Ciências dos Materiais - Aula 12 - Materiais Cerâmicos e suas aplicações

1
Materiais Cerâmicos e suas
Aplicações

2
• Materiais Cerâmicos: propriedades e produtos
• Definição
• Materiais cristalinos e amorfos
• Imperfeições
• Classificação dos Materiais Cerâmicos
• Estrutura
• Iônicos
• Silicatos
• Carbono
• Cerâmicas de Alto Desempenho
• Processos de Fabricação
• Vidros
• Refratários / Cimentos

4
Processamento,
estrutura, propriedades
processamento
estrutura propriedades

5
Materiais:
estrutura e propriedades
Material Estrutura Propriedades
Ligação Cristali-
nidade
Estabilidade Conduti-
vidade
Mecânica
Cerâmico Iônica,
covalente
Amorfa,
cristalina
Alta Média Média
Metálico Metálica
Cristalina
Média
Alta Alta
Polimérico Covalente,
van der
Waals
Amorfa,
semicristalina
Baixa
Baixa
Baixa
[VanVlack,1984]

7
Estabilidade térmica e química
Suscetível a corrosão, oxidaçãoMetal
Resistente a corrosão, oxidação,
altas temperaturas
Cerâmico
Degrada com solventes, altas
temperaturas
Polímero
CaracterísticaMaterial

8
Condutividade elétrica
[Callister,2000]
10-8 a 10-7Metal
10-6 a 1018Cerâmico
108 a 1017Polímero
Resistividade elétrica (ohm-m)Material

9
Condutividade térmica
[Callister,2000]
10 a 400Metal
1 a 500Cerâmico
0,01 a 0,5Polímero
Condutividade térmica (W/m-K)Material

10
 Dilatação térmica
 depende da composição e da estrutura cristalina
 baixa quando comparada com metais e polímeros
 Possuem um número pequeno de elétrons livres
 condutividade elétrica é praticamente nula.
 existem materiais cerâmicos semicondutores,
condutores e até supercondutores (para certos
valores de temperatura)
 Condutividade térmica
 depende da composição e da estrutura cristalina

11
Módulos de elasticidade
10 a 400Metal
10 a 1200Cerâmico
0,002 a 5Polímero
Módulo de elasticidade (GPa)Material
[Callister,2000]

12
Resistência mecânica
100 a 2400Metal
10 a 1500Cerâmico
10 a 90Polímero
Resistência sob tensão (MPa)Material
[Callister,2000]

13
Deformação
1 a 60Metal
-Cerâmico
1 a 1400Polímero
Deformação (%)Material
[Callister,2000]

14
Tenacidade à fratura
20 a 90Metal
0,3 a 12Cerâmico
0,5 a 6Polímero
Tenacidade a fratura (MPa-m-1/2)Material
[Callister,2000]

15
DEFINIÇÃO
 Cerâmica vem da palavra grega keramikos
(κεραμικός) que significa matéria-prima
queimada.
 Materiais cerâmicos são compostos de
elementos metálicos e não metálicos.
Ligação iônico-covalente. Principalmente
cristalinos (ou vítreos). Consolidados em
altas temperaturas. Podem ser simples ou
complexos. Podem ser óxidos, nitretos,
carbetos, silicetos, aluminetos, etc.

16
Composto
Cerâmico
Ponto de
fusão (ºC)
% Caráter Covalente % Caráter Iônico
MgO 2798 27 73
Al2O3 2050 37 63
SiO2 1715 49 51
Si3N4
1900 70 30
SiC 2500 89 11
• Comparação entre a porcentagem (%) do caráter iônico e
covalente de vários compostos cerâmicos; e suas respectivas
temperaturas de fusão.

17
% caráter iônico = {1- exp[-0.25(XA – XB)2]} x 100
Onde:
XA e XB – eletronegatividade dos elementos

18
Esta ampla gama de materiais inclui
cerâmicas de materiais argilosos, cimento e
vidros, entre outros.
Até 1960, os materiais mais importantes
nesta classe eram as chamadas cerâmicas
clássicas, para as quais a matéria prima
principal era a argila.
Os produtos que são considerados
cerâmicas tradicionais são porcelana branca,
tijolos, vidros e cerâmicas de altas
temperaturas.
As cerâmicas são compostos de no mínimo
dois componentes e suas estruturas
cristalinas são muito mais complexas do que
os metais.

19
Cerâmica: tradicional
 Minerais de composição inconstante e
pureza duvidosa são expostos a um
tratamento térmico não-mensurável,
que dura o suficiente para permitir
que reações desconhecidas ocorram
de modo incompleto, formando
produtos heterogêneos e não-
estequiométricos, conhecidos com o
nome de materiais cerâmicos.

