17.MATERIAIS CERÂMICOS-CLH

(1)

Processamento de

Materiais Cerâmicos

(2)

1 INTRODUÇÃO

(3)

Cerâmica: origem, antiguidade

Keramos

= “coisa queimada” (grego)

5000 A.C.: artefatos de argila (

earthenware

),

louça de barro (

pottery

)

3500 A.C.: torno de oleiro

1000 A.C.: porcelana (China)

[N or to n, 19 52 ; R ee d, 1 99 5]

(4)

Idade contemporânea

Séc. 18: porcelana (Alemanha), colagem,

extrusão, forno túnel

Séc. 19: mecanização, microscopia ótica,

cones pirométricos

Séc. 20: raios X, microscopia eletrônica,

materiais sintéticos, automatização

[N or to n, 19 52 ; R ee d, 1 99 5]

(5)

1 INTRODUÇÃO

(6)

Cerâmica: definição tradicional

Minerais de composição inconstante e

pureza duvidosa são expostos a um

tratamento térmico não-mensurável,

que dura o suficiente para permitir que

reações desconhecidas ocorram de

modo incompleto, formando produtos

heterogêneos e não-estequiométricos,

conhecidos com o nome de materiais

[G ug el a pu d Cl au ss en , 19 95 ]

(7)

Cerâmica: definição moderna

Materiais cerâmicos são compostos

sólidos formados pela aplicação de

calor, algumas vezes calor e pressão,

constituídos por ao menos



um metal (M) e um sólido elementar

não-metálico (SENM) ou um não-metal (NM),



dois SENM, ou

[B ar so um , 19 97 ]

(8)

Metais e não-metais

Metais (M): Na, Mg, Ti, Cr, Fe, Ni, Zn,

Al...

Não-metais (NM): N, O, H, halogênios,

gases nobres...

Sólidos elementares não-metálicos

(SENM): isolantes (B, P, S, C ) ou

semicondutores (Si, Ge)

[B ar so um , 19 97 ]

(9)

Tabela periódica dos elementos

[S ch af fe r, 1 99 9: 27 ] 19 K Ca20 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr Mn25 26 Fe Co27 28 Ni Cu29 Zn30 Ga31 Ge32 As33 Se34 Br35 Kr36 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr Nb41 Mo42 43 Tc Ru44 Rh45 Pd46 Ag47 Cd48 49 In Sn50 Sb51 Te52 53 I Xe54 55 Cs Ba56 La* 72 Hf Ta73 74 W Re75 Os76 77 Ir 78 Pt Au79 Hg80 81 Tl Pb82 83 Bi Po84 85 At Rn86 87 Fr Ra88 **Ac 2 He 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F Ne10 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl Ar18 1 H 3 Li 4 Be 11 Na Mg12 _{III A} II A I A IV A V A VI A VII A  VIII A  I B III B II B IV B V B VI B VII B VIII B Líquido Gás Sólido Metais Não-Metais

(10)

19 K Ca20 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr Mn25 26 Fe Co27 28 Ni Cu29 Zn30 Ga31 Ge32 As33 Se34 Br35 Kr36 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr Nb41 Mo42 43 Tc Ru44 Rh45 Pd46 Ag47 Cd48 49 In Sn50 Sb51 Te52 53 I Xe54 55 Cs Ba56 La* 72 Hf Ta73 74 W Re75 Os76 77 Ir 78 Pt Au79 Hg80 81 Tl Pb82 83 Bi Po84 85 At Rn86 87 Fr Ra88 **Ac 2 He 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F Ne10 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl Ar18 1 H 3 Li 4 Be 11 Na Mg12 _{III A} II A I A IV A V A VI A VII A  VIII A  I B III B II B IV B V B VI B VII B VIII B Líquido Gás Sólido

Tabela periódica dos elementos

[S ch af fe r, 1 99 9: 27 ] Sólidos Elementares Metais Não-Metálicos

(11)

Exemplos de combinações

M + NM: MgO, Al

₂

O

₃

, BaTiO

₃

,

YBa

₂

Cu

₃

O

₇

...

