Seminário Ceramicas Avançadas Thatiana Macedo

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8/22/2019 Seminário Ceramicas Avançadas Thatiana Macedo http://slidepdf.com/reader/full/seminario-ceramicas-avancadas-thatiana-macedo 1/31 Matérias Primas para Cerâmicas  Avançadas: alumina, zircônia e carbeto de silício.  Discente: Thatiana Cristina Pereira de Macedo Docente: Fabiana Villela. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE  CENTRO DE TECNOLOGIA  DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS  MATÉRIAS PRIMAS CERÂMICAS  1

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Matérias Primas para Cerâmicas

 Avançadas: alumina, zircônia e

carbeto de silício. 

Discente: Thatiana Cristina Pereira de Macedo

Docente: Fabiana Villela.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA 

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS MATÉRIAS PRIMAS CERÂMICAS 

1

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SUMÁRIO

• Introdução• Cerâmicas Avançadas - Estrutura, propriedades e aplicações

• Alumina;

Zircônia;• Carbeto de Silicio.

• Considerações finais

Referências

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INTRODUÇÃO • De todos os materiais, a cerâmica é aquele que acompanha o

homem há mais tempo.

Fonte: http://mundodorestauro.com/index.php?option=com_content&view=article&id=6&Itemid=7

Os produtos cerâmicos foram evoluindo como homem:

O domínio da tecnologia da queima doscombustíveis e dos materiaissofisticaram ao materiais cerâmicosvisando atender a indústria elétrica,química, siderúrgica, ótica e mecânica.

(IFSC, 2012)

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INTRODUÇÃO 

• Cerâmicas: materiais inorgânicos, não metálicos, formados por elementos metálicos e não metálicos, ligados por ligações iónicase/ou covalentes.

• Geralmente: óxidos, nitretos e carbetos.

• A cristalização, confere ao material cerâmico propriedades físicascomo:

• refratariedade, condutividade térmica, resistência ao choquetérmico, resistência ao ataque de produtos químicos, resistência àtração e à compressão, isolantes elétricos e de calor; resistentes

a altas temperaturas; duros e quebradiços (Callister, 2002).

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INTRODUÇÃO 

Figura: Subdivisão dos materiais cerâmicos conforme aplicaçãoFonte: http://sites.poli.usp.br/d/pmt2100/Aula10_2005%201p.pdf 

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CERÂMICAS AVANÇADAS• Cerâmicas para usos especiais;

• Utilizam matérias primas sintéticas (como o nitreto cúbico de boro, aalumina, a zircônia ou o carbeto de silício) de alta pureza;

• Obtidas sob condições controladas;

(Fonte: IFSC, 2012)

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CERÂMICAS AVANÇADAS

Fonte: IFSC 2012

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CERÂMICAS AVANÇADAS  – ALUMINA• Método de obtenção da alumina  – PROCESSO BAYER

Fonte: http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10888/

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ALUMINA• Método de obtenção da alumina  – PROCESSO BAYER

• Tratamento do bauxita com hidróxido de sódio em tanques -aluminato de sódio e lama vermelha

• Lama vermelha é decantada e filtrada e a solução de aluminato desódio é nucleada com cristais de Gibsita

• A gibbsita é calcinada sendo obtida a alumina.

Para produção de alumina para cerâmica - modificações noprocesso Bayer e no tratamento térmico visando reduzir o teor de

Na2O e controlar o tamanho e forma dos cristais. (AssociaçãoBrasileira de Cerâmica, 2012).

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ALUMINA•

Estrutura Cristalina (Al2O3) - Estrutura hexagonalcompacta:

• Ions de alumínio ocupando 2/3 dos interstícios octaédricos,próximo de seis íons de oxigênio eqüidistantes.

Figura: Estrutura cristalina da aluminaFonte: Moraes, 2004.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ALUMINA• Propriedades:

• Alta dureza;

• Resistência ao desgaste;

• Resistência ao ataque químico;

Resistência à corrosão;• Estabilidade termodinâmica;

• Resistência em temperaturas altas (representante daclasse das cerâmicas estruturais);

Fragilidade;• Baixa tenacidade à fratura;

• Resistência a choque térmico.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ALUMINA

Aplicações:• Material abrasivo;

• Revestimento de fornos;

• Moinhos;• Implantes ortopédicos e odontológicos;

• Pedras preciosas;

• Aplicações nas áreas espaciais e aeroespaciais;• Membranas de ultrafiltração e suportes de

catalisador.Figuras: Implante dentário e prótese de quadrilFonte: Moraes, 2004.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ALUMINA•

Aplicações:

• Cerâmica refratária  – mantém suas características mesmoquando dispostos a altas temperaturas.

• Capacidade de suportar altas temperaturas sem deformar apresentando:

• Estabilidade mecânica;

• Estabilidade química;

• Estabilidade dimensional;

Estabilidade ao choque térmico.• A alumina é utilizada em revestimento de fornos, mantendo

praticamente todas as suas características isolantes. (Silvaet al , 2012).

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ALUMINA• Caracterização  – MEV:

Distribuição irregular:formato alongado eplano e outra morfologiaem forma de Disco.

Partículas com cerca de15mm - menor que 5mm

aglomeradas.Figura: MEV de partículas de alumina.Fonte: Costa, 2006.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ALUMINA• Caracterização  – DRX e FRX:

Figura: DRX e FRX de alumina.

Fonte: Costa, 2006.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ZIRCÔNIA

Método de obtenção da zircônia (ZrO2)• Duas maiores fontes: a zirconita (ZrSiO4) e a

badeleyita (ZrO2) (Fonte: Moraes, 2004).

• O óxido em sua forma impura pode ser usado

para confecção de refratários na indústriacerâmica e do vidro (Lamotte, Moura eNishikawa, 2011).