20
Cerâmica: moderna
 Materiais cerâmicos são compostos
sólidos formados pela aplicação de
calor, algumas vezes calor e pressão,
constituídos por ao menos
 um metal (M) e um sólido elementar
não-metálico (SENM) ou um não-metal
(NM),
 dois SENM, ou
 um SENM e um não-metal (NM)

21
Metais e não-metais
 Metais (M): Na, Mg, Ti, Cr, Fe, Ni, Zn,
Al...
 Não-metais (NM): N, O, H,
halogênios (VII A)
 Sólidos elementares não-metálicos
(SENM): isolantes (B, P, S, C ) ou
semicondutores (Si, Ge)

22
Tabela periódica dos elementos
19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
55
Cs
56
Ba
*
La
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
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81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
87
Fr
88
Ra
**
Ac
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La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
71
Lu
103
Lw
2
He
5
B
6
C
7
N
8
O
9 F 10
Ne
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
1
H
3 Li 4
Be
11
Na
12
Mg III A
II A
I A
IV A V A VI A VII A  VIII A  I B
III B
II B
IV B V B VI B VII B
VIII B
Líquido GásSólido
* Lantanídeos
** Actinídeos
Metais Não-Metais

23
19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
55
Cs
56
Ba
*
La
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
87
Fr
88
Ra
**
Ac
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La
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Ce
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Pr
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Nd
61
Pm
62
Sm
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Eu
64
Gd
65
Tb
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Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
89
Ac
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Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
71
Lu
103
Lw
2
He
5
B
6
C
7
N
8
O
9 F 10
Ne
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
1
H
3 Li 4
Be
11
Na
12
Mg III A
II A
I A
IV A V A VI A VII A  VIII A  I B
III B
II B
IV B V B VI B VII B
VIII B
Líquido GásSólido
* Lantanídeos
** Actinídeos
Tabela periódica dos elementos
Sólidos Elementares
Metais Não-Metálicos

24
Exemplos de combinações
 M + NM: MgO, Al2O3, BaTiO3,
YBa2Cu3O7...
 M + SENM: TiC, ZrB2...
 SENM + SENM: SiC, B4C
 SENM + NM: SiO2, Si3N4

25
Cerâmica, vidro, argamassa
Tipos Sequência de processamento
Cerâmica pó  forma  calor
Vidro pó  calor  forma
Argamassa calor  pó  forma

26
Cerâmica tradicional x avançada
Cerâmica Matérias-
primas
Estrutura Proprie-
dades
Processa-
mento
Aplicações
Tradicional
(silicatos)
naturais,
minerais
industriais
(<98%
pureza)
não-uniforme,
porosa
mecânica,
estética
olaria,
colagem,
prensagem,
extrusão,
queima
construção,
produtos
domésticos
Avançada
(alto de-
sempenho,
alta tecno-
logia)
produtos
químicos
industriais
(>98%
pureza)
homogênea,
menos porosa
elétrica,
magnética,
nuclear,
óptica,
mecânica,
térmica,
química,
biológica
prensagem
isostática,
moldagem
por injeção,
sinterização,
ligação por
reação
eletrônica,
estrutural,
química,
refratários

27
Produtos e aplicações
 Térmica
 Elétrica
 Magnética
 Óptica
 Nuclear
 Química
 Biológica
 Mecânica
 Estética

28
Funções térmicas
Funções Classes Aplicações Exemplos
condutividade trocadores de calor
para pacotes
eletrônicos
AlN
Térmicas isolamento revestimentos
isolantes para fornos
de alta temperatura
fibras de SiO2, Al2O3,
ZrO2
refratariedade revestimentos
isolantes para fornos
de alta temperatura
(metais fundidos,
escórias)
SiO2, Al2O3, ZrO2

30
Ônibus Espacial
• 70% da superfície tem proteção de
temperatura de 400 a 1260°C;
• Placas de fibras de sílica vítrea de alta
pureza (LRSI)

31
Funções elétricas
condutividade elementos de
aquecimento para
fornos
SiC, ZrO2, MoSi2
Elétricas dielétricos capacitores BaTiO3, SrTiO3
isolamento substratos de circuitos
eletrônicos
Al2O3, AlN

32
Capacitores de Cerâmica
O dielétrico é um material cerâmico.

33
Supercondutor de alta Temperatura
A cerâmica
YBa2Cu3O7 é um
supercondutor e
está sendo levitado
acima de um imã
permanente devido
ao efeito de
Meissner.

