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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II (EM307)2º Semestre

2005/06

1. Materiais Cerâmicos

F. Jorge Lino Alves

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Resumo

1. MATERIAIS CERÂMICOS

– Cerâmicos Tradicionais e de Engenharia (técnicos)

– Vidros.

– Dureza, módulo, densidade, resistência, tenacidade, temperatura de fusão, coeficiente de expansão térmica, calor específico, condutividade térmica, etc.

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MATERIAIS

1. Cristalinos (cerâmicos)

2. Amorfos (vidros)

3. Parcialmente cristalinos (vidros cerâmicos), cristais numa matriz vítrea

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MATERIAIS CERÂMICOS

Materiais inorgânicos, não metálicos constituídos por elementos metálicos e não metálicos juntos por ligações iónicas e/ou covalentes.

Duros e frágeisDuros e frágeis

- Óxidos- Silicatos- Carbonetos- Nitretos- etc.

• Baixa condutibilidade eléctrica e térmica• Elevada temperatura de fusão• Elevada estabilidade química

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Propriedades dos materiais cerâmicos dependem de:

1. Tipo de ligação (elevadas forças interatómicas)

- temperatura de fusão elevada- dureza elevada- elevada estabilidade química - rigidez elevada (E)- resistência à deformação plástica a baixa e altas temperaturas- baixa tenacidadebaixa tenacidade

2. Ausência de electrões livres

- baixa condutividade térmica e eléctrica- transparência (em monocristais ou secções finas de pluricristais)

3. Condução iónica a temperatura elevada (difusão)

mobilidade do catião (+) >> mobilidade do anião (-)

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1.1. CERÂMICOS TRADICIONAIS

Esta classe é geralmente composta por principalmente por silicatos: porcelanas, faianças, vidros e cimentos

ARGILAARGILA(silicatos de alumínio hidratado - caulinite Al2O3.2SiO2.2H2O) (40% Al2O3, 46% SiO2 e 14% H2O) (+TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O e K2O) - Moldabilidade

• Porcelana (argila, sílica e feldspato (K2O. Al2O3.6SiO2))Sílica (SiO2) - Refractariedade e Tf

Feldspato (K2O. Al2O3.6SiO2) - Liga os diversos constituintes e Tf

Aplicações: Tijolos, telhas, louça, jarros

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• Possuem ciclos de cozedura extremamente longos, para eliminar a água e reduzir as probabilidades de fissuração por choque térmico.

• Ocorrem elevadas contracções.

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Estruturas heterogéneas

molochite

zircãoEXEMPLO (moldações cerâmicas para fundição ou termoformação de vidro)

Matéria-prima• partículas grandes de molochite (mistura de mulite (3Al2O3.2SiO2) e sílica amorfa)

• partículas arredondadas de zircão (ZrSiO4)

• partículas ligadas por uma rede tridimensional de sílica (silicato de etilo hidrolisado)

• elevada porosidade

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Composição Química

• 15% (zircão) silicato de zircónio (-325 mesh)• 40% silicato de zircónio (-200 mesh)• 15% silicato de zircónio (areia) (100-120 mesh)• 20% molochite (55% mulite-3Al2O3.2SiO2, 45% sílica amorfa) (30-80 mesh)• 10% molochite (16-35 mesh)

Processamento

1. Mistura dos pós com silicato de etilo hidrolisado2. Adição do catalisador 3. Vazamento da barbotina4. Controlar tempo de gel e parar a reacção5. Desmoldar6. Queima7. Sinterização

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ARGILA

Matéria-prima que provém da decomposição, ao longo de milhões de anos, de rochas feldspáticas, muito abundantes na crosta terrestre.

Esta decomposição deve-se principalmente à acção da água, que actua sobre as rochas como um poderoso agente abrasivo, dissolvendo os materiais solúveis e depositando-os.

PrimáriasFormam-se no seu próprio lugar de origem – a rocha mãe – onde se encontram mais protegidas dos agentes atmosféricos. Caracterizam-se por partículas grossas e uma coloração mais clara. São pouco plásticas mas de São pouco plásticas mas de grande pureza, possuindo um alto nível de fusão grande pureza, possuindo um alto nível de fusão (caulino).(caulino).

Secundárias ou sedimentaresSão aquelas que foram transportadas para longe da rocha mãe, por acção da água, do vento ou mesmo dos glaciares.Estas argilas são finas e plásticas do que as primárias, embora possam conter impurezas devido ao seu contacto com outros materiais e mesmo com matérias orgânicas. São argilas que sofrem São argilas que sofrem alterações de coloração e apresentam um nível alterações de coloração e apresentam um nível de fusão mais baixo.de fusão mais baixo.

