Objetivos Específicos

No documento RELATÓRIO DE ESTÁGIO CURRICULAR II Período: 17/05/2010 a 10/09/2010 (páginas 6-0)

2. OBJETIVOS

2.2 Objetivos Específicos

Dois são os focos principais: caracterização da dependência do módulo elástico e resistência mecânica das matrizes com a porosidade e com o grau de cristalização.

7 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Matriz vitrocerâmica do sistema LZSA

Vitrocerâmicos são materiais relativamente recentes produzidos a partir da nucleação e crescimento controlado de cristais a partir de um sólido amorfo, assim modificando drasticamente suas propriedades. Devido à mudança nas fases presentes no material, pode-se obter alta resistência à flexão, alta resistência à abrasão, alta dureza e uma possibilidade de se controlar o coeficiente de expansão térmica do material, que leva a uma ótima resistência a choques térmicos e a ataques químicos (dependendo da composição química). Essas propriedades dependem fortemente da natureza, tamanho e distribuição dos cristais formados, bem como da fase vítrea residual. A natureza das fases cristalinas formadas e conseqüentemente as propriedades finais podem ser controladas modificando-se a composição química do vidro precursor e pela seleção adequada dos tratamentos térmicos de cristalização.

A rota de processamento clássica dos materiais vitrocerâmicos consiste na preparação de componentes do vidro precursor seguida de tratamentos térmicos para a cristalização. Uma alternativa viável pode ser a produção de vitrocerâmicos a partir de pós de vidro e consolidadas por sinterização utilizando-se dos mesmos equipamentos de indústrias cerâmicas tradicionais.

Esse processamento cerâmico a partir do pó de vidro é apto para produção vitrocerâmica a custo viável resultando em fritas que envolvem quatro passos principais: fusão do vidro e resfriamento, pulverização, conformação (prensagem uniaxial, extrusão, colagem de barbotina), tratamentos térmicos de sinterização para a consolidação e cristalização.

3.2 Fibra de vidro

É um material compósito produzido basicamente a partir da aglomeração de finíssimos filamentos flexíveis de vidro com resina poliéster (ou outro tipo de resina) e posterior aplicação de uma substância catalisadora de polimerização. O material resultante é geralmente altamente resistente, possui excelentes propriedades mecânicas e baixa densidade. A fibra de vidro possui resistência flexural em torno de 60 MPa.

Permite a produção de peças com grande variedade de formatos e tamanhos, tais como placas para montagem de circuitos eletrônicos, cascos e hélices de barcos, fuselagens de aviões, caixas d'água, piscinas, pranchas de surf, recipientes de armazenamento, peças para inúmeros fins industriais em inúmeros ramos de atividade, carroçarias de automóveis.

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Um bom exemplo é o papel da fibra desenvolvido na armadura de ferro no concreto armado: torna as peças resistentes a choques, tração e flexão. O tipo de fibra que melhor adapta-se ao trabalho é fornecido em tecidos trançados (fios), proporciona um trabalho mais limpo, peças mais resistentes e com melhor aparência final.

Em tecelagem, o urdume ou urdidura é o conjunto de fios dispostos longitudinalmente através dos quais a trama é tecida. Cada fio de urdume em um tecido é chamado de "urdume final". Na presente fibra, o urdume e o fio da trama são o mesmo material.

Figura 1: Imagem de um tecido demonstrando o urdume e a trama.

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4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

4.1 Análise química

A determinação da composição química do pó precursor vitrocerâmico foi realizada com auxílio de um espectrômetro de fluorescência de raios- x, FRX (Philips/Panalytical, PW 2400) do laboratório de análise de minerais e rochas, LAMIR, na Universidade Federal do Paraná (UFPR). Devido a não detectação de elementos pequenos como H, C, O e Li do equipamento utilizado para esta análise, a composição química encontrada foi comparada às análises químicas já realizadas em estudos anteriores utilizando a mesma frita produzida industrialmente.