M + SENM: TiC, ZrB

₂

...

SENM + SENM: SiC, B

₄

C

SENM + NM: SiO

₂

, Si

₃

N

₄ [B ar so um , 19 97 ]

(12)

1 INTRODUÇÃO

1.3 Classificação e aplicações da

cerâmica

(13)

Cerâmica, vidro, argamassa

Tipos

Seqüência de processamento

Cerâmica

pó  forma  calor

Vidro

pó  calor  forma

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Cerâmica tradicional x avançada

[B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5] Cerâmica

Matérias-primas Estrutura Proprie-dades Processa-mento Aplicações

Tradicional (silicatos) naturais, minerais industriais (<98% pureza) não-uniforme, porosa mecânica, estética olaria, colagem, prensagem, extrusão, queima construção, produtos domésticos Avançada (alto de-sempenho, alta tecno-produtos químicos industriais (>98% homogênea,

menos porosa elétrica,magnética, nuclear, ótica, mecânica, prensagem isostática, moldagem por injeção, eletrônica, estrutural, química, refratários

(15)

Produtos e aplicações

[B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]  Térmica  _Elétrica  Magnética  Ótica  _Nuclear  Química  _Biológica  Mecânica

(16)

Funções térmicas

Funções Classes Aplicações Exemplos

condutividade trocadores de calor

para pacotes eletrônicos

AlN

Térmicas isolamento revestimentos

isolantes para fornos de alta temperatura

fibras de SiO2, Al2O3,

ZrO2

refratariedade revestimentos

isolantes para fornos

SiO2, Al2O3, ZrO2 [B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]

(17)

Funções elétricas

condutividade elementos de

aquecimento para fornos

SiC, ZrO2, MoSi2

Elétricas ferroeletricidade capacitores BaTiO3, SrTiO3

isolamento substratos de circuitos

eletrônicos Al2O3, AlN [B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]

(18)

Funções magnéticas

magnetos duros ímãs de ferrite (Ba,Sr)O·6Fe2O3

Magnéticas e

super-condutoras

magnetos moles núcleos de

transformadores (Zn,M)·6FeM=Mn,Co, Mg2O3, com

supercondutividade fios e magnetômetros YBa2Cu3O7

[B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]

(19)

Funções óticas

translucência materiais para

lâmpadas de Na Al2O3, MgO

Óticas transparência cabos de fibra ótica SiO2

transparência ao infravermelho

janelas para laser infravermelho CaF2, SrF2, NaCl [B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]

(20)

Funções nucleares

fissão combustível UO3, UC

Nucleares fissão moderadores de

nêutrons C, BeO

fissão, fusão revestimentos em

reatores C, SiC [B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]

(21)

Funções químicas

catálise suporte de catalisador Mg2Al4Si5O15

Químicas condutividade

sensitiva a gases sensores de gases ZnO, ZrOFe2O3 2, SnO2,

separação filtros SiO2, Al2O3

[B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]

(22)

Funções biológicas

biocompatibilidade cimentos CaHPO4·2H2O

Biológicas biocompatibilidade próteses estruturais Al2O3

[B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]

(23)

Funções mecânicas

dureza ferramentas de corte Al2O3, Si3N4, ZrO2, TiC

Mecânicas refratariedade

estrutural estatores e lâminas deturbina Al2O3, Si3N4, MgO, SiC

resistência a desgaste, abrasão

mancais Al2O3, Si3N4, ZrO2, SiC

[B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]

(24)

Funções estéticas

cerâmica de mesa pratos, xícaras, vasos louça, porcelana

Estéticas cerâmica de

revestimento pisos, azulejos grés, porcelanato

cerâmica sanitária vasos sanitários, pias louça, porcelana

[B ar so um , 19 97 ; R ee d, 1 99 5]

(25)

1 INTRODUÇÃO

(26)

