Trabalho De materiais ceramicos

Trabalho De materiais ceramicos

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Introdução:

Neste trabalho apresentaremos um conjunto de pesquisas a respeito dos materias cerâmicos, apresentando suas principais propriedades, aplicações, classificações e métodos de obtenção.

Cerâmicos são materiais inorgânicos e não-metálicos que consistem em compostos que são formados entre elementos metálicos e não-metálicos, para os quais as ligações interatômicas ou são totalmente iônicas ou são predominantemente iônicas com alguma natureza covalente.

O termo cerâmica vem da palavra grega “keramitos”, que significa matéria prima queimada, indicando que as propriedades desejáveis desses materiais são normalmente atingidas através de um processo de tratamento térmico a alta temperatura conhecido por ignição. Foi durante o Neolítico, fase do desenvolvimento técnico das sociedades humanas, que a cerâmica foi inventada.

Características:

• A característica comum a estes materiais é serem constituídos de elementos metálicos e elementos não metálicos, ligados por ligações de caráter misto, iônico-covalente;

• Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão;

• São de natureza cristalina, porém como o número de elétrons livres é pequeno, sua condutibilidade elétrica é nula ou muito pequena, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutoras, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos, em faixas específicas de temperatura);

• São comumente estáveis sob condições ambientais severas (possuem grande resistencia ao ataque químico);

• A densidade é comparavel à dos grupos de metais leves, variando de 2 a 3 g/cm³;

• Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis;

• Sua resistencia a tração é baixa. Sua resistencia a compressão é muito mais elevada, cinco a dez vezes maior que a resitencia a tração;

• Os principais materiais cerâmicos são:

– Materiais Cerâmicos Tradicionais: cerâmicas estruturais, louças, refratários (provenientes de matérias primas argilosas). – Vidros e Vitro-Cerâmicas.

– Abrasivos.

– Cimentos.

– Cerâmicas “Avançadas”: aplicações eletro-eletrônicas, térmicas, mecânicas, ópticas, químicas, bio-médicas

Estrutura dos materias cerâmicos:

Cerâmicas Cristalinas: Em geral, a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa que a dos metais, uma vez que eles são compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de átomo ocupa posições determinadas no reticulado cristalino. Ao contrário de outros materias cerâmicos, o vidro é uma substância não-cristalina.

Produção:

As técnicas de produção de materias cerâmicos assemelhan-se muito à técnica da metalurgia do pó. As principais etapas de fabricação são as seguintes:

• Preparação dos ingredientes para conformação. Esses ingredientes estão geralmente na forma de particulas de pó. A mistura é feita seca ou úmida;

• Conformação, a qual pode ser feita no estado líquido, semilíquido ou úmido ou sólido, nas condições fria ou quente.

No caso líquido, prepara-se uma espécie de lama que é vasada em moldes porosos (de gesso), os quais absorvem o líquido, deixando uma camada de material sólido na superfície do molde. Como ocorre contração, mais lama é adicionada até obter-se a forma desejada.

Por esse método, podem-se produzir peças circulares, mediante a rotação dos moldes, como na fundição por centrifugação.

Nos casos semilíquido ou sólido utiliza-se conformação por pressão. A conformação sólida (com teor de umidade até 5%) é empregada para a fabricação de isoladores elétricos, certos tipos de refratários e peças cerâmicas para indústria eletrônica. A pressão utilizada é elevada e os moldes são metálicos.

Na corformação semilíquida ou úmida, com teores de água que podem chegar a 20%, as pressões são ainda mais baixas e os moldes de menos custo.

Emprega-se ainda o processo de compressão isostática, para a produção de óxidos cerâmicos de alta qualidade, em peças como isoladores de velas de ignição.

Outro processo relativamente recente é a compressão a quente, que permite obter peças de alta densidade e de melhores propriedades mecânicas.

A confromação pode ser ainda feita por extrusão, processo que possibilita a fabricação de produtos cerâmicos de argila, como tijolos e telhas;

• Secagem e cozimento, para remoção de água e obtenção da resistencia final necessária.

