ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA DILATAÇÃO-RETRAÇÃO E DENSIFICAÇÃO DA MULITA EM FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DO ÓXIDO DE FERRO

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1 ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA DILATAÇÃO-RETRAÇÃO E DENSIFICAÇÃO DA MULITA EM FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DO ÓXIDO DE FERRO Lauro J. Q. Maia e Dorotéia F. Bozano Departamento de Física CCET Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Caixa Postal: 549, CEP: , Campo Grande - MS, Brasil junemaia@zaz.com.br RESUMO Alguns estudos têm avaliado a influência de diferentes óxidos como dopantes da matriz de mulita para se atingir a densificação desejada. Neste estudo, apresentamos a influência da concentração do óxido de ferro (1, 2, 3, 5, 7, 10 e 20%, % mol) sobre a densificação da matriz de mulita, assim, como a influência sobre as curvas de dilatação-retração dos corpos de mulita (74%Al 2 O 3.26%SiO 2, % em peso) sinterizados a 1400 o C/5h.. A densificação é baixa e varia entre 72 a 76% em função da dopagem. A amplitude de dilatação-retração térmica total é muito baixa, não ultrapassando 0,7%, e é praticamente independente da variação da concentração do dopante. Palavras-chaves: Mulita, óxido de ferro, densificação, dilatação-retração. THE DILATION-RETRACTION AND DENSIFICATION BEHAVIOR OF MULLITE CERAMIC MATRIX AS FUNCTION OF Fe 2 O 3 CONCENTRATIONS ABSTRACT Some studies have been evaluating the influence of different oxides to enhance mullite matrix densification. In this study, one presents the influence of the concentration of the iron oxide (1, 2, 3, 5, 7, 10 and 20%,% mol) on the densification of the mullite matrix as on the curves of dilation-retraction of the mullite bodies (0,74Al 2 O 3.0,26SiO 2, % wt) sintered to 1400ºC/5h.. The densification is low and it varies among 72 to 76% of theoretical density as function of concentration, indicating iron oxide is not a good densification agent. The CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 04201

2 amplitudes of dilation-retraction thermal curves of sintered bodies are very low, no exceeding 0,7%, and it is practically independent of the variation of the concentration of the doped. Keys-words: mullite, iron oxide, densification, dilation-retraction behavior. INTRODUÇÃO Por estar entre os poucos materiais que apresentam excelentes propriedades para aplicações estruturais em altas temperaturas, a cerâmica mulita (3Al 2 O 3. 2SiO 2 ) é uma candidata em potencial para muitas aplicações avançadas. Tais aplicações requerem uma cerâmica de alta qualidade, alta densidade e de microestrutura refinada, sendo que tais requisitos são fortemente influenciados pelo método de preparação do material (1-3). Os óxidos de lantânio, cério, zircônio e magnésio vem sendo estudados como possíveis auxiliares na densificação e controle da microestrutura da mulita para obtenção de cerâmicas avançadas para aplicações estruturais em altas temperaturas (4-8). Assim um estudo de outros dopantes alternativos de baixo custo, como o óxido de ferro, poderia tornar esse material bastante adequado para aplicações industriais. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de estudar a influência da concentração (1, 2, 3, 5, 7, 10 e 20%, % em mol) do óxido de ferro sobre a sinterização, densificação e propriedades termofísicas da matriz de mulita obtida pelo processo sol-gel. MATERIAIS E MÉTODOS Géis de mulita dopados com diferentes concentrações de Fe 2 O 3 (1, 2, 3, 5, 7, 10 e 20%, % em mol) foram preparados através da mistura em temperatura ambiente da suspensão coloidal de boemita (9-14) preparada pela hidrólise a quente do Al(OC 4 H 9 ) 3, solução aquo-alcóolica de Si(OC 2 H 5 ) 4 e Fe(NO 3 ) 3.6H 2 O. Os géis secos e calcinados a 500 o C/24 horas foram moídos em moinho centrífugo com jarro e bolas de moagem de ágata, peneirados em peneira 270 Mesh e prensados uniaxialmente (254MPa) em forma de um disco cilíndrico. Os corpos a verde foram submetidos a análises termomecânicas (TMA, Shimadzu, TA-50 WSI, Thermal Analyser) onde se utilizou uma carga de 100 kg/m 2, atmosfera de ar comprimido (3,3x10 4 L/s) e razão de aquecimento de 4,7K/s, no intervalo de temperatura de 50 a 1400 o C, com a finalidade de se determinar a taxa de retração dos corpos a verde e suas respectivas temperaturas e comportamentos de transições cristalinas. As densidades e a CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 04202