4.2 Distribuição e tamanho médio de partícula

A moagem da frita foi realiza em um moinho de bolas (TECNAL, TE 500) em meio aquoso com elementos moedores de alumina. A moagem se sucedeu por um período de 45 horas, com objetivo de atingir um tamanho médio de partícula em torno de 10 microns.

4.3 Preparação das amostras

Ao presente pó vitrocerâmico foi adicionado PVA, por ser um polímero de cadeia longa atua como plastificante e exerce a função de conferir ao corpo a verde resistência deformação, estearato de zinco para agir como lubrificante e facilitar o escorregamento interplanar dos grânulos assim como auxiliar de alguma forma a retirada da matriz, e por fim a água desenvolvendo a função de umidificante, no intuito de aglomerar as partículas para que o corpo seja moldado.

10 Figura 2: Fluxograma das etapas fundamentais do processamento

4.4 Otimização da sinterização e cristalização do pó vítreo precursor

Para estudo de otimização do processo de sinterização e cristalização do pó vítreo precursor do sistema vitrocerâmico LZSA foram produzidos corpos de prova retangulares e tratados termicamente em forno de tipo Mufla (JUNG, J200, Brasil) desde a temperatura ambiente até temperaturas na ordem de 600, 700, 800, 900 e 1000°C em patamar de 60 minutos. A taxa de aquecimento foi de 10°C/min em todos os patamares. Os corpos de prova foram compactados em uma prensa hidráulica (AMSLER) utilizando uma matriz de 6cm x 2cm x 0,4cm e uma pressão de compactação de 116 MPa. Para cada temperatura foram analisados em média 10 corpos de prova segundo sua densidade a verdade, ρap’, (método geométrico, equação 1), densidade do corpo sinterizado, ρap, (método de Arquimedes, equação 2), densidade relativa, ρrel, (equação 3) e retração linear (método geométrico, equação 4) representadas a seguir:

ρap’= m/V (equação 1)

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Segundo a equação m representa a massa em g do corpo a verde e V o volume em cm³ do corpo a verde;

ρap’’= (m1/m2)/ρ1 (equação 2)

onde m1 representa a massa em gramas da amostra sinterizada ao ar, m2a massa úmida em gramas da amostra sinterizada, cujos poros foram preenchidos pelo líquido de imersão (água) e ρ1 a densidade do líquido de imersão, g/cm³;

ρrel= ρap’’/ρt (equação 3)

RL = (∆L/L°) x 100 (equação 4)

onde ∆Lrepresenta a variação do comprimento do corpo de prova (final – inicial) e L° medido em cm.

Figura 3:Aparato usado como suporte no método de Arquimedes

Para determinar a densidade real (ρt) dos sólidos de cada amostra, foi utilizado um picnômetro com volume conhecido, aplicando a expressão 5:

Dreal = (Ma x ms) / (Ma + Mp – Ma ms) (equação 5)

onde Dreal é densidade real dos sólidos (g/cm3), ms é massa específica do meio suspensor à temperatura ambiente (g/cm3), Ma é a massa da amostra ao ar (g), Mp massa de água no picnômetro (g) e Ma ms representa a massa do picnômetro contendo amostra e o meio suspensor (g).

E com a densidade relativa é possível calcular a porosidade total das amostras da segundo a equação 6:

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P% = 100 (1 - Drelativa) (equação 6)

4.5 Caracterização cristalográfica

O pó vítreo precursor assim como as amostras tratadas termicamente a temperaturas e patamar já citados anteriormente, foram encaminhadas ao ensaio de difratometria de raio x para identificar e a analisar a evolução das fases cristalinas presentes. As medidas foram realizadas em um difratômetro de raios X modelo PHILIPS PW 3710, utilizando um tubo de cobre (radiação Cu Kα), em um intervalo de ângulo 2θ de 5 a 60º, com passo de 0,02º. Para estimar a cristalinidade das amostras foi empregado o método semi-quantitativo que consiste na medida da altura do maior pico da principal fase cristalina, a partir da base do background, no difratograma do vidro amorfo (Ig) e do vidro tratado termicamente (Ix). A cristalinidade foi, então, calculada por meio da seguinte equação matemática 7:

