Sinterização de materiais cerâmicos

A sinterização é uma das etapas mais importantes no processamento de materiais cerâmicos. Nessa etapa a massa de partículas que passou pelos processos de conformação ganha resistência mecânica e adquire grande parte de suas propriedades finais [30].

Durante a sinterização, um compacto de pós é transformado em sólido rígido por meios de fenômenos de transporte de matéria, em escala atômica, associado a altas temperaturas onde predominam os processos difusivos [30].

Existem basicamente dois tipos de sinterização, denominados como sinterização por fase sólida e sinterização por fase líquida. Os dois tipos

apresentam o mesmo objetivo de densificar a estrutura do material, entretanto os mecanismos que levam a essa densificação são distintos [30].

2.2.6.1. Sinterização por fase sólida

Na sinterização por fase sólida, o material é transportado sem que haja qualquer tipo de líquido na estrutura. O transporte de material pode ocorrer por diversos meios, como difusão atômica ou transporte de vapor, sendo que em todos esses casos o material é transferido para a região de contato entre partículas vizinhas. A rigidez e a densificação são alcançadas pelo aumento da área de contato entre as partículas e o melhor empacotamento de matéria [31].

O processo de sinterização por fase sólida pode ser dividido em 3 estágios:

inicial, intermediário e final, como mostrado na Figura 10. No estágio inicial, surgem as ligações entre as partículas nas regiões de contato, aumentando até formar o pescoço entre elas. Nesse estágio a cinética é denominada pelo gradiente de curvatura próximo ao pescoço. Os poros são abertos e interconectados, sendo que, com o avanço do processo, os poros começam a diminuir [24].

Figura 10. Representação esquemática dos estágios de sinterização: inicial, intermediário e final.

Fonte: 30.

No estágio intermediário a estrutura dos poros é suavizada. As propriedades do material se desenvolvem predominantemente nesse estágio.

Pode ocorrer um considerável crescimento de grão nos últimos momentos acarretando porosidade em locais isolados da estrutura, o que pode prejudicar a densificação do compacto [24].

O crescimento de grão ocorre a partir do último estágio durante o qual os poros se tornam esféricos e isolados, sendo extremamente difíceis de serem eliminados após essa etapa [24].

2.2.6.2. Sinterização por fase líquida

A sinterização por fase líquida acontece devido à formação de líquido na estrutura, sendo que esse líquido pode ser formado a partir da fusão de um dos componentes do sistema ou pode ser o resultado da reação entre, pelo menos, dois dos componentes do sistema. A formação desse líquido é a grande diferença entre os dois tipos de sinterização e tem um papel decisivo na determinação dos mecanismos de sinterização e do aspecto final da estrutura sinterizada. De forma geral, esse tipo de sinterização é mais rápido e fecha a estrutura mais facilmente do que a sinterização por fase sólida [31].

Os mecanismos de densificação atuantes na sinterização por fase líquida são dependentes da quantidade de líquido presente na estrutura e da interação desse líquido com a fase sólida, como a molhabilidade e a dissolução entre sólido e líquido [31].

Assim como a sinterização por fase sólida, a sinterização por fase líquida também pode ser dividida em algumas etapas, como mostra a Figura 11.

No estágio I ocorre a formação de líquido e seu espalhamento, o que leva ao preenchimento dos poros com o líquido e o rearranjo das partículas. No estágio II ocorre a dissolução da fase sólida nas interfaces sólido-líquido com elevado potencial químico, o qual difunde através do líquido e precipita em outro lugar com potencial químico menor. Por último, no estágio III, ocorre a eliminação dos poros e o crescimento de grãos [32].

Figura 11. Representação esquemática da sinterização por fase líquida.

Fonte: 32.

2.2.7. Propriedades das peças de argilas após a sinterização

A sinterização é tratada como um dos processos mais determinantes das propriedades e estrutura dos materiais cerâmicos. Devido a isso, seu estudo consiste em relacionar o aspecto estrutural da peça sinterizada (porosidade, fases presentes, tamanho de grão, distribuição de tamanho de grão, homogeneidade estrutural) às características das matérias-primas utilizadas (tamanho médio de distribuição de tamanho de partículas dos pós), considerando-se também as condições de sinterização, como temperatura, tempo e atmosfera de sinterização [30].

A seguir, serão apresentadas algumas propriedades que são analisadas nos materiais cerâmicos após sua sinterização.

