EN2813 Materiais CermicosExperimento 1: Matrias-Primas e Produtos Cermicos

Prof Humberto Yoshimura

Alunos:R.A.: 11088510R.A.: 21003110R.A.: 21001111R.A.: 11043207R.A.: 11043010R.A.: 11078008

Cezar A. HatushikanoFernando Yamasaki Kevin Willian GonalvesLeandro Massao Murakami Lucas Costa de Castro FerrazWagner Aranha Bueno do Prado

IntroduoA palavra cermica vem do grego keramikos que quer dizer argila queimada, a arte de fabricao de objetos em argila que sofrem processo de tratamento trmico e os principais so: Tradicionais como tijolos, porcelana, louas, telhas, etc; Vidros e vitro-cermicas; Abrasivos; Cimentos; Cermicas Avanadas.Materiais cermicos so definidos como compostos envolvendo elementos metlicos e no metlicos. So caracterizados por ligaes interatmicas, total ou predominantemente inicas e com carter covalente. Possuem alto ponto de fuso, geralmente so isolantes eltricos e quimicamente estveis em condies severas, alm de duros e frgeis.Cermicas base de silicatos tm estrutura tetradrica, baseadas no SiO4-4 em ligao covalente-inica (Ca2+, Mg2+, Al3+). Na slica o tomo de oxignio compartilhado por um tetraedro adjacente. Vidros base de slica so, geralmente, formados pela adio de xidos como o CaO e Na2O.As vitro-cermicas so vidros inorgnicos submetidos a processos de devitrificao, tratamento trmico a alta temperatura que tira a aparncia de vidro. adicionado um agente nucleante, normalmente dixido de titnio, o que resulta em baixo coeficiente de expanso trmica. So empregados principalmente na fabricao de utenslios com resistncia ao choque trmico e alta condutividade trmica. Estrutura CristalinaExistem dois fatores bsicos que definem a estrutura cristalina: Magnitude da carga eltrica nos ons componentes. Tamanho dos ctions e nions.Estrutura Cristalina Tipo AXSo os materiais que apresentam mesmo nmero de ctions A e nions X, onde se destacam: Estrutura de Sal de Rocha, com o prprio cloreto de sdio (NaCl), que tambm chamado sal de rocha, como exemplo; Estrutura de Cloreto de Csio, com o prprio cloreto de csio (CsCl) como exemplo e que possui estrutura CCC; Estrutura da Blenda de Zinco ou esfarelita, em que todos os ons ficam tetraedricamente coordenados; Estrutura Cbica do Diamante, que considerada uma variao da blenda de zinco devido ao carbono se ligar a outros quatro carbonos; Estrutura da Grafita, que difere da estrutura do diamante por ser polimorfa e hexagonalmente formada, alm de permitir uma fcil separao de camadas. Estrutura Cristalina do Tipo AmXpSo diferentes da estrutura AX, por possuir cargas dos ctions e nions desiguais, em que m e/ou p so diferentes de um. Como exemplo, temos a fluorita (CaF2), alm de UO2, PuO2 e ThO2. Estrutura Cristalina do Tipo AmBnXpOutra estrutura com dois ctions A e B e um nion X, que tem propriedades mecnicas diferenciadas. Exemplo: Titanato de brio (BaTiO3), com estrutura cristalina de perovskita.Estrutura Cristalina a Partir do Empacotamento Denso de nions.Nesta estrutura o que levado em considerao o plano de empacotamento denso de tomos empilhados, o que pode gerar uma estrutura CFC ou uma estrutura HC.Os stios intersticiais so criados entre os planos, podendo ser do tipo T, posio conhecida como tetradrica, onde o stio envolto por 4 tomos, ou do tipo O, onde o stio envolto por 6 centros de esferas e conhecido como posio octadrica. [1]Objetivos1. Possibilitar contato direto com matrias-primas cermicas e produtos cermicos;1. Compreender as suas caractersticas e aplicaes.MetodologiaNa primeira parte da aula, houve uma exposio onde foram apresentados matrias-primas e produtos cermicos. Na parte seguinte da aula, os alunos analisaram alguns dos materiais apresentados. Resultados e Discusso Matrias-primas Naturais Argila para Cermica VermelhaAs argilas para cermica vermelha, tambm vista na literatura como argilas comuns (common clays), tm como principais caracteristicas a sua queima de cor avermelhada, devido ao alto percentual de oxido de ferro, e sua granulao fina, por volta de 2m.Elas so produzidas nas mais diversas estruturas empresariais, desde formas artesanais, empresas de pequeno porte, at empresas com alto grau tecnolgico. uma matria prima com valor unitrio baixo e, por isso, sua minerao se limita ao prprio abastecimento ou ao abastecimento local.De acordo com o contexto geolgico, a argila avermelhada pode ser classificada conforme com seu depsito. As nomenclaturas podem ser argila quaternria ou argila de bacias sedimentares.A argila quaternria encontrada fundamentalmente em locais onde h acmulo da argila, como plancies aluvionares, que ocorrem no fundo de vales, e plancies costeiras, que ocorrem em regies litorneas.A argila de bacias sedimentares formada em unidades geolgicas antigas.A Tabela 4.1 resume as principais caractersticas destes dois tipos de argila.Tabela 4.1 - Caractersticas e propriedades dos principais tipos de argila vermelha.

