Aula 19 - Materiais Cerâmicos

Materiais Cerâmicos

Tipos e Aplicações das

Cerâmicas

Prof. Edney Neves – IFPR – Câmpus Campo Largo – Curso Técnico em Cerâmica

Tipos de Materiais Cerâmicos

de acordo com sua aplicação, sendo:

Vidros Produtos a base De argila

Refratários Abrasivos Cimentos Cerâmica Avançada Materiais Cerâmicos

Tipos de Materiais Cerâmicos

de acordo com sua aplicação, sendo: Materiais Cerâmicos

Vidros Produtos a base De argila

Refratários Abrasivos Cimentos Cerâmica Avançada Vidros Vidro-cerâmicas Argilas Refratárias Sílica Básicos Especiais Produtos Estruturais a Base de Argila Louças Brancas

Vidros

• São silicatosnão cristalinos que contêm outros óxidos (CaO, Na₂O, K₂O e Al₂O₃), os quais influenciam suas propriedades;

• Suas principais características são a transparência óptica e a relativa facilidade com que podem ser produzidos;

• Exemplos: recipientes, as lentes, fibra de vidro, etc.

• Vidro-cerâmica

• São vidros inorgânicos que passaram de um estadonão cristalino para um estado cristalino através de um tratamento térmico adequado (conhecido como DEVITRIFICAÇÃO - processo de cristalização), gerando um material policristalino com grãos finos chamado de VIDROCERÂMICA;

• O processo de cristalização pode ser descrito / representado em diagramas de resfriamento contínuo, como exemplo o de um vidro lunar;

• Propriedades e aplicações das vidrocerâmicas:

• Resistências mecânicas relativamente elevadas;

• Baixos coeficiente de expansão térmica (para evitar choques térmicos);

• Uso em temperaturas relativamente elevadas; • Boas propriedades dielétricas (isolantes); • Boa compatibilidade biológica.

Obs.: Algumas vidrocerâmicas podem ser fabricadas opticamente transparentes, enquanto outras são opacas.

• São fabricadas comercialmente sob os nomes comerciais de Pyroceram, CorningWare, Cercor e Vision.

• As aplicações mais comuns são tampas de fogões de cozinha, peça para ir ao forno ou a mesa,janelas de fornos,isolantes elétricos, etc.

Produtos a base de argilas

• A argila é uma das matérias-primas mais utilizadas, de valor relativamente barato, encontrado naturalmente emgrande abundânciae usada normalmente na forma como éextraída;

• A argila quando misturada com a água forma uma massa plástica de fácil modelagem, onde a peça modelada é seca e depois sinterizada em temperatura elevada para aumentar sua resistência mecânica;

• Produtos estruturais à base de argila: tijolos de construção, os azulejos e as tubulações de esgoto – aplicações nas quais a integridade estrutural é importante;

• Louças brancas:porcelanas, as louças de mesa, louças sanitárias – são cerâmicas que tornam-se brancas após a sinterização em temperatura elevada;

Refratários

• Possuem como principais propriedades a

capacidade de resistir a temperaturas elevadas

sem fundir ou se decompor; permacerem não

reativos e inertes; e proporcionar isolamento

térmico;

• Possuem diversas formas, sendo a mais comum o tijolo. As aplicações incluemrevestimentos de

fornos para beneficiamento de metais,

fabricação devidros, tratamento térmicos, etc.;

• Obs.: A porosidade influencia nas propriedades dos materiais refratários. Quanto menor for a porosidade maior a resistência mecânica e capacidade de suportar cargas, maior a resistência ao ataque químico, no entanto, menor será o isolamento térmico e a resistência a choques térmicos;

• A composição da cerâmica refratária irá interferir no seu desempenho. Desta maneira existem várias classificações: argila refratária, de sílica, básica e

refratários especiais;

Composições de Cinco Materiais Cerâmicos Refratários Comuns

Argila Refratária Arg. Ref. c/ alto teor de alumina Sílica

Periclásio Minério de periclásio-cromo

Fonte:

• Refratários de Argila

• São utilizados principalmente naconstrução de fornospara confinar atmosferas quentes e para isolar termicamente elementos estruturais;

• As principais M-Ps dos refratários de argila são argilas refratárias de alta pureza, que sãomisturas de alumina e sílica

contendo geralmente entre 25%p e 45%p de alumina; • Resistência não é um ponto importante, há o controle sobre a

precisão dimensional e a estabilidade do produto acabado.