A secagem deve ser muito cuidadosa, porque excessiva secagem pode resultar em rápida contração que leva a empenamento e mesmo fissuração.

As peças de cerâmica de baixo custo e menos responsabilidade são geralmente deixadas secar em ambiente normal, protegido contra as intempéries.

Esse problema de secagem não existe no caso de peças de qualidade, pois as mesmas são geralmente produzidas a partir de pós secos.

O cozimento ou sinterização é levado a efeito a temperaturas que variam de acordo com a composição do material e das propriedades finais desejadas.

A temperatura máxima do processo é chamada temperatura de amadurecimento.

As peças refretárias e eletrônicas são cozidas a temperaturas que podem ultrapassar 1650°C, para obter-se a vitrificação e as ligações finais necessárias.

As ligações obtidas em refratários de alta qualidade são de natureza cristalina, em vez de vidrosa;

• Queima das peças após secagem;

• Acabamento final (quando necessário).

Tipos de materiais cerâmicos:

O número de materias cerâmicos utilizados na indústria é muito grande, sobretudo como refratário e em aplicações de resistencia ao desgaste, aplicações na indústria química e elétrica.

Recentemente vários tipos mais sofisticados foram deselvolvidos para empregos em condições de temperaturas muito elevadas, como em turbinas a gás, motores a jato, reatores nucleares e aplicações semelhantes.

A maior diferença entre os tipos comuns de materiais cerâmicos e os sofisticados consiste no fato de que estes ultimos não possuem uma matriz vidrosa. Neles durante o processo de sinterização, as particulas finas de material cerâmico são ligadas por reações superficiais sólidas que originam uma ligação cristalina entre as particulas individuais.

Os principais tipos são:

Faiança e porcelana: são obtidos a partir de misturas de argila, quartzo, feldspato, caolin e outros materiais.

São materiais altamente vitrificados, a porcelana apresentando maior vitrificação que a faiança e é de cor branca.

São empregadas nas indústrias químicas e elétricas. Devido a sua resistencia química são muito empregadas nas indústrias quimicas e de processamento, em tanques, condensadores, tubulações, bobinas de resfriamento, filtros, misturadores, bombas, câmaras de reatores, etc. Refratários comuns: são obtidos a partir de argilas e os tipos mais comuns são alumina-sílica (óxido de alumínio e dióxido de silício). As composições variam desde a sílica pura até quase alumina pura. Podem conter algumas impurezas como óxido de ferro e magnésio e pequenas quantidades de óxidos metálicos alcalinos.

Outros refratários comercias são: sílica, forsterita, magnesita, dolomita, carboneto de silício e zircônio. Óxidos: são do tipo simples, ou seja, contêm apenas um único elemento metálico ou do tipo misto ou complexo, quem contém dois ou mais elementos metálicos.

O mais importante, porque o mais utilizado é o óxido de alumínio – alumina.

Custo relativamente baixo e propriedades mecânicas idênticas ou melhores do que o da maioria dos outros óxidos.

Possui ainda excelente resistividade elétrica e dielétrcia e é resistente à ação de muitas substâncias químicas, do ar, vapor de água e atmosferas sulfurosas.

É empregado como isoladores elétricos, em aplicações químicas e aeroespaciais e em componentes resistentes a boas propriedades à abrasão como guias de máquinas têxteis, varetas de êmbolos de bombas, revestimentos de calhas, furos de descargas, matrizes e mancais.

O óxido de berílio – berília – apresenta condutibilidade térmica elevada, além de alta resistencia e boas propriedades dielétricas. É de custo elevado e difícil de trabalhar. Além disso, no seu manuseio são necessárias certas precauções, porque suas particulas de poeira são tóxicas. É utilizado devido a sua rigidez, resistência e estabilidade dimensional em giroscópios; em transistores, resistores e aplicações similares, devido a sua elevada condutibilidade térmica.