3 retração volumétrica dos corpos sinterizados a 1400 o C/5 horas foram determinados pelo método geométrico. As histereses de dilatação-retração dos diferentes corpos cerâmicos sinterizados a 1400 o C/5 horas foram determinadas através de análises termomecânicas (TMA, Shimadzu, TA-50 WSI, Thermal Analyser) durante o ciclo de aquecimento e resfriamento nos intervalos de temperatura de 50 a 1300 o e 1300 a 300 o C, utilizando-se as mesmas condições experimentais citadas acima. RESULTADOS E DISCUSSÃO Evolução Térmica Os intervalos de transições de fase são avaliados através das curvas de derivada de primeira ordem das respectivas curvas de retração linear percentual (Figura 1). Figura 1 Derivada de primeira ordem das curvas de retração linear percentual para os corpos cerâmicos de mulita dopados com Fe 2 O 3, em função da temperatura e da concentração de dopante. Observando as curvas de derivada de primeira ordem, apresentadas na Figura 1, notase que com o aumento da concentração de Fe 2 O 3, a temperatura de formação da fase ortorrômbica da mulita vai diminuindo com o aumento da concentração, e atinge-se redução de 100 o C nessa temperatura com relação à mulita pura (0%) preparada pelo mesmo processo. Segundo a literatura, para que uma alta densificação da matriz de mulita seja atingida é CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 04203

4 necessário que haja um retardo da formação da fase ortorrômbica da mulita. Assim, temos que, como será constatado abaixo, o óxido de ferro não é um auxiliar adequado para o processo de densificação da matriz de mulita. Isso indica que é possível obter corpos sinterizados em temperaturas mais baixas que 1400ºC. A cinética de formação das fases cristalinas é praticamente independente da concentração utilizada. Comportamento da Densificação e da Retração Volumétrica A densidade relativa dos corpos cerâmicos sinterizados a 1400 o C/5h é apresentada na Figura 2.a. Nesta análise foi utilizado o valor de 3,1x10 3 kg/m 3 para a densidade teórica da mulita pura. A Figura 2.b apresenta o comportamento da retração volumétrica desses mesmos corpos cerâmicos. 78 (a) 54 (b) 52 Densidade Relativa (%) Retração Volumétrica (%) Concentração (% Mol) Concentração (% Mol) Figura 2 Comportamento da (a) densidade relativa e da (b) retração volumétrica dos corpos cerâmicos de mulita dopados com Fe 2 O 3 sinterizados à 1400ºC/5horas em função da concentração do dopante. A introdução do Fe 2 O 3 na matriz de mulita reduz significativamente a densificação dos corpos cerâmicos, pois induz a uma diminuição marcante da retração volumétrica. Essas CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 04204

5 características são fortemente dependentes da concentração do óxido de ferro, como é apresentado na Figura 2. As densidades obtidas para os corpos cerâmicos dopados é muito inferior àquela do corpo cerâmico de mulita pura obtido pelo mesmo processo de preparação e sinterização. Assim, concluí-se que o óxido de ferro é inadequado como auxiliar da densificação da mulita, mas pode ser utilizado como agente de controle na retração desses corpos cerâmicos. O comportamento apresentado pelo óxido de ferro é totalmente oposto àqueles apresentados por Bozano et al 4,6,8 e Maia 5, 15 et al. para os óxidos de lantânio, cério e magnésio. A Figura 3 apresenta o comportamento das curvas de dilatação-retração para os diferentes corpos sinterizados a 1400 o C/5horas. O objetivo desta análise é avaliar a amplitude de histerese durante um ciclo de aquecimento-resfriamento em função da concentração de dopante. Figura 3 Curvas de dilatação - retração para os corpos cerâmicos de mulita dopados com Fe 2 O 3 sinterizados à 1400ºC/5h em função da temperatura e da concentração de dopante para um ciclo de aquecimento ( ---- ) e resfriamento( o ). As histereses de dilatação-retração para os corpos cerâmicos de mulita dopados com diferentes concentrações de óxido de ferro são fortemente dependentes da concentração do dopante como apresentado na Figura 3. A concentração de 10% é que apresenta a menor amplitude de histerese durante o ciclo de aquecimento-resfriamento. É importante observar o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 04205