• Refratários à Base de Sílica

• São utilizados comumente nostetos em arco dos fornos para

a fabricação de aços e vidros, onde a temperatura pode

atingir 1650 °C;

• Principal componente é asílica;

• O teor de alumina deve ser mantido em um mínimo entre 0,2%p e 1,0%p.

• Refratários Básicos

• São utilizados em algunsfornos para a fabricação de aços; • São ricos em MgO, sãoresistentes ao ataque por escórias

contendo concentrações elevadas de MgO e CaO.

Obs.: A escória é o sub-produto da fundição de minério para purificar metais.

• Refratários Especiais

• São utilizados em situações especiais, pois são relativamente caros, como exemplo o SiC (Carbeto de Silício) tem sido usado em elementos de aquecimento por resistência elétrica, como cadinhos, e em componentes internos de fornos;

• São feitos de óxidos com purezas relativamente elevadas.

Etapas do

Processos TRATAMENTO TÉRMICO – FORNO INDUSTRIAL (EXTERNO)

MAÇARICO ROLOS DE ALUMINA

Fonte: SACMI Fornos

Etapas do

Processos TRATAMENTO TÉRMICO – FORNO INDUSTRIAL (PERFIL)

_______________

Fonte: SACMI Fornos

_______________ _______________

Abrasivos

• São materiais cerâmicos cujafunção é desgastar,

polir ou cortar outros materiais que possuem

menor dureza. Para isto, os abrasivos devem possuir elevada resistência ao desgaste e um alto grau de tenacidade (assegurar que as

partículas abrasivas não fraturem com

facilidade), além de uma característica refratária, pois as forças abrasivas e de atrito produzem temperaturas elevadas;

• Abrasivos comuns são o carbeto de silício, o

carbeto de tungstênio(WC), oóxido de alumínio

(ou córindon) e a areia de sílica. Os diamantes

naturais e sintéticos também são empregados,

porém são muito caros;

• Os materiais abrasivos são usados em várias formas: colados a discos de esmerilhamento; como abrasivos revestidos e como grãos soltos.

Vídeo – Uso do jateamento de areia para desgaste superficial.

Vídeo – Corte de peças cerâmicas com disco diamantado.

As partículas abrasivas são coladas a um disco por meio de uma resina, a estrutura da superfície deve conter alguma porosidade (refrigerantes de ar ou líquidos) para prevenir aquecimento.

Figura 13.3Fotomicrografia de um abrasivo colado a base de óxido de alumínio. AS regiões claras são os grãos abrasivos de AlO; as áreas cinzentas e escuras são a fase Grãos Abrasivos Colagem (resina)

• SAPONÁCEO CREMOSO - 300ml

O Saponáceo Cremoso Magic Brilho é um produto levemente abrasivo e semi-pastoso para limpeza de utensílios de inox, torneira, objetos cromados e louças de banheiro, além de auxiliar na eliminação de manchas dos utensílios domésticos. Não recomendado para superfícies que possam riscar com facilidade. Sua fórmula traz uma associação entre tensoativos aniônicos eagentes abrasivosde maneira a proporcionar limpeza instantânea sem riscar a superfície a ser limpa.

