Analises das estruturas cristalográficas das matrizes cerâmicas

As matrizes (frações granulométricas abaixo de 0,1 mm) de cada cerâmica foram examinadas pela técnica de difração de raios X. O estudo cristalográfico das matrizes cerâmicas foi realizado em amostras não tratadas termicamente e amostras queimadas sob três diferentes temperaturas: 1250, 1460 e 1600 °C. Essas três temperaturas foram selecionadas pois teoricamente representariam os patamares de: conversão irreversível do quartzo em cristobalita (1260°C), mulitização em larga escala que ocorre próximo a 1450°C e formação de fase liquida da sílica. Os difratogramas das matrizes são apresentados nas figuras 12 a 20.

Cerâmica A

As fases cristalinas da cerâmica A, fabricadas com 60% de chamote e 40% de argila refratária, são apresentadas nos difratogramas das figuras 12, 13 e 14.

Na figura 12, o difratograma da amostra sem tratamento térmico indicou a presença de mulita, corundum e quartzo. A mulita e o corundum são produtos do processo de calcinação da argila na produção do chamote, enquanto que o quartzo é proveniente da argila refratária.

Figura 12: Difratograma de raios X da Cerâmica A sem o tratamento térmico. Na identificação do difratograma as letras M, representam mulita, Q o quartzo e C o corundum.

Na figura 13, o difratograma da cerâmica A tratada termicamente a 1250 °C apresenta uma redução na intensidade dos picos de quartzo, surgimento de picos de cristobalita, ausência do corundum e pequeno aumento nos picos de mulita.

A cristobalita é um produto da conversão do quartzo em temperaturas próximas de 1260 °C, nesse mesmo patamar o corundum em presença de cristobalita provavelmente foi consumido na formação de mulita.

Figura 13: Difratograma de raios X da Cerâmica A tratada termicamente a 1250 °C. Na identificação do difratograma as letras M, representam mulita, Q o quartzo e Cr a cristobalita.

Na figura 14, o difratograma da amostra tratada termicamente a 1460 °C (figura14) indica que todo quartzo restante e observado na figura 13 foi convertido em cristobalita. Devido à ausência corundum não era esperada a formação de mulita (picos de mulita permanecem constantes em relação a figura 13).

De maneira geral, mediante o aumento da temperatura foi possível observar o quartzo (2,65 g/cm3) sendo convertido em cristobalita (2,32 g/cm3) e a formação de mulita na matriz cerâmica. Isso pode explicar a pequena redução de densidade e expansão volumétrica próxima de 2% da cerâmica A após a segunda queima.

Figura 14: Difratograma de raios X da Cerâmica A tratada termicamente a 1460 °C. Na identificação do difratograma as letras M, representam mulita e Cr a cristobalita

Cerâmica B

As fases cristalinas da cerâmica B, fabricadas com 10% de chamote, 40% de bauxita calcinada, 10% de alumina calcinada e 40% de argila refratária, são apresentadas nos difratogramas das figuras 15,16, 17 e 18.

Na figura 15, o difratograma da amostra sem tratamento térmico indica a presença de mulita, corundum e quartzo. O corundum é proveniente da bauxita e alumina calcinada, a mulita é produto do processo de calcinação de argila na produção do chamote, enquanto que o quartzo é proveniente da argila refratária.

Figura 15: Difratograma de raios X da Cerâmica B sem o tratamento térmico. Na identificação do difratograma as letras M, representam mulita, Q o quartzo e C o corundum.

Na figura 16, o difratograma da amostra tratada termicamente a 1250 °C indicou, de maneira análoga ao que ocorreu na cerâmica A, uma redução na intensidade dos picos de quartzo e corundum, o surgimento de picos de cristobalita e o aumento nos picos de mulita.

Figura 16: Difratograma de raios X da Cerâmica B tratada termicamente a 1250 °C. Na identificação do difratograma as letras M, representam mulita, Q o quartzo, Cr a cristobalita e C o corundum.

