INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS CERÂMICOS

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1 INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS CERÂMICOS PPGEM - EE - UFRGS

2 INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS CERÂMICOS 1 INTRODUÇÃO 2 ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS 3 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 4 PROPRIEDADES E APLICAÇÕES 5 CONTROLE DE QUALIDADE

3 OBJETIVO Apresentar os materiais cerâmicos e seus processos de fabricação do ponto de vista da ciência e engenharia de materiais.

4 BIBLIOGRAFIA RICHERSON, D.W., Modern Ceramic Engineering, Marcel Dekker, Inc. New York, KINGERY, W.D. Introduction to Ceramics. John Wiley & Sons. New York, HANCH, L.L. e ULRICH, D.R., Science of Ceramic Chemical Procesing; Wiley - Interscience, New York, SANTOS, Pérsio de Souza. Ciência e Tecnologia de Argilas. 2ª edição. Volumes 1, 2 e 3. Ed. Edgar Blücher REED, JAMES S.: Principles of Ceramic Processing; Wiley Intersciense; New York; 2nd Ed.; BRISTOT, VILMAR MENEGON; Máquinas e Equipamentos para Cerâmica; Edit. e Livraria Luana; Criciúma; K. MASTERS; Spray Drying Handbook; George Godwin Limited; London; 4 th Ed.; RIES, HANS B.; Preparation of Ceramic Bodies throug Dry Grinding, Moist Grinding, Plastification and Pelletization; Interbrick - Vol. 3, nº 3; 1987.

5 INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS CERÂMICOS CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO PPGEM - EE - UFRGS

6 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO- PROPRIEDADES 1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO 1.4 EXERCÍCIOS

7 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA METÁLICOS CERÂMICOS POLIMÉRICOS COMPÓSITOS cobre tijolos polietileno grafite-epóxi ferro fundido azulejos epóxi WC e Co ligas de aço refratário fenólicos fiber-glass vidro Compósitos metal-cerâmico Compósitos metal-polímero Metais Compósitos metalcerâmico-polímero Compósitos cerâmico-polímero Cerâmicos Polímeros

8 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA Séries METÁLICOS CERÂMICOS POLIMÉRICOS Carbetos Séries Ligações metálicas Boretos Nitretos Silicetos Ligações iônico-covalente Silicones Ligações covalentes DEFINIÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS materiais não-metálicos, inorgânicos Vidros: não cristalinos

9 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA METÁLICOS CERÂMICOS POLIMÉRICOS COMPÓSITOS cobre polietileno grafite-epóxi ferro fundido epóxi WC e Co ligas de aço fenólicos fiber-glass Vidros Produtos Refratários Abrasivos Cerâmica de Argila Avançadas ARGILA SÍLICA BÁSICOS ESPECIAIS REFRATÁRIA ESTRUTURAL ELETRÔNICA BIOMATERIAL NUCLEAR PORCELANA CERÂMICA ISOLADORES ISOLANTES VERMELHA ELÉTRICOS TÉRMICOS

10 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA CERÂMICOS: COMPOSIÇÃO, ESTRUTURA E PROPRIEDADES CERÂMICA TRADICIONAL: MATÉRIA-PRIMA E PROCESSAMENTO CERÂMICA BRANCA CERÂMICA VERMELHA VIDROS ABRASIVOS REFRATÁRIOS CIMENTO CERÂMICA ELETRÔNICA CERÂMICA AVANÇADA: PERCUSSORES QUÍMICOS E PROCESSAMENTO SUBSTRATO ELETRÔNICO CAPACITORES E CERÂMICA PIEZOELÉTRICA CERÂMICA MAGNÉTICA CERÂMICA ÓPTICA CERÂMICA SUPERCONDUTORA CERÂMICA AVANÇADA ESTRUTURAL CERÂMICA NUCLEAR BIOCERÂMICA TRIBOCERÂMICA CERÂMICA AUTOMOTIVA INDÚSTRIA

11 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA CERÂMICA TRADICIONAL controle menos rígido das matérias-primas e parâmetros processuais cerâmica branca: louças, isolantes, azulejos e pisos cerâmica vermelha: tubos, tijolos, telhas, lajotas refratários: tijolos, moldes, cimentos, cadinhos construção: concreto, gesso, vidros abrasivos: rebolos, lixas vidros: garrafas, louças, vidros planos