[R ee d, 1 99 5: 12 ] Matérias-primas Dosagem Aditivos Aditivos

Reciclo Moagem/mistura Reciclo a seco

Moagem/ mistura

a úmido Classificação

Granulação Atomização Filtro-prensagem

Mistura/deaeração

Prensagem Conformação _plástica Colagem

Secagem Secagem Secagem

Acabamento Acabamento

Fluxograma

genérico

(27)

[R in g, 1 99 6: 2] Matérias-primas Dosagem Aditivos Reciclo Moagem/ mistura a úmido Atomização Filtro-prensagem Mistura/deaeração

Prensagem Conformação _plástica Secagem Secagem

Acabamento Acabamento

Revestimento

cerâmico

(28)

argila feldspato sílica Moinho de bolas Filtro-prensa torta plástica barbotina Misturador 20-25% água Atomisador pó com 5-6% água Prensa Extrusora 1000 t 3-5 dias a 70-80°C Secador Esmaltação Forno a rolos Forno túnel 60-150 min a 1300°C 40-70 h a 1300°C Empacotamento [R in g, 1 99 6: 2]

Revestimento

cerâmico

(29)

(30)

Cerâmica Branca

Este grupo é bastante diversificado, compreendendo materiais constituídos por um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor e que eram assim agrupados pela cor branca de massa, necessária por razões estéticas e/ou técnicas.

Com o advento dos vidrados opacificados, muitos dos produtos enquadrados neste grupo passaram a ser fabricados, sem prejuízo das características para uma dada aplicação, com matérias primas com certo grau de impurezas, responsáveis pela coloração. Dessa forma é mais adequado subdividir este grupo em:

Louça sanitária / louça de mesa / isoladores elétricos para alta e

(31)

Cerâmica Branca

(32)

• _Barbotinas

Suspensão aquosa de materiais cerâmicos com água, suficientemente líquida para ser vertida.

As matérias-primas com água, são moidas em um “moinho de bolas” até que a massa fique semelhante a uma massa de bolo.

Usa-se materiais chamados defloculantes (sais de

metais alcalinos ou de amônio), para a obtenção uma massa com menor quantidade de água possível,

(33)

(34)

(35)

É uma etapa de grande importância, pois se for muito rápida ou ineficiente, poderá gerar defeitos.

(36)

ESMALTE CERÂMICO

:

Frita (vidro moido) e água. Tipos de esmalte

Transparentes Opacos

(37)

 Até 200oC – liberação da água restante no centro das

partículas argilosas;

 Entre 350oC e 900oC – eliminação da matéria orgânica,

oxidação do ferro divalente e aumento do tamanho das peças;

4FeO + O₂ 2 Fe₂O₃  Até 1200oC – liberação de gases;

(38)

(39)

• Poros

Se a massa cerâmica for rica em materiais que liberem gases durante a queima (dolomita por exemplo), pode gerar uma porosidade excessivamente alta.

MgCa(CO₃)₂ MgO + CaO + 2 CO₂ • Coração Negro

Fe₂O_3(S) + CO_(g) 2FeO_(S) + CO_2(g) Matéria orgânica que não é liberada da peça.

(40)

O que são PIGMENTOS ?

São materiais sólidos, orgânicos ou inorgânicos, brancos, pretos ou coloridos, que devem ser insolúveis nos substratos nos quais venham a ser

incorporados, não reagindo química ou

(41)

Designação Com posição quím ica Período de utilização

Auripigm ento As2S3 Até ao séc. XIX

Realgar As2S2 Até ao séc. XIX

Verde esm eralda Cu(CH_·3Cu(AsO3COO )2

2)2 De 1814 até c. 1960

Branco de chum bo 2PbCrO3·Pb(OH)2 Desde a Antiguidade

M assicote (ou litarga) PbO Desde a Antiguidade Verm elho de chum bo (ou

m ínio) Pb3O4 Desde a Antiguidade Am arelo de chum bo e

estanho

Tipo I: Pb2SnO4

Tipo II: PbSnO3

Desde c. 1300 até c. 1750

Am arelo de chum bo e antim ónio

(ou am arelo de Nápoles)

Pb3(SbO4)2 Desde c. 1630

(42)