Cristalinidade = Ig - Ix x 100 (equação 7) Ig

4.6 Módulo de resistência a flexão

O módulo de resistência à flexão de cada uma das composições investigadas foi determinado em uma máquina de ensaios mecânicos EMIC, modelo DL 60.000, com capacidade de 60 tonf. O ensaio foi executado segundo as normas NBR 13818/97 – anexo C e ISO 10545- 4/95. O módulo de tenacidade de corpo de prova foi calculado com auxílio do software origin 6.0 o qual fornece com exatidão a área abaixo da curva, para cada temperatura foi feita uma média de todos os valores.

Para transformar a resistência flexural em tensão foi feito uso da equação 8:

σ = 3 Pa/bd² (equação 8)

onde P é a carga aplicada, a é igual a distância entre o apoio inferior e o superior, b é a largura do corpo de prova e d é a altura.

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4.7 Análise microestrutural

Para análise da microestrutura e distribuição das fases cristalinas dos corpos de prova sinterizados e cristalizados foi realizada a microscopia eletrônica de varredura, MEV, em equipamento (JOEL, JSM – 6390LV) analisando a fratura proveniente do ensaio de flexão.

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5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 Análise química

A análise quantitativa das fritas já havia sido realizada pelo estagiário anterior.

Na Tabela 1 são apresentadas as porcentagens de cada elemento do composto LZSA (Li2O – ZrO2 – SiO2 – Al2O3) de acordo com a composição química. As fases cristalinas desejadas desenvolver-se-ão após a sinterização.

Tabela 1: Análise quantitativa das fritas

% wt Li2O ZrO2 SiO2 Al2O3 Na2O Fe2O3 TiO2 MgO K2O CaO MnO

Teor 9,53 13,36 62,96 14,15 - - - -

Real 7,26 9,5 58,56 16,53 0,67 0,3 0,16 1,6 0,42 0,85 0,03

5.2 Distribuição granulométrica

Após a análise quantitativa, é de grande importância avaliar também o tamanho de partícula desejado. A curva de distribuição granulométrica, correspondente a Figura 1, foi selecionada.

De acordo com o gráfico, são necessárias em torno de 45 h no moinho de bolas (horizontal), tal tempo foi reduzido devido à submissão das fritas a uma pré moagem no moinho de alta energia a seco, durante 15 min, tempo suficiente para que o tamanho de partícula inicial ficasse em torno de 14,9 µm, pois passa em uma peneira cuja abertura é 100 mesh (número de aberturas por polegada linear). Para atingir o tamanho de 10 µm, e já com quantidade de pó determinada, partiu-se para a moagem via úmido na qual se adicionaram 2 l de água e 1 kg de bolas de alumina por mais 20 h no moinho horizontal.

15 Figura 4: Distribuição granulométrica do precursor de LZSA.

5.3 Sinterização

Figura 5: Dilatometria óptica.

Na Figura 5, análise dilatométrica, pode-se perceber que o processo de sinterização inicia-se com uma pequena dilatação do material que vai até 650ºC quando o material começa a se densificar. Essa densificação ocorre até 800ºC e é resultante do processo de cristalização do material. A aproximadamente 900ºC o material começa se expandir novamente e essa expansão é resultante da fusão da fase cristalina.

Dentre as cinco temperaturas de sinterização estipuladas que abrangesse toda retração volumétrica: 600, 700, 800, 900, 1000°C. Abaixo seguem as análises de densidade realizada.

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5.4 Densidade

A densidade do material foi feita antes e depois da sinterização pelo método de Arquimedes. As amostras tiveram suas massas determinadas em uma balança eletrônica com precisão de 0,01g. Cada amostra foi totalmente emergida em água e tiveram suas massas determinadas. Seguem abaixo os valores calculados:

Tabela 2: Densidade aparente, real, retração linear e porosidade em função da temperatura.

