As maiores vantagens dos materiais cerâmicos quando utilizados em condições severas de serviço (alta temperatura e ambiente corrosivo) são sua inércia química, refratariedade e excelente propriedades mecânicas a altas temperaturas. Entretanto, esses materiais podem sofrer danos ou fratura completa quando estão submetidos ao choque térmico.
A degradação mecânica de cerâmicas refratárias provocada pela tensão termomecânica durante o aquecimento ou resfriamento tem sido uma importante questão em aplicações onde se requer o uso de materiais que sejam resistentes ao choque térmico.
A produção de espumas cerâmicas por aeração de suspensões, associada ao processo de “gelcasting” pode proporcionar cerâmicas porosas celulares com uma ampla faixa de densidades e propriedades mecânicas quando comparadas com outras cerâmicas porosas. Entretanto, o uso destes materiais em aplicações específicas como as estruturais, para isolamento térmico, filtragem, suportes para catalisadores, imobilização de microorganismos em aplicações biotecnológicas e implantes ósseos, requer uma adequação da macroestrutura da espuma que favoreça propriedades específicas, tais como resistência mecânica, permeabilidade, condutividade térmica ou área superficial.
0 conhecimento sobre propriedades elásticas tem sido fundamental para o entendimento da limitação da vida útil de cerâmicas refratárias e cerâmicas celulares com fins estruturais. Essas propriedades são grandezas físicas que caracterizam a rigidez elástica dos materiais e representam, em primeiro lugar, um pressuposto para a classificação especifica dos materiais e suas características mecânicas. Tais propriedades decorrem de características como
tamanho de agregado, temperatura, porosidade, distribuição do tamanho de poros e conectividade entre células vizinhas, as quais são definidas durante a produção do material. Entretanto, o uso de cerâmicas porosas em aplicações estruturais está condicionado ao desenvolvimento de técnicas não destrutivas de análises, que permitem avaliar as propriedades elásticas.
Existem inúmeros métodos dinâmicos para a obtenção das constantes elásticas em cerâmicas celulares, e para o estudo da degradação mecânica, por meio das propriedades elásticas, antes e após o choque térmico de cerâmicas refratárias. Dentre esses, podemos citar o método da excitação por impulso, ultra-som e ressonância de barras. Contudo, a elevada extensão granulométrica e o alto fator de amortecimento de alguns concretos refratários submetidos ao choque térmico, o nível de porosidade elevada de cerâmicas celulares e a elevada temperatura de ensaio tornam a maioria dessas técnicas de caracterização inviáveis para atender simultaneamente essa classe de materiais cerâmicos.
Faz-se então necessário à utilização de um método adequado que seja capaz de atender à formulação desses materiais cerâmicos e o seu estado de degradação inicial e, que permita encontrar as propriedades elásticas de maneira simples, eficiente e precisa.
O método de ressonância mecânica de barras é um dos mais indicados para caracterizar essa classe de materiais cerâmicos. Consiste no estímulo de um corpo de prova com freqüência variável, a fim de se localizar a freqüência fundamental e os seus harmônicos de vibração natural do corpo. Por meio de relações matemáticas, podem-se correlacionar as freqüências de ressonância à densidade, à geometria do corpo e às propriedades elásticas do material. O módulo elástico é obtido por meio do modo de vibração longitudinal ou flexional e o módulo de cisalhamento, por meio da vibração torcional.
As propriedades elásticas dos materiais cerâmicos somente serão efetivamente avaliadas de forma totalmente automática, quando os mesmos forem submetidos a ensaios que envolvam vibração de flexão e torção simultaneamente. O problema é que a presença das partículas grosseiras, o
nível de porosidade e o fator amortecimento impedem que esses materiais sejam ensaiados de forma totalmente automática em equipamentos convencionais de caracterização.
O desenvolvimento de um equipamento específico para caracterizar os diversos tipos de materiais de forma totalmente automática surge como a solução deste impasse, pois permitirá estender a caracterização para esses materiais utilizando-se a aplicação de vibração por flexão e torção simultaneamente. Desta maneira, as relações entre distribuição granulométrica, propriedades elásticas, degradação mecânica por choque térmico e a influência da temperatura nas propriedades elásticas poderão ser estudadas com precisão, permitindo um maior controle na etapa de formulação dessas composições.
Dentro desse contexto apresentado, este trabalho teve como principal objetivo desenvolver um equipamento totalmente automatizado para caracterizar cerâmicas refratárias e celulares, aplicando simultaneamente vibrações de flexão e torção para se obter de uma só vez os valores de E, G e µ. por meio da técnica de ressonância mecânica de barras. Para isto, outras metas tiveram que ser atendidas:
(a) Elaboração de um método que permita controlar a aplicação da vibração e da temperatura no material, capturar a resposta dessa vibração e calcular as propriedades elásticas obtidas. Tal método resultou no desenvolvimento de um software de controle e análise de fácil utilização, garantindo uma boa precisão nos resultados obtidos.
(b) Elaboração e desenvolvimento dos circuitos eletrônicos que permita obter uma excelente qualidade e amplitude do sinal de resposta da amostra. (c) Elaboração e desenvolvimento de um forno para 1450 oC, de alta precisão
e controle, adequado à técnica de vibração e à forma de excitação utilizada.
Como objetivo complementar, este trabalho avalia a degradação mecânica por choque térmico de um concreto refratário por intermédio das propriedades elásticas correlacionando-as com o tamanho máximo de
agregado e a porcentagem volumétrica de matriz no concreto. Também é avaliada a influência da porosidade em materiais cerâmicos celulares de alumina por intermédio dos módulos elásticos, correlacionando-os com modelos propostos por Mackenzie e por Boccaccini para a dependência do módulo de Young com o nível de porosidade e a sua morfologia.