O óxido de magnésio – magnésia – tem aplicações limitadas, por não ser suficientemente resistente e por ser suscetível a choque térmico, devido a sua elevada dilatação térmica.

O óxido de zircônia – zircônia –apresenta-se em vários tipos: óxido puro monoclínico, forma estabilizada cúbica e outros.

A zircônia estabilizada possui alta temperatura de fusão (cerca de 2760°C), baixa condutibilidade térmica e resiste bem à ação de atmosferas oxidantes e redutoras e de muitos agentes químicos. Algumas formas de zircônia estabilizada são utilizadas em recipientes e equipamentos em contato com metais líquidos.

A zircônia monoclínica, do tipo nuclear, é empregada em elementos combustíveis nucleares, componetes de reatores e aplicações similares.

O óxido de tório – tória – é o óxido cerâmico quimicamente mais estável e possui o mais elevado ponto de fusão dentre os óxidos cerâmicos – 3315°C. Algumas aplicações são feitas em reatores nucleares.

Os óxidos mistos são constituídos de várias combinações de magnésia, alumina e sílica.

Engloba a maioria dos materias cerâmicos chamados de abrasivos.

Cerâmica de alta tecnologia/Cerâmica avançada: Embora as cerâmicas tradicionais correspondam a maior parte da produção desses materiais, o desenvolvimento de novas e avançadas cerâmicas teve início e continuará a estabelecer um nicho importante em nossas tecnologias de ponta.

Em particular, as propriedades elétricas, magnéticas e óticas, bem como combinações de propriedades exclusivas dos materiais cerâmicos, têm sido exploradas em uma gama de novos produtos. Além disso, as cerâmicas avançadas são utilizadas em motores de combustão interna e de turbina, em chapas de blindagem, em embalagens de componentes eletrônicos, como ferramentas de corte, e para conversão, armazenamento e geração de energia.

Vidro: origina-se da fusão de sílica – SiO2 – cristalina. Essa fusão forma um líquido viscoso cuja ligação não apresenta as características muito regulares dos sólidos cristalinos. Ao contrário de outros materias cerâmicos, o vidro é uma substância nãocristalina.

Para sua fabricação, parte-se de uma mistura de sílica e outros óxidos, a qual é fundida e resfriada de modo a resultar uma condição rígida.

De qualquer modo, a estrutura do vidro é tridimensional e os átomos ocupam posições definidas.

Processamento de Vidros:

A produção de produtos de vidro compreende quatro etapas: i. Fusão e refino i. Conformação i. Tratamento térmico iv. Acabamento

Além dos materiais básicos, emprega-se sucata de vidro ou material rejeitado. Os fornos de fusão são de natureza contínua e a temperatura de fusão situa-se em torno de 1500°C.

O vidro fundido é retirado continuamente do forno e levado à área de trabalho, onde é conformado a temperaturas em torno de 1000°C.

Os métodos de conformação incluem:

a) Sopragem ou insuflação, para fabricação de peças ocas, como garrafas. Ar é utilizado como elemento de insuflação. b) Compressão, que é o método de mais baixo custo. Utiliza-se uma prensa rotativa, dotada de moldes onde o vidro pastoso é colocado e submetido à pressão para obterse a forma desejada. Por esse processo, fabricam-se de mesa e fogão, isoladores, lentes e refletores c) Estiramento, para fabricação de peças tubulares ou barras de vidro. No primeiro caso, força-se o vidro líquido a passar em torno de um mandril cônico de metal ou material cerâmico e sopra-se ar através de centro do mandril. Por estiramento ou laminação, produz-se chapas de vidro d) Fundição, restrita a formas simples e de grandes dimensões. É o método mais difícil de conformação de vidro

O tratamento térmico consiste em duas operações: recozimento e têmpera.

O recozimento tem por objetivo eliminar as tensões que se desenvolvem no resfriamento do vidro, após a conformação, até a temperatura ambiente e consiste em aquecer-se o vidro até a faixa de temperaturas de recozimento, manutenção nessa temperatura durante um determinado tempo e resfriamento lento até a temperatura ambiente.

