Materiais cerâmicos

Materiais cerâmicos

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Centro Federal de Educação Tecnológica do Maranhão Professora: Carmem Francisco Nascimento Introdução a Ciência dos Materiais

Materiais Cerâmicos: Teoria e Aplicação.

São Luís MA Maio 2007

Centro Federal de Educação Tecnológica do Maranhão Professora: Carmem Francisco Nascimento Introdução a Ciência dos Materiais

Carolina Gomes Araújo Garreto EE0311002-21

Materiais Cerâmicos: Teoria e Aplicação.

São Luís MA Maio 2007

INTRODUÇÃO Histórico, definição Classificação Argilas

PROPRIEDADES TÉRMICAS PROPRIEDADES ÓTICAS PROPRIEDADES MECÂNICAS Mecanismos de Deformação Plástica Fluência Propagação de Fendas PROPRIEDADES ELÉTRICAS PROPIEDADES MAGNÉTICAS PERMUTA MAGNÉTICA EM MATERIAIS CERÂMICOS FERRITES UTILIZAÇÃO DOS MATERIAS CERÂMICOS VIDROS Histórico Definição do vidro Deformação viscosa dos vidros Etapas da fabricação dos vidros,, Tratamento térmico de vidros Vitro-cerâmica Reciclagem dos vidros

A palavra cerâmica vem do grego "keramos", que significa coisa queimada indicando que as desejáveis propriedades destes materiais são normalmente encontradas através de um processo de tratamento térmico de alta temperatura denominado queima. Originalmente o termo é aplicado às porcelanas e cerâmicas, mas recentemente tendo-se notado que são materiais inorgânicos e não-metálicos. A maioria dos materiais cerâmicos são compostos entre elementos metálicos e não-metálicos para os quais as ligações interatômicas são ou totalmente iônicas ou predominantemente iônicas, mas tendo algum caráter covalente.

Até cerca de 40 anos atrás, os mais importantes materiais nesta classe eram denominados "cerâmicas tradicionais", aquelas para as quais a matéria prima básica é a argila; produtos considerados como cerâmicas tradicionais são louça, porcelana, tijolos, telhas, ladrilhos, azulejos, manilhas e, em adição, vidros e cerâmicas de alta temperatura. Ultimamente, significativos progressos têm sido feitos no entendimento do caráter fundamental destes materiais e dos fenômenos que ocorrem neles que são responsáveis pelas suas únicas propriedades. Consequentemente, uma nova geração destes materiais foi desenvolvida e o termo "cerâmica" tem sido tomado com um significado muito mais amplo. Em vários graus de importância estes materiais têm um efeito bastante dramático sobre as nossas vidas; eletrônica, computador, comunicação, aeroespacial e um grande número de outras indústrias se apóiam no seu uso.

É quase impossível abrir os olhos sem ver um produto cerâmico ou um produto que depende do engenheiro ou do cientista cerâmico para sua existência. Quando pessoas em geral falam sobre cerâmicas, usualmente estão referindo-se a artefatos de cerâmica tais como pratos, vasos, objetos de arte, etc. Evidentemente tais produtos são cerâmicos, mas eles fornecem uma idéia pouco precisa sobre a dimensão e o universo da indústria de cerâmica nos dias atuais.

Materiais cerâmicos têm propriedades elétricas como isolantes de alta-voltagem, em resistores e capacitores, como a memória em computadores, velas na combustão interna de motores e, mais recentemente, em aplicações de supercondutores de alta temperatura. Resistência ao calor é uma das características mais atrativas nos materiais cerâmicos, por essa razão telhas de cerâmica fornecem blindagem ao aquecimento nos ônibus espaciais de hoje. Uma classe inteira de cerâmicas resistentes ao calor, chamadas de refratários torna possível a construção de alto-fornos siderúrgicos e usinas nucleares que são o coração da indústria moderna.

Alguns produtos são cerâmicos em sua origem: tijolo, telhas, azulejo, utensílios de mesa (louças, talheres), vasos de flores, porcelanas de banheiro. Além disso, o vidro, em suas milhares de permutações, é também um produto cerâmico, desde as lentes de óculos até as janelas de um arranha-céu até cabos de fibra ótica.

Os materiais cerâmicos estão por toda parte - nos carros que dirigimos, nos edifícios que moramos e nas calçadas que pisamos. Elas são usadas até mesmo por dentistas em próteses, coroas, cimento e implantes dentários.

Filtros de cerâmica feitos de porcelana porosa podem isolar micróbios e bactérias do leite e água potável, separar poeira de gases e remover partículas sólidas de líquidos. Cerâmicas são essenciais para a indústria de construção, para a indústria petroquímica, para gerar eletricidade, para as comunicações, exploração espacial, medicina, sanitarismo. Cerâmicas semicondutoras tornaram possíveis os rádios transistorizados e a televisão portátil que revolucionaram o modo de pensar sobre educação e diversão.

