 4

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Estrutura Cristalina dos Silicatos Os silicatos têm em geral, uma estrutura aberta porque o oxigênio pode ser coordenado com somente dois átomos de silício

Tipos de silicatos

4-

Ortosilicatos Pirosilicatos Metasilicatos

SiO 4 6Si 2 O 7 22nSiO 3 - (SiO 3 ) n

Filosilicatos

(Si 2 O 5 ) n

n-

Massiva

Sílica

Sílica - Quartzo 3 estruturas básicas, com várias formas polimorficas devido as diferentes maneiras de se ligar os tetraedros Quartzo – Tridimita – Cristobalita

1470˚C

867˚C

Quartzo Alto

←→

Tridimita Alta

←→

Cristobalita Alta

↑

↑

↑

573˚C↓

160˚C↓

270˚C ↓

Quartzo Baixo

Tridimita Média

Cristobalita Alta

↑ 160˚C↓

Tridimita Baixa


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Sílica


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Estrutura dos Silicatos

No. Vértices Compartilhados

Configuração

Fórmula

Classe

Relação 0/Si

Exemplos

0 1

Tetraedro 2 Tetraedros

(SiO 4 ) 6(Si 2 O 7 )

Ortosilicato Pirosilicato

4,0 3,5

6-

Metasilicato Metasilicato Metasilicato

3,0 3,0 2,83

Forsterita MgSiO4 Melilita Ca3Mg(Si2)7)xH2O CaSiO3 MgSiO3 Ca6Si6O17(OH)2

2 2 2e3

Anéis Cadeias Simples Cadeia Dupla

2e3 3 4

Cadeia Dupla Estrutura em Camadas -Anéis Estr. Tridimensional

(Si 3 O 9 ) 6n(SiO 3 ) 10n (Si 6 O 17 ) 6n(Si 4 O 11 ) 2(Si 2 O 5 ) (SiO 2 )

Metasilicato Filosilicato Massivos

2,75 2,5 2,0

Ca2Mg5(Si4O11)2 Argilas, Micas Quartzo, Feldspato

4-


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Estrutura dos Silicatos


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Pirosilicatos

Argilominerais: Silicatos hidratados de alumínio de tamanho de partículas pequenas e na forma de placas.

A estrutura cristalina é baseada em combinações de uma camada de (SiO 2 ) n de tetraedros de sílica com uma camada de AlO(OH) 2 de octaedros de alumina ligados através dos vértices

Al(Si 2 O 5 )(OH) 4 – Formula estrutural

Caulinita - composição Al 2 O 3 .2SiO 2 . 2H 2 O –Formula em óxido Uma camada de AlO(OH) e uma de Si 2 O 5


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Al 2 (Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2

Montmorilonita - Composição Al 2 O 3 .4SiO 2 . H 2 O Duas camadas de Si 2 O 5 acima e abaixo da camada central de AlO(OH)


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Os argilominerais são constituídos através do empilhamento ou 3+ combinação de camadas com diferentes cátions, como substituição de Al 3+ 4+ 3+ 2 2+ e Fe por Si ou substituições de Al por Fe + ou Mg


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Estrutura dos Filosilicatos Constituída pelo empilhamento de camadas de sílica e brucita (ou Gibsita)

Caulinita - Al 2 O 3 .2SiO 2 . 2H 2 O 2-

(Si 2 O 5 ) 2+ Al(OH) 4

Octaedro O3

Si 2 O 2

OH

Al 2

(OH) 3

Tetraedro

Se os átomos de alumínio da caulinita são substituídos por átomos de magnésio temos a formação de outro silicato, a serpentina, que é um silicato de magnésio

O3

Si 2 O 2

OH

Mg 3

(OH) 3

3MgO.2SiO .2H2O 2


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Pirofilita - Al 2 O 3 .4SiO 2 . H 2 O 2-

(Si 2 O 5 ) 2+

Al(OH) 42- (Si 2 O 5 )

Octaedro O3

Si 2 O 2

OH

Al 2

OH

O2

Si 2

O3

Tetraedro

Tetraedro

Se os átomos de alumínio da pirofilita são substituídos por átomos de magnésio temos a formação de outra silicato, o talco, que é um silicato de magnésio

Octaedro O3

Si 2 O 2

OH

Mg 3

OH

O2

Si 2

O3

Tetraedro

Tetraedro 3MgO.2SiO 2 .2H2O

Mica KAl(AlSi 3 O 10 )


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Matérias Primas Cerâmicas

Materiais Crus – material proveniente de jazidas, não uniformes Exemplos: Argilas, bauxita

Minerais Industriais Refinados – materiais que foram beneficiados para remoção de impurezas minerais com aumento significativo da pureza mineral e consistência física Exemplos: Caulim, argilas plásticas, bentonita, talco, feldspato, areia de quartzo, dolomita, zirconita

Químicos Inorgânicos Industriais – materiais que sofreram processamento químico significativo e refinamentos para aumento de pureza química e melhoria das características físicas, produzidos em alta tonelagem. Exemplos: Alumina, carbeto de silício, titânia, titanatos , óxido de ferro, zircônia, alumina calcinada, magnésia calcinada, alumina fundida


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Matérias Primas Cerâmicas

Óxidos Silicatos Nitretos Pela definição

Carbetos

Produto Final

Aluminatos Carbono Outros

As matérias primas em geral são materiais cristalinos inorgânicos, não metálicos e alguns polímeros (exemplo: fibras) obtida através de processos de decomposição como oxidação, nitretação e carbonetação etc.


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As propriedades cerâmicas das matérias primas importantes para o processo de fabricação e propriedades finais do produto são:

Densidade de empacotamento Fluidez Propriedades reológicas (viscosidade e densidade) Resistência mecânica a verde Propriedades de queima como: Sinterabilidade Retração Perda ao fogo Reatividade Temperatura de formação de fases (exemplo: fase vítrea)


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Estas propriedades são conseqüências de características das matérias primas como:

1. Composição química 2. Composição mineralógica 3. Textura ou características físicas das partículas (como forma e distribuição de partículas, estado de consolidação, agregação ou aglomeração das partículas) 4. Propriedades de superfície (como CTC)

No caso de matérias primas naturais estas propriedades dependem da ocorrência e beneficiamento, se realizado. No caso das matérias primas sintéticas estas propriedades dependem de variáveis de processo de síntese como, pH, temperatura, concentração, tempo, etc.


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Matérias Primas Utilizadas Pela Indústria Cerâmica Agalmatolitos

Diatomito

Apatita

Dolomita

Areias

Feldspato

Arenitos Argilas

Gesso Granito

Brita Ilmenita Barrilha

Magnésia

Bauxito Magnesita Bórax Mulita Sintética Cal Óxido de Alumínio Calcário Calcita

Pegmatito Pirofilita

Carbeto de Silício Quartzito Carbonato de Bário Rutilo Carbonato de Potássio Seixos Carbonato de Sódio Cianita –Silimanita

Serpentina Sianito Nefelitico

Cordierita

Talco

Coríndon Eletrofundido

Wolastonita

Criolita

Zircão

Cromita

Zirconita


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Características Desejáveis de Pós

1. Pequeno Tamanho de Partícula (< 1 micrometro) 2. Distribuição de Tamanho de Partícula Estreita 3. Livre de Aglomerados/Agregados 4. Partículas de Forma Uniforme 5. “Puro” Quimicamente


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Matérias Primas

Naturais ou Sintéticas Matérias Primas Naturais – formadas através de processos geológicos Matérias Primas Sintéticas – formadas através de processos químicos

Processamento de Matérias Primas

Beneficiamento (Minerais Industriais) Síntese (Químicos Inorgânicos Industriais)

Operações de Processamento Redução de Tamanho Classificação Purificação Homogeneização Reações Químicas Mistura de Matérias Primas

Conformação


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Processos de Síntese 1. Cominuição e Calcinação Beneficiamento necessário antes do uso Exemplos: Al 2 O 3 , CaCO 3 , SiO 2 Calcinação – é o aquecimento do material para mudança ou transformação para uma forma mais estável, tal que o processo físico-químico não ocorra durante a sinterização. Cominuição – processo de redução de tamanho onde energia mecânica é utilizada.