12 CERÂMICA TRADICIONAL 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA Extrusora (maromba) para a fabricação de artefatos de cerâmica vermelha Produtos de argila vermelha Queima de louças sanitárias

13 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA CERÂMICA TRADICIONAL: Refratários convencionais

14 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA CERÂMICA AVANÇADA Rígido controle das matérias-primas e parâmetros processuais cerâmica eletrônica: elemento de aquecimento, isolantes, substratos, semicondutores cerâmica aeroespacial: partes de turbinas, isolamento térmico, trocadores de calor biocerâmica: próteses, implantes refratários avançados: revestimentos e concretos de alto desempenho nuclear: combustíveis diversos: ferramentas de corte, componentes resistentes à abrasão, blindagem, vitrocerâmicos, monocristais, fibras ópticas

15 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA CERÂMICA AVANÇADA Produtos de alta alumina e ZrO 2

16 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA CERÂMICA AVANÇADA: outros exemplos isolamento térmico biocerâmica moldado por injeção

17 CERÂMICA AVANÇADA: Materiais projetados Exemplo: lâmpada de sódio (1000 o C) com tubo de alumina (100 lúmens/w convencional 15 lúmens/w) 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida porosidade: 3% porosidade: 0,3%

18 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA TENDÊNCIA: CERÂMICA TRADICIONAL CERÂMICA AVANÇADA EXEMPLO: VITROCERÂMICOS Fundamental ação de fundentes: B, P Necessária a presença de elementos que potenciem a cristalização: Li, Mg, Ca, Ba, Zn FASE VÍTREA CRISTAL (Espinela) 1mm Obrigatória presença de elementos difíceis de cristalizar: Na, K Eventualmente nucleantes: TiO 2 e ZrO 2 Outros necessários: Al e Si Ocasionalmente para propriedades especiales: Fe, Cu, Co, Ni

19 FISICA QUIMICA ALVURA TRANSPARÊNCIA Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS PARA A INDÚSTRIA CERÂMICA FUSÃO POLIDO FUSÃO+CRISTAL.. FUSÃO+CRISTAL PROTEÇÃO SUPERFICIAL FLEXÃO ESMALTE SUPORTE PROTEÇÃO AO IMPACTO DECORAÇÃO FRATURA ESMALTES TRADICIONAIS MONOPOROSA GRES SINTERIZAÇÃO BRILHO SAIS SOLÚVEIS GRES PORCELANATO ESMALTES VITROCERÂMICOS 1 etapa 2 etapa 1 etapa GRES PORCELANATO SINTERIZAÇÃO E FUSÃO TENDENCIAS TENDÊNCIAS PARA AUMENTAR EL O VALOR AGREGADO AÑADIDO Esmalte Aumento da dureza e resistência à abrasão superficial Incremento na proporção de cristais em matriz vítrea SUPORTE Biscoito Aumentarla resistencia ao impacto para uso exterior Incrementar o conteúdo em vidro por fusão Aumento da complexidade científica e tecnológica de produção INCONVENIENTES ESMALTE: é difícil obter dureza superficial e decoração por polimento SUPORTE: a resistência ao impacto é obtida por um aumento na espessura e portanto do peso da peça PEÇA VITROCERAMICA (SUPORTE VITROCERÂMICO) FUSÃO+CRISTAL SOLUÇÕES Biscoito finos e coloridos com superfície lisa A) ESMALTE VITROCERÁMICO BRANCO/OPACO SEM ZIRCÔNIO PARA GRÊS PORCELANATO B) ESMALTE VITROCERÂMICO TRANSPARENTE PARA GRES PROCELÁNICO C) ESMALTE VITROCERÂMICO COLORIDO (CRISTALIZAÇÃO DO PIGMENTO) D) SUPOTES VITROCERÂMICOS

20 1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA ABORDAGEM fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAIS como interrelação entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES ESTRUTURA CIÊNCIA DOS MATERIAIS PROPRIEDADES

21 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES OS MATERIAIS PARA ENGENHARIA PRECISAM TER FORMA E DIMENSÕES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PROCESSO DE FABRICAÇÃO ESTRUTURA CIÊNCIA DOS MATERIAIS PROPRIEDADES

22 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA ESTRUTURA NOS MATERIAIS ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA CRISTALINA MICROESTRUTURA MACROESTRUTURA

23 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS

24 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS

25 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA PROPRIEDADES DOS MATERIAIS MECÂNICAS FÍSICAS QUÍMICAS

26 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES PROPRIEDADES DOS MATERIAIS MECÂNICAS resistência à tração, compressão, flexão resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga ductilidade módulo de elasticidade resistência ao desgaste FÍSICAS propriedades elétricas magnéticas térmicas ópticas densidade QUÍMICAS resistência à corrosão/oxidação

27 CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES COLAGEM PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PRENSAGEM EXTRUSÃO TAPE CASTING MOLDAGEM POR INJEÇÃO HIDROPLÁSTICA SOL-GEL OUTROS...

