Características, Processamento e Aplicações de: Trabalho em grupo com apresentação a partir de 19/04

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1 Cronograma de Aulas DATA 22/fev 01/mar 08/mar 15/mar 22/mar 29/mar 05/abr 12/abr 19/abr 26/abr 03/mai 10/mai 17/mai 24/mai 31/mai 07/jun 14/jun ASSUNTO Revisão e Introdução (Estrutura atômica, estrutura cristalina e ligações) Introdução a Cerâmicas Estrutura cerâmicas Propriedades Mecânicas de Cerâmicas Tipos e Aplicações de Cerâmicas Fabricação e Processamento de Cerâmicas REVISÃO PROVA Introdução a Polímeros Apresentação de Trabalhos Propriedades Físicas de Polímeros Apresentação de Trabalhos Tipos de Polímeros Apresentação de Trabalhos Síntese e Processamento de Polímeros Apresentação de Trabalhos Introdução a Compósitos Apresentação de Trabalhos Tipos de Compósitos Apresentação de Trabalhos Processamento e Aplicação de Compósitos Apresentação de Trabalhos REVISÃO PROVA

2 TEMAS P/ TRABALHO (escrito e apresentação oral) Características, Processamento e Aplicações de: Poliolefinas PET Nylon Polímeros de Engenharia Elastômeros Fibras Refratários Cerâmicas Avançadas Polímeros Naturais Compósitos Metálicos Compósitos Cerâmicos Compósitos Poliméricos Materiais Argilosos Materiais Vitrocerâmicos Cimentos Abrasivos Fibra de Carbono Fibra de vidro Supercondutores Cerâmicas a base de carbono Trabalho em grupo com apresentação a partir de 19/04 2

3 INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS CERÂMICOS Docente: Wagner M. Pachekoski

4 CERÂMICAS NA PRÉ-HISTÓRIA 2 milhões de anos atrás o Homo Erectus tem contato com os primeiros materiais cerâmicos; Lascas de quartzo e obsidiana utilizadas como armas; Ponta de lança feita de quartzo 4

5 PEÇAS CERÂMICAS GRÉCIA ANTIGA 1050 AC Peça primitiva, moldada na Idade das Trevas 1100 AC 5

6 PEÇAS CERÂMICAS ATUALIDADE Supercondutores Vidros Cerâmicas Semicondutores 6

7 MATERIAIS CERÂMICOS 55% MERCADO MUNDIAL Estimado em US$ 100 bilhões / ano; 17% 10% 9% 7% 2% Vidros Cerâmicas Avançadas Cerâmica branca Porcelanas Refratários Argilas Estruturais

8 O que são os materiais Cerâmicos?

9 DEFINIÇÃO Cerâmica (Keramikos) = matéria-prima queimada. As propriedades só são atingidas após um tratamento térmico de alta temperatura conhecido como ignição. 9

10 DEFINIÇÃO Os Materiais cerâmicos são sólidos inorgânicos, não-metálicos. (Kingery, 1976) E os vidros? (líquidos super-resfriados) Materiais fundidos deixam de ser cerâmicas? E os supercondutores? (apresentam condutividade melhor que dos metais) 10

11 DEFINIÇÃO A maioria dos materiais sólidos que não são polímeros, metais ou derivados de plantas e animais são cerâmicas. (Richerson, 2000)... Que também apresenta uma exceção: o osso humano, composto de hidroxiapatita: Ca 10 (HPO 4 ) 6 (OH) 2...e sintetizado por um organismo vivo. 11

12 DEFINIÇÃO Atualmente, as cerâmicas são associadas a uma série de características: Apresentam uma mistura de ligações: uma combinação de ligações iônicas, covalentes e algumas vezes metálicas. Consistem de um arranjo de átomos interconectados. São compostos de metais, semi-metais e não-metais. Geralmente na forma óxidos, carbetos e nitretos. 12

13 DEFINIÇÃO ATENÇÃO: O grafite e o diamante são considerados cerâmicas! Apesar de compostos unicamente de carbono, ambos os materiais são formas de carbono inorgânica, não sendo produzidas por nenhum tipo de organismo vivo. 13

14 DEFINIÇÃO EM GERAL as cerâmicas apresentam as seguintes características: Isolantes elétricos Isolantes térmicos Resistentes à corrosão Argila Feldspato Talco Silicatos Grafite etc. Fragilidade Dureza Estabilidade química Alto ponto de fusão Transparência Ligações iônicas, ou Ligações covalentes 14

15 MATERIAIS CERÂMICOS EXCESSÕES: Fragilidade: cerâmicas super-plásticas. Ex: ZrO 2 estabilizado com Y 2 O 3 ; ZrO 2 estabilizado com Y 2 O 3 ; Isolantes Térmicos: diamante (melhor condutor térmico conhecido). Isolantes Elétricos: semicondutores e supercondutores. 15

