Introdução aos processos de obtenção de materiais cerâmicos

INTRODUÇÃO AO PROCESSO DE OBTENÇÃOINTRODUÇÃO AO PROCESSO DE OBTENÇÃO
DOS MATERIAIS CERÂMICOSDOS MATERIAIS CERÂMICOS
Profa. Ms. Helainne T. Girão
II Semana da Química daII Semana da Química da
Faculdade de Educação deFaculdade de Educação de
Crateús – FAEC - UECECrateús – FAEC - UECE
26 a 30 de Agosto de 2013
Universidade Estadual do Ceará

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Indrodução
O que é Cerâmica?
Cerâmica vem do grego “keramikos (κεραμικός)”
que significa “material queimado”, indicando a
necessidade de tratamento térmico para adequar as
propriedades

Introdução
3
 Numa definição simplificada, materiais cerâmicos
são compostos de elementos metálicos e não
metálicos, com exceção do carbono.
 Muitos materiais cerâmicos têm elevado
ponto de fusão e apresentam dificuldade de
conformação passando pelo estado líquido.

Classificação
4
 Cerâmicas Tradicionais
Barro, Argila, Porcelana, Ladrilhos, Tijolos,etc...
 Cerâmicas Avançadas
Utilizadas em inúmeras aplicações tecnológicas
tais como encapsulamento de chips, isolamento
térmico do ônibus espacial, revestimento de
peças, Biomateriais, etc.

Classificação
6
Convencionais
Estruturais
Vidros
Louças
Cimentos
Avançadas
Eletrônicos
Ópticos
Biomateriais

Características Gerais
7
o Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços.
o Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e
polímeros.
o São menos densas que a maioria dos metais e suas
ligas.
o Os materiais usados na produção das cerâmicas são
abundantes e mais baratos.

Propriedades dos Materiais

Característica de um material expressa em termo de resposta medida por um estímulo específico na qual é imposto.
8

1. Propriedades Ópticas
1. Ópticas :
Usa como estimulo a radiação eletromagnética ou luminosa, ocasionando índice
de refração e refletividade;
10

Descreve a maneira com que um material se comporta
quando exposto a luz. Assim, um material pode ser:
o Transparente
o Translúcido
o Opaco

12

13

Dois mecanismos importantes da interação da luz com
a partícula em um sólido são:
o Polarização
o Transição de elétrons entre diferentes níveis de
energia.

Polarização
Distorção de uma nuvem de elétrons de um átomo
por um campo elétrico. Alinhamento de dipolos.
Absorção de energia (deformação elástica),
resultando em aquecimento
Propagação de ondas eletromagnéticas
(radiação eletromagnética)

Fotocondutividade Responsável pelas cores que observamos
nos materiais
Banda de valência
Banda de condução
Luz visível Faixa de energia 1,8 a 3,1eV

1.Propriedades Óticas –Aplicação
o Transparência – Janelas, lentes, artigos de
laboratório etc.
o Conversão de luz em eletricidade – Laser, eletrônica
(LED’s).
o Luminescência – Lâmpadas elétricas e telas de TV.
o Reflexão – Fibras óticas (telefonia, TV a cabo etc).

2. Propriedades Elétricas
2. Elétricas:
O campo elétrico é estimulo para a condutividade elétrica e a constante dielétrica.
A taxa de aplicação e duração da aplicação do campo Elétrico depende da espessura e geometria da amostra.
18

Propriedades dos Materiais:
As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos
são muito variadas. Podendo ser:
o isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2)
o semicondutores: SiC, B4C
o supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11

20
 Piezeletricidade
Quando determinado material é induzido a
polarização e um campo elétrico é estabelecido
através de uma amostra pela aplicação de forças
externas.