34
Funções magnéticas
magnetos duros ímãs de ferrita (Ba,Sr)O·6Fe2O3
Magnéticas e
super-
condutoras
magnetos moles núcleos de
transformadores
(Zn,M)·6Fe2O3, com
M=Mn,Co, Mg
supercondutividade fios e magnetômetros YBa2Cu3O7

35
Funções ópticas
translucência materiais para
lâmpadas de Na
Al2O3, MgO
Ópticas transparência cabos de fibra óptica SiO2
transparência ao
infravermelho
janelas para laser
infravermelho
CaF2, SrF2, NaCl

36
Fios de Fibra Óptica
 Substitui os fios de Cu para o envio
de sinais de comunicação /
informação.
 Fios de fibras ópticas são capazes de
transportar muito mais informação do
que os fios de cobre convencionais.
 Fios de fibras ópticas são
relativamente mais baratos do que os
de cobre.

37
Funções nucleares
fissão combustível UO3, UC
Nucleares fissão moderadores de
nêutrons
C
fissão revestimentos em
reatores
Concreto

38
Funções químicas
catálise suporte de catalisador Mg2Al4Si5O15
Químicas condutividade
sensitiva a gases
sensores de gases ZnO, ZrO2, SnO2,
Fe2O3
separação filtros SiO2, Al2O3

39
Funções químicas
 sensores de gases
 principais materiais: ZrO2(O2) , ZnO, SnO2, Fe2O3 (H2O)
 alarme de vazamento de gases venenosos e
hidrocarbonetos
 sensor de oxigênio em veículos automotores
 sensor de oxigênio na fabricação do aço / tratamentos
térmicos

40
Funções químicas
Catalisador automotivo
• 1,5 g de metais preciosos
• Paládio-ródio (para veículos a
gasolina)
• Paládio-molibdênio (para veículos a
álcool)
2CO + O2 ―> 2CO2
2C2H6 + 7O2 ―> 4CO2 + 6H2O
2NO2 + 4CO ―> N2 + 4CO2

41
Funções biológicas
biocompatibilidade cimentos CaHPO4·2H2O
Biológicas biocompatibilidade próteses estruturais Al2O3

42
Funções biológicas
 implantes
 principais materiais: Al2O3 (bioinerte) e
hidroxiapatita (bioativa)
 ossos artificiais, dentes e juntas

43
O osso humano contém
um cerâmico que
preenche 43% de sua
massa – hidroxiapatita
(Ca10(HPO4)6(OH)2)
Alguns implantes ósseos
são revestidos com
hidroxiapatita para
melhorar a aderência.
Fonte: Schakelford

44
Funções mecânicas
dureza ferramentas de corte Al2O3, Si3N4, ZrO2, TiC
Mecânicas refratariedade
estrutural
estatores e lâminas de
turbina
Al2O3, Si3N4, MgO, SiC
resistência a desgaste,
abrasão
mancais Al2O3, Si3N4, ZrO2, SiC

45
Funções mecânicas e térmicas
 ferramentas de corte
 principais materiais: Al2O3, TiC, TiN
 materiais também resistentes ao calor
 principais materiais: SiC, Al2O3, Si3N4
 turbinas, turbo-compressores e trocadores de calor

46
Funções estéticas
cerâmica de mesa pratos, xícaras, vasos louça, porcelana
Estéticas cerâmica de
revestimento
pisos, azulejos grés, porcelanato
cerâmica sanitária vasos sanitários, pias louça, porcelana

47
Porcelana
A porcelana é um produto branco
impermeável e translúcido. Ela se
distingue de outros produtos cerâmicos,
especialmente, da louça, pela sua
vitrificação, transparência, resistência,
completa isenção de porosidade e
sonoridade.
Matéria-prima da porcelana: argila, quartzo,
caulim (minério composto de silicatos
hidratados de alumínio, como a caulinita e a
haloisita) e feldspato. Estes materiais são
encontrados em minas, cuidadosamente
lavados e purificados.

48
Depois de secas, as peças sofrem a
primeira queima, denominada biscoito,
a 900 ºC, cujo objetivo é dar às peças
resistências e porosidade para a
perfeita absorção do verniz. Nesta
etapa as peças adquirem um tom
rosado.
O verniz é composto pelos mesmos
materiais da massa, em quantidades
diferentes.

49
 Através de um processo manual de imersão, o
verniz adere à superfície da peça, formando
uma película de cobertura. Após a aplicação
do verniz ocorre uma segunda queima, que é
realizada a uma temperatura que varia entre
1380 ºC a 1400 ºC.
 Nesta fase a massa torna-se completamente
compacta, totalmente sem porosidade,
adquirindo cor branca e vitrificada (fusão do
verniz sobre a massa). Esta segunda queima
dura em média 31 horas, podendo chegar até
89 horas, dependendo da extensão do forno
utilizado.

