ESZM Processamento de Materiais Cerâmicos

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1 ESZM Processamento de Materiais Cerâmicos Profa. Dra. Vânia Trombini Hernandes Sala 711 Bloco A torre 1 [email protected]

2 Ementa do curso ESZM Processamento de Materiais cerâmicos Introdução materiais cerâmicos (histórico, aplicações, classificação), caracterização de matérias primas cerâmicas, química de superfície e aditivos de processamento, preparação da matéria prima cerâmica (moagem, mistura, formulação de massas cerâmicas, secagem, empacotamento de partículas), fundamentos de reologia de suspensões, processos de conformação cerâmica (prensagem, extrusão e colagem de barbotina), secagem e sinterização

3 Bibliografia Bibliografia Básica REED, James S. Principles of ceramics processing. 2 ed. New York: John Wiley, p. KINGERY, W.D.; BOWEN, H.K.; UHLMANN, D.R.; Introduction To Ceramics, Series: Wiley Series On The Science And Technology Of Materials, RICE, Roy W. Ceramic fabrication technology. New York: Marcel Dekker, p. (Materials engineering, 20). RICHERSON, David W.; Modern ceramic engineering: processing, and use in design. 3 a. ed., Boca Raton: CRC Press, 2006.

4 Bibliografia Bibliografia Complementar RAHAMAN, Mohamed N. Ceramic processing and sintering. 2.ed. Boca Raton, FL: CRC: Taylor/Francis, p. SHACKELFORD, J.F.; DOREMUS, R.H.; Ceramic and glass materials: structure, properties and processing, Springer, 1 a edição, CARTER, C. B., NORTON M. G.; Ceramic Materials: Science and Engineering, Springer, BARSOUM, M.W.; Fundamentals of Ceramics. Taylor/Francis, 2003.

5 Avaliação Prova 1: 23/10/2017 Prova 2: 04/11/2017 Seminário: 30/11 Prova Substitutiva: 07/11 Recuperação: 11/12 Média Final: 0.7[(P1 + P2)/2] + 0,3 Atividades e seminário Conceitos A: de 8,5 a 10,0 B: de 7,0 a 8,49 C: de 6,0 a 6,9 D: de 5 a 5,99 F < 5

6 Cronograma Dia Aula 18/09 Introdução 21/09 Materiais primas cerâmicas - Caracterização 25/09 Processos de beneficiamento 28/09 Química de superfície 02/10 Reologia de suspensões - Dispersões 05/10 Aula prática Curva de Defloculação 09/10 Empacotamento 16/10 Formulação I 19/10 Formulação II 23/10 Prova 1 26/10 Conformação I - Prensagem 30/10 Conformação II - Extrusão Seg - 08:00h Qui 10:00h

7 Cronograma 06/11 Conformação III colagem de barbotina 09/11 Aula prática Prensagem 13/11 Secagem 16/11 Sinterização 23/11 Aula prática Secagem/ sinterização 27/11 Vidros 30/11 Apresentação dos seminários 04/11 Prova 2 07/11 Prova substitutiva 11/12 Recuperação. 15/12 Vista de prova

8 Site do curso ESZM Processamento de Materiais cerâmicos

9 Materiais Cerâmicos Os materiais cerâmicos são normalmente combinações de elementos metálicos com não metálicos. Argila Óxidos, nitretos, carbetos, cimento e vidros A argila foi o primeiro material cerâmico a adquirir propriedades completamente diferentes como resultado de uma operação intencional realizada por seres humanos.

10 Ligações Químicas em Cerâmicas A maioria dos materiais cerâmicos apresentam ligações iônicas e alguns ligações covalentes (iônico-covalente). % de caráter iônico aumenta com o aumento na eletronegatividade.

11 Ligações Químicas em Cerâmicas CERÂMICOS PREDOMINANTEMENTE IÓNICOS CERÂMICOS PREDOMINANTEMENTE COVALENTES

12 Materiais Cerâmicos Propriedades de alguns materiais cerâmicos Exemplos de combinações M + NM: MgO, Al 2 O 3, M + I:TiC I + I: SiC, B 4 C I + NM: SiO 2, Si 3 N 4 Material cerâmico Fórmula Ponto de fusão ( o C) Óxido de alumínio Al 2 O Dióxido de Silício SiO Carbeto de Titânio TiC 3120 Dióxido de zircônio ZrO Nitreto de silício Si 3 N Material cerâmico Diferença de eletronegatividade Caráter iônico Óxido de alumínio 2,0 63 Dióxido de Silício 1,7 51 Dióxido de zircônio 2,3 73 Nitreto de silício 1,3 34,5

13 Materiais Cerâmicos Propriedades Temperatura de fusão elevada. Duros porém frágeis; Isolantes térmicos e elétricos; Resistentes a ambientes corrosivos

