Post on 22-Jun-2015
INTRODUÇÃO AO PROCESSO DE OBTENÇÃO INTRODUÇÃO AO PROCESSO DE OBTENÇÃO
DOS MATERIAIS CERÂMICOSDOS MATERIAIS CERÂMICOS
Profa. Ms. Helainne T. Girão
II Semana da Química da II Semana da Química da Faculdade de Educação de Faculdade de Educação de Crateús – FAEC - UECECrateús – FAEC - UECE
26 a 30 de Agosto de 2013
Universidade Estadual do Ceará
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Indrodução
O que é Cerâmica?
Cerâmica vem do grego “keramikos (κεραμικός)” que significa “material queimado”, indicando a necessidade de tratamento térmico para adequar as propriedades
Introdução
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Numa definição simplificada, materiais cerâmicos são compostos de elementos metálicos e não metálicos, com exceção do carbono.
Muitos materiais cerâmicos têm elevado ponto de fusão e apresentam dificuldade de conformação passando pelo estado líquido.
Classificação
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Cerâmicas Tradicionais
Barro, Argila, Porcelana, Ladrilhos, Tijolos,etc...
Cerâmicas Avançadas
Utilizadas em inúmeras aplicações tecnológicas tais como encapsulamento de chips, isolamento térmico do ônibus espacial, revestimento de peças, Biomateriais, etc.
Classificação
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Classificação
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Convencionais
Estruturais
Vidros
Louças
Cimentos
Avançadas
Eletrônicos
Ópticos
Biomateriais
Características Gerais
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o Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços.
o Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e
polímeros.
o São menos densas que a maioria dos metais e suas
ligas.
o Os materiais usados na produção das cerâmicas são
abundantes e mais baratos.
Propriedades dos Materiais
Característica de um material expressa em termo de resposta medida por um estímulo específico na qual é imposto.
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Propriedades dos Materiais
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Propriedades dos Materiais1. Propriedades Ópticas
1. Ópticas :
Usa como estimulo a radiação eletromagnética ou luminosa, ocasionando índice de refração e refletividade;
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Propriedades dos Materiais 1. Propriedades Ópticas
Descreve a maneira com que um material se comporta quando exposto a luz. Assim, um material pode ser:
o Transparenteo Translúcidoo Opaco
Propriedades dos Materiais 1. Propriedades Ópticas
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Propriedades dos Materiais 1. Propriedades Ópticas
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Propriedades dos Materiais1. Propriedades Ópticas
Dois mecanismos importantes da interação da luz com a partícula em um sólido são:
o Polarizaçãoo Transição de elétrons entre diferentes níveis de
energia.
Propriedades dos Materiais1. Propriedades Ópticas
PolarizaçãoDistorção de uma nuvem de elétrons de um átomo por um campo elétrico. Alinhamento de dipolos.
Absorção de energia (deformação elástica), resultando em aquecimento
Propagação de ondas eletromagnéticas (radiação eletromagnética)
Propriedades dos Materiais1. Propriedades Ópticas
Fotocondutividade Responsável pelas cores que observamos nos materiais
Banda de valência
Banda de condução
Luz visível Faixa de energia 1,8 a 3,1eV
Propriedades dos Materiais1.Propriedades Óticas –Aplicação
o Transparência – Janelas, lentes, artigos de
laboratório etc.
o Conversão de luz em eletricidade – Laser, eletrônica
(LED’s).
o Luminescência – Lâmpadas elétricas e telas de TV.
o Reflexão – Fibras óticas (telefonia, TV a cabo etc).
Propriedades dos Materiais2. Propriedades Elétricas
2. Elétricas:
O campo elétrico é estimulo para a condutividade elétrica e a constante dielétrica.
A taxa de aplicação e duração da aplicação do campo Elétrico depende da espessura e geometria da amostra.
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Propriedades dos Materiais:2. Propriedades Elétricas
As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser:
o isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2)
o semicondutores: SiC, B4C
o supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11
Propriedades dos Materiais2. Propriedades Elétricas
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Piezeletricidade
Quando determinado material é induzido a polarização e um campo elétrico é estabelecido através de uma amostra pela aplicação de forças externas.