Na figura 17, o difratograma da cerâmica B tratada termicamente a 1460 °C indicou que todo quartzo e cristobalita restante foram consumidos na formação da mulita (o número e/ou intensidade dos picos de mulita aumentaram em relação ao patamar térmico anterior). Com temperaturas próximas a 1460 °C uma quantidade maior de íons de alumina é liberada no sistema favorecendo a redissolução de íons sílica que estavam precipitados na forma de cristobalita e, consequentemente, atinjam a proporção estequiométrica ideal para nucleação da mulita. De maneira geral, assim como ocorreu na Cerâmica A, a precipitação da mulita ocorreu simultaneamente a dissolução da cristobalita.

Figura 17: Difratograma de raios X da Cerâmica B tratada termicamente a 1460 °C. Na identificação do difratograma as letras M, representam mulita e C o corundum.

Na figura 18 são apresentados os difratogramas da cerâmica B tratada termicamente a 1460 °C (esquerda) e 1600 °C (direita), os resultados indicam uma redução na intensidade de picos de corundum e aumento nos picos de mulita. Provavelmente durante esse último patamar térmico, o corundum em excesso continuou reagindo com sílica vítrea formando a mulita.

Figura 18: Difratogramas de raios X da Cerâmica B tratada termicamente a 1460 e 1600°C. Na identificação do difratograma as letras M, representam mulita e C o corundum.

De maneira geral, conforme a temperatura de queima aumenta (em um mesmo intervalo de tempo) é possível observar uma relevante quantidade de corundum sendo consumida na formação da mulita, o que pode explicar a expansão volumétrica, redução da densidade e aumento da porosidade à 1600 °C.

Cerâmica C

As fases cristalinas da cerâmica C, fabricadas com 60% de bauxita calcinada, 20% de alumina calcinada e 20% de argila especial, são apresentadas nos difratogramas das figuras 19 e 20. Não apresentamos os resultados da Cerâmica C queimados a 1260 °C pois estes são similares aos obtidos sob 1460 °C.

Na figura 19, o difratograma da amostra sem tratamento térmico indicou a presença de mulita, corundum e nacrita. O corundum e a mulita são provenientes da bauxita e alumina calcinada e a nacrita é proveniente da argila especial.

Figura 19: Difratograma de raios X da Cerâmica C sem o tratamento térmico. Na identificação do difratograma as letras M, representam mulita, Na a nacrita e C o corundum.

Na figura 20, o difratograma (a esquerda) da amostra tratada termicamente a 1460 °C indicou uma redução na intensidade dos picos de corundum, ausência da nacrita e aumento na intensidade de picos de mulita. A nacrita tende a apresentar comportamento similar à caolinita nesse patamar térmico, desidratando e formando mulita e cristobalita (Equações 1, 2 e 3). Como a precipitação da mulita ocorre simultaneamente a dissolução da cristobalita, acreditamos que nesse patamar toda a cristobalita já havia sido redissolvida e consumida na formação de mulita. Ainda na figura 20, o difratograma (a direita) da amostra queimada a 1600 °C indica picos de sillimanite (3,23 g/cm3), cuja presença não era esperada uma vez que, essa estrutura sílico-aluminosa forma-se somente sob altas pressões.

Figura 20: Difratogramas de raios X da Cerâmica C tratada termicamente a 1460 e 1600 °C, esquerda e direita, respectivamente. Na identificação do difratograma as letras M, representam mulita, Na a nacrita e C o corundum. As elipses tracejadas indicam picos de sillimanite próximas e/ou sobrepostas aos picos de mulita.

Segundo Schneider et.al. (2005), como a sillimanite apresenta estrutura similar a mulita, ressonâncias geradas durante a análise podem causar resultados ambíguos em determinadas faixas de leitura. Nesse patamar de 1600 °C não foi observada variação na concentração de corundum, o que descartada a possiblidade de formação de mais mulita. Como os picos de sillimanite são de baixa intensidade e, normalmente, aparecem sobrepostos e/ou próximos aos picos de mulita (elipses tracejadas), a creditamos que os sinais de sillimanite são produto de ressonância e podem ser desconsiderados.