Escudos de cerâmica, os quais são leves e resistentes ao impacto, têm sido confeccionados para proteger aviões, veículos militares e soldados. Componentes eletrônicos individuais e circuitos integrados complexos com multicomponentes têm sido fabricados de cerâmicas. Cerâmicas mono-cristal têm importantes aplicações mecânicas, elétricas e óticas. Cerâmicas incluem itens tão delicados que podem ser quebrados por um leve toque, tão resistentes que podem proteger nosso próprio corpo e tão duradouros que permanecem depois de milhares de anos revelando-nos a história dos nossos mais remotos ancestrais.

O setor cerâmico é amplo e heterogêneo o que induz a dividi-lo em sub-setores ou segmentos em função de diversos fatores, como matérias-primas, propriedades e áreas de utilização. Dessa forma, a seguinte classificação, em geral, é adotada.

Cerâmica Vermelha - compreende aqueles materiais com coloração avermelhada empregados na construção civil (tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e argilas expandidas) e também utensílios de uso doméstico e de adorno. As lajotas muitas vezes são enquadradas neste grupo porém o mais correto é em Materiais de Revestimento.

Materiais de Revestimento (Placas Cerâmicas) - compreende aqueles materiais usados na construção civil para revestimento de paredes, piso e bancadas tais como azulejos, placas ou ladrilhos para piso e pastilhas.

Cerâmica Branca - Este grupo é bastante diversificado, compreendendo materiais constituídos por um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor e que eram assim agrupados pela cor branca de massa, necessária por razões estéticas e/ou técnicas. Com o advento dos vidrados opacificados, muitos dos produtos enquadrados neste grupo passaram a ser fabricados, sem prejuízo das características para uma dada aplicação, com matérias primas com certo grau de impurezas, responsáveis pela coloração. Dessa forma é mais adequado subdividir este grupo em:

Louça sanitária / louça de mesa / isoladores elétricos para alta e baixa tensão / cerâmica artística (decorativa e utilitária) / cerâmica técnica para fins diversos, tais como: químico, elétrico, térmico e mecânico.

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. Dessa forma, podemos classificar os produtos refratários quanto a matéria-prima ou componente químico principal em: sílica, sílico-aluminoso, aluminoso, mulita, magnesianocromítico, cromítico-magnesiano, carbeto de silício, grafita, carbono, zircônia, zirconita, espinélio e outros.

Isolantes Térmicos - os produtos deste segmento podem ser classificados em:

a) refratários isolantes que se enquadram no segmento de refratários, b) isolantes térmicos não refratários, compreendendo produtos como vermiculita expandida, sílica diatomácea, diatomito, silicato de cálcio, lã de vidro e lã de rocha, que são obtidos por processos distintos ao do item a) e que podem ser utilizados, dependendo do tipo de produto até 10 ºC e c) fibras ou lãs cerâmicas que apresentam características físicas semelhantes às citadas no item b, porém apresentam composições tais como sílica, sílica-alumina, alumina e zircônia, que dependendo do tipo, podem chegar a temperaturas de utilização de 2000 ºC ou mais.

Fritas e Corantes - Estes dois produtos são importantes matérias-primas para diversos segmentos cerâmicos que requerem determinados acabamentos.

Frita (ou vidrado fritado) é um vidro moído, fabricado por indústrias especializadas a partir da fusão da mistura de diferentes matérias-primas. É aplicado na superfície do corpo cerâmico que, após a queima, adquire aspecto vítreo. Este acabamento tem por finalidade aprimorar a estética, tornar a peça impermeável, aumentar a resistência mecânica e melhorar ou proporcionar outras características.

Corantes: constituem-se de óxidos puros ou pigmentos inorgânicos sintéticos obtidos a partir da mistura de óxidos ou de seus compostos. Os pigmentos são fabricados por empresas especializadas, inclusive por muitas das que produzem fritas, cuja obtenção envolve a mistura das matérias-primas, calcinação e moagem. Os corantes são adicionados aos esmaltes (vidrados) ou aos corpos cerâmicos para conferir-lhes colorações das mais diversas tonalidades e efeitos especiais.

ABRASIVOS Parte da indústria de abrasivos, por utilizarem matérias-primas e processos semelhantes aos da cerâmica, constituem-se num segmento cerâmico. Entre os produtos mais conhecidos podemos citar o óxido de alumínio eletro fundido e o carbeto de silício.

VIDRO, CIMENTO E CAL São três importantes segmentos cerâmicos e que, por suas particularidades, são muitas vezes considerados à parte da cerâmica.