51
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
 Estrutura cristalina ou não cristalina;
 Alta temperatura de fusão (até 3900°C);
 Todas as cerâmicas são quebradiças a temperatura
ambiente;
 Resistência muito baixa aos esforços de tensão;
 Baixa resistência à fratura. Micro-fraturas são
formadas facilmente sob tensão;
 Resistentes sob pressão. As micro-fraturas não se
formam de maneira tão fácil.

52
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
 Dureza elevada e boa resistência ao atrito;
 Baixa tenacidade;
 Baixa condutividade térmica e elétrica;
 Alta resistência à fluência a altas temperaturas;
 Capacidade de se manter neutro, sem reagir, quando
expostos a ambientes severos
 Podem ser magnetizados e desmagnetizados, alguns
podem ser permanentemente magnetizados.

53
Tensão x deformação
 Não é feito por um ensaio tração x deformação
 dificuldade no preparo de amostras com a geometria
exigida
 dificuldade em prender materiais frágeis sem fraturá-los
 as falhas ocorrem com uma deformação de apenas
0,1%
 Realizado um ensaio de flexão transversal
 uma barra, com seção circular ou retangular, é
flexionada até a sua fratura.
 Resistência à flexão

54
• Cristais iônicos
• Silicatos
• Carbono
Estrutura dos cerâmicos

55
 Cristais iônicos
 Compostos por íons eletricamente
carregados ao invés de átomos.
 Os íons metálicos (ou cátions) estão
carregados positivamente, e os íons não-
metálicos (ou ânions), estão carregados
negativamente. Estrutura do cristal
torna-se eletricamente neutra.
Estrutura dos cerâmicos

56
Cristais Iônicos
Estruturas do tipo AX
Estruturas do tipo AmXn
Estruturas do tipo ABmXn

57
SILICATOS
• Muitos materiais cerâmicos contêm silicatos,
por serem abundantes e baratos e por
possuírem propriedades importantes;
• materiais de construção, como os tijolos,
telhas, vidros, também são feitos de
silicatos.
• Os silicatos podem ser usados como,
isolantes elétricos, materiais de laboratório
e fibras de vidro.

58
Unidade tetraédrica
silicato
Unidades tetraédricas duplas
Silicatos

61
Estruturas Tridimensionais
Polimorfismo
Cristobalita Tridimita

62
Sílica: SiO2
Baixa densidade:
Quartzo = 2.65g/cm3
Alguns polimorfos: Quartzo, cristobalita, tridimita
Silicato - Sílica
Si
O

63
Si
O
O
O
O
4-
Silício e Oxigênio são os dois
elementos mais comuns na
superfície da Terra.
A ligação é predominantemente
covalente
Os ângulos de ligação são fixos
Produz uma estrutura tetraédrica
Os silicatos são baseados em
tetraedros
Um único tetraedro (SiO4
-4)
requer cátions para balancear as
cargas
Silicatos

64
Dois tetraedros podem ligar-se por um único vértice: Si2O7
–6
ou pela aresta: Si2O6
–4 ou pela face: Si2O5
-2
Silicatos
Si2O7
–6 Si2O6
–4 Si2O5
-2
Si
Si
Si
O
O
O

65
Os tetraedros podem formar cadeias, anéis
Silicatos

66
Diamante
(tridimensional)
Fullereno, C60
Carbono
Grafita
(em
camadas)

68
Propriedades elétricas
 Dielétrico (isolante),
 Ferroelétrico (podem conduzir eletricidade,
uma vez que seus domínios sejam
alinhados),
 Piezelétricos (energia mecânica 
elétrica),
 Semicondutores (características elétricas
entre os condutores e isolantes),
 Magnéticos.

69
CERÂMICOS ESTRUTURAIS - ALUMINA (Al2O3)
GENERALIDADES
•Produzida a partir da bauxita (Al2O3.2H2O)
•Existem várias formas de alumina: as mais usadas
estruturalmente são a alumina alfa (hexagonal) e a gama
(cúbica)
Fonte: prof. Arlindo Silva - IST

70
CERÂMICOS ESTRUTURAIS - ALUMINA (Al2O3)
PROPRIEDADES
•Propriedades dependem da concentração de impurezas e nível
de porosidade
•Porosidade pode variar desde 50% até ~0%: as qualidades
estruturais variam de acordo com o percentual
•Módulo de Young superior ao aço
•Resistência à compressão superior a muitos aços-ferramenta
•A 1000ºC preserva 50% da resistência mecânica
•Grande resistência ambiental
APLICAÇÕES
•Usados em aplicações sem solicitações de tração/impacto, sujeitos
a altas temperaturas e elevado desgaste
•Pontas de foguetes, assentos de válvulas, abrasivos, etc.