Cimentos

• São materiais cerâmicos classificados como cimentos inorgânicos (cimento, gesso e cal) que possuem como principal característica a de que

quando misturados com água, formam uma

pasta que, em seguida,“pega” e endurece;

• Os cimentos também atuam como uma fase de união, que liga quimicamente outros materiais para formar uma única estrutura coesa;

• Um grande diferencial nos cimentos é o fato de

que a reação se desenvolve à temperatura

ambiente;

• O cimento Portland é o principal produto deste grupo de materiais cerâmicos. É produzido pela

moagem e mistura de argilas e minerais

contendo cal em proporções adequadas e, em seguida, pelo aquecimento da mistura até

1400°C em um forno rotativo (processo

conhecido como CALCINAÇÃO);

• O produto gerado (“clínquer”) é moído

finamente, ao qual se adiciona uma pequena quantia de gesso (CaSO₄-2H₂O) com a função de retardar o processo de “pega”. O produto final é o cimento Portland;

• Atenção: o processo pelo qual o cimento

endurecenão é um processo de secagem, mas

de hidratação, no qual a água participa

efetivamente em uma reação química de união;

• Por exemplo, uma reação de hidratação

envolvendo um dos componentes do cimento Portland, o silicato dicálcico:

2 CaO.SiO₂+x H₂O 2 CaO.SiO₂.x H₂O Sendo x variável e depende da quantidade de água disponível

• As reações de hidratação iniciamimediatamente

após a adição da água no cimento

(primeiramente na “pega” e ocorrem logo após a mistura, geralmente em um intervalo de várias horas).

Cerâmica Avançada

• São materiais que são submetidos asolicitações

e desempenhos diferenciados, obtidos a partir

de matérias-primas sintéticas;

• Os avanços tecnológicos são gerados

normalmente, com as guerras, NASA, fórmula 1, etc.;

• Principais características das Cerâmicas Avançadas: • Uso de M-P sintética de elevada pureza;

• Rígido controle de distribuição de tamanho das partículas;

• Processo de conformação especial (formas mais complexas);

• Elevado controle dimensional e de densidade;

• Sinterização em temperatura elevadas e controle da atmosfera de queima;

• Necessidade de conhecimento profundo entre microestrutura x propriedades x desempenho.

1. Sistemas Microeletromecânicos (MEMS)

Consistem em um grande número de dispositivos mecânicos integrados a grandes quantidades de elementos elétricos em um substrato de silício.

Figura 13.4– MEV mostrando um MEMS de acionamento de redução para as engrenagens de um trilho linear. Ampliação de 100 x.

2. Fibras Ópticas

É fabricada de sílica com pureza extremamente

elevada, que deve estar isenta mesmo de

quantidades diminutas de contaminantes e de outros defeitos que absorvam, espalhem ou atenuem um feixe de luz;

Vantagens: melhor velocidade de transmissão; maior densidade de informações; maior distância de transmissão; reduziu a taxa de erros;

não há interferência eletromagnética.

Duas fibras ópticas transmitem, ao mesmo tempo, 24.000 chamadas

telefônicas.

Figura 21.18 – Diagrama esquemático mostrando os componentes de um sistema de Figura 21.20 – Seção transversal de uma fibra óptica

3. Rolamentos de Esferas Cerâmicas

Consiste em esferas e pistas que estão em contato entre si e que se atritam quando em uso. Ao longo da última década, esferas de nitreto de silício (Si₃N₄) começaram a substituir as esferas de aços (as pistas continuam sendo, na maioria, em aço);

As esferas de Si₃N₄ são mais rígidas e sofrem

menores deformações durante seu uso (menor

Aplicados em patins com rodas em linha, bicicletas, motores elétricos, roscas sem fim em ferramentas de usinagem, etc.

Rolamentos de Si3N4

Peças de Turbina de Si3N4

Aplicações em Turbinas

Peças de motores e freios

Aplicações em Motores e Freios

Aplicações em Proteção Balística

Aplicações em Medicina

Aplicações em Energia/M-A

Aplicações em Óptica