A argila de queima avermelhada comumente utilizada em produtos estruturais, como blocos, tijolos, telhas, etc, mas tambm empregada em vasos, utenslios domsticos, e revestimentos. Ressaltando que a estrutura do produto conformada de acordo com a exigncia na sua utilizao, sendo que para telhas e blocos estruturais requerem maior sinterizao devido maior exigncia mecnica. [2]Argilas para Cermica BrancaAs argilas plsticas (ball clays), que tambm so denominadas argilas caulinticas, possuem uma granulao fina, abaixo dos 2m em sua maioria, e apresentam uma colorao que varia de creme-clara a branca. composta, alm da caulinita, por ilta, mica, e quartzo. Por conter diversos componentes minerais em sua estrutura, caractersticas como colorao e plasticidade podem variar consideravelmente de acordo com sua formao. Regies com condies de muito calor e umidade favorecem a formao desse tipo de argila. As melhores formaes destes minrios podem ser encontradas na Inglaterra. J no Brasil, por possuir em sua grande parte plancies aluvionares e plancies costeiras, esse tipo de formao sazonal.Ao contrrio da argila de queima vermelha, a argila plstica tem alto valor no mercado, devido trabalhabilidade, alta resistncia, e crescente utilizao. Com seu uso, sobretudo na parte de revestimentos, conquistou um grande mercado como matria prima. As suas principais utilizaes so nos revestimentos e pisos, louas e materiais sanitrios, porcelanas, etc. Sua utilizao feita baseada em suas propriedades, especificadas na Tabela 4.2. [3]Tabela 4.2 - Caractersticas e usos dos principais tipos de argila plstica.

Matrias-primas SintticasBasicamente, matrias-primas sintticas ou cermicas de engenharia diferem das matrias primas convencionais por dois motivos: composio controlada e alta pureza. A maioria dos produtos cermicos, como, tijolos, vidro, pisos e cimentos, so feitos de materiais encontrados na natureza. Por outro lado, matrias primas sintticas so materiais que no so normalmente encontrados, havendo a necessidade de produz-las artificialmente. Entre as matrias-primas sintticas mais importantes, muitas delas vistas durante o experimento (Figura 4.1), esto xidos metlicos: Al2O3, ZrO2, TiO2 e MgO; nitretos: AlN, Si3N e BN; carbetos: WC, TiC e SiC; boreto: TiB2; cermicas magnticas: Y3Al5O15, BaFe12O19 e PbFe12O19; cermicas ferroeltricas: BaTiO3 e PbTiO3; cermicas usadas como combustvel nuclear: UO2 e UN; cermicas supercondutoras de alta temperatura: YBaCu3O7-x, Tl2Ba2Ca2Cu3O10 e (La1,85-Sr0,15)CuO4; entre outras.

