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UNIVERSIDADE DE SANTA CRUZ DO SUL
(Aula 3)
Materiais Cerâmicos Prof. a Franciélli Müller
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Tecnologia de Materiais Cerâmicos, Vítreos e Metálicos - 9164
Prof.a Franciélli Muller
Tópicos a serem abordados: Introdução Matérias-primas básicas
Classificação dos materiais cerâmicos
Exercícios
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1. Introdução Definição...
Cerâmica → keramikos → Coisa queimada “a arte, a ciência e a tecnologia de fabricação de compostos sólidos, que são formados pela aplicação de calor, e algumas vezes calor e pressão, constituídos em grande parte por materiais inorgânicos, não metálicos, denominados materiais cerâmicos”. (com base nos conceitos de Kingery e Barsoum)
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1. Introdução
História da Cerâmica: A cerâmica é uma combinação perfeita do que os gregos consideravam os quatro elementos que constituíam o mundo. • • • •
É composta por terra; Moldada com água; Seca ao ar e, Consolidada ao fogo.
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1. Introdução
História da Cerâmica: O material mais antigo e abundante da crosta terrestre do qual o homem estava em contato constante foi a ARGILA.
A cerâmica apareceu pela primeira vez ao redor de 15000-10000 anos a.C., no período Neolítico. As peças de cerâmica mais antigas são conhecidas por arqueólogos e, foram encontradas na Tchecoslováquia, datando de 2450 a.C. Em outros lugares como na China e no Egito, a cerâmica tem cerca de 5000 anos.
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1. Introdução
História da Cerâmica: Nos últimos tempos, a ciência têm desenvolvido cerâmicas altamente tecnológicas, com características diferenciadas. • • • • •
Altas temperaturas; Pressões elevadas; Com melhores propriedades mecânicas; Características elétricas especiais; Proteção à agentes químicos corrosivos.
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Características GERAIS • São menos densos que a maioria dos metais e suas ligas; • Os materiais usados na produção das cerâmicas são abundantes e mais baratos;
• A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: estando presentes a covalente e a iônica. • Maior resistência ao calor que metais e polímeros;
• Alta capacidade calorífica; • Baixo coeficiente de expansão térmica; • Boa condutividade térmica.
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Características GERAIS
• Propriedades mecânicas:
descrevem a maneira como um material responde a aplicação de força, carga e impacto.
Os materiais cerâmicos são: • • • •
Duros; Resistentes ao desgaste; Resistentes à corrosão; Frágeis (não sofrem deformação plástica).
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Principais Preocupações • Matéria-prima: importante para que o produto a ser obtido tenha as propriedades desejadas. São selecionadas e submetidas a uma série de operações, sendo que, pelo menos em uma delas, ocorre tratamento térmico em temperaturas elevadas → verificar alterações.
• Método de fabricação: possuem temperaturas de fusão relativamente elevadas → fundição impraticável. • Altas temperaturas → causam tensões!!
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2. Matérias-primas • Naturais
→ utilizadas como extraídas da natureza, ou
submetidas a algum tratamento físico para eliminação de impurezas indesejáveis, sem alterar a composição química e mineralógica dos componentes principais.
Não submetidas a tratamentos químicos. Tecnologia de Materiais Cerâmicos, Vítreos e Metálicos - 9164
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2. Matérias-primas • Sintéticas → são aquelas que individualmente ou em mistura foram submetidas a um tratamento térmico (calcinação, sinterização, fusão e fusão/redução) e as produzidas por processos químicos.
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2. Matérias-primas
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2. Matérias-primas
Cerâmicas TRADICIONAIS • As matérias primas básicas usadas na fabricação de produtos tradicionais de cerâmicas são especialmente três: • argila, • areia (sílica) • feldspato Exemplos:
telhas, tijolos, porcelana, louça sanitária e moldações cerâmicas. Tecnologia de Materiais Cerâmicos, Vítreos e Metálicos - 9164
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2. Matérias-primas Cerâmicas TRADICIONAIS
Argila:
• É um silicato de alumínio hidratado mais ou menos impuro que são resultados de alterações provocados pela quebra das estruturas química dos minerais que compõem as rochas (intemperismo). • São plásticas e moldáveis quando estão bastante fragmentadas e úmidas; • São rígidas quando secas; • São vidrosas quando queimadas em temperatura bastante elevada.
