MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II (EM307) 2º Semestre 2005/ Materiais Cerâmicos

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1 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II (EM307) 2º Semestre 2005/06 1. Materiais Cerâmicos F. Jorge Lino Alves 1

2 Resumo 1. MATERIAIS CERÂMICOS Cerâmicos Tradicionais e de Engenharia (técnicos) Vidros. Dureza, módulo, densidade, resistência, tenacidade, temperatura de fusão, coeficiente de expansão térmica, calor específico, condutividade térmica, etc. 2

3 MATERIAIS 1. Cristalinos (cerâmicos) 2. Amorfos (vidros) 3. Parcialmente cristalinos (vidros cerâmicos), cristais numa matriz vítrea 3

4 MATERIAIS CERÂMICOS Materiais inorgânicos, não metálicos constituídos por elementos metálicos e não metálicos juntos por ligações iónicas e/ou covalentes. Duros Duros e e frágeis frágeis - Óxidos - Silicatos - Carbonetos - Nitretos -etc. Baixa condutibilidade eléctrica e térmica Elevada temperatura de fusão Elevada estabilidade química 4

5 Propriedades dos materiais cerâmicos dependem de: 1. Tipo de ligação (elevadas forças interatómicas) - temperatura de fusão elevada - dureza elevada - elevada estabilidade química - rigidez elevada (E) - resistência à deformação plástica a baixa e altas temperaturas - baixa tenacidade 2. Ausência de electrões livres - baixa condutividade térmica e eléctrica - transparência (em monocristais ou secções finas de pluricristais) 3. Condução iónica a temperatura elevada (difusão) mobilidade do catião (+) >> mobilidade do anião (-) 5

6 1.1. CERÂMICOS TRADICIONAIS Esta classe é geralmente composta por principalmente por silicatos: porcelanas, faianças, vidros e cimentos ARGILA (silicatos de alumínio hidratado - caulinite Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O) (40% Al 2 O 3, 46% SiO 2 e 14% H 2 O) (+TiO 2, Fe 2 O 3, MgO, CaO, Na 2 O e K 2 O) - Moldabilidade Porcelana (argila, sílica e feldspato (K 2 O. Al 2 O 3.6SiO 2 )) Sílica (SiO 2 ) - Refractariedade e T f Feldspato (K 2 O. Al 2 O 3.6SiO 2 ) - Liga os diversos constituintes e T f Aplicações: Tijolos, telhas, louça, jarros 6

7 Possuem ciclos de cozedura extremamente longos, para eliminar a água e reduzir as probabilidades de fissuração por choque térmico. Ocorrem elevadas contracções. 7

8 Estruturas heterogéneas EXEMPLO (moldações cerâmicas para fundição ou termoformação de vidro) zircão Matéria-prima partículas grandes de molochite (mistura de mulite (3Al 2 O 3.2SiO 2 ) e sílica amorfa) partículas arredondadas de zircão (ZrSiO 4 ) partículas ligadas por uma rede tridimensional de sílica (silicato de etilo hidrolisado) elevada porosidade molochite 8

9 Composição Química 15% (zircão) silicato de zircónio (-325 mesh) 40% silicato de zircónio (-200 mesh) 15% silicato de zircónio (areia) ( mesh) 20% molochite (55% mulite-3al 2 O 3.2SiO 2, 45% sílica amorfa) (30-80 mesh) 10% molochite (16-35 mesh) Processamento 1. Mistura dos pós com silicato de etilo hidrolisado 2. Adição do catalisador 3. Vazamento da barbotina 4. Controlar tempo de gel e parar a reacção 5. Desmoldar 6. Queima 7. Sinterização 9

10 ARGILA Matéria-prima que provém da decomposição, ao longo de milhões de anos, de rochas feldspáticas, muito abundantes na crosta terrestre. Esta decomposição deve-se principalmente à acção da água, que actua sobre as rochas como um poderoso agente abrasivo, dissolvendo os materiais solúveis e depositando-os. Primárias Formam-se no seu próprio lugar de origem a rocha mãe onde se encontram mais protegidas dos agentes atmosféricos. Caracterizam-se por partículas grossas e uma coloração mais clara. São pouco plásticas mas de grande pureza, possuindo um alto nível de fusão (caulino). Secundárias ou sedimentares São aquelas que foram transportadas para longe da rocha mãe, por acção da água, do vento ou mesmo dos glaciares. Estas argilas são finas e plásticas do que as primárias, embora possam conter impurezas devido ao seu contacto com outros materiais e mesmo com matérias orgânicas. São argilas que sofrem alterações de coloração e apresentam um nível de fusão mais baixo. 10

