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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