Densidade Retração Densidade temperaturas de 800 e 1000°C, devido a erros do medidor de densidade (picnômetro).

5.5 Módulo de resistência a flexão

No ensaio de 4 pontos, fez-se uso da equação 6 para converter o valor da carga para tensão flexural, Tabela 3. Todos os corpos de prova tiveram suas arestas desgastadas para não mascarar um falso resultado de força flexural.

Tabela 3: Módulo de resistência flexural em função da temperatura Temperatura

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Os valores de resistência flexural apresentada pelas amostras retangulares durante o ensaio de 4 pontos, está relativamente baixo, mas dentro do esperado, o aumento nos valores de resistência entre 800 e 900°C justifica-se pela sinterização e formação de fases cristalinas que conferem melhores propriedades mecânicas. Todas as amostras apresentaram fratura frágil comportamento típico de materiais vitrocerâmicos.

5.6 Difratometria de raios X (DRX)

A difratometria de raios x foi empregada nessa fase para confirmação da natureza amorfa do vidro obtidos após fusão e determinar as fases presentes após o tratamento térmico.

Figura 6: DRX do pó vitrocerâmico precursor Figura 7: DRX da amostra vitrocerâmica do sistema LZSA. sinterizada a 600°C.

18 Figura 8: DRX em função da temperatura e identificação das fases cristalinas.

O difratograma da Figura 6 mostra a característica amorfa do pó precursor em estudo, porém, observa-se alguns picos referentes ao ZrO2, cuja presença é justificada por algum processo de devitrificações ocorrido na produção da frita. Assim como na Figura 7, com 600°C não houve sinterização, apenas uma queima de ligantes, assim então, os picos referentes ao ZrO2 provavelmente possuem a mesma justificativa da figura 6.

Já na Figura 8 observam-se os corpos de prova tratados a 700, 800, 900 e 1000°C. Nota-se que a partir de 700°C as principais fases cristalinas já iniciaram a formação, e a 800°C já estão formadas, como metassilicato de lítio (Li2SiO3), dióxido de zircônia (ZrO2) destacando-se ß-espodumeno (LiAlSi2O6) que é a predominante. A expansão térmica (4-6 10-6 °C-1) e alta resistência à abrasão (123-128 mm³) por causa da formação de e silicato de zircônio (ZrSiO4).

5.7 Microscopia eletrônica de varredura MEV

Tal ensaio foi realizado para análise de partículas e avaliação confirmação de resultados anteriormente vistos. Os corpos de prova foram aproveitados do ensaio de flexão para análise da fratura, assim, todo o material foi recoberto por uma fina camada de ouro, para tornar-se apto a realização do ensaio.

19 Figura 9: MEV. Aumento 1000x.

Sinterizado a 600°C

Figura 10: MEV. Aumento 1000x.

Sinterizado a 700°C

Figura 11: MEV. Aumento 1000x.

Sinterizado a 800°C

Figura 12: MEV. Aumento 1000x.

Sinterizado a 900°C

Figura 13: MEV. Aumento 1000x.

Sinterizado a 1000°C

Figura 14: MEV. Aumento 5000x.

Sinterizado a 1000°C

As imagens corresponderam aos dados já analisados. Na figura 9, para a amostra levada ao forno a 600°C é perceptível que não houve sinterização apenas queima de

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ligantes, devido a presença dos grânulos. Já na Figura 10, com temperaturas de 700°C, observa-se uma compactação maior entre as superfícies dos grânulos, mas como os poros estão bem irregulares provavelmente só existiu sinterização com fase sólida, onde o transporte de matéria só ocorre por difusão. Nas temperaturas de 800 e 900°C provavelmente houve a presença de sinterização com fase líquida, em que uma das fases funde e o transporte da matéria ocorre por movimento capilar do líquido formado e da difusão através deste, devido à uniformidade apresentada pela matriz assim como a disposição e formato dos poros arredondados.