71
CERÂMICOS ESTRUTURAIS –
CARBONETO DE SILÍCIO (SiC)
GENERALIDADES
•Usado há várias décadas, mas não como material estrutural
•O carboneto de silício tipo alfa tem forma hexagonal (mais
usado) e o tipo beta tem forma cúbica
APLICAÇÕES
•Abrasivo em pedras de esmeril e lixas de papel
•Na forma de fibra é usado em compósitos como reforço
•Usado como revestimento de metais e outros cerâmicos a alta
temperatura, evitando a oxidação

72
CARBONETO DE SILÍCIO (SiC)
PROPRIEDADES
•Níveis de porosidade pequenos (cerca de 3%)
•Mais duro dos abrasivos tradicionais
•Perde o seu poder de abrasão mais rapidamente que a alumina
•Resistência e rigidez superiores à alumina
•Mais leve que a alumina
•Excelente resistência à oxidação a elevadas temperaturas

73
NITRETO DE SILÍCIO (Si3N4)
GENERALIDADES
•Desenvolvido a partir dos anos ´80
•Compete com a alumina e o SiC em ferramentas de corte

74
NITRETO DE SILÍCIO (Si3N4)
APLICAÇÕES
•Usado em ferramentas de corte
•Componentes de turbinas
•Componentes de rolamentos
•Componentes de motores diesel
•Matrizes de extrusão a quente
PROPRIEDADES
•Nível de porosidade pode variar entre 20 e 0%
•Mantém propriedades até 1000 ºC
•Maior resistência choque térmico que maioria dos cerâmicos
•1/3 da densidade do aço
•Baixo coeficiente expansão térmica
•Maior tenacidade que SiC e Al2O3
•Rigidez 50% superior ao aço

75
ZIRCÔNIA (ZrO2)
GENERALIDADES
•A zircônia parcialmente estabilizada (PSZ) é uma mistura de
óxido de zircônio com magnésia, ítria, ou óxido de cálcio, para
controlar transformações de fase com grande expansão
volumétrica
•Existem ligas de alumina-zircônia, para melhorar a resistência
ao desgaste e diminuir o custo

76
APLICAÇÕES
•Propriedades semelhantes ao aço fazem da PSZ um cerâmico
de substituição em motores de combustão interna
ZIRCÔNIA (ZrO2)
PROPRIEDADES
•A mais importante propriedade é a elevada tenacidade
à fratura
•A dureza é inferior aos outros cerâmicos estruturais
•Condutividade térmica reduzida
•Expansão térmica e rigidez semelhantes ao aço

77
SIALON (Si3Al3O3N5)
GENERALIDADES
•Mistura de nitreto de silício, sílica, alumina e nitreto de alumínio
•Existem duas fases dentro da mesma estrutura: uma vítrea
(amorfa) e outra cristalina
•Estrutura semelhante à dos vidro-cerâmicos: a fase vítrea é
cristalinizada para melhorar a resistência à fluência a altas
temperaturas

78
APLICAÇÕES
•Aplicações que envolvam elevadas temperaturas com resistência ao
desgaste e elevada resistência mecânica
•Componentes de motores
PROPRIEDADES
•Níveis de porosidade próximos de 0% devido à fase vítrea
•Propriedades mecânicas ao nível dos melhores cerâmicos
•Superior resistência ao choque térmico
SIALON (Si3Al3O3N5)

79
GENERALIDADES
•Componentes de fibra de carbono em matriz de carbono
•O processamento destes materiais é extremamente moroso e
dispendioso
COMPÓSITOS C-C

80
APLICAÇÕES
•Componentes que combinem peso reduzido e elevada resistência a
altas temperaturas
•Discos de freio de elevada performance (carros e aviões)
•Nariz e bordos de ataque das asas do ônibus espacial
PROPRIEDADES
•O carbono mantém-se no estado sólido até 3600 ºC
•Em contacto com o ar inflama a 600 ºC. Para isto é revestido com SiC.
•Resistência específica superior às super-ligas de Níquel acima de
1200 ºC
COMPÓSITOS C-C

82
Técnicas de preparação de pós cerâmicos
Fonte: Askeland

83
Colagem (fundição) por Suspensão
(Slip Casting)
Colagem da Barbotina
• Uma forma especial de gesso é feita. Este gesso é
poroso e absorve a água.
• Uma polpa de pó e água é preparada. Esta é
denominada de suspensão (barbotina).
• Esta suspensão é colocada dentro do molde.
• O molde absorve a água e as partículas sólidas se
depositam nas paredes do molde.
• O molde é separado e o pó compactado é removido.
• O pó compactado é sinterizado.
• O slip casting permite trabalhar com formas
complexas.