Figura 4.1 - Matrias-primas sintticas apresentadas durante a aula prtica.Matrias-primas na forma de ps so necessrios para grande parte dos mtodos de processamento e correspondem a uma rea industrial de extrema importncia no mercado. S nos Estados Unidos, o mercado de ps cermicos, desenvolvidos para cermicas avanadas, movimenta em torno de US$ 1 bilho por ano. Alm de ps, existem outros importantes formatos de particulas cermicas: fibras, whiskers e monocristais. Fibras e whiskers possuem um formato alongado e so extensamente utilizados como reforo em materiais compsitos. Monocristais so usados, principalmente, em aplicaes pticas, eletrnicas, magnticas e em projetos de pesquisa. Existem diversos mtodos industriais para a produo de ps, whiskers, fibras e monocristais, divididos basicamente em: mtodos qumicos e mtodos na fase vapor. Os mtodos qumicos, como o processo sol-gel, permitem um controle excepcional sobre a pureza e morfologia das partculas. Mtodos na fase vapor tambm podem ser usados para o desenvolvimento de ps e oferecem diversas vantagens como desenvolvimento de no xidos e nanopartculas, no entanto, tendem a ser mais caros que os mtodos qumicos comuns. [4, 5]Alumina (Al2O3)O xido de alumnio, tambm conhecido como alumina, a matria-prima sinttica mais utilizada no mundo, aplicada principalmente nas indstrias metalrgica, de refratrios, de abrasivos e de substratos. Convencionalmente, o p de alumina produzido em larga escala por um mtodo conhecido como processo Bayer. Este processo se utiliza de bauxita, um mineral de ocorrncia natural, composto de xido de alumnio hidratado, caulim, xido de ferro hidratado e dixido de titnio. Este processo chega a uma pureza 99,5% com partculas variando de 0,1 a 25 mcrons. A impureza dominante, chegando at 0,5%, o Na2O, restante do uso de NaOH como base solvente. O processo segue da seguinte maneira: 1) O mineral seco e calcinado para remover gua e matria orgnica.2) Triturado para facilitar solubilizao e acelerando o processo (99,5

SiO20,02-0,050,07-0,120,04-0,08

Fe2O30,04-0,050,04-0,060,01-0,02

Na2O0,3-0,699,99%) podem ser alcanadas pelo processo alum (NH4Al(SO4)212H2O), de acordo com a seguinte a reao:

O pH mantido abaixo de 1 para remoo das impurezas. Outras impurezas so removidas durante a cristalizao. O alum derretido a 80C, formando um lquido viscoso e espumoso devido decomposio e volatilizao de certos compostos. A alumina restante facilmente triturada resultando em um p de baixa densidade e incidncia de alguns aglomerados.A Austrlia o maior produtor mundial de bauxita, produzindo em torno de 60Mt/ano. 95% da bauxita extrada no planeta convertida em alumina, chegando a 50Mt por ano. 90% desta produo utilizada para produo de alumnio metlico, os outros 10% so aplicados em propsitos no metlicos, como refratrios e abrasivos. [4, 5]Carbeto de Silcio (SiC)Carbeto de silcio foi encontrado naturalmente apenas em fragmentos de meteoros, mas nunca de forma natural na crosta terrestre. Portanto, o material deve ser produzido artificialmente para suprir sua demanda de mercado. O carbeto de silcio o material mais vastamente utilizado dentre os no-xidos. A maioria de suas aplicaes est relacionada indstria de abrasivos, dada a sua elevada dureza (inferior apenas ao diamante, nitreto de bro cbico e carbeto de bro). O SiC existe em duas estruturas cristalinas diferentes: a fase cbica , formada entre 1400 e 1800C, e a fase hexagonal , formada acima de 2000C . O carbeto de slicio hexagonal, conhecido por -SiC, sintetizado em larga escala por um processo conhecido como processo Acheson. Este consiste basicamente em misturar silica de alta pureza com coque de baixo enxofre, sal e serragem em grandes tanques alongados que terminam em eletrodos opostos de carbono. Cada uma destas pilhas, ou fornos, comportam em torno de 3 toneladas de material. Um potencial aplicado entre esses dois eletrodos, gerando uma corrente que aquece o coque at 2200-2500C por um perodo de 2 at 20 dias, dependendo do tamanho do processado, consumindo aproximadamente 2 milhes de kWh. Nestas condies o coque reage com a silica formando SiC:

