Diversos autores avaliaram a microestrutura das porcelanas elétricas, dentre eles se encontram os trabalhos de pesquisa mais antigos, por exemplo: Mattyasovszky-Zsolnay (1957), Carty (1998) Senapati (1998), Schüller (1967) e outros mais atuais como: Bragança (2004), Bergmann (2004), Janssen (2005), Bonetti (2009) e Silva (2012). Tais referências afirmam que a microestrutura de porcelanas elétricas se caracteriza pela presença pela presença de fases cristalinas, onde se podem distinguir os contornos das partículas mais refratárias, envolvidas por uma matriz vítrea que atua como um cimento ligando todas as partículas. Observa-se ainda na microestrutura a existência de partículas de quartzo, poros e bolhas aprisionadas e fase vítrea.
A microestrutura da porcelana elétrica produzida com a adição de zeólito natural é apresentada na figura 2.13, do artigo publicado por Demirkiran (2010) e revela a existência de porosidade,partículas de quartzo, trincas e bolhas aprisionadas.
Figura 2.13 Micrografia de porcelana elétrica, com adição de Zeólito natural
As matérias primas e a temperatura de sinterização são variáveis que influenciam diretamente na formação da microestrutura e por consequência nas propriedades físicas, mecânicas e elétricas das porcelanas elétricas. Um exemplo apontado por Mörtel e outros (2000) é o uso do feldspato sódico e potássico, que alteram significativamente a viscosidade da fase vítrea formada durante a queima. O feldspato sódico tem viscosidade menor quando comparado com o feldspato potássico, porém ao aumentar o patamar de queima durante o processo de sinterização, o feldspato sódico pode alcançar uma viscosidade maior que a do feldspato potássico, isso resultante da dissolução do quartzo.
A temperatura exerce grande influência na formação da microestrutura, durante o processo de sinterização ocorrem várias reações. Chen (2004), Wang (2004) e Hon (2004) no artigo Phase transformation and growth of mulite in kaolin ceramics, observaram que na temperatura próxima de 550°C ocorreu a transformação da caulinita em metacaulinita. A reação foi endotérmica, liberou água e ocorreu a partir da reorganização dos átomos de alumínio coordenados octaedricamente na caulinita (Al2O3.2SiO2.2H2O) para tetraedricamente ordenados na metacaulinita (Al2O3.2SiO2 + 2H2O).
Chinelatto (2004) notou que no valor de temperatura em torno de 573°C, o quartzo sofre transformação da forma alfa para a forma beta e esse processo provoca um aumento no tamanho(expansão volumétrica), porém isso não gera nenhum problema, em virtude da massa cerâmica ainda ser relativamente plástica e capaz de absorver a deformação.
Quando a temperatura de sinterização atinge o patamar próximo a 950°C, os grupos da SiO4 e AlO6 se combinam e como resultante ocorre a formação do chamado espinélio Al-Si. Essa fase do espinélio se formou em torno de 920°C e permanece até aproximadamente 1150°C, essa transformação de fase foi verificada por Chen (2004), Wang (2004) e Hon (2004).
Em torno de 990°C, Chinelatto (2004) observou que o feldspato iniciou a fusão e com isso houve a formação de fase líquida. O quartzo começa a se dissolver na fase líquida, aumentando assim a quantidade de silício na mesma, provocando uma saturação. Com a fase líquida saturada de silício, o quartzo se transforma em cristobalita na superfície dos grãos.
Iqbal (2000) e Lee (2000) em seu artigo Microstrutural evolution in triaxial porcelain, notaram que a partir de 1000°C ocorreu a transformação de fase a partir do espinélio e da metacaulinita (Al2O3.2SiO2 + 2H2O) restante. Se iniciou a nucleação em forma de agregados de grãos arredondados e isso resultou na formação de mulita primária. Chen(2004), Wang (2004) e Hon (2004), relataram que com o aumento da temperatura ocorreu o crescimento dos
grãos de mulita de forma acelerada em virtude do processo de nucleação instantânea e pela difusão ocorrida em curta distância e assim se originou grãos com formato alongado, denominados de mulita secundária ou agulhas de mulita.
O processo de sinterização é formado pelo ciclo térmico de aquecimento e do resfriamento e a microestrutura é influenciada diretamente pelos dois ciclos, por isso é necessário se avaliar também as transformações que ocorrem durante o resfriamento.
Chinelatto (2004) observou que durante o resfriamento o quartzo sofre transformação de fase, passando da fase beta para a fase alfa, resultando numa diminuição de 2% no tamanho do grão, causando tensões e fissuras no grão e na matriz.
Em sua tese de doutorado, Chinelatto (2004), observou na micrografia das amostras sinterizadas a 1100°C a existência de grande porosidade em comparação com as amostras sinteizadas a 1400°C, porém a 1400°C se notou uma super queima na superfície das amostras e redução na densidade aparente. As micrografias apresentaram como constituição: mulita primária, mulita secundária, quartzo, fase vítrea e alumina. As partículas de quartzo foram introduzidas na microestrutura via matérias primas, a mulita primária aparecem na forma de agregados de pequenos cristais envolvidos pela fase vítrea e a mulita secundaria surge como pequenos cristais em forma de agulhas, espalhados em uma região da matriz vítrea.
