Materiais Cerâmicos. Conceitos Gerais

Transcrição

1 Materiais Cerâmicos Conceitos Gerais

2 O QUE SÃO MATERIAIS CERÂMICOS Exemplos: Propriedades:

3 O QUE SÃO MATERIAIS CERÂMICOS Arte e ciência de fazer materiais e produtos de substâncias inorgânicas, não metálicas Propriedades: We should already here appreciate that advanced ceramics meets the highest demands of present technologies. For instance, many ceramic materials are extremely resistant against abrasion! For instance, many ceramic materials are extremly resistant against heat! For instance, depending on further constraints such as temperature and pressure, ceramic materials can be insulators, ceramic materials can be conductors, and ceramic materials can be semi-conductors. Ceramic materials even can be ferroelectrics without which the performance of present communication technology would be more than poor.

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5 Cerâmica tipo rochas Louça Tijolo CERÂMICA DE SILICATOS Cerâmica Convencional Tipo Vidro Esmalte Ligantes Cimentos Óxidos binários Aluminatos Ferrites Titanatos Zirconatos ÓXIDOS CERÂMICA Vidros Cerâmica Funcional Magnéticas Eletronicas Piezoelétria opticas Carbono Carbetos Nitretos Boretos NÃO ÓXIDOS Cerâmica Avançada Cerâmica Fina Cerâmica de Engenharia Célula combustível Cerâmica Estrutural Vitrocerâmicos Ferram de corte Bio ceramicas

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7 Four levels of hierarchical triangles relating different groups of materials. Level 1 (materials supergroups): metals, polymers, ceramics ; Level 2 (ceramics sensu lato ): glasses, hydraulic ceramics, ceramics sensu strictu ; Level 3 (ceramic subgroups): advanced oxide ceramics, advanced non - oxide ceramics, classic silicate ceramics; Level 4 (phase diagrams): SiO 2, CaO + MgO, Al 2 O 3 + Fe 2 O 3.

8 Historically, silicate - based ceramics have been classifi ed in various ways. One of the most useful schemes (Hennicke, 1967 ) divides different classic ceramic wares according to their starting powder grain sizes (coarse: > mm; fi ne: < mm), porosity of the fired product, water absorption capacity ( < 2 > 6 mass%), and color of the fi red ceramic body.

9 Historically, silicate - based ceramics have been classifi ed in various ways. One of the most useful schemes (Hennicke, 1967 ) divides different classic ceramic wares according to their starting powder grain sizes (coarse: > mm; fi ne: < mm), porosity of the fired product, water absorption capacity ( < 2 > 6 mass%), and color of the fi red ceramic body.

10 Materiais de construção civil Cimentícios incluindo blocos, argamassas, concretos, artefatos, tubulações Cerâmica vermelha incluindo tijolos, telhas, solo-cimento, pisos, azulejos Geopolímeros são ligantes à base de aluminossilicatos tridimensionais amorfos, inicialmente descobertos por David na França no final dos anos 70.

11 Cerâmica de mesa e ornamental Cerâmica vermelha Porcelana

12 Vidros e vitrocerâmicos

13 Refratários Monolito - massas Conformado - tijolos

14 Nitreto de silício (Si 3 N 4 ) A microestrutura consiste em cristais alongados que se entrelaçam formando microbarras. Uma aplicação onde essa combinação de propriedades demonstrou ser especialmente útil é a usinagem do ferro fundido grafítico ou ferro fundido com inserções de cerâmica. Diferente de metais duros ou de outros materiais de corte, os processos de usinagem podem ser realizados com inserções de cerâmica à velocidade máxima sem o uso de lubrificantes para refrigeração. A combinação de ótimas propriedades tribológicas e a excelente resistência à quebra tornam a cerâmica de nitreto predestinada para aplicações como elementos esféricos e rolamentos em mancais leves e extremamente precisos, ferramentas com moldagem de cerâmica resistentes ao desgaste e componentes automotivos sujeitos à grande pressão. A ótima resistência ao choque térmico e a resistência à alta temperatura são exploradas nos processos de fundição.

15 Nitreto de silício (Si 3 N 4 ) 3Si 2N 2 Si3 N4 FASE VAPOR - ALTA T 3SiCl 4NH3 Si3N HCl NH NH Cl FASE VAPOR - BAIXA T SiCl4 6NH3 Si 2 4 NH 2 S3N 2NH3 3Si T 1700C 3SiO 2N2 6C Si3N 4 2 6CO

16 Titanato de Alumínio (Al 2 TiO 5 ) O recurso especial do titanato de alumínio (Al 2 TiO 5 ) é a sua excelente resistência ao choque térmico. Os componentes produzidos com esse material podem resistir até as mudanças de temperatura mais bruscas de centenas de graus sem sofrer danos, embora tenham pouca força. A boa resistência ao choque térmico é resultado de uma expansão térmica muito baixa e uma determinada quantidade de porosidade na microestrutura. A baixa umidade do material cerâmico com metais fundidos também tornamno ideal para uso na tecnologia de fundição e na fundição metalúrgica.