Por fim a ultima temperatura analisada de 1000°C apresentou poros uniformes e bem redondos, indicando com certeza a presença de fase líquida durante a sinterização.

A superfície mostra-se irregular devido à fratura proveniente do ensaio de flexão.

5.8 Confecção dos corpos de prova

Durante o estágio curricular, após a obtenção das fibras de vidro foram

confeccionados corpos de prova compósitos, tipo sanduíche e realizadas prensagem e sinterização. No entanto os resultados não foram satisfatórios.

O procedimento ocorreu de duas formas: Alguns corpos de prova foram confeccionados com a fibra em forma de tecido, assim como ela é originalmente. E a segunda maneira ocorreu de forma em que o tecido foi desfeito e as fibras foram introduzidas na matriz de forma alinhada com auxílio de algum ligante.

O pó vitrocerâmico foi preparado da forma já descrita no relatório, a redução de compactação para 41,4 MPa foi para evitar a quebra as fibras. Com análise de todos os resultados em função da temperatura, optou-se por 750°C pois as fases cristalinas já estão presentes conferindo boas propriedades mecânicas a matriz, assim como o módulo de resistência flexural, a porosidade e a retração linear foram analisadas.

21 Figura 15: Corpo de prova compósito, matriz

LZSA e fibras alinhadas. Sinterizado a 750°C

Figura 16: Corpo de prova compósito, matriz LZSA e fibras alinhadas. Sinterizado a 750°C

Figura 18: Corpo de prova compósito matriz, LZSA e fibras alinhadas. Sinterizado a 750°C

Figura 19: Corpo de prova compósito, matriz LZSA e fibras alinhadas. Sinterizado a 750°C

Uma das possíveis causas para o problema de empenamento e descolamento pode estar relacionado a grande quantidade de fibras usadas, na diferença do coeficiente de expansão térmica fibra/matriz, ou pelo ligante usado para manter as fibras alinhadas do tipo polimérico o que acarreta na eliminação de gases durante a queima.

Figura 20: Corpo de prova compósito, matriz LZSA e tecido de fibra. Sinterizado a 750°C

Figura 21: Corpo de prova compósito, matriz LZSA e tecido de fibra. Sinterizado a 750°C

Figura 22: Corpo de prova compósito, matriz LZSA e tecido de fibra. Sinterizado a 750°C

Novamente os resultados com experiências em compósitos apresentando a fibra em forma de tecido não foram satisfatórios. O principal problema apresentado está na não conectividade da parte inferior e superior da matriz, o tecido não permite. Havendo assim, uma fácil delaminação do compósito, no entanto tal fenômeno só ocorreu durante a sinterização. Fica visível também a diferença dos coeficientes expansão térmica.

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6. CONCLUSÃO

A oportunidade de realizar o estágio no CERMAT foi única e de extremo valor à formação acadêmica. Esta experiência proporcionou um aprendizado novo na área de cerâmica avançada e compósitos, ainda não visto em fase acadêmica. Além disso, a vivência em um laboratório da universidade propiciou noções básicas de operação de diversos instrumentos, integração entre os laboratórios, aproximação com os profissionais da área e, atuou como uma maneira de comparar os principais aspectos de um ambiente laboratorial e industrial.

Este estágio restringiu-se apenas a primeira etapa de todo o trabalho desenvolvido na área de materiais compósitos o qual se consistiu na caracterização vitrocerâmica do composto LZSA e o primeiro teste com inclusão da fibra. Após a conclusão do estágio curricular II será dado continuidade aos testes.

Para viabilizar a produção do compósito estudado, buscar-se-á, com as próximas atividades, a confecção da folhas em tape casting para posterior compactação em sanduíche com as fibras de vidro e sinterização. O foco principal será a produção de compósitos capazes de defletir trincas.