16 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS Naturais argila, quartzo, feldspato, filito, talco, calcita,dolomita, magnesita, grafita. Sintéticas alumina (óxido de alumínio) sob diferentes formas (calcinada, eletrofundida e tabular); carbeto de silício 16

17 TIPOS DE MATÉRIAS PRIMAS Categoria Pureza (%) Materiais Materiais nãoprocessados Variável Argilas, bauxita Minerais industrializados Caulim, talco, feldspato, quartzo Produtos químicos industrializados 98-99,9 Al 2 O 3, MgO, AlN, SiC, Si 3 N 4, TiO 2, ZrO 2 Produtos especiais >99,9 BaTiO 3, sílica-gel 17

18 CERÂMICA TRADICIONAL X TÉCNICA Cerâmica Matériasprimas Estrutura Propriedades Processamento Aplicações Tradicional naturais, (silicatos) minerais industriais (<98% pureza) não-uniforme, porosa mecânica, estética olaria, colagem, prensagem, extrusão, queima construção, produtos domésticos Avançada (alto desempenho, alta tecnologia) produtos químicos industriais (>98% pureza) homogênea, elétrica, menos porosa magnética, nuclear, ótica, mecânica, térmica, química, biológica prensagem isostática, moldagem por injeção, sinterização, ligação por reação eletrônica, estrutural, química, refratários 18

19 Tipos de materiais cerâmicos

20 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS Materiais cerâmicos Vidros Produtos argilosos Refratários Abrasivos Cimentos Cerâmicas avançadas Vitrocerâmicas Produtos argilosos estruturais Louças sanitárias 20

21 CERÂMICAS TRADICIONAIS Matéria prima básica: Argila (Al 2 O 3 SiO 2 H 2 O) Sílica (SiO 2 ) Feldspato (K 2 OAl 2 O 3 6SiO 2 ) Cerâmica Vermelha Materiais de Revestimento Cerâmica Branca Materiais estruturais 21

22 CERÂMICAS TRADICIONAIS As cerâmicas tradicionais possuem as seguintes características estruturais: Microestrura polifásica (geralmente composta de dois ou mais elementos básicos; Propriedades fortemente dependentes da: % de cada fase; Forma de cada fase; Distribuição de cada fase; 22

23 APLICAÇÕES Cerâmicas Tradicionais: Louças, objetos de decoração, etc. Vazamento de uma liga metálica num molde cerâmico 23

24 PRODUTOS CERÂMICOS Cerâmica vermelha ou produtos cerâmicos estruturais Cerâmica branca Tijolos, azulejos, telhas, ladrilhos de piso e tubulações de esgoto Porcelanas, louças de mesa, azulejos, pastilhas para revestimento externo e louça sanitária Refratários Tijolos refratários para fornos e churrasqueiras 24

25 Vidros e Vidrocerâmicas Vidros São silicatos não cristalinos compostos basicamente de Si 2 O 3 ; Podem conter ainda outros compostos como CaO, Na 2 O, K 2 O e Al 2 O 3 ; Devido ao caráter amorfo possuem alta transparência; São facilmente moldáveis;

26 Vidros e Vidrocerâmicas Vidrocerâmicas A maioria dos vidros amorfos ser transformados em sólidos cristalinos através de um tratamento térmico adequado; O processo é chamado cristalização e o produto policristalino é chamado de vidrocerâmica; Como envolve a transformação de fases, a cinética de cristalização pode ser descrita utilizando-se um diagrama de fases;

27 Vidros e Vidrocerâmicas Características de vidrocerâmicas Alta resistência mecânica; Baixo coeficiente de expansão térmica; Utilização em altas temperaturas; Boas propriedades dielétricas; Boa compatibilidade biológica; Exemplos: Vidro Pyrex, vidraria de laboratório, vidro de fogões de cozinha, substratos para placas de circuitos impressos,

28 Cerâmicas Refratárias Características de cerâmicas refratárias Alto ponto de fusão; Resistência a altas temperaturas sem se decompor; Inertes em ambientes severos; São geralmente utilizados na forma de tijolos; Exemplos: Uso em churrasqueiras, alto-fornos, fabricação de vidros, etc... 28

29 Cerâmicas Refratárias Tipos de cerâmicas refratárias Refratários de Argila (mistura de alumina e sílica): confinação de atmosferas quentes; possuem baixas propriedades mecânicas. Refratários a base de sílica: suportam cargas a altas temperaturas e são utilizados nos tetos de arco de fornos de fabricação de vidro e aço. Refratários básicos (ricos em MgO): são resistentes a escória de fundição (ricas em CaO e MgO), mas são atacados pela sílica. Refratários especiais: geralmente óxidos de pureza elevada para fins específicos. Podem ser produzidos com baixíssima porosidade. Possuem preço mais elevado. Carbono e grafite são incluídos neste exemplo. 29