Propriedades dos Materiais2. Propriedades Elétricas
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Outras Características Elétricas dos Materiais:
Ferroeletricidade– Definição: Materiais dielétricos
com polarização espontânea, isto é, polarização na ausência de campo.
– Ex. BaTiO3 (Perovskita)
– OBS: Acima de 127ºC, torna-se cúbica
Tc
Propriedades dos Materiais2. Propriedades Elétricas
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Cerâmicas 60 Hz 1 MHzCerâmicas a base de Titanatos - 15 – 10000
Mica - 5,4 - 8,7
Sílica Fundida 4,0 3,8
Porcelana 6,0 6,0
Polietileno 2,3 2,3
Nylon 6,0 6,0
Hidroxiapatite - 5,8 (filme)
Propriedades dos Materiais3. Propriedades Magnéticas
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Magnetismo– Fenômeno, segundo a qual os materiais impõe uma
força ou influência atrativa ou repulsiva sobre outros materiais.
Dipolos Magnéticos– As forças magnéticas são geradas pelos
movimentos de partículas carregadas eletricamente.
Propriedades dos Materiais 3. Propriedades Magnéticas
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Propriedades dos Materiais3. Propriedades Magnéticas
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As propriedades magnéticas macroscópicas dos materiais são uma consequência dos momentos magnéticos que estão associados aos e- individuais.
Momento magnético líquido de um átomo é a soma dos momentos magnéticos de cada um dos seus elétrons constituintes.
OBS: Átomos que possuem camadas eletrônicas totalmente preenchidas não são capazes de serem magnetizados permanentemente . (Ex.: gases inertes como He, Ne, Ar, etc..
3. Propriedades Magnéticas :Tipos de Magnetismo
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Diamagnetismo:
Forma muito fraca de magnetismo que é não permanente e que persiste somente enquanto um campo externo está sendo aplicado.;
Paramagnetismo: Uma forma relativamente fraca de magnetismo que resulta do alinhamento independente dos dipolos atômicos.
3. Propriedades Magnéticas :Tipos de Magnetismo
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Ferromagnetismo:
Materiais metálicos possuem momento magnético permanente na ausência de campo externo, manifestando magnetizações muito grandes e permanentes.
H = 0
OBS: Materiais dia e paramagnéticos são considerados não-magnéticos, pois exibem magnetização só quando se encontram em presença de campo externo.
Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas
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Representa em termos de Capacidade Calorífica e condutividade Térmica;
Entende-se como a resposta de um material à aplicação de calor.
Calor
T α
Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas
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oAs mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:
o Capacidade calorífica ( ⇑ )
o Coeficiente de expansão térmica ( ⇓ )
o Condutividade térmicaátomos
Ligação Química
Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas
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Capacidade Calorífica
Propriedade que serve como indicativo da habilidade de um determinado material tem para absorver na sua vizinhança.
dT
dQC = Energia exigida para produzir
uma variação de temperatura
Cal / mol.K ou J / mol.K
OBS: Por unidade de massa representa o calor específico (J / Kg.K)
Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas
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o Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços.
o Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e
polímeros.
o São menos densas que a maioria dos metais e suas
ligas.
o Os materiais usados na produção das cerâmicas são
abundantes e mais baratos.
Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas
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Material Capacidade calorífica (J/Kg.K)
Coeficiente linear de expansão térmica ((°C)-1x10-
6)
Condutividade térmica (W/m.K)
Alumínio 900 23,6 247
Cobre 386 16,5 398
Alumina (Al2O3) 775 8,8 30,1
Sílica fundida (SiO2) 740 0,5 2,0
Vidro de cal de soda 840 9,0 1,7
Polietileno 2100 60-220 0,38
Poliestireno 1360 50-85 0,13
Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas - Aplicação
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Uma interessante aplicação, que leva em conta as propriedades térmicas das cerâmicas, é o seu uso na indústria aeroespacial.
Revestimento exterior
com fibra amorfas de
sílica de alta pureza.
Espessura: 1,27-8,89cm
Temperatura °C* Temperaturas de subida
Propriedade dos Materiais5. Propriedades Mecânicas
Descreve a maneira como um material responde a
aplicação de força, carga e impacto.