11 Porosidade muito variável Refractários ( porosidade) Porcelanas ( porosidade) Composição química, expressa em % óxidos, de argilas de várias procedências, classificadas como matérias primas principais das indústrias indicadas 11

12 1.2. CERÂMICOS DE ENGENHARIA (Técnicos/Avançados) Geralmente são compostos puros baixa densidade (densidade relativa elevada) elevada resistência a todas as temperaturas elevado módulo de elasticidade (E) - rigidez elevada dureza, resistência ao desgaste e abrasão elevada resistência à corrosão elevada refractariedade baixa condutibilidade térmica baixo coeficiente de expansão térmica propriedades eléctricas e magnéticas diversas 12

13 1. Óxidos -Alumina(Al 2 O 3 ) - placas circuitos integrados, implantes, sensores, cadinhos, velas - Óxido de magnésio (MgO) - díodos, dissipadores de calor - Zircónia (ZrO 2 ) - refractários, pedras preciosas, abrasivos 2. Nitretos - Nitreto de silício (Si 3 N 4 ) - motores (turbinas) - Nitreto de boro (BN) - ferramentas - Nitreto de titânio (TiN) - revestimento de ferramentas 3. Carbonetos - Carboneto de silício (SiC) - chumaceiras - Carboneto de tungsténio (CW) - matrizes de extrusão AZ50 (50% Alumina, 50% zircónia cúbica) 4. Sialons - Sialon (Si-Al-O-N β =Si 3-x Al x O x N 4-x 0 x 2) - válvulas 13

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15 AM % vol. Aglomerados (grão grosso) 15

16 Placa de Alumina 16

17 CERÂMICOS BASEADOS EM BORO BC BN Densidade Mgm Dureza HV 3200 soft Módulo de Young GPa Resistência à Flexão MPa Tenacidade à fractura MNm -3/ Temp. Máx. de Utilização ºC Condutividade térmica Wm -1 K CERÂMICOS BASEADOS EM ÓXIDOS BeO MgO ThO 2 Densidade Mgm Dureza HV Módulo de Young GPa Temp. Máx. de Utilização ºC Condutividade térmica Wm -1 K Coeficiente de Expansão 10-6 K

18 CERÂMICOS DE ZIRCÓNIA Sinterizada PSZ TZP MgO Y 2 O 3 Densidade Mgm Resistência à Flexão MPa Módulo de Young GPa Dureza HV Tenacidade à fractura MNm -3/ Temp. Máx. de Utilização ºC Condutividade térmica Wm -1 K Coeficiente de Expansão 10-6 K CERÂMICOS DE ALUMINA % de Alumina 99% 97,5% 85% ZTA Densidade Mgm Dureza HV Módulo de Young GPa Tenacidade à fractura MNm -3/ Resistência à Flexão MPa Temp. Máx. de Utilização ºC Coeficiente de Expansão 10-6 K Condutividade térmica Wm -1 K

19 CERÂMICOS DE CARBONETO DE SILÍCIO RBSC HPSC SSC NBSC Densidade Mgm Dureza HV Módulo de Young GPa Tenacidade à fractura MNm -3/ Resistência à Flexão MPa Temp. Máx. de Utilização ºC Condutividade térmica Wm -1 K Coeficiente de Expansão 10-6 K CERÂMICOS DE NITRETO DE SILÍCIO RBSN HPSN SSN Sialon Densidade Mgm Dureza HV Módulo de Young GPa Tenacidade à fractura MNm -3/ Resistência à Flexão MPa Temp. Máx. de Utilização ºC Condutividade térmica Wm -1 K Coeficiente de Expansão 10-6 K

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21 2. Vidros Características Transparência (Tamb.) Dureza (Tamb.) Suficiente resistência mecânica Excelente resistência à corrosão Matérias Primas Vidro clássico (soda-cal) janelas, garrafas, lâmpadas, utensílios de laboratório 70% SiO 2, 10% CaO, 15%Na 2 O Pirex (borosilicato) - tabuleiros para fornos, equipamento de laboratório 80% SiO 2, 15% B 2 O 3, 5%Na 2 O Areia (SiO 2 ) - vitrificante Calcário (CaO) - estabilizante Dolomite (MgO) - estabilizante Carbonato de sódio (Ca 3 Na 2 ) - fundente Corantes (FeO, Fe 2 O 3, Ca 2 O 3 ) Afinantes (F, Na 2, SO 4 )- diminuem a viscosidade 21