30 Abrasivos Características dos abrasivos Alta dureza ; Alta resistência ao desgaste; Alta tenacidade (não devem fraturar com facilidade); São usados para desgastar, polir ou cortar outros materiais mais moles; Exemplos mais comuns: SiC, diamante, WC, sílica e óxido de alumínio Podem ser usados: Colados por uma cerâmica vítrea (p.e em rodas de esmerilhamento); Na forma de pó revestindo uma superfície (p.e em lixas); Na forma de pó solto (p.e no polimento de peças) 30

31 Cimento - Histórico Os egípcios usavam o gesso calcinado para unir as pedras há quatro mil anos antes de Cristo; Mas foi na ilha de Creta o local onde foi empregada pela primeira vez a cal como material agregante; foi posteriormente utilizado na Grécia e em Roma; Os romanos construíam com pedras calcárias e vulcânicas ( cimento romano) com o qual foram construídas obras que se mantém até nossos dias. Trinta anos antes da era Cristã, Vitruvius descreveu como fazer cimentos hidráulicos ligando as pozolanas (rochas vulcânicas) com a cal. 31

32 Cimento - Histórico James Parker descobriu em 1791 um cimento que patenteou em 1796 com o nome de Cimento Romano. Em 21 de outubro de 1824 Joseph Aspdin solicitou a Patente nº 5022 para Um aperfeiçoamento no método de produzir pedra artificial. Aspdin lhe deu o nome de Cimento Portland por sua semelhança, uma vez enrijecido, com a famosa pedra calcária se extraía de algumas pedreiras existentes na pequena península de Portland na Inglaterra. No ano de 1843, Grisell & Peto, empreiteiros ingleses, fizeram as primeiras análises comparativas entre o cimento Portland e o Romano e ficou demonstrada a superioridade do primeiro 32

33 Cimento Características dos cimentos Materiais que quando misturados com a água formam uma pasta e na seqüência endurecem; Formam estruturas sólidas e rígidas que podem ser moldadas com rapidez; Atuam ainda como fase de união de agregados particulados; 33

34 Os cimentos são produzidos em fornos de calcinação da mistura de argila, minerais contendo cal numa temperatura de 1400 º C com posterior adição de gesso; A reação de endurecimento é bastante complexa e consiste na reação de hidratação dos constituintes do cimento quando a água é adicionada: 2CaO-SiO 2 + xh 2 O 2CaO-SiO 2 xh 2 O 34

35 CERÂMICA TÉCNICA Cerâmica Técnica / Avançada (cerâmicos de engenharia) Os dias atuais Componentes eletrônicos, de computadores, de aeroespaciais, de comunicação... 35

36 CERÂMICA TÉCNICA Lâmpada com invólucro interior de alumina Características do material: Composto puro; Policristalino; Sem poros; 36

37 CERÂMICA TÉCNICA Óxido de zircônio (Zircónia ZrO 2 ) Carbeto de silício (SiC) Nitreto de silicio (Si 3 N 4 ) Aplicações que necessitam: alta dureza ; boas propriedades mecânicas; resistência a altas temperaturas; 37

38 CERÂMICA TRADICIONAL X TÉCNICA Cerâmica Matériasprimas Estrutura Propriedades Processamento Aplicações Tradicional naturais, (silicatos) minerais industriais (<98% pureza) não-uniforme, porosa mecânica, estética olaria, colagem, prensagem, extrusão, queima construção, produtos domésticos Avançada (alto desempenho, alta tecnologia) produtos químicos industriais (>98% pureza) homogênea, elétrica, menos porosa magnética, nuclear, ótica, mecânica, térmica, química, biológica prensagem isostática, moldagem por injeção, sinterização, ligação por reação eletrônica, estrutural, química, refratários 38

39 Cerâmicas Técnicas

40 APLICAÇÕES Cerâmicas Técnicas: VANTAGENS: 1. Alta estabilidade térmica e química - evita reação química do filtro com o metal fundente 2. Alta resistência mecânica e grande superfície de contato, eficiente para a purificação do fluxo de metal fundido. 3. Reduz a perda de metal na filtragem, fácil de operar, economiza energia. 4. Torna o fluxo do metal fundido mais fluido, evitando o spray e os respingos. 5. Melhora o acabamento e o aspecto do produto final, eliminado porosidade e refugos. 6. Vários tamanhos, formatos e abertura dos poros. Indicado para qualquer técnica de fundição. 40

41 APLICAÇÕES Cerâmicas Técnicas: Prótese de Quadril Alumina 99,9% de pureza 41

42 APLICAÇÕES Cerâmicas Técnicas: Selos mecânicos e sedes de válvulas em Carbeto de Silício Cerâmica porosa em cilindros para uso em aquários. Realiza a filtragem biológica e eliminação do amoníaco e dos nitritos da água. 42