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 Outras Características Elétricas dos Materiais:
 Ferroeletricidade
– Definição: Materiais dielétricos
com polarização espontânea,
isto é, polarização na ausência
de campo.
– Ex. BaTiO3 (Perovskita)
– OBS: Acima de 127ºC, torna-se cúbica
Tc

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Cerâmicas 60 Hz 1 MHz
Cerâmicas a base de Titanatos - 15 – 10000
Mica - 5,4 - 8,7
Sílica Fundida 4,0 3,8
Porcelana 6,0 6,0
Polietileno 2,3 2,3
Nylon 6,0 6,0
Hidroxiapatite - 5,8 (filme)

3. Propriedades Magnéticas
23
 Magnetismo
– Fenômeno, segundo a qual os materiais impõe uma
força ou influência atrativa ou repulsiva sobre
outros materiais.
 Dipolos Magnéticos
– As forças magnéticas são geradas pelos
movimentos de partículas carregadas
eletricamente.

24

25
 As propriedades magnéticas macroscópicas dos materiais são uma
consequência dos momentos magnéticos que estão associados aos
e-
individuais.
 Momento magnético líquido de um átomo é a soma dos
momentos magnéticos de cada um dos seus elétrons constituintes.
 OBS: Átomos que possuem camadas eletrônicas totalmente preenchidas não
são capazes de serem magnetizados permanentemente . (Ex.: gases inertes
como He, Ne, Ar, etc..

3. Propriedades Magnéticas :
Tipos de Magnetismo
26
 Diamagnetismo:
Forma muito fraca de magnetismo que é não
permanente e que persiste somente enquanto um
campo externo está sendo aplicado.;
 Paramagnetismo: Uma forma relativamente fraca de
magnetismo que resulta do alinhamento independente
dos dipolos atômicos.

3. Propriedades Magnéticas :
Tipos de Magnetismo
27
 Ferromagnetismo:
Materiais metálicos possuem momento magnético
permanente na ausência de campo externo, manifestando
magnetizações muito grandes e permanentes.
H = 0
OBS: Materiais dia e paramagnéticos são
considerados não-magnéticos, pois exibem
magnetização só quando se encontram em
presença de campo externo.

4. Propriedades Térmicas
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Representa em termos de Capacidade Calorífica e
condutividade Térmica;
Entende-se como a resposta de um material à
aplicação de calor.
Calor
T α

29
oAs mais importantes propriedades térmicas dos
materiais cerâmicos são:
o Capacidade calorífica ( ⇑ )
o Coeficiente de expansão térmica ( ⇓ )
o Condutividade térmica
átomos
Ligação Química

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 Capacidade Calorífica
Propriedade que serve como indicativo da habilidade
de um determinado material tem para absorver na sua
vizinhança.
dT
dQ
C = Energia exigida para produzir
uma variação de temperatura
Cal / mol.K
ou J / mol.K
OBS: Por unidade de massa representa o calor específico (J / Kg.K)

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o Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços.
o Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e
polímeros.
o São menos densas que a maioria dos metais e suas
ligas.
o Os materiais usados na produção das cerâmicas são
abundantes e mais baratos.

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Material Capacidade
calorífica (J/Kg.K)
Coeficiente linear de
expansão térmica ((°C)-1
x10-
6
)
Condutividade
térmica (W/m.K)
Alumínio 900 23,6 247
Cobre 386 16,5 398
Alumina (Al2
O3
) 775 8,8 30,1
Sílica fundida (SiO2
) 740 0,5 2,0
Vidro de cal de soda 840 9,0 1,7
Polietileno 2100 60-220 0,38
Poliestireno 1360 50-85 0,13

4. Propriedades Térmicas - Aplicação
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Uma interessante aplicação, que leva em conta as
propriedades térmicas das cerâmicas, é o seu uso na
indústria aeroespacial.
Revestimento exterior
com fibra amorfas de
sílica de alta pureza.
Espessura: 1,27-8,89cm
Temperatura °C
* Temperaturas de subida

Propriedade dos Materiais
5. Propriedades Mecânicas
Descreve a maneira como um material responde a
aplicação de força, carga e impacto.
Os materiais cerâmicos são:
o Duros
o Resistentes ao desgaste
o Resistentes à corrosão
o Frágeis (não sofrem deformação plástica)

Propriedade dos Materiais
5. Propriedades Mecânicas –Aplicação
o Componentes de motores de automóveis.
o Ferramentas de corte.
o Blindagem de veículos militares.
o Estruturas de aeronaves.
o Construções civis.
o Abrasivos para polimentos.