28 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA PROCESSOS DE FABRICAÇÃO os materiais precisam adquirir forma e dimensões para ser utilizáveis na Indústria são definidos em função das propriedades da matéria-prima e das propriedades necessárias para fazer frente às condições de serviço da peça ou componente

29 CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA MATERIAIS CERÂMICOS FRÁGEIS Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS 1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES não admitem deformação plástica» não podem ser processados por conformação mecânica PONTO DE FUSÃO ELEVADO dificuldade para obter um forno (revestimento) CAPACIDADE CALORÍFICA MAIOR QUE OS METAIS BAIXA CONDUTIVIDADE TÉRMICA alto custo para aquecer, fundir e vazar» não são processados por fundição

30 1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO MATÉRIA-PRIMAS NATURAIS COM BAIXA GRANULOMETRIA FRIÁVEIS moem com facilidade PROCESSAMENTO DE PÓS

31 1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO Forma, Tamanho e Propriedade do Material? Processo Cerâmico PÓ CORPO POROSO (alto grau de empacotamento e homogeneidade) PREPARAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA CONFORMAÇÃO FABRICAÇÃO PROCESSAMENTO TÉRMICO ACABAMENTO PRODUTO FINAL

32 1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO PÓ CORPO POROSO (alto grau de empacotamento e homogeneidade) DEFEITOS, DESCONTINUIDADES ordem de grandeza muita vezes superior a defeitos da Estrutura Cristalina PROPRIEDADES por exemplo: mecânicas, ópticas

33 1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO EXEMPLO DE OBTENÇÃO DE PÓ PARA POSTERIOR CONFORMAÇÃO MATÉRIA-PRIMA BENEFICIAMENTO PÓ Extração Maturação Cominuição Extração: argila, feldspatos, caulim, etc. Maturação: estabilizar as matérias-primas (argila) Cominuição: matériaprima com tamanho de partícula e distribuição granulométrica;

34 1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO FLUXOGRAMA DO PROCESSAMENTO TÍPICO DE MATERIAIS CERÂMICOS EXTRAÇÃO/BENEFICIAMENTO DA MATÉRIA-PRIMA MOAGEM/FORMULAÇÃO CONFORMAÇÃO SECAGEM/EXTRAÇÃO DE ADITIVOS QUEIMA PRODUTO FINAL

35 1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO Importância: para ser selecionado, um material deve: 1. Apresentar as propriedades adequadas Compromisso entre propriedades 2. Possa ser processado na forma desejável 3. Seja economicamente viável (matéria-prima e processo de fabricação) - avaliar relação: resistência/densidade - confiabilidade 4. Possa ser reciclado (impacto ambiental)

36 1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO RESUMO PROCESSO DE FABRICAÇÃO ESTRUTURA CIÊNCIA DOS MATERIAIS PROPRIEDADES

37 1.4 EXERCÍCIOS Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS 1. Cite 6 processos de fabricação de materiais cerâmico. Como eles diferem entre si? 2. Em que basicamente os processos de fabricação de materiais cerâmicos diferem dos processos para outros materiais? 3. Quais as diferenças entre os processos de fabricação de materiais cerâmicos tradicionais e os aplicados a materiais cerâmicos avançados? Qual a tendência. 4. Como se relaciona a estrutura, as propriedades e os processos de fabricação para os materiais cerâmicos? 5. Em que estaria baseada a mudança de propriedades de um mesmo material processado por diferentes técnicas? 6. Faça um fluxograma genérico do processamento de materiais cerâmicos e acrescente um pequeno comentários sobre cada etapa e suas finalidades. 7. Cite 5 produtos cerâmicos e relacione-os com seus processos de fabricação. 8. Cite algumas características típicas dos materiais cerâmicos que estão associadas ao seu processo de fabricação. 9. Cite alguns critérios para a escolha do processo de fabricação. 10. Faça uma comparação entre os custos de alguns pós cerâmicos