2. Processo de Solução Química (Precipitação ou Co-precipitação) Exemplos: Al(OH) 3 , Mg(OH), BaCO 3 Vantagem: pureza

3. Reações no Estado Sólido (Reações em altas temperaturas) Exemplos: MgAl 2 O 4 , (MN,Zn)Fe 2 O4 MgO + Al 2 O 3 → MgAl 2 O 4 MnO + ZnO + Fe 2 O 3 → (Mn,Zn)Fe 2 O 4

4. Técnicas de Fase Vapor (Precipitação na fase Gasosa) Exemplos: SiO 2 , TiO 2 , SiC, Si 3 N 4 MClx +x/2 H2 O → MOx/2 +x HCl TiCl 4 + 2H2 O → TiO 2 + 4HCl TiCl 4 + NH3 → TiN + HCl TiCl 4 + CH4 → TiC + 4HCl


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Químicos Inorganicos Industriais Materias Primas Sintéticas

Óxidos Não Óxidos

Óxidos Puros

Al2 O 3 MgO ZrO 2 TiO2

Óxidos Intermediários

BaTiO3

Soluções Sólidas

3 3 PbTiO NiMn2 O–4PbZrO MnFe 2 O 4

Y 2 O3 em Zr O 2, MgO em Al2 O 3

Óxidos de Terras Raras Óxidos de Metais de Transição Óxidos Não –Estequiométricos


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Alumina - Al 2 O 3

Matéria Prima de Maior Uso em Cerâmica Avançada Devido a: Alta Resistência Elétricas em Altas e Baixas Temperaturas Alta Resistência à Abrasão Alta Resistência ao Desgaste Alta Resistência Mecânica Alta Resistência Mecânica a Quente Boas Propriedades Dielétricas em CC Até Frêquencias de GHz Resistente ao Ataque de Ácidos e Álcalis a Altas temperaturas Grande Disponibilidade Facilidade de Processamento Baixo Custo

Usos Típicos Meios de Moagem Tubos d Lasers a Gás Selos Mecânicos Bases Resistentes Abrasão Isoladores de alta Voltagem Rolos de Fornos Guia Fios Substratos Eletrônicos Placas de Proteção Balística Tubos Resistentes à Abrasão Proteção de Sensores de Temperatura Tubos de Laboratório e Suporte de Amostras Parte de Maquinas de Medidas de Propriedades a Altas temperaturas


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Processo de Produção de Alumina

Bauxita + Na OH ↓ Digestão ↓ Precipitação ↓ Al(OH) 3 ↓ Calcinação ↓ α- Al 2 O 3 Processo Bayer

Al(OH) 3 + H 2 SO 4 + (NH 4 ) 2 SO 2 ↓ NH 4 Al(SO 4 ) 2 . 12 H 2 O ↓ Purificação ↓ Decomposição ↓ α- Al 2 O 3 Processo Alun

Al – Metal + H2O ↓ Descarga (arco) ↓ Al(OH) 3 ↓ Calcinação ↓ α- Al 2 O 3 Processo Iwatani

Al – Metal + C 3 H 7 OH ↓ Al (O C 3 H 7 ) 3 ↓ Hidrólise ↓ Gel – Al 2 O 3 ↓ Calcinação ↓ α- Al 2 O 3 Rota Al – Isopropoxido


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Zircônia - ZrO 2

Zircônia Estabilizada Zircônia Parcialmente Estabilizada – PSZ Três Fases Presentes

Cúbica >2370°C Tetragonal 2370°C a 1170°C Monoclínica <1370°C

Propriedades Típicas Temperaturas de Uso até 2400°C Alta Resistência Mecânica Alta Densidade Baixa Condutividade Térmica (20% da alumina) Inerte Quimicamente Resistente a Metais Fundidos Condutor Elétrico Iônico Resistente ao Desgaste Alta Tenacidade à Fratura Alta Dureza Usos Típicos Meio de Moagem de Alta Densidade Assento de Válvulas Bolas de Precisão em Válvulas Guias e Rolos para Conformação de Tubos de Metal Guia Fios Molde de Extrusão de Metais Fundidos Molde para Compactação de Pós Assento de Bombas Marinhas e Guia de Marchas Sensores de Oxigênio Susceptores de Fornos de Indução de Altas Temperaturas Membranas de Células Combustíveis Resistência de Fornos de Alta Temperatura (> 2000°C) em Atmosferas Oxidantes


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Processos de Produção de Pós de ZrO 2

ZrO 2 + Y 2 O 3 ↓ Mistura ↓ Fusão ↓ Moagem

Zr – Metal + C 3 H 7 OH ↓ Zr(O C 3 H 7 ) 4 ↓ Hidrólise ↓ Gel – ZrO 2 ↓ Calcinação ↓ ZrO 2

Pó - PSZ

ZrOCl 2 . 8 H 2 O + YCl 3 ↓ Co precipitação Filtração↓Lavagem ↓ Secagem ↓ Calcinação (800 – 900°C) ↓ Desaglomeração ↓ ZrO 2 / Y 2 O 3

Pó TZP


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Óxidos Cerâmicos do Tipo ABO 3 Aplicações em Funções Eletro-eletrônicas Boas Propriedades Dielétricas Capacitores Cerâmicos Aditivos, PbO, ZrO 2 , SnO 2 ,SrO 2 , etc

Piezoelétricos PZT 2 PbTiO3 e -PbZrO Aplicações Eletro-Ópticas - PLZT (Pb,La)(Zr,Ti)O3

Aditivos Óxidos Usos como Aditivos em Zirconia Varistores Termistores Sensores Supercondutores Esmaltes Etc.


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Matérias Primas Não Óxidos Carbetos

SiC TiC ZrC HfC

Nitretos

Si 3 N 4 AlN TiN ZrN BN

Sulfetos

MoS 2 CdS ZnS

Silicetos

MoSi 2 TaSi 2 WSi 2

Boretos

TiB2 LaB 6 ZrB 6

Outros

SiAlON SiCAlON Grafite Fosfatos Etc


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Carbeto de Silício – SiC Propriedades Baixa Densidade Alta resistência Mecânica Alta Condutividade Térmica Alta Dureza Alto Módulo Elástico Excelente resistência ao Choque Térmico Alta Inércia Química

Usos típicos Componentes Móveis e Fixos de Turbinas Rolamentos, Seladores Parte de Válvulas do Tipo Bola Trocadores de Calor Partes Equipamentos de Processamento de Semicondutores Linhas de Fluxo de Gases Quentes


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Matérias Primas Naturais Formada por processo geológicos complexos e de longa duração provenientes da decomposição de rochas devido à ação de intemperismo chuva, vento, mudanças de temperatura, etc. Obtidas por processos de mineração- processo de extração de matérias primas do local de ocorrência - em geral a céu aberto

Tipos de Argilas Argilas Plásticas Argilas Refratárias Argilas para Cerâmica Branca Argila para Cerâmica Vermelha Argilas Especiais – Bentonita

Argila é uma rocha finamente dividida e constituída especialmente por argilo minerais. Poderá conter ainda minerais acessórios como quartzo, feldspato, gibsita, pirita e outros, matéria orgânica e outras impurezas, caracterizando-se por: Ser constituída essencialmente por argilo minerais, geralmente cristalinos •

•

Possuir elevado teor de partículas de diâmetro equivalente abaixo de 2 micrometros Quando pulverizada e umedecida, torna-se plástica, após secagem é dura e rígida e após queima em temperaturas elevadas (acima de 1000º) adquire alta dureza Possuir capacidade de troca de cátions entre 3 e 150mEq/100g. de argila

•

•

Argilo minerais: são silicatos hidratados de alumínio


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Principais Tipos de Argila Caulinita - Al(Si 2 O 5 )(OH) 4 Haloisita - Al(Si 2 O 5 )(OH) 4 .2H2 O Pirofilita – Al 2 (Si 4 O 10 )(OH) 2 Montmorilonita - Al 2 (Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2 Mica - KAl 2 (Si 3 ,AlO 10 )(OH) 2

Ilita - Al 2-x Mg x K 1-x-y (Si 0,5+y Al 0,5+y O 5 ) 2 (OH) 2

Plasticidade Capacidade de uma matéria prima úmida, sob pressão assumir qualquer forma sem se romper e após remoção da pressão, manter a forma assim obtida durante a secagem e queima subseqüente

Características das Argilas

Tamanho de Partícula Forma da Partícula Capacidade de troca de Cátions Minerais Acessórios Composição Química Propriedades de Queima


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Folhelho Argiloso


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Caulim


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Argila Caulinitica


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Quartzo - SiO 2 Cristal de Rocha Veios de quartzo

Cascalho desílica quartzo Areia de Impurezas – óxido de ferro e argila

Processos de Beneficiamento LavagemClassificação para retirada de argila Separação magnéticas

ANÁLISE QUÍMICA

Perda ao Fogo SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 Na 2 0 + K2O

Cristal de Rocha

Veios de Quartzo

Areia de Sílica

Areia de Sílica Impura

<0,1

0,1

0,1

0,5 a 0,2

99,99 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01

99,8 0,05 O,002 O,01 0,1

99,5 0,05 0,001 <0,05 <0,1

<99,0 1,0 a 6,0 0,1 a 1,0 0,1 a 0,5 0,2 a 2,0

ANÁLISE MINERALÓGICA - % EM PESO Quartzo Feldspato e Mat. Argiloso

100

99,9 0,1

99 1,0


~90 10

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Feldspato M(Al,Si)Si2 O 4 + M = Na , K+, Ca++ K(AlSi3 O 8 ) – Ortoclásio Na(AlSi3 O 8 ) - Albita Ca(AlSi2 O 8 ) - Anortita Utilizado como fundente Formador de fase vítrea

Outras Matérias Primas Naturais Talco Dolomita Calcita


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Processamento de Matérias Primas Grande parte das matérias-primas utilizadas na indústria cerâmica tradicional é natural, encontrando-se em depósitos espalhados na crosta terrestre. Após a mineração, os materiais devem ser beneficiados, isto é desagregados ou moídos, classificados de acordo com a granulometria e muitas vezes também purificados. O processo de fabricação, propriamente dito, (forma das peças), tem início somente após essas operações. As matérias-primas sintéticas, utilizadas na fabricação de cerâmicas avançadas geralmente são fornecidas para uso, necessitando apenas, em alguns casos, de um ajusteprontas de granulometria.