Esta reao uma reao endotrmica, requerindo grandes quantidades de energia. Depois de resfriada, a pilha triturada e os diferentes componentes so separados. Internamente so encontrados cristais de -SiC verde (Figura 4.2) com algumas impurezas (pureza > 99%), teis para a indstria de eletrnicos. Figura 4.2 - SiC produzido pelo processo Acheson.A regio formada entre a parte interna e a camada externa composta por SiC com maior concentrao de impurezas, que do a colorao negra do material (pureza 97,5%). Esta camada til para aplicaes no mercado de refratrios e abrasivos. A camada mais externa no reage completamente, sendo extrada e includa no tanque para prxima reao. O material extrado triturado, tratado quimicamente com cidos e bases, o ferro removido magneticamente, e, por fim, o material passa por um processo de secagem. O p de SiC obtido relativamente grosseiro, e o refinamento posterior aumenta o preo e as impurezas no produto. Outros mtodos muito similares so utilizados na sntese de SiC, porm, utilizando precursores diferentes.O maior produtor mundial de carbeto de silcio a China, produzindo em torno de 450.000t por ano, e o preo do p produzido pelo processo Acheson varia de US$10 a US$40/kg. [4, 5]Produtos cermicos tradicionaisA partir dos produtos cermicos tradicionais apresentados em aula, foram escolhidos os produtos de vidro e cermica de revestimento para descrio de suas caractersticas e aplicaes.Vidro A definio de vidro muito discutida, mas possvel defini-lo como um slido no-cristalino, que no possui simetria, nem periodicidade, e que possui o fenmeno de transio vtrea. [6] Os metais possuem uma temperatura de fuso bem definida, diferentemente dos lquidos que so utilizados para a formao do vidro, que adquirem uma alta viscosidade com a diminuio da temperatura at que, na faixa de temperatura chamada de temperatura de transio vtrea (Tg), seus movimentos ficam restritos. [7] Se compararmos o vidro com um cristal de mesma composio, ficar evidente a falta de ordenao a longa distncia como mostra a Figura 4.3.

Figura 4.3 - (A) Representao de um slido cristalino de composio A2O3 e (B) representao da rede do vidro de mesmo composto. [6]O processo de fabricao pode ser dividido nas seguintes etapas: fuso, modelagem e tmpera. [8]A fuso consiste em aquecer o material para sua completa fuso por volta de 1600C para que esse possa ser modelado.Alguns dos mtodos de moldagem so o sopro e a prensagem. [6] O sopro um dos mtodos mais antigos, mas que foi sendo modificado ao longo do tempo e utilizado para formar materiais ocos, como garrafas. Basicamente o material colocado em um pr-molde e ar injetado para a formao do gargalo e a massa adquire um pr-formato. Depois esse pr-formato levado ao molde onde o ar comprimido injetado para que a massa adquira seu formato final que ento levado para o resfriamento. A prensagem possui o mesmo processo que o sopro, mas com algumas poucas mudanas, pois o gargalo o ltimo a ser formado no pr-molde. [9]Logo aps moldado, o vidro recebe a tmpera. Nessa etapa, ele deve ser cuidadosamente aquecido e resfriado gradualmente, pois essa parte a mais crtica do processo. [8]Algumas das principais caractersticas do vidro so reciclabilidade, sua baixa condutividade trmica, timo isolador dieltrico, alta dureza, durabilidade entre outros. [10] As aplicaes dependem principalmente de sua composio. A Tabela 4.4 mostra a composio de alguns vidros.Tabela 4.4 - Composio das principais famlias de vidros a base de slica. [6]

