INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS CERÂMICOS

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1 INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS CERÂMICOS CAPÍTULO 2 - PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PPGEM - EE - UFRGS

2 2. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 2.1 PROCESSAMENTO DE PÓS 2.2 CONFORMAÇÃO 2.3 SECAGEM 2.4 DENSIFICAÇÃO 2.5 ACABAMENTO

3 2.1.2 MOAGEM SEPARAÇÃO SÓLIDO-LíQUIDO AGLOMERAÇÃO CALCINAÇÃO SOL-GEL SHS OUTROS PROCESSOS ADITIVOS

4 CERÂMICA TRADICIONAL cerâmica branca: louças, isolantes, azulejos e pisos cerâmica vermelha: tubos, tijolos, telhas, lajotas refratários: tijolos, moldes, cimentos, cadinhos construção: concreto, gesso, vidros MATÉRIAS- PRIMAS DE OCORRÊNCIA NATURAL abrasivos: rebolos, lixas vidros: garrafas, louças, vidros planos

5 CERÂMICA TRADICIONAL Basicamente ocorrências naturais como: - argilas (silicato de alumínio hidratado com estrutura lamelar: hidroplasticidade; os argilominerais: caolinita, haloisita, pirofilita e montmorilonita) - feldspatos (Na/K/Ca-AlSi 3 O 8 ) - sílica - talco - asbestos - wollastonita - silimanita PLÁSTICOS E NÃO-PLÁSTICOS INERTES

6 CERÂMICA TRADICIONAL PROCESSAMENTO

7 CERÂMICA TRADICIONAL Ex: PORCELANAS DIAGRAMAS TRIAXIAIS Argila Sílica (Alumina) Argila Feldspato Carga Fundente

8 CERÂMICA TRADICIONAL PORCELANAS CERÂMICA BRANCA TRIAXIAL TRADICIONAL CERÂMICA BRANCA TRIAXIAL TÉCNICA

9 CERÂMICA TRADICIONAL ARGILAS DEFINIÇÃO DE ARGILAS: -Grim: - material terroso de granulometria fina; - apresenta certa plasticidade quando em contato com a água. -Amarante: -Ceramistas: - produtos da alteração intempérica de rochas ígneas, sedimentares e metamórficas; - são constituídas de minerais primários (que se encontram presentes nas rochas, e apenas se alteraram sua composição) e/ou minerais secundários (produzidos pela ação de agentes químicos sobre os minerais primários). - sedimento com tamanho de partícula inferior a 4 m, constituída em grande parte por argilominerais; - pode conter impurezas; - desenvolve plasticidade com a adição de uma quantidade conveniente de água, perdendo-a após a secagem; - após queima a uma temperatura superior a 1000 C, adquire alta resistência.

10 CERÂMICA TRADICIONAL FORMAÇÃO DE ARGILAS: - intempéries - história da argila

11 CERÂMICA TRADICIONAL FORMAÇÃO DE ARGILAS: - compostas por materiais plásticos e nãoplásticos; - argilas de granulometria muito fina, extremamente plásticas, processamento dificultado, pois precisam de uma considerável quantidade de água para desenvolver completamente a plasticidade. não-plásticos: modificam o comportamento das argilas na queima. Podem atuar como: - formadores de fases cristalinas, - formadores de fases líquidas (fundentes) - inertes

12 CERÂMICA TRADICIONAL PRODUTOS DE ARGILAS: - Matéria-prima barata; - Adicionando-se água na argila: Facilidade de cisalhamento (deslizamento) Possibilidade de extrusão e colagem Forças de van der Waals (fracas) Estrutura da caolinita em deslizamento

13 CERÂMICA TRADICIONAL ESTRUTURA DOS SILICATOS ESTRUTURA DAS ARGILAS Argilas = argilominerais + impurezas pertencem ao grupo dos filossilicatos: - compostos bidimensionais do silício-oxigênio tetraédrico e - compostos bidimensionais do alumínio- ou magnésiooxigênio-hidroxila octaédrico folhas tetraédrica ou octaédrica são sobrepostas em diferentes modos.