2.2.7.1. Retração Linear

Grande parte das argilas e dos materiais cerâmicos sofrem retração após a queima devido à redução dos poros e da aproximação das partículas. A retração ou dilatação também pode ocorrer quando um mineral se decompõe ou sofre uma mudança de fase cristalina [29]. A retração linear pode ser calculada realizando-se a medição das dimensões do material antes e após a queima. Utiliza-realizando-se a equação (2) para o cálculo da retração linear:

𝑹𝒍 = 𝑳𝒔 − 𝑳𝒒

𝑳𝒔 𝟏𝟎𝟎 (2)

em que, Ls é o comprimento do material seco (antes da queima), Lq é o comprimento do material depois da queima.

O tamanho final do produto é afetado diretamente pela temperatura máxima de queima e também pelo ciclo térmico utilizado. Dessa forma, deve-se realizar um controle rígido das condições de queima, como taxa de aquecimento, temperatura máxima e tempo de exposição das peças nessa temperatura, para garantir que o produto final apresente a variação dimensional exigida pelas normas [34].

2.2.7.2. Porosidade

A porosidade de um corpo cerâmico pode apresentar o “grau de sinterização” em função da temperatura na queima. Pode ser medida pelo volume de água ou ar necessário para encher os poros [29]. Esse método pode determinar a porosidade e também a absorção de água e a massa específica aparente. Os valores são obtidos por meio das equações (3), (4), (5) e (6) a seguir:

𝑽𝒂 = 𝑴𝒖 − 𝑴𝒊

Assim como a retração linear, a porosidade também é afetada pelo ciclo de queima. Dessa forma, é de extrema importância monitorar a forma com que o ciclo definido para a queima de uma determinada peça cerâmica afeta suas propriedades finais [35].

Segundo as normas “ABNT – NBR 15270-1:2005 – Componentes cerâmicos Parte 1: Blocos cerâmicos para alvenaria de vedação – Terminologia e requisitos” e “ABNT – NBR 15270-2:2005 – Componentes cerâmicos Parte 2:

Blocos cerâmicos para alvenaria estrutural – Terminologia e requisitos” é definido que o índice de absorção de água na fabricação de blocos cerâmicos para alvenaria não deve ser inferior a 8% nem superior a 22% [36, 37].

Para absorção de água e porosidades acima de 30% temos o que chamamos de cerâmicas porosas. São materiais utilizados em aplicações que necessitam de baixa densidade, baixa condutividade térmica, elevada área superficial e permeabilidade a gases e líquidos, como isolantes térmicos e acústicos para prédios e máquinas, filtros para líquidos, gases em altas temperaturas, metais e ligas fundidas e alguns implantes [38].

2.2.7.3. Curva de Gresificação

A curva de gresificação é uma representação gráfica da variação da retração linear de queima e da absorção de água do material em função da temperatura de queima. Por meio da utilização da curva de gresificação, pode-se determinar qual será a retração linear para um determinado produto com absorção de água conhecida. Dessa forma, é possível estimar qual serão os limites admissíveis para variação da temperatura de queima para que se obtenha um produto final dentro das especificações [35].

A Figura 12 apresenta uma curva de gresificação para uma massa cerâmica ideal, em que pode ser observado quatro regiões distintas divididas pelas características da curva.

Figura 12. Curva de gresificação para uma cerâmica ideal.

Fonte: 35.

As quatro regiões definidas no diagrama de gresificação são separadas por três temperaturas: temperatura de formação de fase fundida (Tf), temperatura ótima de queima (To) e temperatura de perda da estabilidade dimensional (Tp).

Na região I temos um material com máxima porosidade aberta e,

consequentemente, absorção de água máxima, e menor retração linear. Neste estágio, temos o início da sinterização. Na região II formam-se os primeiros fundidos, o que leva a redução da absorção de água e aumento da retração linear. Na temperatura To, coincide o mínimo da absorção de água com o máximo da retração linear, em que a sinterização chega ao final. Na região III, inicia-se a perda de estabilidade dimensional, devido à liberação de gases dos poros fechados. Na região IV, ocorre a intercomunicação da porosidade antes fechada, formando uma porosidade aberta muito grossa, aumentando a absorção de água [39].

2.2.8. Propriedades mecânicas dos produtos advindos de argilas – Ensaio