17 Óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) Exemplos de aplicações para a cerâmica avançada Al 2 O 3 de óxido de alumínio são as ferramentas de moldagem resistentes ao desgaste, os substratos e núcleos de resistores na indústria eletrônica, ladrilhos para proteção antidesgaste e balística, guias de fios na engenharia têxtil, discos de vedação e regulagem para torneiras de água e válvulas, dissipadores de calor para sistemas de iluminação, tubos de proteção nos processos térmicos ou catalisadores para a indústria química.

18 Óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) Processo Bayer Bauxita Cal Moagem Carbonato de Sódio Vapor Cozimento sob pressão Solução caustica Classificação - Decantação Lama Evaporação Cristais Precipitação Separação de cristas Água de lavagem Lavagem e Filtração Al(OH) 3

19 Compósito Cerâmica/Cerâmica A cerâmica mista de óxido ou a dispersão de cerâmica é o desenvolvimento de misturas de diferentes tipos de materiais cerâmicos básicos especificamente projetados para aprimorar e otimizar algumas propriedades. Os exemplos incluem zircônia de alumínio endurecida (ATZ) e alumínio de zircônia endurecido (ZTA). Um efeito positivo de reforçar um óxido com o outro são as propriedades que podem ser alcançadas. Há materiais ZTA que podem realizar forças flexionais de 1350MPa e forças compressivas superiores a 4700MPa. Esses materiais são usados em componentes que exigem o máximo de confiabilidade, como os materiais usados em esferas de articulações de quadril e inserções de ventosa para aplicações ortopédicas e de artroplastia.

20 Piezocerâmica A piezocerâmica tem uma vasta gama de usos. Ela é usada na indústria automotiva em algumas aplicações como nos sensores de nível de óleo e de pancada ou como atuadores para controle preciso de processos de injeção nos motores. Na tecnologia médica, os componentes piezocerâmicos podem ser encontrados em lithotripters, dispositivos para remoção de placas e em inaladores. As aplicações comuns em engenharia mecânica incluem limpeza ultrassônica, soldagem ultrassônica e o amortecimento da vibração ativa. Os captadores sonoros para instrumentos musicais ou dispositivos de ignição a gás piezoelétrico são exemplos de uso da tecnologia piezoelétrica em aplicações para o consumidor. A piezocerâmica é usada para converter os parâmetros mecânicos, como a pressão e aceleração, em parâmetros elétricos ou, inversamente, para converter sinais elétricos em movimento ou vibração mecânica. Os materiais piezocerâmicos são categorizados como cerâmica funcional. Nos sensores, eles possibilitam converter forças, pressões e acelerações em sinais elétricos e nos atuadores e transdutores sônicos e ultrassônicos, eles convertem as voltagens elétricas em vibrações ou deformações. Por um lado, os materiais piezocerâmicos são classificados de acordo com sua composição química, por outro lado, são classificados pelas condições de aplicação específicas.

21 Piezocerâmica A piezoeletricidade baseia-se na habilidade de alguns cristais para gerar uma carga elétrica quando carregada mecanicamente com pressão ou tensão, o que é denominado como o efeito piezo direto. Inversamente, esses cristais sofrem uma deformação controlada quando expostos a um campo elétrico - um comportamento referido como o efeito piezo inverso. A polaridade da carga depende da orientação do cristal relativa à direção da pressão.

22 Piezocerâmica - Perovskitas A cerâmica que possui as propriedades piezoelétricas pertencem ao grupo de materiais ferroelétricos. Os sistemas atuais são quase que exclusivamente baseados em titanato zirconato de chumbo (PZT); isto é, eles consistem em cristais mistos de zirconato de chumbo (PbZrO 3 ) e titanato de chumbo (PbTiO 3 ). Os componentes de piezocerâmica possuem uma estrutura policristalina contendo vários cristalitos (domínios) e cada um é composto de uma pluralidade de células elementares. As células elementares dessas cerâmicas ferroelétricas exibem a estrutura de cristal perovskite, a qual pode geralmente ser descrita pela fórmula A 2+ B 4+ O 3 2-.

23 Cerâmica com silicato Muitos tipos diferentes de cerâmica multifase podem ser produzidos com diferentes propriedades, através da variação do tipo e da quantidade de matérias-primas. Os materiais da cerâmica à base de silicato incluem: Porcelanas: silicatos de alumínio - alcalino Esteatita: silicatos de magnésio Cordieritas: silicatos de silício - alcalino terrestre Mullitas: composições de óxido de alumínio-silício de silicato são usados na engenharia elétrica e eletrônica e atuam como isolamento elétrico em fusíveis, disjuntores, termostatos e na tecnologia de iluminação. A capacidade dos materiais cerâmicos à base de silicato de fornecer isolamento térmico também é utilizada em aplicações da engenharia térmica, ambiental e de aquecimento. Os componentes porosos são produzidos para a emissão de fragrâncias e inseticidas, como catalisadores ou para diversas aplicações em laboratórios. Os componentes de precisão para aplicações na tecnologia de medição e nos produtos de laboratório usam e misturam uma gama completa de mídia de produtos cerâmicos.