14 CERÂMICA TRADICIONAL ESTRUTURA DOS SILICATOS Estrutura da folha tetraedral ESTRUTURA DAS ARGILAS Estrutura da folha octaedral Arranjo tetraedral do Si e O Esquema em perspectiva de ligação tetraedral Arranjo octaedral do Si e O Esquema em perspectiva de ligação octaedral Projeção do tetraedro no plano da folha Projeção do octaedro no plano da folha Visão superior da folha tetraedral Visão de topo da folha octaedral

15 CERÂMICA TRADICIONAL ESTRUTURA DOS SILICATOS ESTRUTURA DAS ARGILAS Representação esquemática em duas dimensões da estrutura da folha de silicato Estrutura da argila tipo caolinita

16 CERÂMICA TRADICIONAL ESTRUTURA DOS SILICATOS ESTRUTURA DAS ARGILAS Representação esquemática da posição do sódio no vidro de sílica Cinco estruturas dos íons silicato formando tetraedros

17 CERÂMICA TRADICIONAL FÓRMULA QUÍMICA IDEAL DE ARGILOMINERAIS Caolinita Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 Haloisita Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4.H 2 O Pirofilita Al 2 (Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2 Montmorilonita (Al 1,67 Na 0,33 )(Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2 (Al 1,67 Mg 0,33 )(Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2 Mica Al 2 K(Si 1,5 Al 0,5 O 5 ) 2 (OH) 2 Ilita Al 2-x Mg x K 1-x-y (Si 1,5-y Al 0,+y5 O 5 ) 2 (OH) 2

18 CERÂMICA TRADICIONAL ESTRUTURA DAS ARGILAS: ARGILOMINERAIS Tipo de camada Grupo Subgrupo Exemplos da espécie 1:1 Caolim - serpentina (X~0) 2:1 Pirofilita - talco (X~0) Esmectita (X~0,2-0,6) Vermiculita (X~0,6-0,9) Mica (X~1,0) Brittle mica (X~2,0) (2:1:1) Clorita (X variável) 2:1 Paligorsquita e sepiolita (argilas fibrosas) (X variável) Serpentinas Caolins Talcos Pirofilitas Montmorilonitas Saponitas Vermiculitas dioctaédricas Vermiculitas trioctaédricas Micas dioctaédricas Micas trioctaédricas Brittle Micas dioctaédricas Brittle Micas trioctaédricas Clorita dioctaédrica Clorita trioctaédrica Di e trioctaédricas paligorsquitas Sepiolitas X = mudança da camada pela fórmula unitária Crisotila, antigorita, amesita, lizardita Caolinita, dickita, nacrita Talco Pirofilita Montmorilonita, beidelita, nontronita Saponita, sauconita, hectorita Vermiculitas dioctaédrica Vermiculita trioctaédrica Muscovita, paragonita, ilita, glauconita flogopita, biotita, lepidolita Margarita Clintonita Donbassita Cookeita, sudoita e paligorsquita sepiolita, xylotila

19 CERÂMICA TRADICIONAL ESTRUTURA DAS ARGILAS ESTRUTURA DOS SILICATOS Arranjo atômico na célula unitária de um mineral de camada 2:1 (esquemático). Arranjo atômico na célula unitária de um mineral de camada 1:1 (esquemático).

20 INDÚSTRIA CERÂMICA TRADICIONAL FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PRODUTOS DE ARGILAS:

21 CERÂMICA AVANÇADA 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 MATÉRIAS- PRIMAS DE ALTA PUREZA

22 Basicamente matéria-prima de alta pureza (rígida composição química), muitos não ocorrendo na natureza: - SiC - ZrO 2 - MgO - Al 2 O 3 - BeO - MgAl 2 O 3 - PbFe 12 O 19 - ZnFe 2 O 4 - Y 8 Fe 10 O 24 CERÂMICA AVANÇADA

23 ALUMINA Apresenta-se sob diversas formas: -Alumina : hexagonal, extremamente duro - outras aluminas,... CERÂMICA AVANÇADA Bauxitas, principal fonte de alumina (processo Bayer modificado ou eletrofusão em fornos de arco elétrico) Principais matérias-primas aluminas fundidas e sinterizadas

24 CERÂMICA AVANÇADA OBTENÇÃO DA ALUMINA: RETIDO

25 CERÂMICA AVANÇADA OBTENÇÃO DA ALUMINA: Polimorfismo: pseudopolimorfismo da Al 2 O 3

26 porosidade: 3% porosidade: 0,3% CERÂMICA AVANÇADA APLICAÇÃO DA ALUMINA: Defeito máximo 0,4 m (luz vísivel: 0,4 a 0,8 m) tamanho médio de partícula: 0,3 m Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida

27 B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA -AS CARACTERÍSTICAS DA MATÉRIA-PRIMA TÊM UMA INFLUÊNCIA SIGNIFICATIVA NAS PROPRIEDADES FINAIS: critérios: -composição química (pureza) -composição mineralógica (minerais presentes) -tamanho de partícula (distribuição de tamanho) -reatividade/morfologia (área superficial) -polimorfismos estas características (propriedades) devem ser controladas! -Além destas, a toxidade, reciclabilidade, disponibilidade e o custo da matéria-prima são decisivos

28 CONSIDERAÇÕES: - espécie química (óxidos, elementar) - íons Fe +2, Fe +3 - perda ao fogo - imprecisão - reprodutibilidade - técnica B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%) em peso SiO 2 69,86 Al 2 O 3 13,84 Fe 2 O 3 5,15 K 2 O 2,60 MgO 1,09 TiO 2 0,63 P 2 O 5 0,21 CaO 0,12 FeO 0,80 Na 2 O 0,12 MnO 0,08 PF 6,31 Total 100,64 Composição química característica de uma argila com cor de queima vermelha.

29 COMPOSIÇÃO QUÍMICA B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA - FLUORESCÊNCIA DE RAIO-X: elementos maiores, menores, traços (óxidos, elementar) - ABSORÇÃO ATÔMICA: química analítica para íons - RESSONÂNCIA MAGNÉTICA: diferentes íons mesmo elemento: Ti +2 ; Ti +4 - TITULOMETRIA: análise quantitativa via úmido

30 COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA - DIFRAÇÃO DE RAIO-X: minerais (fases presentes) B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA ARGILOMINERAIS Composição mineralógica característica de uma argila com cor de queima vermelha.

31 B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA -DTA/TG: reações com a temperatura, perda/ganho de massa, controle da calcinação inflexão na curva de 200 C a 450 C, banda endotérmica: - devido à perda de matéria carbonosa e combustão da matéria orgânica, presente na massa cerâmica. 900 C pico endotérmico: - formação da metacaolinita e do espinélio da ilita, que sobrepostos podem se anular (pico verificado a 1000 C). banda exotérmica entre 450 e 620 C, com um pequeno pico endotérmico: - provável eliminação da água estrutural, proveniente do argilomineral ilita, e os íons OH- da estrutura cristalina da caolinita (pico endotérmico em 600 C) - transformação alotrópica do quartzo em, sem perda de massa - liberação exotérmica de sulfetos do pico endotérmico até a temperatura de 200 C: argilomineral ilita. - eliminação de moléculas de água adsorvidas fisicamente. - extensão do pico depende do tamanho das partículas (quanto mais finas, maior é a quantidade de água adsorvida) - formulação ilítico-caolinítica (de grande quantidade de finos), a quantidade de água livre adsorvida é elevada.

32 B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA -DTA/TG: reações com a temperatura, perda/ganho de massa, controle da calcinação em 600 C perda de massa devido a desoxidrilação e perda de OH - da estrutura caolinítica em 200 C perda de massa brusca, devido a perda de água da livre, adsorvida pelo material; em 300 C perda de massa devido a combustão da matéria orgânica;

33 Perda de peso B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA CARACTERIZAÇÃO: DTA / TG comparação entre argilas a - Caolim b - Bentonita c - Ilita d - Haloisita d - Haloisita b - Bentonita a - Caolim c - Ilita Temperatura

34 B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA GRANULOMETRIA

35 B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA GRANULOMETRIA - Mesh # número de aberturas por polegada linear 4 # equivale 4,76 mm 400 equivale 0,037 mm - fração granulométrica: -100# -100# +80# - análise granulométrica: -4# +6# 5% -6# +20# 10% -20# +100# 25%...

36 GRANULOMETRIA B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA PENEIRAMENTO ABNT NBR 7181

37 B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA GRANULOMETRIA DIFRAÇÃO A LASER: exemplo de uma argila vermelha. Amostra D 10 ( m) D 50 ( m) D 90 ( m) Argila 0,71 2,93 12,63

38 Ligada ao grau de desordem no sólido B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA REATIVIDADE -área superficial (granulometria) -temperatura -defeitos (deformação da rede) e impurezas na rede -trocas na rede, acompanhando transformação de fase ou decomposição -radiação

39 Formas de avaliar o polimorfismo de materiais B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA POLIMORFISMO -DTA: reações com a temperatura, controle da calcinação -DILATAÇÃO TÉRMICA: transformações de fases controle da variação brusca de volume (SiO 2 ) -DIFRAÇÃO DE RAIOS X: minerais (fases presentes)

40 B CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA POLIMORFISMO Exemplo de polimorfismo: estruturas do ZrO 2