MATERIAIS CERÂMICOS. Cerâmica vem da palavra grega keramus que significa coisa queimada

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1 MATERIAIS CERÂMICOS Cerâmica vem da palavra grega keramus que significa coisa queimada

2 Definição Tradicional Minerais de composição inconstante e pureza duvidosa são expostos a um tratamento térmico não-mensurável, que dura o suficiente para permitir que reações desconhecidas ocorram de modo incompleto, formando produtos heterogêneos e não-estequiométricos, conhecidos com o nome de materiais cerâmicos.

3 Cerâmica pode ser definida como sendo um sólido formado com aplicação de calor ou calor+pressão contendo: pelo menos 1 metal e 1 não metal pelo menos 2 elementos sólidos não metálicos pelo menos 2 elementos sólidos não metálicos e 1 As Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas.

4 Pré-História: vasos de barro, sem asa, que tinham cor de argila natural ou eram escurecidas por óxidos de ferro A.C.: artefatos de argila (earthenware), louça de barro (pottery) 2000 (3500 A.C.?) : torno de oleiro (roda de madeira movida por um pedal) Permite fazer vasos perfeitos, de superfície lisa e espessura uniforme, num tempo relativamente breve. 202 A.C.: porcelana na China Séc. 18: porcelana (Alemanha), colagem, extrusão, forno túnel Séc. 19: mecanização, microscopia ótica, cones pirométricos Séc. 20: raios X, microscopia eletrônica, materiais sintéticos, automatização

5 Vénus de Willendorf,

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7 Exército de Terracota Guerreiros de Xian Exército do Imperador Qin 221 a 207 AC China a.c Encontrado em 1974

8 Porcelanas surgiram na China durante a dinastia Han (221 A.C. e 220 D.C. Características: Brancura, translucidez e dureza Século XIII Europa (trazida por Marco Polo) Somente no século XVIII, a Europa consegue fabricar uma porcelana semelhante a porcelana chinesa

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10 No Brasil Ilha de Marajó 400 a 1400 D.C. Os índios de Marajó faziam peças utilitárias e decorativas. Confeccionavam vasilhas, potes, urnas funerárias, apitos, chocalhos machados, bonecas de criança, cachimbos, estatuetas, porta-veneno para as flechas, tangas (tapa-sexo usado para cobrir as genitália das moças) talvez as únicas, não só na América mas em todo o mundo, feitas de cerâmica. Os objetos eram zoomorfizados (representação de animais) ou antropomorfizados (forma semelhante ao homem ou parte dele), mas também poderiam misturar as duas formas-zooantropomorfos. Visando aumentar a resistência do barro eram agregadas outras substâncias-minerais ou vegetais: cinzas de cascas de árvores e de ossos, pó de pedra e concha e o cauixi-uma esponja silicosa que recobre a raiz de árvores, permanentemente submersas.

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12 Conhecida desde a pré-história Encontrada em toda a parte no mundo Argilas - é um material natural, de textura terrosa, de granulação fina, constituída essencialmente de argilominerais, podendo conter outros minerais que não são argilominerais (quartzo, mica, pirita, hematita, etc), matéria orgânica e outras impurezas. Os argilominerais são os minerais característicos das argilas; quimicamente são silicatos de alumínio ou magnésio hidratados, contendo em certos tipos outros elementos como ferro, potássio, lítio e outros. Graças aos argilominerais, as argilas na presença de água desenvolvem uma série de propriedades tais como: plasticidade, resistência mecânica a úmido, retração linear de secagem, compactação, tixotropia e viscosidade de suspensões aquosas que explicam sua grande variedade de aplicações tecnológicas. Os principais grupos de argilominerais são caulinita, ilita e esmectitas ou montmorilonita.

13 O Silício e o Oxigénio formam cerca de 75% da crosta terrestre, sendo materiais de ocorrência comum na natureza e de baixo custo!