24 Cerâmica com silicato MATÉRIAS PRIMAS CERÂMICAS SILICATOS E ARGILOMINERAIS

25 Óxido de zircônio (ZrO 2 ) Diferente de outros materiais cerâmicos, o óxido de zircônio (ZrO 2 também conhecido como zircônia) é um material com resistência muito alta à propagação de fendas. A cerâmica de óxido de zircônio também apresenta uma expansão térmica muito elevada, portanto constituem o material selecionado frequentemente para unir a cerâmica e o aço. Outra combinação de propriedades excelentes é a condutividade térmica muito baixa e a força elevada. Além disso, alguns tipos de cerâmica de óxido de zircônio podem conduzir íons de oxigênio. Os componentes produzidos com esse material são muito mais caros do que os componentes fabricados com cerâmica de alumínio. A cerâmica de óxido de zircônio é usada, entre outras aplicações, como ferramentas para moldagem de fios, como auxiliares nos processos de fundição, como materiais para coroas e pontes na indústria de odontologia, como anéis de isolamento nos processos térmicos, e como células de medição de oxigênio nas sondas lambda.

26 Óxido de zircônio (ZrO 2 )

27 Nitreto de alumínio (AIN) Isso torna o nitreto de alumínio predestinado para o uso em aplicações de energia e microeletrônica. Por exemplo, é usado como condutor de circuito (substrato) em semicondutores ou como dissipador de calor na tecnologia de iluminação LED ou na eletrônica de alta potência. O nitreto de alumínio (AlN) é o único material cerâmico técnico que apresenta uma combinação extremamente interessante de condutividade térmica muito alta e excelentes propriedades de isolamento elétrico.

28 Carboneto de silício (SiC) Com a cerâmica de carboneto de silício, as propriedades do material permanecem constantes até em temperaturas acima de 1400 C. O módulo alto de Young > 400 GPa garante uma estabilidade dimensional excelente. Essas propriedades do material tornam o carboneto de silício predestinado para ser usado como material de construção. O carboneto de silício controla a corrosão, abrasão e a erosão de forma hábil já que ele suporta o desgaste por fricção. Os componentes são usados em instalações químicas, fábricas, dilatadores e extrusores ou como bocais, por exemplo. O carboneto de silício tem praticamente as mesmas propriedades de um diamante. Ele não é somente o mais leve, mas também o material cerâmico mais duro e apresenta excelente condutividade térmica, baixa expansão térmica e é muito resistente aos ácidos e lixívias. O carboneto de silício é seguro em termos tóxicos e pode ser usado na indústria alimentícia. Outra aplicação típica para os componentes de carboneto de silício é a tecnologia de vedação dinâmica que utiliza mancais de fricção e vedações mecânicas, por exemplo, em bombas e sistemas de acionamento. Comparado aos metais, o carboneto de silício proporciona soluções altamente econômicas com vida útil mais longa das ferramentas quando usadas em ambientes agressivos, de alta temperatura. A cerâmica do carboneto de silício é ideal para atender as condições exigentes na balística, produção química, tecnologia de energia, fabricação de papel e nos componentes de sistemas de tubulação.

29 Carboneto de silício (SiC) SiO 2 3C SiC 2CO Mistura de Areia e Coque Eletrodo de grafite Base carbono Conector de corrente Conector de refrigeração

30 SiAlON Nitreto de alumínio e silício A classe do material de α/β-sialons caracteriza-se por uma combinação única do nitreto de silício com maior dureza do que o normal e com o mesmo alto nível de resistência. A fase α-sialon é muito dura, enquanto a fase β-sialon, como o nitreto de silício normal, possui um alto nível de resistência à quebras. As frações das fases de α-sialon, β-sialon e a fase limite do grão podem ser ajustadas em grande escala, o que possibilita adaptar as propriedades do material de α/β-sialon de forma a atender os perfis dos requisitos das diferentes aplicações. A cerâmica α/β SiAlON é um dos materiais mais recentes encontrado na cerâmica técnica e está relacionado aos nitretos de silício. Ela está presente somente em alguns compostos de matérias-primas e consiste em pelo menos três fases, α-sialon, β- SiAlON e uma fase limite de grão amorfo ou parcialmente cristalino. Em condições especiais, é ainda possível produzir um material gradiente que contenha uma fração maior de α-sialon na superfície do que no interior. A CeramTec aproveita essa característica, por exemplo, em várias cerâmicas de corte altamente resistentes ao desgaste para aplicações de usinagem: O gradiente na fração α-sialon fornece à superfície de uma inserção indexável, maior dureza do que o núcleo, o que aumenta muito a resistência ao desgaste do material de corte cerâmico. A resistência à quebra no interior permanece alta. A dureza e a resistência ao desgaste de α/β-sialons podem ser aumentadas ainda mais através da incorporação de materiais duros como o carboneto de silício. Essa variação do material de nitretos de alumínio e silício tem sido comprovada nos componentes expostos à alta pressão tribológica, por exemplo, na indústria de papel.

31 Composto de matriz de metal (MMC)