6 comportamento anômalo da curva de dilatação-retração apresentado pela concentração de 7% de Fe 2 O 3, onde as dimensões do corpo cerâmico é maior em todo o ciclo de resfriamento que no ciclo de aquecimento. CONCLUSÃO A dopagem da matriz de mulita com Fe 2 O 3 leva a uma redução da temperatura de formação da fase ortorrômbica da mulita que reduz drasticamente a retração volumétrica dos corpos cerâmicos, acarretando em uma densificação muito inferior a da mulita pura obtida pelo mesmo processo. O óxido de ferro poderia ser indicado, segundo os resultados obtidos, somente como agente de controle da retração dos corpos cerâmicos. O comportamento do Fe 2 O 3 na densificação da matriz de mulita apresenta um comportamento totalmente oposto aqueles obtidos por Maia e at. 5, 15 e Bozano at al. 4, 6, 8 para as dopagens com óxidos de lantânio, cério e magnésio. BIBLIOGRAFIA 1. S. Prochazka, J. S. Wallace and N. Claussen, Microstructure of Sintered-Zirconia Composites, J. Am. Ceram. Soc. 66 [8] C-125-C127 (1983). 2. M. H. Leipold and J.D. Sibold, Development of Low-Thermal Expansion Mulitte Bodies, J. Am. Ceram. Soc. 65 [9] C-147 C-149 (1982). 3. M. S. Sacks, H.-W. Lee and J. A. Pask, A Review of Powder Preparation Methods and Densification Procedure For Fabricating High Density Mullite, in Mullite and Mullite Matrix Composites, Ed. By S. Somiya, R. F. Davis and J. A. Pask, Ceramic Transactions, Vol 6, The American Ceramic Society, Inc., (1990) D. F. Bozano and P. P. Neves, Materials Science Forum (1999) L. J. Maia e D. F. Bozano, Comportamento da Densificação, Sinterização e Propriedades Termomecânicas da Cerâmica Mulita Dopada com Diferentes Concentrações de La 2 O 3, Anais do 44 o Congresso Brasileiro de Cerâmica e II Simpósio Brasileiro de Cerâmica Eletro-Eletrônica, São Pedro SP (2000). CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 04206

7 6. Dorotéia F. Bozano e Lauro J. Q. Maia, "Avaliação da Influência da Concentração da Dopagem do Óxido de Magnésio no Comportamento da Dilatação - Retração e Densificação da Mulita", Anais do 14 CBECIMAT, São Pedro-SP, dezembro de 2000 (submetido). 7. C-S. Huang and D-Y Fang, Effects of Y 2 O 3 Addition on the Sinterability and Microstructure of Mullite (Part I), J. Ceram. Soc. Japan, 100 (1992) D. F. Bozano e L. J. Q. Maia, Dependência do Comportamento Térmico da Cerâmica Mulita 7% mol La 2 O 3 em Função do Tempo de Envelhecimento da Suspensão Precursora de Boemita., Anais do 44º Congresso Brasileiro de Cerâmica e II Simpósio Brasileiro de Cerâmica Eletro-Eletrônica, São Pedro SP, (2000). 9. E. Yoldas, Mullite and Mullite Matrix Composites, Ceramic Transactions, Vol. 6, (1990) B. E. Yoldas, Am Ceram. Soc. Bull. 54 [3] (1975) B. E. Yoldas, J. Mater. Sci, 10 (1975) M. Simões, D. F. Bozano e M. A. Aegerter, Obtenção de Membranas Não-Suportadas de Composição 3Al 2 O 3-2SiO 2 Pelo Processo Sol-Gel, Anais do 38 o Congresso Brasileiro de Cerâmica, Blumenau, SC, pp (1994). 13. M. A. Aegerter and D. F. Bozano, Preparation and Characterization of Gels of SiO 2.Al 2 O 3 Composition, in Chemical Processing of Advanced Materials, Eds. L. L. Hench and J. K. West, John Wiley & Sons, Inc., (1992) pp L. J. Q. Maia and D. F. Bozano, Study of Phase Transformations and Thermomechanical Behavior of Mullite Ceramic as a Function of Boehmite Precursor Time Ageing. Annals of 4 th Brazilian Symposium on Glasses and Related Materials, Ouro Preto, MG, pp 28 (1999). 15. Lauro J.Q.Maia e Dorotéia F. Bozano, "Propriedades Termomecânicas da Cerâmica Mulita Dopada com Óxido de Lantânio ou Óxido de Cério", Anais do 14 CBECIMAT, São Pedro-SP, dezembro de 2000 (submetido). Agradecimentos: Os autores agradecem à CPq-PROPP/UFMS, à CAPES, ao CNPq- PIBIC/UFMS pelo suporte financeiro que possibilitou esta pesquisa. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 04207