Processamento dos materiais
O processamento de materiais cerâmicos à base de argila é
feito a partir da compactação de pós ou partículas e
aquecimento à temperaturas apropriadas.
Principais etapas:
Preparação da matéria-prima
Tamanho e pureza
controlados
Moldagem (conformação) Hidroplástica ou fundição por
suspensão
Secagem Eliminação de água ou ligantes
Sinterização Tratamento térmico

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Prensagem do pó
Fabricação de argilosos, não-argilosos.
Cerâmicas eletrônicas. Cerâmicas
magnéticas.
Compactação através de pressão.
Grau de compactação X espaço vazio
(partículas)
Fundição em fita
Produção de substratos para
circuito integrados e capacitores.
Lâminas delgadas são produzidas
através de fundição.

Processamento - Prensagem do Pó
Três procedimentos básicos
Uniaxial
Compactação do pó em molde
metálico. Pressão aplicada em
uma única direção
Isostático
Material pulverizado
contido em envelope de
borracha.
Pressão feita por fluido
aplicado isostaticamente.
Prensagem a quente
Conformação e
sinterização ao mesmo
tempo.
Temperatura e pressão
uniaxial.

Processamento – Fundição em Fita
A mistura passa por uma lâmina, a qual regula a
espessura do filme, sendo derramada numa esteira
rolante. O filme é seco em um forno e as lâminas são
posteriormente separadas.

Técnicas de Caracterizações
 Ópticas;
 Térmicas;
 Mecanicas;
 Elétricas;
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Seleção de Materiais
 Propriedades Físicas, Químicas e Mecânicas;
 Resistência;
 Módulo Elasticidade, Torsão ou Flexão (↓ Carga- Elastômeros);
 Fadiga (suportar esforços sem provocar trincas - poliuretano,
poliestér e metais em geral);
43

Exemplos de caracterizações das
amostras.
44
Hidroxiapatita
Ca10(PO4)6(OH)2
Gráfico HAP e
HAP Comercial

amostras.
45 Micrografias de HAP

amostras.
46
Intensida
Energia (Kev)

amostras.
47

amostras.
Espectroscopia
Raman –
caracterização
Óptica
Bi4Ti3O12
48

amostras.
Espectroscopia
Raman –
caracterização
Óptica
Bi4Ti3O12
49

Sites interessantes
 http://www.materiais.ufc.br/ - Eng. de Materiais
 www.fisica.ufc.br/
 http://www.ppgeti.ufc.br/ - Eng. De Teleinformática
 www.deq.ufc.br/deq/deq_ppgeq_programa.php - Eng. Química
 www.pgquim.ufc.br – Química
 www.ppgo.ufc.br – Odontologia
 www.bioquimica.ufc.br – Bioquímica
 www.ppgb.ufc.br – Boitecnologia
 www.labomar.ufc.br – Ciencias Marinhas Tropicais – Labomar
 www.fitotecnia.ufc.br – Agronomia: Fitotecnia
 www.solos.ufc.br – Agronomia: Solos e Nutrição de Plantas
50

Bibliografia
 http://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-051j-materials-for-biomedical-applications-
spring-2006/lecture-notes/lecture1.pdf
 http://www.uweb.engr.washington.edu/research/tutorials/introbiomat.html
 Ferreira Junior, L. D, Desenvolvimento e Aplicações de
biocerâmicas, Apresentação no Power Point, UFC, Fortaleza, 2007.
 Luiz Henrique Catalani, Introdução à ciência dos biomateriais, Apresentação em PDF, USP, São Paulo.
 Silva, C.C, Introdução aos Biomateriais, Apresentação no Power Point, UFC, Fortaleza, 2007.
 http://www.scielo.br/pdf/po/v15n1/24189.pdf
 A
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