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7. REFERÊNCIAS

1. DA SILVA, J. G. P.; Modelamento analítico da transferência de carga em compósitos cerâmica-cerâmica de fibras curtas (2010);

2. RACHADEL, P. L.; Selantes vitrocerâmicos para células a combustível de óxido sólido (2010);

3. MONTEDO, Rubem K. O.; Projeto, caracterização e preparação de camada de proteção para revestimento cerâmico constituída por vitrocerâmico do sistema LZSA (2005);

4. RICHERSON, D. W.; Modern ceramic engineering second edition;

5. REED J. S. Principles of ceramics proccesing;

6. SHÖNTAG J. M. Caracterização da profundidade de defeitos em materiais compositos ultilizando a shearografia com carregamento vibracional (2009);

7. REINHARD A. S. Progress in processing and performance of porous-matrix oxide/oxide composites;

8. STOLL E., MAHR P., KRÜGER H.-G., H. Kern, THOMAS B.J.C., BOCACCINI A.R.; Fabrication technologies for oxide–oxide ceramic matrix composites based on electrophoretic deposition (2005);

9. NUNES G. de F., CORRADINI L., DE OLIVEIRA B. G., OLIVEIRA T. M. N., M.

A. V. NASCIMENTO, SILIGARDI C., DE OLIVEIRA A. P. N.; Deposição de camada vitrocerâmica (2010).

10. OLIVEIRA, A. P. N. et al. Revestimentos Obtidos por Laminação de Pós de Precursor Vitrocerâmico do Sistema LZSA. Cerâmica Industrial, 2008.

11. OLIVEIRA, A. P. N. et al. Injection moulding of Li2O-ZrO2-SiO2-Al2O3 (LZSA) glass ceramics. Glass Technology, v. 46, n. 3, p. 277-280, 2005.

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ANEXO A: HISTÓRICO DO LABORATÓRIO

O Núcleo de Pesquisa em Materiais Cerâmicos e Vidros (CERMAT) foi criado em 1991 por iniciativa de mestres e doutores da pós-graduação em Engenharia Mecânica voltados à pesquisa científica e tecnológica de materiais cerâmicos.

Inicialmente, as atividades práticas se concentraram no Laboratório de Materiais (LabMat).

Em 1993, implantou-se ao LabMat, o Laboratório de Produtos Cerâmicos Acabados (LPCA), criado com o objetivo de tornar viável a certificação de qualidade de materiais cerâmicos, coordenado pelo Centro Cerâmico do Brasil (CCB), na qual fornece a certificação ISO13006.

Ainda na década de 90, em 1995, com o surgimento do programa de pós-graduação em Engenharia de Materiais, houve uma ampliação da pesquisa em materiais cerâmicos e o envolvimento de outros departamentos na área.

Com o aumento do foco de atuação de pesquisa e desenvolvimento em cerâmicos de tecnologia de ponta, em 2005, mudaram-se as estratégias de atuação referentes às atividades de pesquisa, gerando novas necessidades de infra-estrutura.

Recentemente, a criação de uma sala limpa consolidou o foco de estudo e processamento em biomateriais cerâmicos e compósitos.

Atualmente, o CERMAT conta com projetos de pesquisa e desenvolvimento do CNPq e CAPES, além de projetos cooperativos vinculados a fundos setoriais da FINEP e agências internacionais.

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ANEXO B: CRONOGRAMA

CRONOGRAMA DE ATIVIDADES

Engenharia de Materiais - UFSC Estágio Curricular Obrigatório II Bruna Deschamps Gelsleichter

Semana

Maio Junho Julho Agosto Setembro

ATIVIDADES

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ª 10ª 11ª 12ª 13ª 14

ª 15ª 16ª Revisão Bibliográfica

Definição do tema de trabalho

Levantamento da matéria prima

. Experimento com vitrocerâmico LZSA Caracterização da matriz

vitrocerâmica Introdução da fibra Relatório de estágio

Outras atividades

No documento RELATÓRIO DE ESTÁGIO CURRICULAR II Período: 17/05/2010 a 10/09/2010 (páginas 6-0)