Moagem e Mistura Objetivo é o de se obter um produto com uma determinada faixa de tamanho granular pré estabelecido As exigências de tamanho de particulas podem variar para diversos produtos o que obriga ouso de diferentes máquinas e processo de moagem.

Etapas de Redução de Tamanho Fragmentação por Explosivos

Tamanho infinito a 1 metro

Moagem Primária

De 1 metro a 100 mm.

Moagem Secundária

De 100 mm. a 10mm.

Moagem Grosseira

De 10mm. a 1 mm.

Moagem Fina

De 1mm. a 10 μm

Moagem superfina

De 10 μm a 1 μm.


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Moagem de Finos Moinho de Bolas


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Movimento de Bolas no Moinho


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Propriedades dos Meios de Moagem

Dureza (Mohs)

Densidade (g/cm3)

Bolas de Porcelana

7,5

2,4

Bolas de Alumina

9,0

3,4

Cilindros de Alumina

9,0

3,5

Cilindros de Zircônia

9,0

5,4

Seixos

7,5

2,4

62-65 (Rockwell C)

7,7

Material

Bolas de Aço

A fabricação de produtos cerâmicos utiliza material granulado com limites de tamanho de partícula bastante estreitos, o que é difícil de obter somente com desintegração mecânica, requerendo operações de classificação.


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Classificação Separação de materiais particulados que sofreram processos de moagem (ou não) em uma faixa de tamanhos pré determinada Peneiramento Sedimentação Centrifugação


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Massas Cerâmicas

Preparação da Massa Os materiais cerâmicos geralmente são fabricados a partir da composição de duas ou mais matérias-primas, além de aditivos e água ou outro meio. Mesmo no caso da cerâmica vermelha, para a qual se utiliza apenas argila como matéria-prima, dois ou mais tipos de argilas com características diferentes entram na sua composição. Raramente empregase apenas uma única matéria-prima. Dessa forma, uma das etapas fundamentais do processo de fabricação de produtos cerâmicos é a dosagem das matérias-primas e dos aditivos, que deve seguir com rigor as formulações de massas, previamente estabelecidas. Os diferentes tipos de massas são preparados de acordo com a técnica a ser empregada para dar forma às peças. De modo geral, as massas podem ser classificadas em:



suspensão, também chamada barbotina, para obtenção de peças em moldes de gesso ou resinas porosas;



massas secas ou semi-secas, na forma granulada, para obtenção de peças por prensagem;



massas plásticas, para obtenção de peças por extrusão, seguida ou não de torneamento ou prensagem.


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Granulação - Secagem Atomização Filtro prensagem Granulação direta

Atomização Na atomização uma solução ou suspensão de partículas em um meio fluido é projetada como uma nuvem de gotas finas dentro de uma câmara cilíndrica e uma base cônica. As gotas convertem se em granulados sólidos rapidamente pela secagem, por evaporação da grande superfície exposta e deixa a câmara através de uma válvula situada na base do secador


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Vantagens do Uso do Spray-drier

Permite um maior controle das variáveis de processo Granulados produzidos são esféricos e apresentam maior fluidez que as partículas angulares produzidas pela quebra mecânica de um compacto (como a torta de um filtro prensa)


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A distribuição do tamanho do granulado depende do: Tipo de Atomizador Configuração do Atomizador e Secador Tamanho da Câmara de Secagem

Granulados Grandes são Obtidos somente em Secadores Grandes


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Granulados de Caulinita e Esmectita


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FILTRO PRENSAGEM O Filtro Prensa tipo Câmara é um equipamento de alta robustez destinado a fazer a separação de sólidos/líquidos, através da passagem forçada de soluções com resíduos, por elementos filtrantes permeáveis. Este processo é feito pelo bombeamento destas soluções contra as lonas filtrantes que só permitem a passagem da parte líquida da solução, a qual é drenada (já isenta de sólidos) através de canais presentes nas placas filtrantes. A parte sólida vai sendo continuamente depositada nas lonas, formando sobre as mesmas uma camada cada vez mais espessa. As placas filtrantes possuem um perfil que permite às mesmas, montadascâmaras uma contraque a outra, formarem no interior do quando equipamento são completamente preenchidas pelos sólidos. O bombeamento sob alta pressão faz com que as partículas se acomodem de forma a gerar, no final do processo, tortas compactas e com baixo nível de umidade. Com a abertura do equipamento, estas “tortas” são retidas para aproveitamento, podendo gerar tortas com até 60% de teor de sólidos.

Vantagens do Processo: 1. Redução do tempo de secagem dos sólidos retidos, em comparação a sistemas como leito de secagem; 2. Redução de custo na implantação, manutenção e no consumo de energia 3. Possibilita o reaproveitamento do material retido, quando 4. conveniente; Permite uma condição favorável de manuseio dos sólidos retidos (torta), se comparado a polpas e lamas com alto índice de umidade 5. Concentra elevada área de filtragem em pequeno espaço físico de instalação 6. Não exige operadores qualificados;


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Filtro Prensa


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Filtro Prensa


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Terminologia de Partículas

Partícula Primária: é uma unidade discreta, de baixa porosidade. Pode ser um cristal, um policristal monofásico, um policristal multifásico ou um vidro. Os poros se houver, são isolados e, portanto a partícula é impermeável a fluidos. Se a partícula é uma de várias que forma um grande aglomerado, é comum se referir ao tamanho de tal partícula como tamanho de partícula primário.

Aglomerado: é um termo geral que descreve uma pequena massa tendo uma rede de porros interconectados. Compõem se de partículas primárias ligadas juntas por forças superficiais e/ou pontes sólidas. As forças superficiais podem ser eletrostáticas ou forças de atração de Van der Walls entre partículas ou forças capilares devido à presença de líquido dentro do aglomerado. Pontes rígidas são originárias de sinterização fusão, reações químicas ou presença de ligantes. Aglomerados com pontes rígidas podem reter a identidade sob várias condições. Em contraste, aglomerados mantidos juntos por forças superficiais são fáceis de serem rompidos por forças externas. Portanto existem dois tipos de aglomerados: Aglomerados sólidos – com pontes sólidas e Aglomerados fracos - com ligações superficiais.


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Partícula: pode ser uma única partícula primária ou aglomerado sólido. Como tal é uma pequena massa que é livre para se mover como entidade quando o pó é disperso pela quebra das ligações superficiais. A maioria dos equipamentos de medida de tamanho de partícula opera em tais partículas.

Granulados: freqüentemente usado em cerâmica para identificar aglomerados que são intencionalmente formados pela adição de agente granulador para promover a formação de aglomerados grandes. Esta definição é baseada em um processo de formação deliberado. Exemplo é o granulado produzido em um atomizador.

Flocos: é um agrupamento de partículas que se forma em uma suspensão líquida. Os flocos podem ser dispersos por modificações apropriadas de forças interfaciais através da alteração da química da solução. As partículas são mantidas juntas por agentes floculantes.

Colóides: são partículas que quando dispersas em um fluido são finas o suficiente de tal forma que o movimento browniano as mantenham em suspensão, sem sedimentar. Em geral, colóides são partículas de tamanho sub-micrometricos.

Agregados: refere-se ao constituinte grosso de uma formulação, usualmente em combinação com um constituinte fino chamado ligante. Alguns usam o termo agregado para aglomerado.


