ESTUDO DA MICROESTRUTURA DE CERÂMICAS POROSAS DE ALUMINA A 1450ºC E 1550ºC

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 ESTUDO DA MICROESTRUTURA DE CERÂMICAS POROSAS DE ALUMINA A 1450ºC E 1550ºC A. G. S. Galdino (1), M. H. Prado da Silva (2), R. E. F. Q. Nogueira (2) R. Mendeleiev, S/N, FEM DEF, Cidade Universitária Zeferino Vaz Barão Geraldo Campinas SP andreg28@yahoo.com.br (1) Universidade Estadual de Campinas UNICAMP (2) Universidade Federal do Ceará - UFC RESUMO O interesse em cerâmicas porosas vem aumentando à medida que novos processos vão sendo desenvolvidos e as aplicações decorrentes representam oportunidades tecnológicas e econômicas substanciais. As cerâmicas porosas vêm sendo empregadas em várias aplicações: separadores de células de bateria, queimadores, filtros, sensores de gás, biomateriais, dentre outras. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a microestrutura de cerâmicas porosas de alumina com 3 diferentes granulometrias. As peças porosas foram obtidas pelos métodos da esponja polimérica e de adição de cera polimérica, e posteriormente sinterizadas a 1450ºC e 1550ºC por duas horas. Os ensaios realizados foram difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados obtidos mostraram-se satisfatórios com os da literatura, o que permitiu estudos posteriores sobre as propriedades mecânicas destas, além da comparação entre os dois métodos. Palavras-chave: Cerâmicas porosas, alumina, microestrutura, método da esponja polimérica, método da adição de cera polimérica INTRODUÇÃO Materiais porosos têm sido utilizados em várias aplicações, tais como: filtros para gás quente, membranas para processos químicos, isolantes térmicos, sensores térmicos, biomateriais, dentre outras (1). Entre as matérias-primas utilizadas para a

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 fabricação de cerâmicas porosas, a alumina tem sido bastante utilizada devido a algumas de sua propriedades, a saber: alta dureza, elevada resistência ao desgaste, baixo coeficiente de atrito, alta resistência à corrosão ao ar tanto à temperatura ambiente como em altas temperaturas, a ausência de transformações no estado sólido, e pelo fato que o material mantém sua resistência mecânica mesmo a altas temperaturas (1500ºC 1700ºC) (2). O estudo da influência da porosidade sobre as propriedades das peças cerâmicas é de fundamental importância na determinação da aplicação e da qualidade do produto, uma vez os poros funcionam como caminho para evolução de trincas (3). A porosidade está quase sempre presente em materiais cerâmicos sinterizados, onde os poros presentes inicialmente podem mudar de forma, tornando-se canais ou esferas isoladas, sem necessariamente haver alteração de tamanho. À medida em que o processo de sinterização ocorre, tanto a forma quanto o tamanho dos poros são alterados, tornando-se muito menores e mais esféricos (4). A porosidade (p) é, então, definida como a fração de volume de poros presentes, ou seja, é a razão entre o volume de vazios e o volume total da peça, como mostrado na equação (A). p V V + V V = (A) V S onde V V é o volume de poros presentes, V S é o volume ocupado apenas pelo sólido e V V + V S é o volume total do corpo cerâmico (5). Há vários métodos para se produzir cerâmicas porosas (6), (7), (8). Dois desses métodos têm sido bastante empregados, a saber: o método da esponja polimérica e o de adição de ceras. O método da esponja polimérica consiste, resumidamente, na impregnação de uma esponja polimérica com pasta cerâmica e a estrutura porosa obtida é uma cerâmica reticulada composta de vazios interconectados rodeados por uma rede cerâmica (5). O método de adição de ceras consiste na adição de ceras, naturais ou sintéticas, aos materiais cerâmicos antes do processo de compactação, com a função de criar poros com a saída dos componentes orgânicos nas primeiras etapas de queima. A cera também pode ser utilizada como componente majoritário do ligante quando se deseja uma baixa viscosidade da mistura. Alguns exemplos de