84
Fundição por Suspensão
Colagem da Barbotina (Slip Casting)
Enchimento do molde Compactação
Retirar excesso Extração do molde
Fonte: Askeland

85
Fundição por
Suspensão
Bule de chá
sendo
removido do
molde após
Colagem da
Barbotina.

86
Produção de Louça Sanitária

87
Sinterização
• O pó cerâmico é misturado com um ligante ou
lubrificante, após é pressionado dentro de um
molde com a forma desejada.
• O pó compactado é removido do molde e
aquecido a altas temperaturas onde as
partículas coalescem ou sinterizam entre si na
forma de um objeto sólido.
• A sinterização ocorre pelo movimento dos
átomos no sólido chamado de difusão,
causando geralmente uma diminuição da
porosidade e contração na peça.

88
Sinterização de cerâmicos
As partículas se
ligam através de
pontos de
contato.
Grande números
de poros.
Formação de
pescoço entre
as partículas, o
que torna a
peça mais
densa.
Final: poros
arredondados
com menor
espaço entre
eles.

89
Microestrutura de um cerâmico após sinterização

90
Processamento de Pó
Compressão Uniaxial Compressão Isostática
Moldagem por Injeção de Pós
(Powder Injection Moulding - PIM)

91
Compressão Uniaxial Compressão Isostática

92
Extrusão
Moldagem de argilas
Moldagem

93
 Sinterização por Reação
 (Reaction Bonding)
 Nitreto de silício é feito por um
processo chamado de reação de
ligação.
 O pó de silício é moldado na forma
desejada.
 Ele reage então a altas temperaturas
com gás de nitrogênio para formar o
nitreto de silício.

95
Colagem em fita
 Produção de filmes finos sinterizados;
 Circuitos microeletrônicos - substrato
de alumina;
 Capacitores de titanato de bário.

96
Representação do processo de fundição em fita.

97
Vidros
• Vasilhames
• Janelas
• Lentes
• Fibra de vidro
• Os vidros comerciais mais fabricados são os
soda cal, que são combinações de sílica + cal +
soda
• Principal óxido: SiO2 ; outros óxidos: CaO,
Na2O, K2O e Al2O3.
• Os cristais são produzidos à base de sílica, K2O,
Na2O mais um percentual de óxido de chumbo
(até 30% de PbO), o que garante o brilho
metálico.

98
Vidros
 Vidro-formadores: B2O3; SiO3; GeO2;
P2O5; V2O5; As2O3 (óxidos ácidos) –
formadores de rede;
 Intermediários: Al2O3; Sb2O3; ZrO2;
TiO2; PbO; BeO; ZnO (anfóteros) – não
formam vidros sozinhos, mas em
combinação com os primeiros adquirem o
papel de formador de rede;
 Modificadores: MgO; Li2O; BaO; CaO;
SrO; Na2O; K2O (óxidos básicos) – similar
aos 2º, mas de outra classe, formam ou
modificam a rede.

99
 Acessórios: por vezes usados em
pequenas quantidades, como
corantes, refino, eliminação de
bolhas, opalinos, etc.
 FeO: cor verde azulada;
 Fe2O3: cor verde amarelada;
 Co2O3: cor azul;
 CuO: cor azul esverdeada;
 Cr2O3: cor verde.

100
Tipos principais
 Vidro alcalino (comum : > 95%);
 Vidro chumbo (cristal);
 Vidro boro-silicato (vidrarias e utensílios
domésticos);
 Fibra de vidro;
 Vidro opalino (opalescente);
 Vidro para termômetro (melhor controle de
espessura);
 vidro de sílica (100% SiO2);
 Vidro oftálmico (fabricação de lentes).

101
 Os produtos de vidro são
conformados (moldados) a quente.
 Quando o material está “fundido”
apresentando-se como um material
de elevada viscosidade, ele pode ser
deformado plasticamente sem se
romper).

103
Conformação de vidros
[Norton,1952:162;Fernandes,1999:62]
 Prensagem
 pratos
 Sopro
 garrafas
 Laminação ou estiramento
 vidro plano
 Fiação
 fios, fibras

104
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.
Técnicas de fabricação de vidros planos.
Vidros planos
Fonte: Askeland

105
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.
Processos de fabricação de produtos de vidro: (a) prensagem; (b)
prensagem e sopro; (c) trefilação.
Fonte: Askeland

106
Prensagem
[Norton,1952:163]

107
Sopro
[Callister,1996:416]

108
Processos de laminação
[Fernandes,1999:70]
Distribuidor
Fourcault Colburn

109
Fios e tubos
[Norton,1952:167;Schaffer,1999:689]
Platina
Fibra de
vidro
Vidro
fundido
Vidro fundido
Mandril
Fluxo de ar
Tubo
Fiação Fabricação de tubos