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2. Matérias-primas
Argila:
Cerâmicas TRADICIONAIS
• Material natural, de textura terrosa e granulação fina.
• Tipos de argila: • • • • • •
Argila vermelha; Argila para grês; Argila refratária; Caulim; Argilas de bola (azuladas ou negras, de grande plasticidade); Bentonita: vulcânica, muito plástica, aumenta de 10 a 15 x seu volume quando em contato com água.
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2. Matérias-primas
Argila - Aplicações
Cerâmicas TRADICIONAIS
• Cerâmica e outras áreas tecnológicas; • Quase todos segmentos das cerâmicas tradicionais → total ou parcial composição das massas;
Mais adequados: – produtos de cerâmica vermelha – materiais refratários – cerâmica branca – materiais de revestimento
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2. Matérias-primas
Argila - Propriedades
Cerâmicas TRADICIONAIS
Influência da temperatura: • Até 600°C secagem; • de 600°C a 950°C reações químicas; • mais de 950°C vitrificação. • Porosidade do produto depende da quantidade de vidro formado.
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2. Matérias-primas
Argila - Propriedades
Cerâmicas TRADICIONAIS
Presença de impurezas: Sílica livre; Alumina livre; Álcalis; Matéria orgânica; Sais; Óxidos; Cálcio.
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Feldspato:
2. Matérias-primas Cerâmicas TRADICIONAIS
• É uma importante família de minerais, do grupo dos tectossilicatos, constituintes de rochas que formam cerca de 60% da crosta terrestre.
• Para a produção de cerâmicas, é o segundo ingrediente mais importante (depois das argilas); aumentam a resistência e durabilidade das cerâmicas.
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Cerâmicas TRADICIONAIS
Tradicionalmente algumas indústrias de cerâmicas foram denominadas indústrias de produtos de argila ou de silicatos, para atender a demanda de materiais capazes se suportar temperaturas mais elevadas, resistir a maiores pressões, apresentando ao mesmo tempo propriedades mecânicas superiores, ou que possuíssem características elétricas especiais, ou que oferecesse proteção no combate a agentes químicos.
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Cerâmicas TRADICIONAIS • As microestruturas destes materiais são, em geral, polifásicas, pelo que as suas propriedades dependem fortemente das porcentagens das diferentes fases, assim como da sua forma e distribuição.
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2. Matérias-primas
Cerâmicas TÉCNICAS • Ao contrário dos cerâmicos tradicionais, os cerâmicos técnicos são geralmente formados por compostos puros, ou quase puros, tais como: • • • •
Óxido de alumínio Óxido de zircônio Carboneto de silício Nitreto de silício
Como exemplos de aplicação destes cerâmicos podem-se citar a utilização de zircônia em facas Tecnologia de Materiais Cerâmicos, Vítreos e Metálicos - 9164
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• alumina Painéis de fornos, parafusos
2. Matérias-primas Cerâmicas TÉCNICAS
• carboneto de silício Anilhas
Invólucros cilíndricos de lâmpadas de alta intensidade. O conjunto da lâmpada é fechado em vácuo com um invólucro de vidro, que protege da oxidação todo o metal existente no interior. Tecnologia de Materiais Cerâmicos, Vítreos e Metálicos - 9164
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2. Matérias-primas
Cerâmicas TRANSFORMÁVEIS • Em cerâmicos transformáveis a tenacidade pode ser aumentada por transformação alotrópica. – Este fenômeno tem sido explorado, com bastante sucesso, na zircônia. – A zircônia pura sofre uma transformação martensítica com a passagem da estrutura tetragonal para monoclínica.