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CARACTERIZAÇÃO DE PÓS CERÂMICOS

• • • • •

Conhecer o material com que se trabalha Confirmar especificações Manter reprodutibilidade durante o processo Determinar características físicas do pó Informações podem ser usadas para interpretar ou prever o

comportamento duranteeopropriedades processamento/ fabricação/sinterização Gerar uma base de dados a partir do qual o controle de processo pode ser desenvolvido

•

PARÂMETROS (CARACTERÍSTICAS ) A SEREM MEDIDOS

• • • • • • •

• • • •

Composição Química Impurezas Estequiometria Estrutura Cristalina Energia Superficial Defeitos Tamanho Densidade,e forma Porosidade, Distribuição de Poros Distribuição de Tamanho de Partículas Área Específica Densidade real


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Aditivos Os aditivos de processamento são incorporados à formulação de uma massa cerâmica para produzir certas propriedades de escoamento e propriedades para conformação.

Classificação de Aditivos 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Meio Líquido/Solvente Agente Molhador/Surfactante Defloculante Coagulante Ligante Plastificante Lubrificante Fungicida/Bactericida

Os aditivos são adicionados em quantidades relativamente pequenas e alguns podem ser eliminados em estágios posteriores do processamento e não aparecem no produto final. A seleção de um aditivo é baseada em suas propriedades químicas e funcionais e também através da experiência.


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Líquidos e Agentes Molhadores Os líquidos são usados no processamento para molhar as partículas e fornecer um meio viscoso entre elas e dissolver sais, compostos e substâncias poliméricas no sistema. A mistura com líquidos muda o estado de dispersão das partículas e altera a consistência mecânica. Água : principal líquido usado em processamento cerâmico devido o baixo custo, disponibilidade e consistência. Líquidos Orgânicos: álcool, cetonas, hexano, etc. e misturas Surfactante: substância adicionada para reduzir a tensão superficial entre o líquido e a superfície da partícula para melhorar o molhamento e dispersão, adsorvendo preferencialmente na superfície da partícula ou interfaces ( exemplo: estearato de sódio)

Defloculante O defloculante é um aditivo que produz uma dispersão de partículas pela adsorção às mesmas provocando um aumento das forças repulsivas devido a cargas elétricas superficiais o que impede uma aproximação das partículas.( Exemplos, silicato de sódio, poliacrilato de sódio)

Coagulantes Um coagulante é um eltrólito que promove a aglomeração de partículas pela redução de forças de repulsão entre elas. A aglomeração pode ser também produzia pela formação de “pontes” de moléculas poliméricas adsorvidas e coagulação de partículas coloidais (Floculação)

Ligantes Os ligantes floculantes entre são moléculas ou partículas coaguladas que sãoe adsorvidas as partículas cerâmicas coloidais podendo proporcionar a floculação entre elas, e ainda melhorar o molhamento das partículas, aumentar a viscosidade, retardar o tempo de sedimentação e alterar a dependência da viscosidade com a taxa de escoamento e temperatura. (exemplos; silicato de sódio, argila,PVAl, PVB)

Plastificantes O é adicionado para modificar as propriedades viscoelásticas de plastificante um filme ligante condensado sobre as partículas. ( PVal, CMC)


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Empacotamento Na fabricação de produtos cerâmicos realizamos o processamento de sistemas com uma distribuição de tamanhos e formas de partículas (características geométricas) determinadas pela seleção e mistura de matérias primas com características iniciais distintas e que sofreram operações de moagem, dispersão, classificação e granulação. Estas características geométricas do sistema de partículas têm grande influência no: Arranjo de partículas Tamanho e forma dos interstícios porosos Resistência à permeação de fluidos Comportamento de escoamento e deformação Comportamento durante a secagem Desenvolvimento da microestrutura durante a queima Exemplos Cerâmica Avançada Cerâmica Tradicional Cerâmicas Refratárias

-

Submicrometrico (<1micrometro) 0,1 a 100 micrometros Submicrometrico a 5mm.

Importância do Empacotamento Controla a Densidade a Verde Controla a Densidade após Queima Influência no Desenvolvimento da Microestrutura Controla o Grau de Retração Influencia na Formulação Cerâmico /Orgânico


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Modelo de Empacotamento Esferas Rígidas 4 Formas Diferentes de Empacotamento Cúbico, Ortorrômbico, Romboedral e Tetragonal Quantidade de vazios ou poros varia de 47 a 25% Empacotamento de partículas com um só tamanho – 40% porosidade Mistura de empacotamento Cúbico e Romboedral (hexagonal) Quando partículas de dois diâmetros diferentes são misturadas em várias proporções o volume aparente varia atingindo um mínimo com 80% de fração grossa O empacotamento de esferas pode ser realizado com tamanhos de esferas diferentes ou relação de diâmetros de esferas grossas e finas Empacotamento com 3 ou mais tamanhos de partículas diferentes Na prática observa-se que a relação de tamanho de partículas grossas e finas para uso no empacotamento faz com que os tamanhos de partículas diminuam rapidamente Df /Dg = 10

D f /D g = 7

Tamanho (microns) Malha 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001

18 140 -

Tamanho (microns)

Malha

2400 340 49 7 1 0,14 0,02

8 50 270 -


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Empacotamento de Esferas Rígidas


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Empacotamento de Dois tamanhos de Esferas


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Empacotamento de Três Tamanhos de Partículas


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PROCESSAMENTO CERÂMICO PROCESSAMENTO

CERÂMICO É A SEQUÊNCIA DE

OPERAÇÕES QUE PROPOSITADAMENTE OU SISTEMATICAMENTE MUDAM OS ASPECTOS FÍSICOS E QUÍMICOS DE UM MATERIAL E QUE CHAMAMOS DE CARACTERÍSTICA DO SISTEMA.

Processos de Conformação Seco Semi-Seco Prensagem

Conformação Plástica

Isostática Isostática a Quente Plástica a Quente Vibratória Extrusão Torneamento Injeção Manual Prensagem Calandragem

Colagem

Fusão

Filmes

Barbotina Barbotina Sólida Barbotina com Pressão De Fita Sopro Prensagem Estiramento Laminação CVD PVD Dip coating


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Processamento de Pós

Processamento de Matérias Primas (Pós) Conformação Queima ou Consolidação Acabamento Métodos de Conformação

Indireto

Direto

Prensagem Conformação Colagem Extrusão

Prens. a Quente HIP Fusão

Conformação e Queima

Queima

Produto

Técnicas de Conformação Parâmetros

Prensagem

Extrusão

Colagem

Teor de Água Duração do Processo Consumo de Energia Retração Geometria

—————→ Aumenta —————→ Aumenta —————→ Diminui —————→ Aumenta —→Simples ————→

Tamanho Número de Peças

→ → —→Aumento Diminui— —————→ ———— Aumenta ————— →


—————→ —————→ —————→ —————→ Complexa—→

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Métodos de Conformação e Produtos

Prensagem Técnicas de Conformação

Produtos Revestimentos Isol. Elétricos Alta Tensão Baixa Tensão Cer. Química Velas de Ignição Porc. de Mesa Oca Lisa Porc. Sanitária Manilhas Cadinhos Tubos Telhas Substratos Guia Fio Cer. Especiais

a c e S

a c e s i m e S

a c i t á t s o s I

Conf. Plástica

e t n e u Q a a d i a m c i t Ú á t s o s I

l a u n a M . n r o T

o c i t á m o t u A . n r o T

a c i t s á l P m e g a s n e r P

o o ã ã s ç u r j e t x I n E

a d i l ó S o ã s s e r P / S

a c O o ã s s e r P / S

o ã s s e r P / C

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a t i F e d m e g a l o C

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Colagem

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Técnicas de Conformação

Principais Técnicas Processo

Pressão

Teor de Água

Moldagem de Massa Plástica (Manual ou Auto)

Baixa

25-30 %

Extrusão

Baixa

15-20 %

Muito Alta

1-2 %

Prensagem Semi-Sêca

Alta

5-10 %

Prensagem Hidrostática

Muito Alta

0-17 %

Atmosférica ou Alta

>20 %

Prensagem a Seco

Colagem de Barbotina

Seleção da Técnica de Conformação

Tamanho da Peça Complexidade da Forma Geometria Tolerâncias Permitidas Custo


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Prensagem

Prensagem é a compactação e conformação uniaxial simultânea de um pó granulado com pequenas quantidades de água ou aditivos orgânicos, durante a compressão confinada em um molde metálico. Técnica mais comum de conformação de pós cerâmicos por possuir uma habilidade inerente de formar rapidamente uma variedade de formas com certa tolerância e um compacto controlado, usando mecanismos altamente mecanizados e equipamentos automáticos.