Levando em considerao a tabela, as aplicaes para alguns vidros podem ser enunciadas: [6] Soda-lime silicato invlucro de lmpadas incandescentes, garrafas, janelas, embalagens de alimentos, etc; Borosilicato instrumentos de laboratrio; Aluminosilicato l de vidro, fabricao de cortinas e roupas a prova de fogo, vidros do tipo opalina, etc; Silicato de chumbo (cristal) jogos de utenslio de mesa, lentes e prismas, tubos de TV, vidro para solda, etc.Cermica de Revestimento As cermicas de revestimento so compostas em geral por trs camadas: suporte, engobe e o esmalte. O engobe possui funo de impermeabilizar e garantir que a terceira camada fique grudada. O esmalte, alm de poder decorar um dos lados da cermica, tambm possui funo impermeabilizante. [11] A massa cermica pode ser composta por : Materiais argilosos que do plasticidade a forma da placa e so a base da constituio do suporte; Materiais no-argilosos como talco, quartzo, caulim e calcrios - que servem para atribuir condies especficas para os materiais e dar sustentao; Aditivos para melhorar a reologia, fluidez, dos materiais cermicos; Esmalte camada vtrea que fica por cima da pea geralmente decorando-a.Tais cermicas so divididades em: azulejos, porcelanatos, lajotas, pisos, etc. E so utilizados, na construo civil, em revestimento de paredes, pisos, bancadas e piscinas de ambientes internos e externos. [11]Produtos cermicos avanadosA partir dos produtos cermicos avanados apresentados em aula, foram escolhidos os produtos de nitreto de silcio (Si3N4) e nitreto de alumnio (AlN) para descrio de suas caractersticas e aplicaes.Nitreto de Silcio (Si3N4)O nitreto de silcio um material cermico avanado com um conjunto de propriedades nico. Apresenta alta resistncia mecnica mesmo em altas temperaturas e em uma ampla faixa, baixo coeficiente de expanso trmica, baixa densidade, boa resistncia a choques trmicos, execelente resistncia ao desgaste e corroso. E em comparao com outros materiais cermicos, apresenta boa elasticidade e tenacidade, alm de maior resistncia fadiga mecnica e fluncia (creep). [12]A produo do nitreto de silcio puro e completamente denso muito difcil, pois processos como a sinterizao no podem ser aplicados diretamente, j que o material no pode ser aquecido acima de 1850C, o que causaria a dissociao em silcio e hidrognio. [12] Tal processo deve ser auxiliado por aditivos qumicos que diminuem a temperatura de sinterizao e auxiliam a densificao do material.As caractersticas e propriedades dos produtos feitos de nitreto de silcio dependem de como este material foi processado. A Tabela 4.5 apresenta as diferentes propriedades de engenharia para duas rotas de produo.Tabela 4.5 - Propriedades do Si3N4 produzido por prensagem quente e por sinterizao sem presso. [13]

Devido s caractersticas e propriedades citadas anteriormente, o Si3N4 possui um grande nmero de aplicaes em diversas reas, principalmente aonde os nveis de solicitao e desempenho do material so altos. O principal problema na aplicao do Si3N4 no seu desempenho, mas sim seu custo, que por muitas vezes torna seu uso invivel.Segue abaixo uma relao de algumas das aplicaes deste material, e as propriedades relevantes envolvidas. Rolamentos: resistncia ao choque e corroso; em comparao com rolamentos de ao, so mais leves, mais durveis, apresentam menor atrito, operam em velocidades e temperaturas maiores, maior resistncia corroso e a ambientes agressivos e podem operar sem lubrificao. Cmaras de combusto: resistncia ao choque trmico e a gradientes trmicos elevados; baixa variao das propriedades em altas temperaturas. Ferramentas de corte e abrasivos: dureza; estabilidade trmica; resistncia ao desgate e ao choque trmico; tenacidade fratura. Eletrnica: isolante eltrico; barreira qumica; dieltrico.Nitreto de Alumnio (AlN)O nitreto de alumnio um material cermico covalente estvel em altas temperaturas para atmosferas inertes. Em atmosfera oxidante, o processo de oxidao comea acima de 700C, mas uma camada de alumina formada, protegendo o material at 1370C, acima desta temperatura a oxidao volta a ocorrer. As propriedades chaves deste material so a alta condutividade trmica, as boas propriedades dieltricas e o baixo coeficiente de expanso trmica. [14]A Tabela 4.6 apresenta algumas das propriedades deste material na temperatura ambiente.Tabela 4.6 - Propriedades do AlN. [14]

