Engenharia Dos Materiais - 21 Aula

Transcript

MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 26,000 B.C. Early man discovers that clay, consisting of mammoth fat and bone mixed with bone ash and local loess, can be molded and dried in the sun to form a brittle, heat-resistant material. Thus begins ceramic art. 1 Materiais Cerâmicos º º HISTORY OF CERAMICS 50 B.C. - 50 A.D. Optical glass (lenses and mirrors), window glass and glass blowing production begins in Rome and spreads around the world with the Roman empire. MATERIAIS / MATERIAIS I DEM 2005 1965 1987 Scientists discover a superconducting ceramic oxide with a critical temperature of 92K, surpassing the old metallic superconductor’s critical temperature by over 60K. A potential application of ceramic superconductors is in integrated circuits in new high speed computers. 1992 Certain ceramics known as “smart” materials are widely publicized. These materials can sense and react to variable surface conditions, much like a living organism. For example, air bags in cars are triggered by a “smart” sensor which intercepts a pressure signal when the car is hit and transforms it into an electrical impulse that inflates the bag. 1870’s Refractory materials (able to withstand extremely high temperatures) are introduced during the Industrial revolution. Materials made from lime and MgO are used for everything from bricks for buildings to lining the inside of steel making furnaces. Pedro Almeida DEM 2005 4 Materiais Cerâmicos American Ceramic Society 735 Ceramic Place Westerville, Ohio 43081-8720 614-890-4700 The development of photovoltaic cells which convert light into electricity opens a new way to access solar energy. 4,000 B.C. Glass is discovered in ancient Egypt. This primitive glass consisted of a silicate glaze over a sintered quartz body and was primarily used for jewelry. The use of ceramic coating continues today in many things from bathtubs to tailpipes of jet aircraft. MATERIAIS / MATERIAIS I 3 Materiais Cerâmicos 1960 With the discovery of the laser and the observation that its light will travel through glass, a new field called fiber optics opens. Fiber optic cable allows light pulses to carry large amounts of information with extremely low energy loss. 2 26,000 B.C.PRESENT 600 A.D. Porcelain, the first ceramic composite, is created by the Chinese. This durable material is made by firing clay along with feldspar and quartz. Porcelain is used in everything from electrical insulators, to dinnerware. 1889 The American Ceramic Society was founded by Elmer Pedro Almeida E. Gorton, Samuel Geijsbeek and Colonel Edward Orton Jr.. The primary goal of this society continues to be unlocking the mysteries of high-tech ceramics. Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos A palavra cerâmico deriva do grego “keramikos” keramikos” que significa “material queimado” indicando a queimado”, necessidade de tratamento té térmico para adequar as propriedades. Os materiais cerâmicos foram os primeiros a ser produzidos pelo ser humano, e os objectos mais antigos, até até agora encontrados, datam de 26 000 ac. ac. São representaç representações de vé vénus, encontradas em Dolni Vestoncie – Repú República Checa. 1877 The first example of hightech materials research is directed by inventor Thomas Edison. Edison tests a plethora of ceramics for resistivity, for use in his newly discovered carbon microphone. 6,000 B.C. Ceramic firing is first used Pedro in Ancient Greece. The Greek pottery Pithoi is developed and used for storage, burial, and art. º Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos, não metálicos, formados por elementos metálicos e não metálicos ligados entre si por ligações iónicas ou covalentes. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 5 Materiais Cerâmicos º Combinaç Combinação de metais com O, N, C, P, S º Ligaç Ligação ató atómica essencialmente iónica entre metais e não metais. º Menos densos do que os materiais metá metálicos º Altamente resistentes a temperatura (refrat ários) (refratá rios) º Isolantes (té (térmicos, elé eléctricos) º Frá Frágeis (ductilidade e tenacidade =0) º Duros (podem ser abrasivos) º Podem ser transparentes (vidros) º MATERIAIS / MATERIAIS I Materiais Cerâmicos 6 Materiais Cerâmicos Propriedades básicas Pedro Almeida DEM 2005 Pedro Almeida DEM 2005 O Silício e o Oxigénio formam cerca de 75% da crosta terrestre, sendo materiais de ocorrência comum na natureza e de baixo custo ! MATERIAIS / MATERIAIS I 7 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos 8 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 9 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos 10 Materiais Cerâmicos º Estrutura O osso humano contém um cerâmico que preenche 43% do seu peso – hidroxiapatite (Ca10(HPO4)6(OH)2) NC 3 4 6 8 cristalina dos cerâmicos Quociente raios 0.155 - 0.225 0.225 - 0.414 0.4140.414-0.732 0.732 - 1 Geometria Triangular Tetragonal Octaé Octaédrica Cúbica Alguns implantes ósseos são revestidos com hidroxiapatite para melhorar a aderência. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º Cristais de sal Coordenação = 6 Cl Na Quociente Raios = 0.564 NaCl, MgO, LiF, FeO, CoO MATERIAIS / MATERIAIS I 11 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º Estruturas cristalinas 12 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I CERÂMICOS E VIDROS 13 Materiais Cerâmicos º Diagramas de fases de cerâmicas Exemplo interessante: caso da zircó º No zircónia parcialmente estabilizada com cal a transiç transição da estrutura monoclí monoclínica para tetragonal a 1000° 1000°C causa tanta distorç ç ão na rede que distor o material fractura. º A adiç adição de CaO cria uma soluç solução só sólida está estável até até 2500 °C. º As estruturas cristalinas, quando presentes,são extremamente complexas O óxido de Silício (SiO2) pode ter três formas cristalinas distintas: quartzo, cristobalite e tridimite MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 15 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º Processamento de cerâmicos º O processamento de materiais cerâmicos geralmente envolve uma fase de conformaç conformação, uma fase de secagem e uma fase de cozedura do material. º Preparaç Preparação dos materiais º º º Formed product Sintered product A maioria dos materiais cerâmicos é produzida por meio da aglomeraç aglomeração de partí partículas. Estas partí partículas e outros componentes como ligantes e lubrificantes podem ser misturados por via hú húmida ou a seco. Para quase todos os produtos argilosos, o processo habitual consiste na mistura dos componentes com água. Conformaç Conformação º sintering 16 Materiais Cerâmicos º Raw powder 14 Materiais Cerâmicos A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da natureza das suas ligações atómicas covalentes ou iónicas forming Pedro Almeida DEM 2005 Os produtos cerâmicos obtidos por meio de aglomeraç aglomeração de partí partículas podem ser enformados atravé através de muitos mé métodos (nos estados seco, plá plástico ou lí líquido). MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 17 Prensagem º As maté matérias primas cerâmicas sob a forma de partí partículas podem ser prensadas no estado seco, plá plástico ou hú húmido, no interior de uma matriz que confere a forma aos produtos. º Prensagem unidireccional a seco º É usada geralmente para produtos tais como os cerâmicos refractá refractários. Na prensagem a seco, uma mistura de pó pós, com pequenas quantidades de água e/ou ligantes orgânicos, é submetida a uma compactaç compactação uniaxial no interior de uma matriz. º Este mé método permite apenas a fabricaç fabricação de formas simples. Métodos de conformaç conformação mais usados na indú indústria: º º º Prensagem Vazamento de suspensões Extrusão MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 19 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º º º 18 Materiais Cerâmicos Materiais Cerâmicos º Pedro Almeida DEM 2005 Prensagem isostá isostática O pó pó cerâmico é colocado no interior de um contentor estanque e flexí flexível, que por sua vez é colocado dentro de uma câmara com um fluí fluído hidrá hidráulico, ao qual se aplica pressão. A forç força da pressão aplicada compacta o pó pó uniformemente em todas as direcç direcções e o produto final adquire a forma do seu contentor. 20 Materiais Cerâmicos º º Prensagem a quente Na prensagem a quente pode ser usado o mé método de prensagem uniaxial ou isostá isostático. tico. Este mé método combina duas fases do processo de fabrico de peç peças cerâmicas – conformaç conformação e cozedura. º º Obté Obtém-se desta forma um material com melhores propriedades mecânicas e maior densidade. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 21 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º º Materiais Cerâmicos Vazamento de suspensões Neste processo o pó pó cerâmico é suspenso (normalmente) em água. Esta mistura denominada suspensão é vertida no interior de um molde poroso. À medida que o lí líquido é absorvido pelo molde, os grãos cerâmicos depositamdepositam-se na superfí superfície interior do mesmo, formando uma camada de material semiduro. semiduro. Quando a parede da peça já apresenta a espessura desejada, remove-se o excesso da suspensão do interior do molde (vazado drenado), ou em alternativa, caso se queira uma peça maciça, permite-se que a parede da peça cresça até a cavidade do molde se encher completamente (vazado maciço). Após estes passos a peça é seca dentro do molde até ter rigidez suficiente para que se possa proceder à desmoldagem. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 23 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º º º 22 Extrusão Este processo é usado para o fabrico de peç peças cerâmicas de secç secção constante (podendo ser ocas). Consiste em fazer passar a pasta cerâmica (no estado plá plástico) atravé através de uma matriz (fieira). A má máquina usada neste processo tem o nome de extrusora e é composta por um fuso que empurra o material para a fieira. 24 Materiais Cerâmicos º º º Injecç Injecção O processo de injecç injecção é uma variante do processo de extrusão. extrusão. A máquina usada é semelhante à usada na extrusão, extrusão, mas o material em vez de ser forç forçado a passar por uma fieira, é injectado num molde, pelo fuso. O fuso neste caso, para alé além de ter um movimento de rotaç rotação, també também tem um movimento de avanç avanço e recuo, permitindo desta forma a injecç injecção no molde. Este mé método é usado principalmente no fabrico de peç peças que exigem tolerâncias dimensionais muito apertadas. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 25 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º 26 Materiais Cerâmicos Resumo da conformaç conformação º Tratamentos térmicos º Os tratamentos térmicos são as fases que se seguem à conformação. Englobam a secagem, sinterização (cozedura no estado sólido) e vitrificação (cozedura com presença de fase líquida) MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 27 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º Secagem e remoção do ligante º O objectivo da secagem é a remoção da água contida no corpo cerâmico antes do passo seguinte – a sinterização a altas temperaturas. Realiza-se a baixas temperaturas (≅100 ºC), embora, caso seja necessário remover ligantes orgânicos, se possa ter que elevar um pouco mais a temperatura (200 – 300 ºC). 28 Materiais Cerâmicos º Sinterizaç Sinterização no estado só sólido º Processo atravé através do qual as pequenas partí partículas de um material se ligam entre si por difusão no estado só sólido. Resulta na transformaç transformação de um material compactado poroso, num produto resistente e denso. denso. Neste processo també é m existe um aumento do tamanho de partí tamb partículas maiores à custa da extinç extinção de partí partículas de menores dimensões. º MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 29 º º º 30 Materiais Cerâmicos Materiais Cerâmicos º Pedro Almeida DEM 2005 º Vitrificaç Vitrificação (Sinterizaç Sinterização com fase lí líquida) Alguns produtos cerâmicos como as porcelanas e produtos argilosos argilosos para aplicaç aplicações estruturais contêm uma fase ví vítrea. Esta fase ví vítrea serve como um meio de reacç reacção atravé através do qual a difusão se pode realizar a uma temperatura mais baixa do que no resto do material só sólido. Durante a sinterizaç sinterização deste tipo de materiais a fase ví vítrea liquefazliquefaz-se e preenche os poros do material. Durante o arrefecimento, a fase lí líquida solidifica dando origem a uma matriz ví vítrea que liga entre si as partí partículas não fundidas. Cerâmicos tradicionais e Cerâmicos técnicos Ceramics Pottery Conventional Brick Advanced Space Shuttle Tiles Electronics Artificial Bones Turbine Blades Cutting Tools MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 31 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º º Materiais cerâmicos tradicionais Barro, argila, porcelanas, tijolos, ladrilhos e vidros. Materiais Cerâmicos º º º Devido às fracas exigências dos produtos com eles fabricados, podem conter impurezas, ser muito porosos e serem mecanicamente mais fracos. 32 º Materiais cerâmicos té técnicos Utilizados em inú inúmeras aplicaç aplicações tecnoló tecnológicas tais como encapsulamento de microcircuitos, microcircuitos, isolamento té térmico do Space Shuttle, Shuttle, revestimento de peç peças, etc... etc... Devido ao tipo de aplicaç aplicações em que são empregues, são muitas vezes puros, com ausência de porosidade (ou existência em pequena percentagem) e podem ser mecanicamente compará comparáveis a certos metais. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 33 Turbina fabricada com cerâmicos técnicos º Materiais 34 Materiais Cerâmicos Materiais Cerâmicos º Pedro Almeida DEM 2005 º Implantes de Hidroxiapatite utilizados º Silicato de Alumí Alumínio º Carboneto de Silí Silício º Nitreto de Silí Silício MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º Revestimentos MATERIAIS / MATERIAIS I 35 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º Revestimento Space Shuttle 36