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Variáveis do Processo de Prensagem 1. Parâmetros da Prensa 2. Características do Pó 3. Aditivos


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Parâmetros da Prensa Ação Simples Ação Dupla Molde Flutuante

Pressão Utilizada: 20 a 100 MPa 800 a 1000Kg/cm2


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Material do Molde Aços duros Resistentes à Abrasão (Alto E) Aços ferramenta Aços Especiais (VND - 130) Tolerâncias:

±

1% em Massa ± 2mm em espessura

Variáveis Funcionais 1. Projeto do Molde 2. Mecanismos de Alimentação do Pó 3. Escoabilidade e Compactação do Pó 4. Temperatura e Atmosfera do Molde e do Pó 5. Pressão do Punção e/ou Programa de Deslocamento e Tempo de Prensagem 6. Programa de Extração


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Características do Pó Escoabilidade - Fluidez Parâmetro Crítico no Preenchimento do Molde – Influência na densidade e formação de defeitos •

•

Partículas grossas fluem mais que uniformemente que partículas finas Ideal: tamanho de granulados entre malhas 16 e 80

•

Partículas Primárias 1 micrômetros

•

Granulados 40 a 150 micrômetros

Técnicas de Granulação 1. Compactação Seguida por Moagem e Peneiramento 2. Moinho de Bolas e Peneiramento 3. Atomização


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Características de Granulados Industriais

Material Substratos Vela de ignição Sensor de Zirconia Ferritas SiC

Tamanho de Partícula (μm)

Aditivos (%)

Tamanho do Granulado (μm)

Densidade do Granulado (%)

Densidade de Preenchimento (%)

0,7 2,0 1,0 0,2 0,3

3,6 13,3 10,5 8,5 20,4

92 186 75 56 174

54 55 55 31 45

32 34 37 18 39


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Fluidez: Essencial para Preenchimento do Molde Granulados Denso Partículas quase Esféricas Superfícies Lisas Maior que 40 μm

Minimização dos Problemas de Prensagem Alta Densidade de Preenchimento do Molde 25 a 35 % da Densidade Teórica Redução do Conteúdo do Ar dentro do Molde Redução do Movimento do Pistão


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Aditivos

A seleção e aplicação de ligantes orgânicos ou inorgânicos é o terceiro fator crítico no processo de prensagem Ligantes: nome geral para os aditivos Os aditivos de processamento são necessários para o processamento de pós e a conformação das peças cerâmicas e são incorporados à massa cerâmica em quantidades pequenas e podem ser eliminados nas etapas subseqüentes do processamento. Funções dos Aditivos

•

•

•

Ligante: Resistência mecânica a verde Lubrificante: liberação do molde Plastificante: aditivo reológico que permite a flexibilidade do filme ligante e deformação dos granulados

•

Agente de Retenção: Retém a água durante a prensagem

•

Agente Anti-estático: controla a carga superficial das

•

•

•

partículas Meio Líquido ou Agente Molhador: líquido usado para molhar as partículas e dissolver os aditivos Defloculante:Controla a carga superficial e a dispersão das partículas, controle do pH Antiespumante: usado na prevenção de formação de espuma


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Compactação de Pós

Na Compactação o pó disperso torna-se uma unidade coesa, a porosidade dimínui, os granulados fraturam e o grau de interação aumenta com um maior número de contato interpartículas. Difícil de obter uma homogeneidade de pressão

Conseqüências: Variação da densidade a verde ponto a ponto Variação da resistência mecânica a verde Retração de queima não uniforme – Distorção Aplicação de Pressão Dependendo da intensidade da pressão aplicada ela pode causar a diminuição do tamanho de poros e um melhor contato entre as partículas e fratura dos aglomerados no ponto de contato


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De forma geral o aumento da Pressão provoca o aumento da Densidade a verde Diminuição da Retração Aumento da densidade após queima

Problema na Prensagem Uniaxial Falta de Uniformidade na Densidade ou Variação da Pressão aplicada

Variação de Pressão Devido a Fricção

Conseqüências da Variação de Pressão: Distorção e Trincas


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Efeito da Relação Altura/Diâmetro


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Comportamento de Pós na Compactação Estágios de Compactação 1. Deslizamento e rearranjo dos granulados sem ocorrer fratura, em pressões abaixo de 1000 Psi, com um deslocamento irreversível dos aglomerados/partículas

2. Inicio da deformação local e fratura dos granulados nos pontos de contato Forte influencia do tamanho de grão/tamanho de partícula Da força intergranular Do tamanho e forma das partículas Do módulo de elasticidade Região de densificação linear com o logaritmo da pressão aplicada D C = Df + m ln(Pa/Py)


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3 Região de Compressão Elástica Pressão aplicada de 10000 a 30000Psi Extração


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Mudança da Forma e Porosidade de Granulados


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Prensagem Isostática


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Colagem de Barbotina Processo utilizado par produzir um corpo auto sustentado a partir de uma mistura de sólidos e líquidos especialmente formulada, chamada de barbotina. Barbotina: suspensão estável de partículas sólidas em um líquido (água) mais um eletrólito(defloculante)

Etapas do Processo de Colagem 1. Preparação e mistura de um material particulado e um líquido em uma suspensão estável chamada de barbotina 2. Preenchimento de um molde poroso com esta barbotina, permitindo que uma parte do líquido da barbotina seja parcialmente absorvida pelo molde. Uma camada de material semi duro é formada contra a superfície do molde quando o líquido é removido da barbotina 3. Interrupção do processo quando uma camada satisfatória tenha sido formada. Isto é feito pela retirada do excesso de barbotina. Uma peça sólida pode ser obtida permitindo-se que a colagem continue até que a cavidade do molde seja preenchida, processo que é chamado de colagem sólida. 4. Secagem do material no molde até adquirir resistência adequada para o manuseio. Uma certa retração ocorre nesta etapa 5. Remoção do objeto sólido do molde


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Estágios do Processo de Colagem de Barbotina

1. Preparação do Molde de Gesso 2. Preenchimento do Molde com a barbotina 3. Formação da Camada Colada à parede do molde 4. A camada colada permanece após o esvaziamento do molde 5. Camada colada junto à parede do molde 6. Peça removida do molde


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Representação Esquemática dos Processo de Colagem Oca e Colagem Sólida

Desvantagens do Processo Dificuldade de controle dimensional Tempo de conformação


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Variáveis a Serem Controladas no Processo Molde Barbotina

Moldes Os moldes utilizados no processo são em geral de gesso (CaSO4 hidratado)

Razões para utilização do Gesso 1. Reprodução de Detalhes 2. Estabilidade Química e Física 3. A absorção pode variar em uma larga faixa para diferentes usos e a porosidade permite a liberação da argila 4. Uma superfície lisa e durável pode ser facilmente obtida 5. A uniformidade das propriedades físicas e químicas pode ser mantida 6. Os poros são difíceis de serem fechados pelos colóides 7. O custo é moderado O gesso utilizado nos moldes é formado pela reação de hidratação entre o sulfato de cálcio desidratado e a água CaSO4 .0,5H2 O + 1,5 H 2 O → CaSO4 .2H2 O

Relação entre a Quantidade de Água e a Quantidade de Gesso requerida para hidratação é 18,6/100, segundo a reação acima.


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Industrialmente a faixa de relação água/gesso é de 60/100 até 80/100, e é chamada de consistência

Valores de Consistência Para moldes de Colagem - 70 a 80 Para matrizes - 50 a 60

Os moldes apresentam tamanho de poros máximo de 5 micrometros e porosidade aparente de 40 a 50% (após secagem)

Distribuição de tamanhos de poros em moldes industriais usando consistência de 80, 65 e 40


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Desvantagens dos Moldes de Gesso •

• • •

Baixa resistência à compressão quando parcialmente saturado com água Erosão com osignificativa uso devidona à baixa Solubilidade água resistência à abrasão Baixa resistência ao Choque térmico Propriedades de Moldes de Gesso Coeficiente de Expansão Térmica Resistência à Compressão - Seco Resistência à Compressão - Úmido Resistência à Tensão - seco

15,5X10-6˚C-1 14 (MPa) 7 (MPa) 0,3 (MPa)

Solubilidade na Água a 25 ˚C

2,6 (g/l)

Variação da absorção de água e resistência à compressão com a consistência

Resistência a Compressão do Gesso


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Barbotina Suspensão estável de partículas sólidas em um líquido (água) mais um eletrólito(defloculante) Processo de Colagem Processo de Atomização Processo de Filtro Prensagem

Utilização de Barbotina

Principais Características das Barbotinas Viscosidade Densidade (Relação Sólido / Líquido) •

•

Viscosidade é a resistência que um liquido oferece ao escoamento

Em sólidos a taxa de cisalhamento (γ) é proporcional ao inverso do módulo de cisalhamento (μ) vezes a tensão de cisalhamento (τ)

γ

= 1/ μ x τ

No caso de líquidos e suspensões, que não suportam cisalhamento, a relação entre a taxa de (cisalhamento (d γ /dt) é proporcional ao inverso da viscosidade η), vezes a tensão de cisalhamento τ dγ /dt

= 1/ η x τ

η = Viscosidade (Pa)

Válido para Líquidos Newtonianos


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Sistemas reais apresentam comportamentos diferentes como os Líquidos de Binghan (caso de barbotinas e escoamento plástico) e comportamentos que dependem do valor da taxa de cisalhamento aplicada e ainda dos efeitos do tempo.