Os materiais cerâmicos são:o Duroso Resistentes ao desgasteo Resistentes à corrosãoo Frágeis (não sofrem deformação plástica)
Propriedade dos Materiais 5. Propriedades Mecânicas –Aplicação
o Componentes de motores de automóveis.
o Ferramentas de corte.
o Blindagem de veículos militares.
o Estruturas de aeronaves.
o Construções civis.
o Abrasivos para polimentos.
Processamento dos materiais
O processamento de materiais cerâmicos à base de argila é feito a partir da compactação de pós ou partículas e aquecimento à temperaturas apropriadas.
Principais etapas:
Preparação da matéria-primaTamanho e pureza controlados
Moldagem (conformação) Hidroplástica ou fundição por suspensão
Secagem Eliminação de água ou ligantes
Sinterização Tratamento térmico
Processamento dos materiais
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Processamento de Materiais
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Processamento dos materiais
Prensagem do pó
Fabricação de argilosos, não-argilosos.
Cerâmicas eletrônicas. Cerâmicas
magnéticas.
Compactação através de pressão.
Grau de compactação X espaço vazio
(partículas)
Fundição em fita
Produção de substratos para circuito integrados e capacitores. Lâminas delgadas são produzidas através de fundição.
Processamento - Prensagem do Pó
Três procedimentos básicos
Uniaxial
Compactação do pó em molde metálico. Pressão aplicada em
uma única direção
Isostático
Material pulverizado contido em envelope de
borracha.Pressão feita por fluido
aplicado isostaticamente.
Prensagem a quente
Conformação e sinterização ao mesmo
tempo.Temperatura e pressão
uniaxial.
Processamento – Fundição em Fita
A mistura passa por uma lâmina, a qual regula a espessura do filme, sendo derramada numa esteira rolante. O filme é seco em um forno e as lâminas são posteriormente separadas.
Técnicas de Caracterizações
Ópticas;
Térmicas; Mecanicas; Elétricas;
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Seleção de Materiais
Propriedades Físicas, Químicas e Mecânicas;
Resistência;
Módulo Elasticidade, Torsão ou Flexão (↓ Carga- Elastômeros);
Fadiga (suportar esforços sem provocar trincas - poliuretano, poliestér e metais em geral);
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Exemplos de caracterizações das amostras.
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Hidroxiapatita
Ca10(PO4)6(OH)2
Gráfico HAP eHAP Comercial
Exemplos de caracterizações das amostras.
45 Micrografias de HAP
Exemplos de caracterizações das amostras.
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Intensidade (u.a.)
Energia (Kev)
Exemplos de caracterizações das amostras.
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Exemplos de caracterizações das amostras.
Espectroscopia
Raman –
caracterização
Óptica
Bi4Ti3O12
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Exemplos de caracterizações das amostras.
Espectroscopia
Raman –
caracterização
Óptica
Bi4Ti3O12
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Sites interessantes
http://www.materiais.ufc.br/ - Eng. de Materiais www.fisica.ufc.br/ http://www.ppgeti.ufc.br/ - Eng. De Teleinformática www.deq.ufc.br/deq/deq_ppgeq_programa.php - Eng. Química www.pgquim.ufc.br – Química www.ppgo.ufc.br – Odontologia www.bioquimica.ufc.br – Bioquímica www.ppgb.ufc.br – Boitecnologia www.labomar.ufc.br – Ciencias Marinhas Tropicais – Labomar www.fitotecnia.ufc.br – Agronomia: Fitotecnia www.solos.ufc.br – Agronomia: Solos e Nutrição de Plantas
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Bibliografia
http://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-051j-materials-for-biomedical-applications-spring-2006/lecture-notes/lecture1.pdf
http://www.uweb.engr.washington.edu/research/tutorials/introbiomat.html Ferreira Junior, L. D, Desenvolvimento e Aplicações de
biocerâmicas, Apresentação no Power Point, UFC, Fortaleza, 2007. Luiz Henrique Catalani, Introdução à ciência dos biomateriais, Apresentação em PDF, USP, São Paulo. Silva, C.C, Introdução aos Biomateriais, Apresentação no Power Point, UFC, Fortaleza, 2007. http://www.scielo.br/pdf/po/v15n1/24189.pdf A
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