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Porosidade muito variável

Refractários ( porosidade) Porcelanas ( porosidade)

Composição química, expressa em % óxidos, de argilas de várias procedências, classificadas como matérias primas principais das indústrias indicadas

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1.2. CERÂMICOS DE ENGENHARIA (Técnicos/Avançados)

Geralmente são compostos puros

• baixa densidade (densidade relativa elevada)• elevada resistência a todas as temperaturas• elevado módulo de elasticidade (E) - rigidez• elevada dureza, resistência ao desgaste e abrasão• elevada resistência à corrosão• elevada refractariedade• baixa condutibilidade térmica• baixo coeficiente de expansão térmica• propriedades eléctricas e magnéticas diversas

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1. Óxidos- Alumina (Al2O3) - placas circuitos integrados, implantes, sensores, cadinhos, velas- Óxido de magnésio (MgO) - díodos, dissipadores de calor- Zircónia (ZrO2) - refractários, pedras preciosas, abrasivos

2. Nitretos- Nitreto de silício (Si3N4) - motores (turbinas)- Nitreto de boro (BN) - ferramentas- Nitreto de titânio (TiN) - revestimento de ferramentas

3. Carbonetos- Carboneto de silício (SiC) - chumaceiras- Carboneto de tungsténio (CW) - matrizes de extrusão

4. Sialons- Sialon (Si-Al-O-N β´=Si3-x AlxOxN4-x 0≤x≤2) - válvulas

AZ50 (50% Alumina, 50% zircónia cúbica)

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AM50+

30 % vol. Aglomerados (grão grosso)

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[email protected], www.fe.up.pt/~falvesPlaca de Alumina

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BC BN Densidade Mgm-3 2.3-2.5 1.9-2.1

Dureza HV 3200 soft

Módulo de Young GPa 450 20-100

Resistência à Flexão MPa 400 -

Tenacidade à fractura MNm-3/2 2-5 -

Temp. Máx. de Utilização ºC 800 1200

Condutividade térmica Wm-1K-1 30-15 20-13 33-27

CERÂMICOS BASEADOS EM BORO

BeO MgO ThO2 Densidade Mgm-3 2.8 3.5 9.2-9.6

Dureza HV 1200 600 -

Módulo de Young GPa 340 300 240

Temp. Máx. de Utilização ºC - 1200 1500

Condutividade térmica Wm-1K-1 300-20 10- 9.2

Coeficiente de Expansão 10-6K-1 6-9 8-12 9-

CERÂMICOS BASEADOS EM ÓXIDOS

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CERÂMICOS DE ALUMINA % de Alumina

99% 97,5% 85%

ZTA

Densidade Mgm-3 3.87 3.87 3.45 3.9

Dureza HV 1900 1700 1200 2000

Módulo de Young GPa 380 340 270 450

Tenacidade à fractura MNm-3/2 2-5 2-5 - 6-10

Resistência à Flexão MPa 330 350 330 700-900

Temp. Máx. de Utilização ºC 1300 1000 - 900

Coeficiente de Expansão 10-6K-1 8.5 8.1 7.0 8.0

Condutividade térmica Wm-1K-1 26 24 15 -

SinterizadaMgO

PSZ Y2O3

TZP

Densidade Mgm-3 5.0-5.8 5.2-5.9 5.6

Resistência à Flexão MPa 200 500-600 600-900

Módulo de Young GPa 200 200 200

Dureza HV 1100 1300 1300

Tenacidade à fractura MNm-3/2 5-6 6-8 7-12

Temp. Máx. de Utilização ºC 900 900 900

Condutividade térmica Wm-1K-1 - 1.3-1.5 1.7-3.5

Coeficiente de Expansão 10-6K-1 - 6-12 7-15

CERÂMICOS DE ZIRCÓNIA

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RBSN HPSN SSN Sialon Densidade Mgm-3 2.8 3.1 3.1 3.2

Dureza HV 750 1900 1800 1800

Módulo de Young GPa 120-250 310 300 300

Tenacidade à fractura MNm-3/2 2-5 5-6 2-5 2-5

Resistência à Flexão MPa 200 700 600 800

Temp. Máx. de Utilização ºC 1600 1100 1300 1300

Condutividade térmica Wm-1K-1 14-11 70-18 17-6 20-

Coeficiente de Expansão 10-6K-1 1.5-3.3 - 2.2-3.6 3.2-

CERÂMICOS DE NITRETO DE SILÍCIO

RBSC HPSC SSC NBSC Densidade Mgm-3 3.0-3.2 3.0-3.2 3.0-3.2 2.2-2.7

Dureza HV 2000 2600 2500 2000

Módulo de Young GPa 350 440 400 80

Tenacidade à fractura MNm-3/2 2.5-5.0 2.5-5.0 2.5-5.0 2.5-5.0

Resistência à Flexão MPa 400 500 400 -

Temp. Máx. de Utilização ºC 1400 1500 1500 -

Condutividade térmica Wm-1K-1 - 100-60 100-40 35-15

Coeficiente de Expansão 10-6K-1 4.3 2.8-4.5 - -

CERÂMICOS DE CARBONETO DE SILÍCIO

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2. Vidros

Características

• Transparência (Tamb.)• Dureza (Tamb.)• Suficiente resistência mecânica• Excelente resistência à corrosão

Vidro clássico (soda-cal)

janelas, garrafas, lâmpadas, utensílios de laboratório 70% SiO2, 10% CaO, 15%Na2O

Pirex (borosilicato)

- tabuleiros para fornos, equipamento de laboratório80% SiO2, 15% B2O3, 5%Na2O

Matérias Primas

• Areia (SiO2) - vitrificante• Calcário (CaO) - estabilizante• Dolomite (MgO) - estabilizante• Carbonato de sódio (Ca3Na2) - fundente• Corantes (FeO, Fe2O3, Ca2O3)• Afinantes (F, Na2, SO4)- diminuem a viscosidade

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