Em pesquisa com porcelanas elétricas Mörtel e outros (2000) afirmam que as propriedades de porcelanas, como a deformação em queima rápida, são influenciadas por diferenças na taxa de sinterização em diferentes locais em uma mesma peça. Isto é atribuído a diferenças na densidade de empacotamento e consequente diferenças na transmissão de calor da parte externa para o interior do corpo cerâmico durante sua queima, salientando assim a importância da homogeneidade dos corpos cerâmicos antes da queima, para a obtenção de uma microestrutura homogênea no corpo cerâmico após queima.
A microestrutura das porcelanas elétricas são formadas por fases de mulita primária e secundária. Com a finalidade de se avaliar as reações entre a fase vítrea e a mulita, Schüller (1967) estudou os diferentes efeitos decorridos em função de variáveis, tais como: percentual de composição dos fundentes, granulometria do quartzo e temperatura de sinterização. O autor afirmou que o teor de mulita pode variar bastante em porcelanas, pois a intensidade de sua reação com a fase vítrea pode variar, dependendo das condições experimentais. Os principais fatores que afetam a intensidade dessa reação são a temperatura, a granulometria das matérias- primas, o teor de quartzo e a composição química dos feldspatos. Estes parâmetros
determinam diretamente a composição da fase líquida que, por sua vez, afeta diretamente a microestrutura.
O ataque da mulita pela fase líquida é uma consequência da dissolução do quartzo, pois o enriquecimento de sílica deixa o líquido ávido por alumina, para restaurar o equilíbrio de todo sistema, segundo Schüller (1979). Amostras sem sílica não apresentaram reação entre a fase líquida e a mulita e somente em fase líquida rica em sílica a mulita (secundária) é dissolvida durante a queima, além disso os Feldspatos sódicos aumentam o ataque da mulita primária quando os corpos são sinterizados com temperaturas mais elevadas.
Chen (2001) define a mulita como um silicato-aluminoso (3Al2O3.2SiO2), que corresponde a 71,8 % Al2O3 de e 28,2 % de SiO2, existe na natureza apenas como uma raridade mineralógica (ilha de Mull, por isso a origem do nome). É um importante constituinte para refratário, para cerâmicas brancas e para cerâmicas estruturais, devido às suas excelentes propriedades físicas e mecânicas a altas temperaturas como alto ponto de fusão, baixa expansão e condutividade térmica, boa resistência à fratura e ao choque térmico, alta resistência à fluência, excelente estabilidade térmica, baixa densidade e baixa constante dielétrica, tem tido um uso cada vez mais crescente em corpos cerâmicos.
Chaudhuri (1975) cita que o choque térmico e a resistência da porcelana deterioraram- se com o aumento quantidade de matriz de quartzo e vítreo, enquanto o mesmo melhora com o aumento da mulita.
A resistência mecânica sofre influencia da temperatura de sinterização, segundo Carty (1998) e Senapati (1998), em temperaturas mais elevadas, a mulita torna-se mais espessa, levando a um menor número de grãos (maiores) de mulita que não se entrelaçariam tão bem e com isso a resistência mecânica torna-se menor. Quando comparadas a mulita secundária, devido à forma acicular e ao menor diâmetro da agulha, aumenta mais a resistência mecânica da porcelana elétrica do que a mulita primária.
São observadas também nas microestruturas das porcelanas elétricas trincas em volta principalmente das partículas de quartzo. Davidge (1979) afirma que, se a partícula se contrai mais do que a matriz, então σp ˂0 (coeficiente de expansão da partícula menor que zero), o que resulta em uma trinca na interface em volta das partículas, é esse o caso do quartzo em uma matriz de feldspato vítreo. A tensão gerada associada à trinca pode ser severa devido à transformação do quartzo no resfriamento. Se a matriz contrai mais que a partícula, então σp > 0(coeficiente de expansão da partícula é maior que zero), o que resulta em trincas radiais que emanam da partícula, que ao se conectarem, baixam a resistência mecânica. Para porcelanas,
não há evidências desse fenômeno; uma vez que a matriz é vítrea, contraindo no resfriamento normalmente menos que fases dispersas no seu interior.
A figura 2.14 apresenta a micrografia de uma porcelana elétrica e é possível observar que a partícula de quartzo destacada da matriz vítrea e com trincas ao redor.
Figura 2.14 Micrografia de porcelana elétrica
Fonte: Bragança(2004) e Bergmann(2004)
Na figura 2.15, é visualizada a micrografia de uma porcelana elétrica triaxial de quartzo. São identificadas as fases existentes na microestrutura, observa-se a formação das fases de mulita: primária e secundária e partículas de quartzo.
Figura 2.15 Micrografia de porcelana elétrica
Gralik (2012) em suas pesquisas com porcelanas elétricas, obteve como micrografia da microestrutura a figura 2.16, na qual é possível notar a existência da fase vítrea, mulita primária, quartzo e alumina, em amostra de composição de: 10% de argila, 25% de caulim, 35% de feldspato e 30% de alumina e sinterizada a 1250°C. Nota-se que o quartzo encontra-se destacado da matriz, a mulita primária é vista como agregados e a alumina é observada como partículas dispersas.