Devido a propriedades como a alta condutividade trmica, semicondutividade e boas propriedades dieltricas, as principais aplicaes do AlN envolvem a eletrnica. Uma das aplicaes de grande interesse, a substituio do xido de berlio em semicondutores de alta performance (utilizado por ter uma boa condutividade trmica e ser um bom isolante trmico) que extremamente txico ao homem (ndice 4 no diagrama de Hommel em risco sade) pelo nitreto de alumnio.Abaixo so listadas outras aplicaes do nitreto e alumnio e as propriedades relevantes. Substratos para eletrnicos: cermica semicondutora. Dissipadores de calor: alta condutividade trmica. Bases para transistores de potncia: cermica semicondutora; alta condutividade trmica. Encapsulamento de circuitos integrados: propriedades dieltricas; estabilidade mecnica; baixo coeficiente de dilatao trmica. Acessrios para o processamento de semicondutores e isolantes: Estabilidade qumica.ConclusoAtravs desta prtica, houve contato direto com matrias-primas cermicas naturais e sintticas, que originam produtos cermicos tradicionais e avanados, respectivamente. Foi notado que a principal diferena entre as matrias primas naturais e sintticas reside em suas formas de obteno e suas aplicaes.Foi percebido que as matrias primas sintticas tm custo elevado, em relao s matrias primas naturais, devido necessidade de controle de composio e pureza. Esse maior controle exige processos mais avanados e, por isso, mais caros. Alm disso, as matrias primas sintticas no so encontradas em grandes quantidades, quando existem em stios naturais. Um exemplo de matria-prima sinttica que existe em quantidades limitadas no planeta o carbeto de silcio (SiC), que foi inicialmente encontrado em fragmentos de meteoros, para posteriormente ser produzido de forma sinttica. Em consequncia ao alto custo de obteno dessas matrias primas e devido s suas propriedades diferenciadas, sua utilizao tambm bastante especfica em produtos cermicos avanados, diferentemente das matrias primas naturais, que produzem as cermicas tradicionais. Por outro lado, as cermicas tradicionais, que dependem de matrias primas naturais, so produzidas apenas em regies onde a matria prima extrada, devido ao custo alto de transporte em relao ao baixo valor de venda desses produtos.Referncias Bibliogrficas [1] William D. Callister, Jr, Cincia e Engenharia de Materiais: Uma Introduo, 7ed . John Wiley & Sons, Inc., LTC, Rio de Janeiro, 2008.[2] Cetem. Argilas para Cermica Vermelha. Disponvel em: . Acesso em: 29 jul. 2014.[3] Cetem. Argilas para Cermica Branca. Disponvel em: . Acesso em: 29 jul. 2014.[4] M. Bengisu, Engineering Materials - Engineering Ceramics, Springer, 2001.[5] C. Barry Carter and M. Grant Norton, Ceramic Materials Science and Engineering, Springer, 2007.[6] Qumica Nova Interativa. Vidros. Qumica Nova Interativa. Disponvel em :. Acesso em 27 jul. 2014.[7] Cincia dos Materiais. Captulo 06 - Slidos No-Cristalinos. Cincia dos Materiais. Disponvel em: . Acesso em 27 jul. 2014. [8] USP FAU. A indstria e a produo de vidro. USP FAU. Disponvel em: . Acesso em 27 jul. 2014.[9] Verallia. Processo de Fabricao. Verallia. Disponvel em: . Acesso em 27 jul. 2014.[10] Cebrace. O vidro. Cebrace. Disponvel em: . Acesso em 27 jul. 2014.[11] Pipe UFPR. Dissertao. Pipe UFPR. Disponvel em: < http://www.pipe.ufpr.br/portal/defesas/dissertacao/075.pdf>. Acesso em 29 jul. 2014.[12] C.C. Sorrel, C. Silicon Nitride (Si3N4) Properties and Applications. Azom. Disponvel em: . Acesso em: 26 jul. 2014.[13] Accuratus. Silicon Nitride, Si3N4 Ceramic Properties. Accuratus. Disponvel em: . Acesso em: 26 jul. 2014.[14] Accuratus. Aluminum Nitride, AlN Ceramic Properties. Accuratus. Disponvel em: . Acesso em: 26 jul. 2014.