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2. Matérias-primas
Cerâmicas TRANSFORMÁVEIS • Esquema do mecanismo de aumento de tenacidade num cerâmico duplex, utilizando aglomerados de partículas de zircônia.
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3. CLASSIFICAÇÃO DAS CERÂMICAS
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3. CLASSIFICAÇÃO DAS CERÂMICAS O setor cerâmico é amplo e heterogêneo, o que induz a dividi-lo em subsetores ou segmentos em função de diversos fatores, como matéria-prima, propriedades e áreas de utilização.
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MATERIAIS CERÂMICOS
Vidros
Vidro
Vidrocerâmicas
Produtos à base de argila
Produtos estruturais à base de argila
Refratários
Argilas Louças Sílica brancas refratárias
Abrasivos
Cimentos Cerâmicas avançadas
Básicos Especiais
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Fluxograma Processual Geral
Reação química
remoção de água combinada
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remoção de água livre
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Fluxograma Processual Geral
Com exceção do vidro, geralmente os materiais cerâmicos são processados nas seguintes etapas (esses processos de fabricação podem diferir de acordo com o tipo de peça ou material desejado):
1. Formulação: Na indústria cerâmica tradicional, grande parte das matériasprimas utilizadas é natural e obtida por mineração. Desta forma, a primeira etapa de redução de partículas e de homogeneização das matérias- primas é realizada na própria mineração;
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Fluxograma Processual Geral 2. Moldagem: Mistura: onde as matérias-primas previamente tratadas e dosadas são homogeneizadas. Moagem: na qual ao material é moído para reduzir o tamanho dos grãos até diâmetros máximos inferiores a 0,074mm. Isso dá ao material a aparência de um pó bem fino. Para a fabricação de produtos refratários, os grãos são mais grossos. Preparação da massa: as massas ou pastas cerâmicas são constituídas a partir da composição de duas ou mais matérias-primas, além de aditivos e água. A quantidade de água é determinada pelo método de conformação que será empregado.
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Fluxograma Processual Geral 2. Moldagem: • Pasta seca: h% de 4 a 10%, prensagem,
ex.: telhas; • Pasta consistente: h% de 20 a 35%, extrusão, ex.: blocos;
• Pasta fluida: h% de 35 a 50%, barbotina, ex.: louça sanitária;
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Fluxograma Processual Geral 3. Secagem: Pode ser natural ou artificial, na qual grande parte da água livre (umidade superficial) é evaporada.
4. Queima: Cuja temperatura é definida em função da composição química da mistura e na qual o aumento de temperatura causa as seguintes reações: desidratação, calcinação (decomposição química pelo calor), oxidação (ligação de um elemento químico com o oxigênio da atmosfera do forno) e formação de silicatos. Estas reações promovem transformações que geram sólidos cristalinos e vítreos (não cristalinos) com a textura adequada para desenvolver as propriedades desejadas. O conjunto dessas modificações promovidas pelo calor, é chamado de sinterização. Tecnologia de Materiais Cerâmicos, Vítreos e Metálicos - 9164
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Bloco antes e depois da queima. Tecnologia de Materiais Cerâmicos, Vítreos e Metálicos - 9164
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Tipos de Materiais Cerâmicos Uma massa cerâmica contém muito mais ingredientes que a própria argila. Na sinterização, onde ocorre a reação química, ocorre também a vitrificação, que atribui qualidades desejáveis a alguns corpos cerâmicos. A fase vitrificada atua como ligante na porcelana e atribui-lhe transparência.
Uma vitrificação muito intensa destrói as propriedades refratárias.
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Tipos de Materiais Cerâmicos O grau de vitrificação,
a porosidade.
Em relação ao grau de porosidade, os materiais cerâmicos podem ser classificados em:
Cerâmica branca; Cerâmica estrutural; Cerâmica refratária.
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Produtos Cerâmicos Concepção de produtos cerâmicos depende de vários aspectos: Materiais: Tipo e qualidade da matéria-prima Processo: Tecnologia envolvida e produtividade Controle de qualidade: tolerâncias, qualidade aparente Mercado: Economia e resposta do consumidor
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