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 ceras utilizadas são: cera de abelha, cera de polietileno, entre outros (5). Outros aditivos orgânicos são utilizados, como amido e casca de amêndoa (8). O objetivo deste trabalho é caracterizar corpos cerâmicos de alumina porosa, confeccionados pelos métodos da esponja polimérica e adição de cera polimérica para alumina com três diferentes granulometrias. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Os materiais utilizados neste trabalho foram três aluminas com diferentes granulometrias, fornecidas pela empresa Baikowski Mallakoff, do grupo Reynolds (a saber as aluminas RC-LS, ERC e RC-HPT), além de bicarbonato de sódio P. A. da Vetec, álcool comercial da Cooperalcool INPM 92,8º, água destilada e cera polimérica Licowax 520 da Clariant S/A, gentilmente cedidos pelo Laboratório de Biomateriais do DEMP da Universidade Federal do Ceará. A Tabela I mostra as características químicas e físicas das aluminas utilizadas, fornecidas pelo fabricante. Tabela I Características químicas e físicas dos pós de Al 2 O 3 Pó Densidade TEOR DE IMPUREZAS Área Pureza após Superficial (%) queima (g/cm 3 (m 2 Na /g) 2 O SiO 2 Fe 2 O 3 CaO MgO ) RC LS 99,75 3,85* 3,3 0,060 0,050 0,013 0,040 0,002 ERC 99,8 3,92** 7,5 0,050 0,035 0,015 0,035 0,002 RC HPT 99,97 3,83** 3,5 4,5 N/D N/D N/D N/D N/D * - Sinterizado a 1620ºC, por uma hora. ** - Sinterizado a 1510ºC, por duas horas. Métodos Para a confecção de corpos de prova pelo método da esponja polimérica, utilizou-se o método descrito por Saggio-Woyansky (6). O fluxograma deste método está descrito em trabalho desenvolvido por Galdino et al. (9). O bicarbonato de sódio, o álcool e a água foram utilizados para preparar a lama; o bicarbonato de sódio foi utilizado como agente reológico e o álcool foi utilizado como ligante, na proporção de

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 40% em volume, juntamente com 60% de água em volume. Os corpos de prova com dimensões de 20x17x17 mm 3 foram pré-sinterizados a 550ºC para retirada da esponja polimérica, em rampa de aquecimento de 0,5ºC/min e em seguida sinterizados a 1450ºC e 1550ºC, em rampa de aquecimento de 5ºC/min, permanecendo em tais temperaturas por duas horas contínuas. Para a retirada da esponja polimérica utilizou-se um forno EDG de 1300ºC e um forno Maitec de 1600ºC para a sinterização dos corpos de prova. O resfriamento aconteceu naturalmente durante a noite até a temperatura ambiente. Para a confecção de corpos de prova pelo método da adição de cera polimérica, as aluminas foram peneiradas em peneira ABNT com 710 µm de abertura e posteriormente misturadas com a cera. Não houve adição de bicarbonato de sódio em tais corpos de prova. Os corpos cerâmicos com dimensões de 12 mm de diâmetro e 10 mm de altura foram confeccionados por prensagem uniaxial (pressão de 40 MPa). Estes possuíam 70% em volume de alumina e 30% em volume de cera. Em seguida, foram aquecidos até 550ºC em rampa de aquecimento de 0,5ºC/min para eliminação da cera polimérica e sinterizados a 1450ºC e 1550ºC a 5ºC/min, onde permaneceram em tais temperaturas por duas horas contínuas. O resfriamento aconteceu naturalmente durante a noite até a temperatura ambiente. Os fornos utilizados foram os mesmos utilizados para o método da esponja polimérica. RESULTADOS E DISCUSSÃO As Figuras 1 e 2 mostram os difratogramas de raios x dos corpos de prova confeccionados pelos métodos da esponja polimérica e adição de cera polimérica respectivamente.

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 Figura 1 Difratogramas de análise de raios x das amostras (A) RC-LS; (B) ERC e (C) RC-HPT a 1450ºC (método da esponja polimérica). Figura 2 Difratogramas de análise de raios x das amostras (A) RC-LS; (B) ERC e (C) RC-HPT a 1550ºC (método de adição de cera polimérica). Para ambos os métodos, os resultados de difração de raios x foram idênticos. Pode-se perceber, então, que há a presença dos principais picos da alumina. Na amostra RC-LS, houve redução na intensidade dos principais picos do óxido de sódio; nas amostras ERC e RC-HPT, alguns picos do óxido de sódio não apareceram após aumento de 100ºC na temperatura de sinterização. Para o óxido de cálcio, não houve presença de algum pico na amostra RC-LS. Para as amostras ERC e RC-HPT, pode-se perceber a presença de um pico a 1450ºC; esse pico não aparece a 1550ºC. Para o óxido de silício, a amostra RC-LS mostra um pico com maior intensidade a 1550ºC que a 1450ºC. As amostras ERC e RC-HPT, há três

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 picos a 1450ºC; a 1550ºC, aparece apenas um pico deste óxido. Pode-se verificar também que não há presença de bicarbonato de sódio em nenhuma amostra confeccionada pelo método da esponja polimérica (onde o bicarbonato de sódio foi utilizado como agente reológico), o que mostra não haver interferência desse composto químico nas amostras. Esses resultados sugerem que não houve interferência do método de produção de corpos cerâmicos porosos na estrutura final das amostras. Portanto, a eliminação dos agentes porogênicos durante as etapas de queima e sinterização é efetiva e não altera a composição química / estrutura final dos corpos de prova. As Figuras 3 a 5 mostram as micrografias, em microscopia eletrônica de varredura (MEV), dos corpos de prova confeccionados pelo método da esponja polimérica, enquanto que as Figuras 6 a 8 mostram as micrografias dos corpos de prova confeccionados pelo método da adição de cera polimérica. Figura 3 Microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova das aluminas (a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1450ºC (método da esponja polimérica). Figura 4 Microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova das aluminas (a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1550ºC (método da esponja polimérica).

