TM703 Ciência dos Materiais PIPE Pós - Graduação em Engenharia e Ciências de Materiais Carlos Mauricio Lepienski Laboratório de Propriedades Nanomecânicas Universidade Federal do Paraná Aulas 7 1º sem. 2015 Propriedades de Cerâmicas
Material amorfo ou cristalino T g Temperatura de transição vítrea T m Temperatura de fusão
Materiais Cerâmicos 3
Vidros Silicatos não cristalinos Podem conter diversos óxidos CaO, Na 2 O, K 2 O, e Al 2 O 3 4
Fabricação e processamento de Vidros 5
Vidro Processo de resfriamento aumento de viscosidade Não existe uma temperatura definida em que ocorre a transição Liquido sólido Variação do volume especifico Cristalino não cristalino Descontínua contínua Materiais vítreos» Mudança de inclinação em T g 6
Definições
Processos em vidro Características desejadas Transparência Homogeneidade (cor) Sem porosidade Compressão Moldes de ferro cobertos de grafite Moldes aquecidos Sopro Processo antigo Processo moderno 9
Estiramento Tubos Fibras ópticas Rolamento a quente Vidro plano puxado sobre banho de Sn liquido (float glass) 10
Vasilhames e vidro plano
Fibras de vidro 12
Vidro (amorfo) ou cristal? Geralmente depende do tempo de resfriamento
Vidro-Cerâmicas Cristalização (devidrificação ) tratamento térmico Material policristalino (grãos pequenos) Agente de nucleação TiO 2 (rutilo) e outros Propriedades Baixo coeficiente de dilatação Resistente a choques térmicos Elevada rigidez mecânica Elevada condutividade térmica Pode ser transparente ou opaca 14
Tratamento térmico Processo de fabricação stress mecânico (apos resfriamento) Tratamento térmico Temperatura ~ (annealing point) Diminui a amplitude das tensões internas gerados no processo Tensões internas podem ser evitadas com resfriamento muito lento Vidro temperado Introdução deliberada de tensão compressiva na superfície do vidro Aquecimento acima de T g Menor que a temperatura de amolecimento Resfriado rapidamente (superfície) Jato de ar Banho de óleo» A contração do interior é impedida pelo exterior Fratura Tensão aplicada de tração: pelo efeito de concentração de tensão na ponta da trinca a tensão pode levar ao crescimento das trincas apesar da tensão compressivo da superfície Fratura é catastrófica (todo o vidro quebra pequenos pedaços) Crescimento de trincas até atingir a região trativa 15
Vidro temperado
Uma forma de identificar o inicio e propagação de trinca em vidro e outros materiais frágeis
Teste de flexão a 3 pontos para determinação da resistência à flexão de materais cerâmicos
Dados de resistência à flexão
Materiais Cerâmicos Dureza
Argilas Família dos Filossilicatos silicatos em folha Folhas paralelas com silicatos tipo Si2O5 Ex.: Caulinita Si2Al2O5(OH)4 porcelana cerâmica Montmorillonita (Mg, Ca)O.Al2O3Si5O10.nH2O Vermiculita (Mg,Ca)0.7(Mg,Fe,Al)6.0[(Al,Si)8O20)](OH)4.8H2O Escrita Suméria 22
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Processamento de Argilas Argila + água alta plasticidade hidroplasticidade Temperatura de fusão Depende da composição Rigidez obtida por recozimento < temperatura de fusão Composição Pode incluir componentes não plásticos Processos Quartzo Feldspato» Alumino silicato contendo (Na +, K + e Ca +2 )» Funciona como fluxo (reduz temperatura de fusão) Moldagem hidroplástica 24
Slip casting Suspensão de argila (água + argila) (barbotina) 25
Secagem Redução da quantidade de água Taxa de secagem muito importante Água do interior difunde para a superfície» Processo lento Na superfície evaporação Secagem encolhimento Taxa descontrolada pode gerar rachaduras Controle de secagem (parâmetros) Umidade Temperatura Fluxo de ar Controle de encolhimento Redução de espessura Adição de não plásticos Emprego de microondas Redução da temperatura de secagem 26
Queima Temperatura entre 900 e 1400 o C Propriedades Aumento de densidade Redução de porosidade Aumento da resistência Vitrificação Vidro fundido escoa e fecha os poros Feldspatos melhoram o processo 27
Compactação de Pó Análoga á metalurgia do pó Elemento ligante Água (pequena quantidade) Polímero Funciona como lubrificante durante a prensagem Prensagem Somente para reduzir espaços vazios Não provoca deformação das partículas em si Uniaxial Pressão em uma direção única Formas limitadas Isostática (hidrostática) Todas as direções Material recoberto por borracha e submerso em líquido Formas mais complexas Mais cara Ambas necessitam queima posterior Compactação a quente Compacta e sinteriza ao mesmo tempo Processo de custo elevado 28
Efeito da porosidade nas propriedades de materiais cerâmicos Alumina
Resistência à flexão
Abrasivos Partículas de extrema dureza (baixa deformação plástica) Exemplos WC carbeto de tungstênio Alumina (corundun) Silica Cimentos Material que misturado à água seca e solidifica Cimento Portland Mistura Argila Carbonato, hidróxido e óxido de Cálcio (limestone) Calcinação Temperatura 1400 o C Desidratação Adição posterior de água mistura plástica solidificação 32
Refratários Suportam elevadas temperaturas Sem decomposição Sem deformação Inertes quimicamente 33
Argila refratária Alumina + sílica (25 45% de alumina) Temperatura máxima (1587 o C) Tijolos refratários Sílica refratária Deve conter quantidades mínimas de alumina Baixa o ponto de fusão Suporta 1650 o C CKS 34
Vista da parte inferior do ônibus espacial com as placas de cerâmica
CKS 36
Refratários Básicos Base de MgO Refratários especializados Óxidos de alta pureza Al 2 O 3, SiO 2, MgO, BeO, ZrO 2 e mulita (3Al 2 O 3 2SiO 2 ) Carbetos SiC Baixa porosidade Aplicação Camadas protetoras (pá de turbina) CKS 38
Vidro temperado