14 Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos (formam óxidos, nitretos, carbetos, boretos, )

15 Ligações iônicas e Covalentes Ligações Iônicas Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua A ligação é forte, por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto. Como conseqüência da ligação ser predominantemente iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas por íons carregados eletricamente (CÁTIONS E ÂNIONS)

16 F A = -A/r 2 - forca de atração F R = B/r n - forca de repulsão A, B e n são valores que dependem do sistema iônico em questão R distância radial entre os íons Energia potencial total de um par de íons em função da distância radial entre os íons

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18 Ligações Covalentes direcionais compartilhamento de elétrons

19 Óxidos EXEMPLOS: ÓXIDO SIMPLES: - Alumina (Al 2 O 3 ), - Magnésia (MgO) - Zircônia (ZrO 2 ) - Sílica (SiO 2 ) ÓXIDO MISTOS: - misturas de alumina, magnésia e sílica

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21 CARBETOS -Carbeto de Tungstênio, carbeto de silício (conhecido como carborundum), carbeto de titânio. BORETOS: -Boretos de hafnio, tântalo, tório, titânio, zircônio NITRETOS DE BORO E SILÍCIO: -Os nitretos de boro tem dureza equivalente ao diamante e resiste sem oxidação até 1926 C

22 FOSFATOS Hidroxiapatita SILICATOS argilas caulinita - Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4

23 CLASSIFICAÇÃO

24 Classificação Tipos Cerâmica Vidro Argamassa Seqüência de processamento pó forma calor pó calor forma calor pó forma

25 Classificação dos materiais cerâmicos Cristalinos Amorfos Vitro cerâmicos Incluem os cerâmicos à base de Silicatos, Óxidos, Carbonetos e Nitretos Em geral mesma composição dos cristalinos, diferindo no processamento Obtidos a partir da cristalização controlada de materiais amorfos

26 Policristal

27 Composição típica de alguns vidros Sílica vítrea Vycor Vidro plano Vidro de janela Vidro de garrafa Pirex Vidro cristal SiO , Al 2 O 3 0,5 0, ,4 B 2 O SO 3 0,5 0,7 CaO ,4 MgO 2,5 3,7 BaO PbO 17 Na 2 O 1 13, ,3 4,5 6 K 2 O 0,6 9,6 ZnO As 2 O 5

28 Composição (% em peso) SiO 2 Al 2 O 3 K 2 O MgO CaO Outro s Sílica refractária 96 4 Tijolo refractário Mulite refractária Porcelana eléctrica Porcelana steatite Cerâmicas Cristalinas Cimento Portland

29 Nome comum Comp. Utilização Alumina, alumina refratária Al 2 O 3 Isolamento térmico e elétrico Magnésia, magnésia refratária MgO Spinel MgO.Al 2 O 3 Idem Resistência ao desgaste Óxido de Cromo Cr 2 O 3 Revestimentos para resist. ao desgaste Dióxido de urânio UO 2 Combustível em reactores nucleares Zircônia (parcial.) estabilizada ZrO 2 Isolamento térmico (estab. com 10%CaO) Titanato de Bário BaTiO 3 Componentes eletrônicos Ferrite de Níquel NiFe 2 O 4 Componentes magnéticos

30 CLASSIFICAÇÃO Convencionais Estruturais Vidros Louças Cimentos Avançadas Eletrônicos Ópticos Biomateriais As cerâmicas avançadas são baseadas em matérias-primas de elevado grau de pureza

31 Cerâmica Estrutura Matériasprimas Propriedades Processamento Aplicações Tradicional (silicatos) naturais, 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, menos porosa elétrica, magnética, nuclear, ótica, mecânica, térmica, química, biológica prensagem isostática, moldagem por injeção, sinterização, ligação por reação eletrônica, estrutural, química, refratários

32 Classificação - Aplicações Térmica Elétrica Magnética Ótica Nuclear Química Biológica Mecânica Estética

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37 Funções Classes Aplicações Exemplos cerâmica de mesa pratos, xícaras, vasos louça, porcelana Estéticas cerâmica de revestimento pisos, azulejos grés, porcelanato cerâmica sanitária vasos sanitários, pias louça, porcelana