Y₂BaCuO₄ Verde

Fe₂O₃-ZrSiO₄ Rosa

CoO - ZnO – SiO₂

CoO- Al₂O₃ ;V-ZrSiO₄ Azul ZrO₂ – V e SnO₂-V Fe₂O₃- Al₂O₃ Amarelo Exemplos Cor

(43)

(44)

CERAMICAS

TRADICIONAIS

Cerâmica Vermelha

Compreende aqueles materiais com coloração avermelhada empregados na construção civil (tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e argilas expandidas) e também utensílios de uso doméstico e de adorno. As lajotas muitas vezes são enquadradas neste grupo porém o mais correto é em Materiais de

(45)

(46)

você sabe como se faz um tijolo?

qual a matéria prima deste

artefato tão importante para a

construção civil?

Quanto tempo leva para que ele

fique pronto para o uso?

(47)

Matéria

prima

Terra vermelha e argila

A mistura meio a meio destas duas matérias e água resulta a matéria prima do tijolo

A argila utilizada é encontrada no subsolo, sendo a camada situada acima da camada de areia

(48)

(49)

fabricação

A terra e a argila são estocadas em

um retângulo emparedado com

cerca

de

dois

metros

de

profundidade em relação ao acesso

O telhado deste local é equipado

com roldanas que o fazem móvel

para

que

seja

facilitado

o

(50)

(51)

Naquele local de estocagem há um duto

que leva a argila e a terra até o

misturador

Este deixa a matéria prima pronta para a

moldagem do tijolo

O ´´slide`` a seguir contém imagens que

mostram este duto

(52)

(53)

(54)

Uma esteira que liga o misturador a modeladora conduz a mistura para que seja moldada e prensada dando forma ao tijolo, dentro dos padrões do Inmetro

Da modeladora sai outra esteira que conduz a massa modelada para a marcação da fabrica e o corte

(55)

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(57)

O tijolo está formado, mas ainda não está pronto para o uso

A maquina que corta os tijolos solta-os em uma nova esteira*

(58)

Nesta percorrem centenas de metros entre prateleiras de secagem*

(59)

(60)

O tijolo fica nas prateleiras por aproximadamente 30 (trinta) dias

Decorrido este período o tijolo perde, por evaporação, parte da água de sua composição

Neste ponto está pronto para ir ao forno

Esta etapa é indispensável para o desenvolvimento das propriedades finais do tijolo e qualquer outro material cerâmico

(61)

(62)

O forno tem capacidade para 25 mil tijolos, que queimam a 900ºC por cerca de 5 dias

O fogo não pode baixar, por isso, de hora em hora deve-se abastecer a fornalha com lenha

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depois de algum tempo aos 900ºC o tijolo chega a ficar com aquele vermelho reluzente de ferro derretido

Por sinal, por pouco este forno não derrete um prego, mas existem algumas olarias em que esta façanha é alcançada

Como demora para queimar, demora para esfriar

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Este forno havia sido aberto na manhã em que fizemos a visita, e já estava praticamente vazio ao meio dia (horário em que estivemos na olaria)

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(67)

Agora uma questão muito delicada: Cada tijolo hoje custa R$ 0,18

Justo ou não? Cabe a cada um avaliar

Os donos da olaria ganham o suficiente para não passarem fome

mas trabalhar dia e noite, num serviço tão sacrificante poderia ser melhor recompensado

(68)

Blocos

cerâmico

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Os blocos cerâmicos, ainda não tão conhecidos, são um ótimo artifício na construção civil

Devido às propriedades dos materiais cerâmicos estes blocos podem perfeitamente substituir os blocos de concreto

E esta substituição traz muitas vantagens para a obra

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Há uma linha com diversos modelos de blocos, que podem ser utilizados em todas as áreas da obra

Esta diversidade torna ainda mais eficiente o uso deste produto

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Vantagens:

Muito mais práticos - que os blocos de concreto - para transportar e assentar

Isto Causa uma grande economia de tempo

Os diversos tamanhos e modelos resultam em um melhor aproveitamento do material e consequentemente menor geração de entulhos

(72)