110
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Efeito do Na20 no reticulado do vidro de sílica. O óxido de sódio modifica o
reticulado vítreo ao romper as ligações atômicas e reduzir a estabilidade do
vidro.
Fonte: Askeland

111
Tratamento térmico de vidros
[Callister,1996:417]
 Recozimento (annealing)
 Aquecimento a temperatura de recozimento,
seguida de resfriamento
 Alívio de tensões térmicas
 Têmpera (quenching)
 Aquecimento a T>Tg e < ponto de amolecimento
 Resfriado a T ambiente com jato de ar ou banho
de óleo
 Tensões residuais compressivas na superfície e
de tração no interior

112
Propriedades dos vidros
Não ocorre a cristalização (ordenação dos
íons em uma estrutura cristalina) durante o
resfriamento;
Quando o líquido é resfriado, aumenta a sua
viscosidade (e diminui o seu volume) até
que a viscosidade aumente tanto que o
material comece a apresentar o
comportamento mecânico de um sólido;
Não existe uma temperatura de fusão
cristalina, mas uma temperatura de
transição vítrea (Tg).

113
Propriedades dos vidros
Volumeespecífico
(vol/massa)
Temperatura
Tg
sólido
amorfo
Tm
líquido
cristalização
sólido
cristalino
líquido super
resfriado
Tg  temperatura de transição vítrea
Tm  temperatura de fusão cristalina

114
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Vidro resfriado rapidamente para produzir tensões compressivas na
superfície.
Fonte: Askeland

115
Devitrificação e vitrocerâmica
[Barsoum,1997:323]
Temperatura
Tempo
Crescimento
Nucleação
Fusão e conformação

116
Abrasivos
Elementos de moagem, polimento e de corte
Tipos de abrasivos:
• Diamantes
• Carbeto de silício
• Carbeto de alumínio
• Óxido de alumínio
• Carbeto de tungstênio

117
Produtos de Argila
• Produtos estruturais (Tijolos, telhas, tubulações, etc.)
• Produtos brancos (Porcelana, louça, etc.). Este produtos são
compostos de: Alumina (Al2O3) + Sílica (SiO2)
Refratários
• Refratários para fornos
• Equipamentos de tratamento térmico
• Equipamentos de geração de energia
Tipos de refratários:
• Neutros – cromita
• Ácidos – sílico-aluminoso
• Básicos – magnesíticos
• Refratários especiais (zirconita, magnesita, alumina, SiC). Usados
como resistência elétrica, material de moagem, componentes
internos de fornos.

118
MATERIAIS REFRATÁRIOS
DEFINIÇÃO:
- Materiais de construção que têm que
resistir a altas temperaturas e manter suas
propriedades físicas e químicas nas
condições de serviço.
- Materiais não-metálicos, inorgânicos, de ligação
iônico-covalente, geralmente cristalinos.

119
-não existe material, a pressão normal, sólido > 4.000oC
C ~3.700oC HfC ~3.890oC HfC.4TaC ~3.940oC
- maior parte dos materiais refratários constituída de SiO2, Al2O3, CaO e MgO, C, carbonetos,
boretos e nitretos
SiO2 ~1.726oC
Al2O3 ~2.054oC
3Al2O3.2SiO2 ~1.828oC
MgO ~2.800oC
MgO.Al2O3 ~2.135oC
Cr2O3 ~2.400oC $
CaO ~2.570oC hidrata
ZrO2 ~2.700oC instável
BeO ~2.600oC tóxico
ThO2 ~3.000oC radioativo
- no entanto:
98MgO + 0,8 CaO + 0,4 SiO2 + 0,6 (Al2O3+Fe2O3) + 0,2 B2O3 ~ 1.000oC !

120
CONDIÇÕES DE SERVIÇO (aplicações):
alta temperatura, esforços mecânicos, vibrações,
choque térmico, desgaste físico, corrosão química -
associadas à produção do aço e metais não
ferrosos, vidro, cerâmica e outros processos
(indústria petroquímica, incineradores industriais,
etc.)

121
CLASSIFICAÇÃO:
CRITÉRIOS:
-matéria-prima: argilosos e não-argilosos
-composição química: alta-alumina, magnesíticos
-natureza química: básicos (MgO), ácidos (SiO2),
neutros
muito usada na metalurgia:
-escórias básicas atacam refratários ácidos e vice-versa
-neutros: imune aos dois tipos de escórias(cromita, forsterita e carbono)
-forma: monolíticos, formatados (peças prontas)
-utilização: isolantes térmicos

122
CLASSIFICAÇÃO:
ÁCIDOS (de sílica)
-da série sílica-alumina
silicosos ou de meia sílica
argilosos ou de chamote (rejeitos)
mulíticos
de silimanita, andaluzita e cianita
sintéticos
-da série alta-alumina
de bauxita, sinterizados
de coríndon eletrofundidos
BÁSICOS
-magnesíticos ou de magnésia
-crómia-magnésia ou cromo-magnesianos
-dolomíticos