Efeitos da Taxa de Cisalhamento Pseudo Plasticidade: ocorre uma diminuição da viscosidade quando a taxa de escoamento aumenta Dilatância: corresponde a um aumento na viscosidade quando a taxa de escoamento aumenta


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Efeitos do Tempo ou da História do Sistema Reopexia: o aumento da taxa de cisalhamento leva a um aumento da viscosidade Tixotropia: aumento na taxa de cisalhamento leva a um decréscimo na viscosidade ou se a agitação cessa a alta viscosidade é recuperada

As barbotinas cerâmicas podem ser classificadas em 3 classes: Newtoniana, Dilatante e Tixotrópica, dependendo da variação da viscosidade aparente em função da taxa de escoamento


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As barbotinas cerâmicas devem ter uma alta concentração de sólidos (45 a 60% em volume ou 50 a 75% em peso) o que diminui a Viscosidade

Efeito do Volume de Sólidos e Tamanho de Partícula na Viscosidade


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Os Parâmetros Importantes nas Suspensões São: Natureza do Sólido e Liquido Relação Sólido/Liquido Forma e Tamanho das Partículas (<5μm) No Sistema Triaxial a Argila Fornece as Propriedades Coloidais do Sistema Forma das Partículas

Na Massa Cerâmica a Fração Coloidal é em Aproximadamente de 10% mas Contribui com 80% da Área Superficial


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Carga em Partículas Coloidais Nas Argilas as Cargas Elétricas São Devidas Principalmente a Existência de Ligações Quebradas e a Presença de Impurezas

Na superfície das partículas os íons não tem os vizinhos mais próximos normais - as ligações insaturadas ou ligações quebradas correspondem a cargas que não são balanceadas. Íons estranhos são adsorvidos para restaurar o equilíbrio de cargas mas quando imersos em água estes íons se difundem no líquido e a partícula torna-se carregada. Nas partículas de caulinita (hexagonais) os efeitos das arestas predominam. Outro fator importante é que alguns líquidos são polares, como a água, e atuam como pequenos dipolos e formando uma camada adsorvida na superfície da partícula, construindo uma liosfera. Quando imersa em um líquido polar uma camada de moléculas de liquido permanecem ligadas na partícula quando ela migra, formando um potencial entre a superfície da partícula e líquido livre, conhecido como Potencial Zeta


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As propriedades reológicas da barbotina são controladas pelo potencial zeta, determinando quando a barbotina esta floculada ou defloculada, utilizando íons monovalentes na solução para desaglomerar – DEFLOCULAR – a barbotina. A barbotina pode ter as propriedades reológicas – viscosidade - modificadas para ter uma alta concentração de sólidos e baixa viscosidade, através da troca de íons existentes na suspensão.

Defloculantes Solúveis em água - Monovalentes

Silicato de Sódio - Na SiO 3 Hidróxido de Sódio Hexametafofato de Sódio Amônia Poliacrilato de Amônia Poliacrilato de Sódio


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Curvas de Defloculação


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Mecanismo de Colagem Fundição

Quando uma barbotina contendo aproximadamente 25% de água preenche um molde de gesso seco a água imediatamente começa a migrar para os capilares do molde de gesso por forças capilares. A barbotina junto à parede do molde de gesso perde água o suficiente para aumentar o ponto de escoamento tornando-se firme. Passado o tempo a espessura do material colado junto a parede do molde aumenta e o molde torna-se molhado


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Distribuição de Água no Processo de Fundição


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Propriedades de Barbotinas de Colagem

1. Viscosidade suficiente para poder ser vertida com facilidade 2. Baixa velocidade de sedimentação 3. Habilidade pra drenar facilmente e uniformemente (no molde de gesso) 4. Dar peças boas e resistentes em colagem de peças de grandes dimensões 5. Estabilidade das propriedades quando armazenadas 6. Separação rápida do molde 7. Velocidade de colagem adequada 8. Baixa retração de secagem após colagem 9. Alta resistência mecânica à úmida e a seco após colagem 10. Livre de ar preso 11. Tixotropia e dilatância adequada


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Conformação Plástica Extrusão Prensagem Plástica Torneamento Nestes processos um material que exibe um comportamento plástico quando comprimido, é consolidado e deformado em uma forma particular que se mantém após a retirada da pressão aplicada. A extrusão ou maromba é um dos principais processos de conformação de massa plástica que consiste em forçar um material plástico sob pressão através de aberturas em um molde rígido


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Plasticidade A Plasticidade é encontrada principalmente nos sistemas argila –água devido a presença de argilo minerais, como a caulinita,que ocorre na natureza na forma de placas hexagonais. Estas partículas são envolvidas por um filme de água que atua como um lubrificante, permitindo que as partículas deslizem uma sobre as outras. O limite plástico corresponde á quantidade mínima de água para formar um filme ao redor de cada partícula e o limite líquido corresponde a máxima espessura que o filme atinge antes da água escoar livremente e formar uma pasta. Não são todas as matérias primas que apresentam plasticidade, como quartzo, alumina, que são materiais não plásticos Água de Plasticidade Mineral

% em Peso de Água

Caulinita

9,0 - 56,0

Ilita Haloisita Atapulgita Montmorilonita

17,0 - 38,5 33 - 50 93,0 83 - 50


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Massas plásticas contendo argila comportam-se como uma suspensão do ponto de vista reológico. Entre tanto a massa plástica tem um ponto de escoamento muito maior e tem a propriedade de retenção da forma porque a força da gravidade é menor que o ponto de escoamento, sendo a influencia da quantidade de água crítica. Uma barbotina de boas propriedades pode ser obtida com apenas 2% a mais de água que uma massa plástica de mesma composição, que se comporta como um sólido.

Curvas de Tensão – Deformação para Massa Plástica


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Estágios do Processo

Extrusão por Pistão e Extrusão por Rosca Sem Fim


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Equipamentos


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Composição de Produtos Produzidos por Extrusão

Porcelana Elétrica Material

% em Volume

Quartzo(<44 μm) Feldspato(<44 μm)

16 16

Caulim Argila Plástica Água

16 16 36

Material

Refratário Aluminoso % em Volume

Alumina(<20 μm) Hidroxietil celulose Água


50 6 44

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Prensagem Plástica

Torneamento


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Tratamentos Térmicos em Materiais Cerâmicos Efeitos do Calor

Secagem Aquecimento (Reações) Queima

Secagem envolve o transporte de energia para o produto; o líquido é transportado através de poros para o menisco onde a evaporação ocorre e por transporte de vapor através dos poros interconectados e ser levada para a superfície do produto e o vapor deve ser removido

Variáveis importantes Temperatura do Ar Umidade Relativa Fluxo de Ar


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Estágios de Secagem •

•

Velocidade constante e Retração Velocidade decrescente com pouca ou nenhuma retração

Empenamentos

Trincas


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Parâmetros de Controle •

Temperatura

•

Fluxo de Ar - Umidade Relativa

Distribuição de Água


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Tipos de Água presente em Massa Cerâmicas

Sistema Argila-Água


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Velocidade de Secagem

Entre A e B a velocidade de secagem é constante, corresponde a saída de água livre. A partir de B a massa muda de aspecto úmido para seco, ou seja, até B há sobre a superfície uma película de água contínua de água que atua como água livre A partir de B a água começa a sair dos pelos poros, diminuindo a velocidade de secagem. Entre C e D a água adsorvida fisicamente nas partículas começa a sair, como também a água dos reticulados cristalinos (Alta temperatura) Conseqüência da Secagem – Retração


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Retração de Argilas


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Transformações Térmicas

O estado de equilíbrio de um sistema pode ser alterado pela adição de um outro componente químico (ou mudança da proporção) e pela mudança de temperatura ou pressão Estas alterações provocam mudança no estado de equilíbrio através da ocorrência de reações que irão prosseguir até que um novo estado de equilíbrio seja atingido. Estas alterações podem se de duas formas

Reações Físicas – não há mudanças na composição química mas a substância pode sofrer transformações de fase, fusão, solidificação, precipitação, etc, e ocorrem devido aos efeitos da pressão ou calor