Cerâmica de Alta Tecnologia/ Cerâmica Avançada O aprofundamento dos conhecimentos da ciência dos materiais proporcionou ao homem o desenvolvimento de novas tecnologias e aprimoramento das existentes nas mais diferentes áreas, como aeroespacial, eletrônica, nuclear e muitas outras e que passaram a exigir materiais com qualidade excepcionalmente elevada. Tais materiais passaram a ser desenvolvidos a partir de matérias-primas sintéticas de altíssima pureza e por meio de processos rigorosamente controlados. Estes produtos, que podem apresentar os mais diferentes formatos, são fabricados pelo chamado segmento cerâmico de alta tecnologia ou cerâmica avançada. Eles são classificados, de acordo com suas funções, em: eletroeletrônicos, magnéticos, ópticos, químicos, térmicos, mecânicos, biológicos e nucleares. Os produtos deste segmento são de uso intenso e a cada dia tende a se ampliar. Como alguns exemplos, podemos citar: naves espaciais, satélites, usinas nucleares, materiais para implantes em seres humanos, aparelhos de som e de vídeo, suporte de catalisadores para automóveis, sensores (umidade, gases e outros), ferramentas de corte, brinquedos, acendedor de fogão, etc.

As argilas são materiais terrosos naturais que quando misturados com água apresentam alta plasticidade. São constituídas de partículas extremamente pequenas formadas por um número estrito de substâncias denominadas argilo-minerais. De acordo com a ABNT as argilas são compostas de partículas coloidais de diâmetro inferior a 0,005 m, com alta plasticidade quando úmidas e que, quando secas formam torrões dificilmente desagregáveis pela pressão dos dedos.

Argilo-minerais São silicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio com pequenas percentagens de elementos alcalinos e alcalino-terrosos, além de sílica, alumina, mica, ferro, cálcio, magnésio, matéria orgânica, etc. Resultam da degradação de rochas sob ação da água e do gás carbônico, resultando em jazidas muito variadas e mesmo variações acentuadas dentro de uma mesma jazida.

Tipos de argila De uma maneira geral, podem-se ter:

Argilas de cor de cozimento branca, como os caulins e argilas plásticas. Argilas refratárias, como os caulins, argilas refratárias e argilas altamente aluminosas. Argilas para produção de grês. Argilas para materiais cerâmicos estruturais, como as amarelas e vermelhas. As argilas são ainda classificadas em:

Gordas São plásticas devido a grande quantidade de colóides e a presença de alumina, se deformam mais durante o cozimento.

Magras Devido ao excesso de sílica, são mais porosas e frágeis.

COMPONENTES DA ARGILA Os principais componentes da argila são:

Caulim É a argila com predomínio de caulinita - pó branco matéria da porcelana. O nome caulim é de origem chinesa (Kao-liang:colina elevada), quando seco é untoso e quando úmida é muito plástica.

Caulim

Óxido de ferro Provenientes das rochas ígneas que dá a cor avermelhada ou amarelada a maioria das argilas. Reduz a sua plasticidade e a propriedade de ser refratária.

Sílica livre (areia) Reduz a plasticidade e a retração, facilitando a secagem. Como paradoxo ela diminui a resistência mecânica, porém com a parte que funde (vitrifica) no cozimento endurece o produto.

Óxido de ferroSílica

Alumina livre Reduz a plasticidade e a resistência mecânica, mas aumenta a refratariedade.

Feldspatos Agem como fundentes aumentando a massa específica, a resistência e a impermeabilidade.

Cálcio Age como fundente e clareia a cerâmica.

Matéria orgânica Embora melhore a plasticidade, torna a cerâmica mais porosa. Ela é responsável pela cor escura da argila antes do cozimento.

As propriedades mais importantes das argilas são a plasticidade, a retração e o efeito do calor. Nas cerâmicas, o interesse se situa no peso, resistência mecânica, resistência ao desgaste, absorção de água e duração. 1 - Plasticidade É a propriedade de se deformar pela aplicação de uma força e manter esta deformação cessada a força. Resulta das forças de atração entre as partículas argilo-minerais e a ação lubrificante da água entre as partículas lamelares. Para determinar a plasticidade são elaborados os seguintes ensaios de laboratório: Limite de Plasticidade - LP É definido como o menor teor de umidade do solo com o qual se consegue moldar um cilindro com 3 m de diâmetro e 10 cm de comprimento, rolandose o solo com a palma da mão. Limite de Liquidez - L O limite de liquidez é definido como o teor de umidade do solo com o qual uma ranhura nele feita requer 25 golpes para se fechar, numa concha do aparelho de Casagrande. Índice de Plasticidade IP = L - LP Índice de Consistência

Onde h é o teor de umidade da argila na jazida 2 - Retração Quando a argila começa a secar ela perde inicialmente a água superficial (processo rápido) e depois a água interna migra para a parte seca por capilaridade (processo lento) até se homogeinizar. Após secar o espaço antes ocupado pela água cria vazios que se retraem. A retração depende do grau de umidade e da composição da argila (quanto mais caulinita maior a retração). A retração não é uniforme e tende a deformar as peças.

3 - Secagem e sinterização A secagem é o processo de evaporação da água. Se a velocidade de evaporação for maior que a migração da água interna para a superfície ocorrerá uma tensão diferencial que poderá ocasionar fissuras e deformação da peça.

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