A têmpera consiste no seu aquecimento a uma temperatura em torno do ponto de amolecimento, seguido de resfriamento rápido com jatos de ar ou mergulhando as peças em óleo.

Resulta um material com uma camada superficial rígida sob compressão e uma interior sob tração, com o que, quando em serviço, as tensões de compressão das camadas externas resistem às tensões de tração, resultando uma resistência geral maior.

Os vidros temperados são de três a cinco vezes mais resistentes que o vidro recozido, sem perder sua claridade inicial, nem sua dureza, nem o coeficiente de dilatação.

O acabamento consiste em operações de polimento com ácido hidrofluorídrico; em coloração, pelo cobre ou compostos de prata; em metalização, para decoração ou conferir condutibilidade elétrica; acabamento mêcanico, como esmerilhamento para eliminar cantos vivos, etc.

Tipos de vidros:

Tipo Componentes Majoritários % Propriedades

SiO2 Al2O3 CaO Na2O B2O3 MgO

Sílica

9Dilatação

fundida térmica muito baixa, viscosidade muito alta

Borosilicato

(pyrex) 81 2 4 12 Baixa expansão térmica, pequena troca de íons

Vasilhames 74 1 5 15 4 Fácil trabalhabilidade, grande durabilidade

Tabela I: Composição química de diferentes tipos de vidros (VAN VLACK, 1973) Aplicações dos materias cerâmicos:

Só para pensarmos em alguns usos que a cerâmica tem, podemos iniciar com a sua mais antiga função: a de objetos de uso domiciliar, que existe desde tempos imemoriais, como a confecção de panelas, potes, vasos, louças e utensílios com as mais diferentes finalidades.

Podemos dividir suas aplicações em ramos:

• Artesanal: Utilizada na criação de objetos decorativos e utilitários, incluindo bijouterias e acessórios para adornos;

• Arquitetônica: Utilizada na fabricação de telhas, tijolos, azulejos e louças sanitárias.

• Industrial: esta pode ser dividida em vários seguimentos. São eles:

Alvenaria: vantagem de que o mesmo elemento pode responder por diversar funções. Assim uma parede simultaneamente com a capacidade de resistir ás tensões atua como divisória, isolante acústica e térmica e também protege contra incêndio. Em estruturas de concreto ou aço estas funções devem ser obtidas separadamente;

Medicina: as cerâmicas empregadas no corpo humano podem ser divididas nas três classificações de biomateriais: inerte, biodegradável e bioativo. Os três principais tipos de resposta de tecidos.

Os materiais inertes causam resposta de tecidos mínima ou nula. Materias ativo estimulam a ligação de novo crescimento ósseo e materiais biodegradáveis são incorporados no tecido vizinho ou podem até mesmo ser completamente dissolvidos após certo período de tempo. Biocerâmicas satisfazem necessidades tão diversas quanto: baixos coeficientes de atrito para a lubrificação de próteses de juntas superfícies de válvulas de coração que evitam coagulação do sangue, materiais que estimulem o crescimento ósseo e aqueles que podem prender espécies radioativas para tratamentos terapêuticos; Elétrica: uma importante invenção que modificou a vida de milhões de pessoas foi a lâmpada de luz incandescente, em 1879. Desde então a tecnologia da iluminação tem sido caracterizada pela invenção de métodos de aumento da luminosidade e da eficiência das fontes de luz. A vasta indústria eletrônica não existiria se não houvesse cerâmica. A cerâmica tem um vasto leque de propriedades eletrônicas tais como isolamento, semicondutores, supercondutores, piezoeletrônica e magnéticas. Componentes eletrônicos individuais e circuitos integrados complexos com multicomponentes têm sido fabricados de cerâmicas. Meio ambiente e aeroespacial: as cerâmicas podem ajudar na diminuição da poluição, capturar materiais tóxicos e encapsular resíduos nucleares.

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