Reações Químicas – A principal diferença entre as reações químicas e físicas é que o produto de uma reação é de composição diferente daquela do material original


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MUDANÇAS FÍSICAS

Baixas Temperaturas Redução de volume Aumento da compactação e densidade Perda de Peso Remoção de substâncias em solução Mudanças na plasticidade Mudanças na viscosidade

Altas Temperaturas Mudança na temperatura da massa cerâmica Mudança no estado do material Mudanças no volume do material (expansão/contração) Mudanças na porosidade do corpo Mudanças na densidade Mudanças na resistência do corpo Mudanças de peso Mudanças na cor Mudanças nas propriedades em geral


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Reações Termoquímicas No início - transformações que ocorrem nas matérias primas individualmente Após - transformações em massas cerâmicas quando temos muitos componentes que reagem entre si formando ou originando outros materiais (fases)

Em geral temos vários componentes

•

•

•

•

•

•

Exemplo: Caulinita Perda de água na superfície Perda de água de hidratação a 450 OH → H 2 O – forma metacaulinita Em Temperaturas de 980°C ocorre a formação de espinélio e se decompõe em mulita e sílica Em Temperaturas de 1250°C começa a formar vidro O Feldspato começa a forma vidro em temperaturas de 1100 Na presença de quartzo o feldspato reage formando vidro com alta viscosidade


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REAÇÕES EM ALTAS TEMPERATURAS

As mudanças

químicas que podem ocorrer quando os

materiais cerâmicos não queimados são aquecidos dependem dos seguintes fatores:

•

Composição mineralógica do material

•

Distribuição de tamanho de partícula dos minerais

•

•

Áreas de contato entre as partículas que reagem Taxa de aquecimento de cada estágio ou período

•

Temperatura máxima atingida durante o aquecimento

•

Duração da queima nos vários estágios ou períodos

•

A atmosfera ao redor do material durante o aquecimento


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FATORES QUE INFLUENCIAM AS REAÇÕES QUÍMICAS

Composição química ou mineralógica Tamanho e distribuição de tamanho de partícula Temperatura Tempo Pressão Pressão de vapor Atmosfera Fenômenos de superfície Ângulo de contato ou tensão superficial Estrutura cristalina Viscosidade Solubilidade Ação seletiva Ação catalítica Condutividade térmica Condutividade elétrica Mudanças de estado Intimidade da associação Quantidade relativa das substâncias


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Outros Efeitos do Calor

Reações de Decomposição De aditivos orgânicos De materiais inorgânicos

Reações Polimorficas Transformações de Fase

Reações de Formação de Fase Formação de Fase vítrea Formação de Mulita a partir de Caulinita


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Sinterização

Definições É a ligação da superfície das partículas adjacentes em uma massa de pó ou compacto, pelo aquecimento. Processo no qual o material conformado é aquecido de maneira que as partículas se agreguem por processos de difusão ou formação de fase vítrea, ocorrendo densificação e aumento da resistência mecânica.

Categorias Vitrificação Sinterização por Fase Líquida Sinterização no Estado Sólido


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Vitrificação: a composição e a temperatura escolhida é tal que o líquido(vidro) se forma para eliminar a fase gasosa (poros) entre os pós granulados. Sinterização por Fase Líquida: a composição e a temperatura de processamento é tal que certa quantidade de líquido é formada mas em quantidade insuficiente para remover a fase gasosa (ou porosidade); mudanças na forma do grão é necessária para se atingir 100% da densidade Sinterização no Estado Sólido: nenhuma fase líquida é formada na temperatura de tratamento térmico, e toda densificação é obtida pela mudança na forma do grão ou partícula por processos de difusão.

A força motriz envolvida no processo de sinterização é a redução de energia superficial e a diferença de pressão em superfícies curvas


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Mecanismos de Transporte de Massa Durante a Sinterização no Estado Sólido

1 2 3 4 5

Caminhos de Difusão Difusão pela Superfície Difusão pela Rede Cristalina Transporte por Vapor Difusão pelo Contorno de grão Difusão pela Rede Cristalina

Fonte de Material Superfície Superfície Superfície Contorno de Grão Contorno de Grão

6

Difusão pela Rede Cristalina

Discordâncias

Os caminhos 4 a 6 levam a retração


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Cerâmicas Triaxiais


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Curvas de Sinterização de Ferritas


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Vidros

Definições •

•

Líquido resfriado de alta viscosidade Substância inorgânica em uma condição contínua e análoga ao estado líquido daquela substância, porem devido ao fato de ter sido resfriado de uma condição fundida atingiu um grau de viscosidade tão alto que é considerada rígida para todos os fins práticos.

•

Sólidos inorgânicos não cristalinos

•

Silicatos líquidos

•

É um estado da matéria cuja estrutura é amorfa ou desordenada como a de um líquido, embora possua variações contínuas de composição e ausência de um ponto de fusão definido, mas amolece gradualmente com o aumento da temperatura

•

Produto inorgânico da fusão que foi resfriado para uma condição rígida, sem cristalizar.


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Difração de Raios-X


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Estrutura dos Vidros


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Difração e Curvas de Resfriamento


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Composição dos Vidros Formadores Intermediários Modificadores

Formadores Óxidos formadores do reticulado da estrutura dos vidros Regras de Zacharias em para um óxido formar vidro •

•

•

•

Cada átomo de oxigênio não deve estar ligado a mais de dois cátions O número de átomos de oxigênio ao redor de qualquer cátion deve ser pequeno O poliedro (Tetraedro da sílica) de oxigênio deve compartilhar os vértices e não as arestas para formar um reticulado tridimensional Pelo menos três vértices de cada tetraedro devem ser compartilhados Cátions formadores de vidros Si – B - Ge – P – Al – V – As – Sb – Zr


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Intermediários Óxidos nos quais os átomos podem entrar na estrutura do vidro como substitutos parciais de formadores de reticulado ou formam o reticulado do vidro com outras substâncias não formadoras de vidro Cátions Intermediários Zn – Pb – Al – Zr – Cd

Modificadores Óxidos de cátions alcalinos e alcalinos terrosos, de chumbo e zinco. Estes átomos ajustam se nos vazios dos reticulados e enfraquecem a ligação, de forma que o vidro tem uma temperatura de amolecimento mais baixa , menor resistência química e maior coeficiente de expansão térmica. Cátions Modificadores Na – K – Ca – Mg - Zn – Pb Ponto de fusão


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Silicatos Formadores de vidros SiO 2 Na 2 SiO 3 K 2 SiO 3 PbSiO 3 BaSi2 O 5 Β

-CaSiO 3

1715°C 1089°C 976°C 770°C 1426°C 1540°C

Temperaturas Típicas de formação de Vidro Vidro de Borosilicato Vidro Plano (NaO,Cao,SiO 2 ) Cristal (PbO)

582 - 610°C 540 -585°C 480-545°C


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Viscosidade: importante para trabalhabilidade e recozimento


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Composição dos Vidros


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Reações em Vidros


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Fornos


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Processos de Conformação


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Diagramas de Equilíbrio


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Propriedades Mecânicas

Cerâmicas

Estruturais:

materiais

cerâmicos

com

propriedades de suportar fratura e fadiga com aplicação de carga em altas e baixas temperaturas.

Quando uma carga é aplicada a um material ocorre uma alteração de forma devido a pequenas mudanças na distância interplanar. A carga é definida em termos de tensão σ (MPa) e a mudança de dimensões em termos de deformação ε. A quantidade de deformação depende das ligações químicas, da tensão e da temperatura. Até certos limites de tensão

a

deformação é reversível, ou seja, o espaçamento atômico retorna a seu estado original e a deformação desaparece – temos então uma deformação elástica e a tensão e deformação estão relacionadas por:

σ = E.ε onde E é o módulo de elasticidade ou módulo de Young


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Para tensões de cisalhamento

τ=

G.γ

onde γ é a deformação por cisalhamento e τ a tensão de cisalhamento

Os

materiais

cerâmicos

à

temperatura

ambiente

e

temperaturas intermediárias comportam-se elasticamente, sem deformação plástica apresentando um comportamento frágil. O modulo de elasticidade dos materiais cerâmicos é elevado devido ao tipo de ligações químicas existentes. Quanto mais forte a ligação interatomica

maior

a

tensão

necessária

pra

aumentar

o

espaçamento interatomico

Módulo de Elasticidade (GPa) Diamante

1035

NaCl

44,2

SiC

440

Vidros

69

MgO Alumínio

207 69

Ferro

197

Nylon

2,8

Borracha

0,0035 a 3,5


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Nos materiais cerâmicos a porosidade que esta sempre presente nos materiais cerâmicos afeta o módulo elástico, diminuindo o seu valor E = E o (1-1,9.P+0,9.P2) onde E o é o modulo elástico do material não poroso P a fração de poros. Esta relação é valida para porosidade menor que 50% e relação de Poisson 0,3

Resistência Teórica

Resistência Teórica é a tensão requerida para quebrar as ligações atômicas e separar uma estrutura e é dada por

σ Th = (E.γ /a o )1/2 onde é σ Th a resistência teórica, E é o módulo elástico, a o é à distância interplanar e γ a energia de fratura. A Alumina com E = 380GPa teria uma resistência teórica da ordem de 38GPa a 76GPa. Este valor nunca é atingido, devido à presença de defeitos que resultam em uma concentração de tensões e conseqüente fratura em cargas abaixo da resistência teórica.