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39 Características das Cerâmicas Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços; Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e polímeros; São menos densas que a maioria dos metais e suas ligas; Os materiais usados na produção das cerâmicas são abundantes e mais baratos; A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica. Alta inércia química

40 PROPRIEDADES MECÂNICAS Apresentam baixa resistência ao choque baixa tenacidade São duros e frágeis em relação à tração (~17 kgf/mm 2 ) São resistentes em relação à compressão O módulo de elasticidade é alto: ~450 MPa (aço: 200 MPa) Têm alta dureza e alta resistência ao desgaste COMPORTAMENTO FRÁGIL Dificuldade na realização de Ensaio de tração São feitos ensaios de flexão Dispersão de resultados muito grande

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42 Propriedades Elétricas As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser: isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO 2 ) semicondutores: SiC, B 4 C supercondutores: (La, Sr) 2 CuO 4, TiBa 2 Ca 3 Cu 4 O 11

43 Propriedades Térmicas As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são: capacidade calorífica ( ) coeficiente de expansão térmica ( ) condutividade térmica Revestimento exterior com fibra amorfas de sílica de alta pureza. Espessura: 1,27-8,89cm

44 Setor Industrial Setor cerâmico corresponde a 1% do PIB brasileiro correspondendo a cerca de 6 bilhões de dólares O setor industrial da cerâmica é bastante diversificado e pode ser dividido nos seguintes segmentos: - cerâmica vermelha, - materiais de revestimento, - materiais refratários, - louça sanitária, - isoladores elétricos de porcelana, - louça de mesa, - cerâmica artística (decorativa e utilitária), - filtros cerâmicos de água para uso doméstico, - cerâmica técnica - isolantes térmicos - matérias-primas sintéticas

45 Associação Nacional dos Fabricantes de Cerâmicas para Revestimento - ANFACER

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49 Cerâmica Vermelha Distribui-se por todo o país, pulverizadas em micro e pequenas empresas, quase sempre de organização simples e familiar; Raio de ação quanto ao envio de produtos 250 km, a partir do qual é inviabilizado pelo transporte;

50 Cerâmica Branca Compreende materiais constituídos por um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor Louça de mesa Louça sanitária Isoladores elétricos de lata e baixa tensão Cerâmica técnica

51 Porcelana Sanitária Deca e Grupo Roca detém 75% da produção nacional

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53 Louça de mesa Uma das mais tradicionais do país e com boa aceitação no mercado internacional; Segmento cerâmico mais afetado pela abertura do mercado e pela política cambial até 1999 inviabilização das exportações e preços dos produtos importados, principalmente os asiáticos, muito baixos fechamento de inúmeras indústrias do setor e diminuição da produção; Esses produtos sofrem a concorrência de produtos similares e de menor preço, como é o caso do vidro; Com a mudança da política econômica, o segmento se tornou mais competitivo; Existem diversas pequenas e micros empresas concentradas nas cidades de Pedreira e de Porto Ferreira (SP) e Campo Largo (PR).

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55 Isoladores elétricos

56 Materiais refratários Este grupo compreende uma diversidade de produtos, que têm como finalidade suportar temperaturas elevadas nas condições específicas de processo e de operação dos equipamentos industriais, que em geral envolvem esforços mecânicos, ataques químicos, variações bruscas de temperatura e outras solicitações. Para suportar estas solicitações e em função da natureza das mesmas, foram desenvolvidos inúmeros tipos de produtos, a partir de diferentes matérias-primas ou mistura destas. Mercado brasileiro de refratários: Siderúrgico 67% Cimento 13% Não-ferrosos 8% Vidro 3% Petroquímica 1% Outros 8% Tendência mundial de redução de consumo de refratários nas indústrias refratários de melhor desempenho possibilita consumos menores de refratários

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58 Matérias-primas Dosagem Aditivos Aditivos Reciclo Moagem/ mistura a seco Moagem/ mistura a úmido Reciclo Classificação Granulação Atomização Filtro-prensagem Mistura/deaeração Prensagem Conformação plástica Colagem Secagem Secagem Secagem Acabamento superficial Acabamento superficial Tratamento térmico Acabamento superficial final