14 Materiais Cerâmicos Materiais Cerâmicos: definição (Barsoum, 1997) Materiais cerâmicos são compostos sólidos formados pela aplicação de calor, algumas vezes calor e pressão, que podem ser constituídos por metais, não metais ou elementos intermediários Possuem alto ponto de fusão, são frágeis e fraturam com pouca ou nenhuma deformação Não podem ser conformados com o processo tradicional de deformação usado para os metais

15 Materiais Cerâmicos Cerâmica: palavra de origem grega Keramos: matéria prima queimada As propriedades são atingidas após tratamento térmico Histórico A Vénus de Vestonice é um símbolo paleolítico de fertilidade em cerâmica cozida, datada de a.c., a Vénus de Vestonice antecede de anos os mais antigos potes e jarros que se conhecem em cerâmica. A UTILIZAÇÃO dos materiais cerâmicos é tão antiga como a própria civilização - o primeiro registo de fonemas humanos foi escrito há cerca de 5000 anos a.c., sobre placas de cerâmica.

16 Materiais Cerâmicos Histórico 5000 A.C.: Artefatos de argila e louça de barro A.C.: Torno de olaria D.C.: Porcelana (China). Século XVIII: Porcelana ( Alemanha), desenvolvimento de processos cerâmicos (colagem, extrusão, forno túnel). Século XIX: Mecanização, microscopia ótica, cones pirométricos Século XX: raios X, microscopia eletrônica, materiais sintéticos, automatização e cerâmica de alta tecnologia.

17 Materiais Cerâmicos Processamento Cerâmico

18 Classificação dos Materiais Cerâmicos

19 Cerâmica Tradicional Telhas e tijolos componentes básicos. são fabricados a partir de argila natural que contém os três Cerâmica branca os três componentes básicos apresentam composição controlada, sendo que a argila contém baixo teor de ferro.

20 Cerâmica Tradicional Refratários à base de argila refratária e magnesita. Segundo a ABC material ou produto refratário 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.

21 Cerâmica de Alta Tecnologia (Cerâmica Avançada ou de Alto Desempenho) Classificadas por função (estrutural, eletro-eletrônica, térmica, química, nuclear, etc. ) ou por tipo de material (óxidos, carbetos, nitretos, etc). Em um grande número de aplicações são utilizados materiais à base de óxidos de alumínio e de zircônio, carbetos e nitretos de silício.

22 Cerâmica de Alta Tecnologia

23 Cerâmica de Alta Tecnologia Classificação por função

24 Cerâmica de Alta Tecnologia Classificação por função

25 Vidros e Cimentos São importantes segmentos cerâmicos e que, por suas particularidades de processamento, são muitas vezes considerados à parte da cerâmica Vidros: silicatos não cristalinos que também contém CaO, Na 2 O, K 2 O e Al 2 O 3 Vitrocerâmicos: vidros inorgânicos que se transformam do estado nãocristalino para cristalino mediante tratamento térmico (aplicações: fabricação de louças refratárias e isolantes elétricos). Cimentos inorgânicos: cimento portland (CaO-SiO 2 ), gesso de paris (CaSO 4.2H 2 O) e cal - Característica especial desses materiais: quando misturados com água formam uma pasta que subsequentemente formam uma estrutura sólida rígida.

26 Cerâmicas Tradicionais X Cerâmicas avançadas

27 Processamento de materiais Cerâmicos Processamento Síntese Produção Especificações Técnica Económica Ecológica Reciclagem Uso Lixo Custos energia Emissão Material Àgua/ lixo Avaliação Geral - Viabilidades

28 Custo do produto final Cerâmica Tradicional Piso, azulejo, telha, etc. Cerâmica Técnica Refratários, Fibras, etc. Custo da matéria prima Processamento Custo da matéria prima Processamento Cerâmica Avançada Supercondutores, Microeletrônica, estruturas Custo da matéria prima Processamento

29 Processamento de materiais Cerâmicos DESENVOLVIMENTOS FUTUROS DA TECNOLOGIA CERÂMICA As maiores limitações as aplicações de engenharia dos materiais cerâmicos relacionamse com o seu comportamento frágil quando usados em situações de solicitação mecânica e termodinâmica, o que tem limitado o seu campo de aplicação na pratica. E precisamente nesta área que se esperam os maiores desenvolvimentos futuros. Quando comparados com os metais, os materiais cerâmicos são mais resistentes quando solicitados mecanicamente a compressão, apresentando durezas superiores, mesmo a elevadas temperaturas, resistem melhor ao desgaste e a corrosão e possuem uma baixa densidade. O seu principal inconveniente relaciona-se com a baixa tenacidade a fratura, o que origina um comportamento frágil sob solicitação mecânica.

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