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Valores de Resistência (GPa)

Material

E

R Th

Resistência

Resistência em

Estimada

em Fibras

Policristais

Al 2 O 3

380

38

16

0,4

SiC

440

44

21

0,7

Os valores de resistência de materiais cerâmicos variam dependendo dos defeitos que estejam presentes

O problema é que a resistência mecânica não é uma propriedade intrínseca do material e depende do método de preparação da cerâmica, de tratamentos superficiais, da velocidade do teste e do tamanho da amostra. Os valores obtidos são estatísticos e os valores publicados são valores médios

Propriedades Importantes

Resistência à Flexão Resistência à Compressão Resistência à Tensão Módulo de Ruptura Resistência à Fadiga Resistência à Abrasão


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Principais Materiais com Aplicação Estrutural SiC - Si 3 N 4 – ZrO 2 – Al 2 O 3 Refratários

Efeito dos Defeitos Macroscópicos Trincas

A presença de defeitos como trincas, poros ou inclusões nos materiais cerâmicos resulta em concentrações de tensões.


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Concentração de Tensões

A concentração de tensão na extremidade de uma trinca elíptica em um material é dada por

σ m = σ a . 2.(c/ρ)1/2 onde σ m é a tensão máxima na extremidade da trinca, σ a a tensão aplicada, 2c é o comprimento da trinca e ρ é o raio de curvatura da extremidade da trinca

Valores Típicos para Nitreto de Silício

ρ = 20nm

C = 170 μm Fratura ocorre a 150Mpa Substituindo na equação o fator de concentração de tensões é de 1840


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Tensão de Fratura

A Tensão de Fratura de um material cerâmico esta relacionada ao tamanho do defeito (trinca), através da relação proposta por Griffith

σ f = A.(E.γ /c)1/2 onde σ f é a tensão de fratura, E é o módulo elástico, γ a energia de fratura, c é o tamanho da trinca e A é uma constante que depende da geometria do espécime e da trinca.


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Tenacidade à Fratura

A concentração na extremidade da trinca é dada em termos de fatores de intensificação denominado K Ic , que é o fator de intensidade de tensões critico, a partir do qual uma trinca irá se propagar e levar a fratura. Também chamado de Tenacidade á Fatura, é considerado uma propriedade intrínseca dos materiais Para uma tensão aplicada e comprimento de trinca 2c a tenacidade á fratura é calculada por

K Ic = σ a. . Y. c ½

onde Y é um valor adimensional determinado pela configuração da trinca e geometria do carregamento


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Mecanismo de Tenacificação por Transformação de Fase

Aumento da tenacificação dos materiais cerâmicos por transformação de fase induzida por tensão – transformação martensitica induzida por tensão em zircônia

Transformação Tetrágonal para Monoclínica Aumento de 4% em volume – expansão

A fase tetragonal estável a altas temperaturas é retida como uma fase metaestável à temperatura ambiente, podendo a transformação de fase ocorrer à temperatura ambiente com aplicação de tensão e atuar na extremidade da trinca.

Com a aplicação de carga a trinca tende a avançar na região de transformação, que oferece uma resistência à propagação da trinca, resultando um aumento na tenacidade

O aumento da energia de fratura pela retenção da trinca depende da quantidade de partículas transformáveis na estrutura, o tamanho de partículas transformáveis e da largura da zona de transformação.

Zircônia TZP Alta tenacidade à fratura (6 a 13 MPaM1/2) Alta Resistência Mecânica (2500Mpa)


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Efeito da Temperatura na Resistência Mecânica


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CERÂMICAS CONDUTORAS

Materiais Típicos RuO 2 , PbO 2 TiO, Ti2 O 3 , VO,V 2 O 5 Tl 2 O 3

Propriedades Importantes Resistividade Elétrica Coeficientes de Temperatura


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CERÂMICAS SEMICONDUTORAS

Materiais Típicos SiC ZnO TiO 2 ,ZrO 2 Ni x O,Fe x O,Mn x O,Fe 3 O 4



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CERÂMICAS NÃO CONDUTORAS Constante Dielétrica Baixa Materiais Típicos Vidros e Vidrados Al 2 O 3 , MgO, BeO Esteatita, Forsterita Mulita, Zirconia

Propriedades Importantes Condutividade Iônica Constante Dielétrica Fator de Perda Resistividade Elétrica Coeficientes de Temperatura


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CERÂMICAS NÃO CONDUTORAS Constante Dielétrica Alta Materiais Típicos BaTiO 3 , KNbO 3 ,PbTiO 3 -PbZrO 3 PbNb 2 O 6 , PbTa 2 O 6 PbBi 2 Nb 2 O 5

Propriedades Importantes Constante Dielétrica Polarização Espontânea Estrutura de Domínios Temperatura de Transição Polarização Remanescente Campo Coercitivo Módulo Piezoelétrico Coeficiente de Acoplamento Mecânico


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CERÂMICAS MAGNÉTICAS

Materiais Típicos Fe 3 O 4 , MnFe 2 O 4 , NiFe 2 O 4 , ZnFe 2 O4, MnFe 2 O 4 BaO.6Fe 2 O 3 , PbO.6Fe 2 O 3 3Y 2 O 3 .5Fe 2 O 3 , 3Gd 2 O 3 .6Fe 2 O 3

Propriedades Importantes Permeabilidade Constante Dielétrica Condutividade Elétrica Magnetização Espontânea Magnetização Remanente Campo Coercitivo Forma da Curva Histerese Temperatura dede Transição Energia Anisotrópica


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CERÂMICAS SUPERCONDUTORAS

Materiais Típicos YBa 2 CuO 7 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10

Propriedades Importantes Resistividade = 0 Corrente Elétrica Crítica Temperatura Crítica Campo Magnético Crítico


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CERÂMICAS CONDUTORAS

Materiais Típicos RuO 2 , PbO 2 TiO, Ti 2 O 3 , VO,V 2 O 5 Tl 2 O 3



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CERÂMICAS SEMICONDUTORAS

Materiais Típicos SiC ZnO TiO 2 ,ZrO 2 Ni x O,Fe x O,Mn x O,Fe 3 O 4



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CERÂMICAS NÃO CONDUTORAS Constante Dielétrica Baixa Materiais Típicos Vidros e Vidrados Al 2 O 3 , MgO, BeO Esteatita, Forsterita Mulita, Zirconia

Propriedades Importantes Condutividade Iônica Constante Dielétrica Fator de Perda Resistividade Elétrica Coeficientes de Temperatura


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CERÂMICAS NÃO CONDUTORAS Constante Dielétrica Alta Materiais Típicos BaTiO 3 , KNbO 3 ,PbTiO 3 -PbZrO 3 PbNb 2 O 6 , PbTa 2 O 6 PbBi 2 Nb 2 O 5

Propriedades Importantes Constante Dielétrica Polarização Espontânea Estrutura de Domínios Temperatura de Transição Polarização Remanescente Campo Coercitivo Módulo Piezoelétrico Coeficiente de Acoplamento Mecânico


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CERÂMICAS SUPERCONDUTORAS

Materiais Típicos YBa 2 CuO 7 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10

Propriedades Importantes Resistividade = 0 Corrente Elétrica Crítica Temperatura Crítica Campo Magnético Crítico


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CERÂMICAS MAGNÉTICAS

Materiais Típicos Fe 3 O 4 , MnFe 2 O 4 , NiFe 2 O 4 , ZnFe 2 O4, MnFe 2 O 4 BaO.6Fe 2 O 3 , PbO.6Fe 2 O 3 3Y 2 O 3 .5Fe 2 O 3 , 3Gd 2 O 3 .6Fe 2 O 3

Propriedades Importantes Permeabilidade Constante Dielétrica Condutividade Elétrica Magnetização Espontânea Magnetização Remanente Campo Coercitivo Forma da Curva Histerese Temperatura dede Transição Energia Anisotrópica


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Apostila - Materiais Cerâmicos

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