123
CLASSIFICAÇÃO:
NEUTROS
-cromítico ou de cromita
-forsteríticos (forsterita, olivina)
ELETROFUNDIDOS
-mulíticos
-alumina-zircônia-sílica
-magnésia-crômia
NÃO-MOLDADOS
-argamassas refratárias (materiais de ligação)
-misturas para construção monolítica
massas plásticas (pega química ou químico-cerâmica)
concretos refratários (pega hidráulica)
-misturas projetáveis (para reparações)

124
MATÉRIA-PRIMA:
mais comum: natural
óxidos de metais simples, duplos, triplos
carbono, grafite, carbeto de silício
novos materiais:
carbetos, nitretos, boretos, silicetos
para aplicações mais sofisticadas
sintéticos, alta pureza, e propriedades sob controle

125
FORMA:
-2/3 peças formatadas
-1/3 não formatado (monolíticos,
projetados ou socados)

126
TIPOS E APLICAÇÕES
- em função da matéria-prima:
argilosos e não-argilosos
mais comuns: SiO2, Al2O3, MgO, CaO, ZrO2
ácidos: SiO2, ZrO2,
básicos: MgO, CaO, Cr2O3
neutros: FeO.Cr2O3, 2MgO.SiO2, Al2O3

127
-Alumina extra-alta:
bauxita ou alumina (fundida ou densamente sinterizada)
87,5% de Al2O3. Refratariedade ~1815oC
-Mullita:
3Al2O3.SiO2 cianita, silimanita e andalusita, bauxita ou
misturas de silicatos de alumínio. É o silicato mais estável
-Sílica:
Contaminantes: alumina e álcalis. Semi-sílica
-Carbeto de silício:
Reação entre areia e coque em um forno elétrico
-Zirconita:
ZrO2.SiO2 = estabilização CaO, MgO, Y2O3

128
MASSAS REFRATÁRIAS: VANTAGENS
Matéria-prima:
- a mesma matéria-prima que a usada em materiais formatados
Preparo:
- simples e rápido
Propriedades:
- melhor resistência ao choque-térmico
- maior capacidade de isolamento
Construção:
- não há juntas
- compatibilidade com a maioria dos fornos
- de colocação mais simples
Econômica:
- não há as etapas de conformação e queima
- preenchimento de qualquer geometria
- menor custo de transporte
- mais rápida entrega

129
MASSAS REFRATÁRIAS: DESVANTAGENS
Matéria-prima:
- custo do cimento para alguns concretos refratários mais elevados
- alguma degradação quando em deposição prolongada
- perigo de sedimentação de componentes
- cuidados no preparo (quantidade de água e aditivos)
Propriedades:
- alta porosidade
- pequena resistência à erosão por escórias
- menor resistência quando não há uma sinterização homogênea e efetiva
- rachaduras

130
Cimentos
 Produtos argilosos que endurecem
com reação com água;
 Cimento Portland, gesso de Paris, cal,
fosfato de alumínio;
 Concreto comum: agregado graúdo,
agregado miúdo, cimento e água;
 Concreto especial: reforçado com
fibra de vidro (GRC).

131
Cimento Portland
Componentes: cal, sílica, alumina e óxido de ferro
Cozimento – fusão parcial – a 1450C – chamado
clínquer, ao qual é adicionado gesso (para início de
pega).
Tipos de cimento: cimento Portland, cimento Portland
branco, cimento aluminoso, cimento de pega rápida,
cimento metalúrgico.
Tipos de uso: pasta, argamassa, concreto.

132
Outras aplicações
 Revestimentos: esmalte cerâmico;
 Filmes finos: tarja de cartão
magnético (óxido de ferro), telas
sensíveis ao toque (óxido de estanho
e índio);
 Fibras: usadas em diferentes
compósitos.

133
PEI (Porcelain Enamel Institute / Instituto da Porcelana
Esmaltada): é um índice usado como norma internacional para
indicar a resistência do esmalte da cerâmica ao desgaste
quando submetido à ação de sujeiras abrasivas em função do
uso.

135
• Materiais Cerâmicos: propriedades e produtos
• Definição
• Materiais cristalinos e amorfos
• Imperfeições
• Classificação dos Materiais Cerâmicos
• Estrutura (cristalinos)
• Iônicos
• Silicatos
• Carbono
• Cerâmicas de Alto Desempenho
• Processos de Fabricação
• Vidros (amorfos)
• Refratários / Cimentos

Ciências dos Materiais - Aula 12 - Materiais Cerâmicos e suas aplicações

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