Figura 2.16 Micrografia de porcelana elétrica
Fonte: Gralik (2012)
A microestrutura das porcelanas fabricadas nas pesquisas de Chahudhuri (1975) e Sarkar (1975) com composição de 63% de argila, 12% de quartzo e 25% de feldspato com e sem a presença de aditivos (Fe2O3, TiO2, Cr2O3, V2O5 e Nb2O5), mostrou que a presença do óxidos(aditivos) tornou a fase vítrea propensa à nucleação e cristalização de cristobalita após tratamento térmico, além de aumentar a quantidade de mulita, reduzindo a quantidade de fase vítrea.
A forma da microestrutura determina propriedades importantes nas porcelanas elétricas, um exemplo é a resistência mecânica. Chinelatto (2004), descreve em seus artigos a respeito de porcelanas elétricas aluminosas, a existência de três hipóteses que explicam a resistência mecânica das porcelanas triaxiais. Hipótese da mulita: a resistência mecânica é
resultado do entrelaçamento de finos cristais de mulita em forma de agulhas e é diretamente proporcional a quantidade e ao tamanho destes cristais, assim, quanto maior a quantidade de cristais de mulita, maior será a resistência mecânica apresentada pelo corpo. Outra hipótese é a do reforço da matriz: a resistência mecânica ocorre devido à diferença do coeficiente de expansão térmica entre a matriz (fase vítrea) e os grãos dispersos (quartzo, alumina) e outras fases cristalinas (mulita e cristobalita) que produzem uma forte tensão compressiva na fase vítrea. A última hipótese é a do reforço por dispersão de partículas: esta hipótese propõe que partículas dispersas na matriz vítrea, com tamanho próximo ao tamanho das falhas de Griffith que afirma que a fratura de um material ocorre através da propagação de uma trinca, levam a um aumento da resistência mecânica.
Além da resistência mecânica, a microestrutura dos corpos cerâmicos também interfere diretamente nas propriedades físicas e elétricas. Por exemplo, Bragança (2004) e Bergmann (2004) quanto a microestrutura e propriedades de porcelanas elétricas, afirmam que quanto maior a densidade aparente, menor será a porosidade e portanto menor a absorção de água apresentada pela peça, pois a fase líquida formada com a contribuição dos fundentes, irá ocupar os poros aumento a densidade final da peça, reduzindo a porosidade aparente e a absorção de água.
Mamede (1994), afirma que em porcelanas elétricas se deseja baixa porosidade e absorção de água, pois como os isoladores são instalados em áreas abertas, ficando sujeitos as intempéries, caso haja absorção da água relativo a umidade, poderá ocorrer um curto circuito e haver acidentes em função da condução de corrente elétrica nos pontos onde se desejava isolar.
A microestrutura exerce forte influência na resistência de isolação, a qual caracteriza as porcelanas elétricas com relação ao comportamento dielétrico. A Norma NBR 5383-1 define o termo resistência de isolação como a relação que existe entre a tensão contínua aplicada a um corpo isolante e a corrente resultante em um determinado instante, após a aplicação da tensão. Mamede (1994) afirma que a resistência de isolamento não é constante, isto é, os isolantes não obedecem de forma geral, a Lei de Ohm. Medeiros (1986), argumenta que a tensão aplicada durante a realização do ensaio deve ser mantida constante para evitar variações na carga da capacitância e na polarização do dielétrico. No comércio são encontrados medidores de resistência de isolação elétrica que trabalham com as tensões de entrada no valor de: 500V, 1000V 2500V e 5000V.
Dois parâmetros de medições são utilizados no processo de avaliação da resistência de isolação elétrica: Medeiros (1986) define matematicamente o índice de absorção dielétrica (DAI), por meio da equação 2.1 e o índice de polarização (PI), pela equação 2.2.
DAI=R60 segundos/R30 segundos (2.1)
PI=R10 minutos/R1 minuto (2.2)
Onde: R é a resistência de isolação elétrica medida no tempo indicado.
Segundo Medeiros (1986), o índice de absorção dielétrica é confiável acima de 1,25 e o índice de polarização acima de 2,0 e a resistência de isolação em porcelanas elétricas comerciais é considerada boa para valores acima de 100 Mega Ohm (MΩ).
De acordo com Nyamupangedengu (2007) a classificação dos isoladores com relação a bom ou ruim é dada em função do valor da resistência elétrica medida, onde isoladores com ordem maiores que centenas de MΩ são classificados como bons e menores que centenas de MΩ como ruim. Um exemplo é a realização do ensaio feito em um isolador novo que apresenta valores de 400 a 500MΩ, sendo portanto considerados bons.
Medeiros (1986) afirma que em casos onde os valores de referência dos indicadores DAI e PI não tenham sido alcançado em torno da referência é procedimento a aceitação das leituras da grandeza de resistência de isolação obtidas estáveis após 3 minutos, significando que o dielétrico está em boa condição de operação.