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 Figura 5 Microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova das aluminas (a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1450ºC (método da cera polimérica). Figura 6 Microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova das aluminas (a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1550ºC (método da cera polimérica). Para as amostras confeccionadas pelo método da esponja polimérica, pode-se observar que a amostra RC-LS (Figura 3a) não foi bem sinterizada a 1450ºC, enquanto que a 1550ºC (Figura 4a) há indícios de uma melhor sinterização, embora a temperatura para uma boa sinterização de aluminas em geral seja igual ou superior a 1550ºC. Essa observação é evidenciada pela observação de baixa densificação e pela presença de partículas de alumina individualizadas nas temperaturas de sinterização mais baixas. Para a amostra ERC (Figura 3b), a 1450ºC o corpo cerâmico não está bem sinterizado. A 1550ºC (Figura 4b), há uma melhor sinterização com relação à amostra RC-LS a mesma temperatura. Para a amostra RC-HPT (Figura 3c), a 1450ºC o corpo cerâmico não está sinterizado e, a 1550ºC (Figura 4c), esta amostra apresentou-se melhor sinterizada que as demais amostras à mesma temperatura. Para as amostras confeccionadas pelo método da adição de cera polimérica (Figuras 5 e 6), pode-se observar que o comportamento de sinterização das três amostras foi semelhante ao daquelas confeccionadas pelo método da esponja polimérica.

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 CONCLUSÕES Foi comprovado que os métodos da esponja polimérica e de adição de cera polimérica proporcionam boa distribuição e morfologia de poros, embora não seja possível, em ambos, controlar a quantidade de poros abertos e fechados. Em termos comparativos, as micrografias mostram que as amostras obtidas pelo método de adição de cera polimérica apresentaram menor porosidade do que as do método da esponja polimérica. Entretanto, em termos de homogeneidade, as amostras obtidas pelo método da esponja polimérica mostraram-se mais homogêneas quando comparadas às produzidas pelo método da adição de cera polimérica. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer à Capes pela bolsa de fomento, ao Dema da Universidade Federal de Campina Grande por gentilmente ter cedido o forno Maitec de 1600ºC e ao Demp da Universidade Federal do Ceará pela utilização do difratômetro de raios x e microscópio eletrônico de varredura. REFERÊNCIAS (1) X. Ding, J. Zhang, R. Wang, C. Feng, Formation of Porous Alumina with Oriented Pores, Journal of the European Ceramic Society 22 (2002) (2) E. Dörre, H. Hübner, Alumina: Processing, properties and applications, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1984), p. 75. (3) R. W. Rice, Porosity of Ceramics, Marcel Dekker, Inc., New York (1998) p (4) J. E. Shields, Ceramics and Glasses, Engineered Material Handbook, The Materials Information Society, Vol. 4 (1991)

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 (5) A. G. S. Galdino, Caracterização Mecânica e Microestrutural de Cerâmicas Porosas Obtidas a Partir de Diferentes Aluminas, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Ceará (2003), p. 23. (6) J. Saggio-Woyansky, C. E.Scott, Processing of Porous Ceramics, American Ceramic Society Bulletin 71 (1992), (7) P. A. Brumati, Utilização de Ceras Naturais no Processo de Moldagem de Cerâmicas por Injeção, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, (8) M. H. Prado da Silva, A. F. Lemos, J. M. F. Ferreira, M. A. Lopes, J. D. Santos, Production of Porous Biomaterials Based on Glass Reinforced Hydroxyapatite Composites, Key Engineering Materials 230 (2002), p (9) A. G. S. Galdino, M. H. Prado da Silva, R. E. F. Q. Nogueira, Anais do 47º Congresso Brasileiro de Cerâmica, João Pessoa, PB, p STUDY OF ALUMINA POROUS CERAMICS MICROSTRUCTURE AT 1450ºC AND 1550ºC The interest on porous ceramics have been increasing as soon as new processes have been developed and their applications represent technological and economical substantial opportunities. Those materials have been employed in many applications, such as battery cells, burners, filters, gas sensors, etc.. This research aimed to evaluate the microstructure of porous ceramics of 3 aluminas with different granulometry, made by the polymeric sponge method and with addition of polymeric wax and then sintered at 1450ºC e 1550ºC for two hours. Samples were characterized by X Ray diffraction and SEM. ). Results proved satisfactory with literature, which provided posterior research about mechanical properties and comparison between both methods. KEY-WORDS: Porous ceramics, alumina, microstructure, polymeric sponge method, addition of polymeric wax method