• Processo Kroll: 3 etapas: cloração, purificação e

redução - remoção do SiCl4 que é vaporizadona purificação em banho de sal e separação deoutras impurezas por destilação fracionada.

Figura: Badeleyta.Fonte: Lamotte, Moura eNishikawa, 2011.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ZIRCÔNIA

Figura: Processo de obtenção de zirconia estabilizada com ítria (oxacloreto de zirconio).

Fonte: Moraes, 2004.

• Método de obtenção da zircônia (ZrO2)

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ZIRCÔNIA• Estrutura: zircônia pura polimórfica: monoclínica (estável até

1173 ºC), tetragonal (até 2370 ºC) e cúbica (2680 ºC).

Figura: Estrutura da zirconia monoclínica.Fonte: Moraes, 2004. Figura: Estrutura da zirconia tetragonal.

Fonte: Moraes, 2004.Figura: Estrutura da zirconia cúbica.Fonte: Moraes, 2004.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ZIRCÔNIA

• Categorias:

• Zircônia parcialmente estabilizada - contém aditivos parapermitir a formação de zircônia tetragonal em uma matriz

cúbica.• Zircônia tetragonal policristalina - quantidade próxima de

100 % da fase cristalina tetragonal na temperaturaambiente.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ZIRCÔNIA• Propriedades:

• Tenacidade  – transformação de tetragonal para monoclínica;

• Alta resistência a flexão  – grãos menores;

• Alta resistência ao desgaste;

• Baixo coeficiente de atrito;

• Alta condutividade iônica;

• Alto ponto de fusão;

• Elevada resistência química;

Refratariedade;• Elevadas propriedades mecânicas;

• Coeficiente de expansão térmica e módulo de elasticidadesemelhante a dos aços;

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ZIRCÔNIA• Aplicações:

• Opacificantes;

• Fabricação de tijolos para fornos;

• Revestimento de peças siderúrgicas;

• Abrasivos em vidros, tintas e soldas;

• Ferramentas de corte;

• Partes de motores de combustão,;

• Palhetas de turbinas;

• Sensores de oxigênio;

• Células de combustível;

• Implantes ortopédicos e ortodônticos;

• Bombas de oxigênio.

Figura: peça de implante dentárioFonte: Moraes, 2004.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ZIRCÔNIA• Caracterização  – MEV:

Morfologia dos pós écomposta em sua maioria por grãos esféricos.

Figura: MEV de Zircônia estabilizada com ítriaFonte: Pinheiro, 2008.

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CERÂMICAS AVANÇADAS - ZIRCÔNIA• Caracterização  – DRX:

Figura: DRX de Zircônia estabilizada com ítriaFonte: Pinheiro, 2008.

CERÂMICAS AVANÇADAS CARBETO

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CERÂMICAS AVANÇADAS – CARBETODE SILÍCIO

• Método de obtenção do Carbeto de Silício (SiC):

• Método Acheson  – redução carbotérmica da sílica - Reaçãode coque com sílica em forno elétrico a temperaturas maioresque 2000ºC.

Mistura-se areia de sílica com carvão (ou coque de petróleo),fazendo-se passar corrente elétrica entre grandes eletrodosde carbono que se situam em extremidades opostas.

• Obtidos blocos que devem ser cominuídos.

• Outros métodos: decomposição térmica de organosilanos econversão química de polímeros organometálicos.

CERÂMICAS AVANÇADAS CARBETO

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CERÂMICAS AVANÇADAS – CARBETODE SILÍCIO

• Estrutura: Formação de tetraedros coordenados

• Carbeto de silício α  – hexagonal ou romboédrica; carbeto desilício β  – cúbico.

CERÂMICAS AVANÇADAS CARBETO

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CERÂMICAS AVANÇADAS – CARBETODE SILÍCIO

• Propriedades: (atribuída ao alto caráter covalente da ligação

carbono-silício)• Dureza;

• Grande resistência química;

• Baixa densidade;

Grande rigidez;• Alto ponto de fusão;

• Resistência à corrosão;

• Resistência a altas temperaturas;

Resistência ao desgaste;• Alta condutividade térmica;

• Boa resistência ao choque térmico.

CERÂMICAS AVANÇADAS CARBETO

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CERÂMICAS AVANÇADAS – CARBETODE SILÍCIO

• Aplicações:

• Aplicações tecnológicas que requerem elevado desempenhomaterial;

• Máquinas;

• Turbinas;• Sistemas de transferência de calor;

• Reatores nucleares e de fusão;

Camada de proteção térmica das naves espaciais

CERÂMICAS AVANÇADAS CARBETO

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CERÂMICAS AVANÇADAS – CARBETODE SILÍCIO

• Caracterização - MEV

Fonte: Beltrão, 2005.

MEV de carbeto de silício fase alfa; MEV de carbeto de silício fase beta;

CERÂMICAS AVANÇADAS CARBETO

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CERÂMICAS AVANÇADAS – CARBETODE SILÍCIO

• Caracterização - DRX

DRX de carbeto de silício fasealfa;

DRX de carbeto de silício fasebeta;

Fonte: Beltrão, 2005.

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CONSIDERAÇÕES FINAIS

• As cerâmicas avançadas estão se destacando nasaplicações de engenharia, embora a necessidade decontrole de matéria prima e processamento ainda as

tornem materiais caros.• A combinação de melhoria de propriedades mecânicas

aumenta a busca pelos estudos desses materiais.

A alumina, zircônia e carbeto de silício estão sendo cadavez mais estudados, inclusive combinados, na busca pelamelhoria de algumas propriedades.

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REFERÊNCIAS• MORAES, M. C. C. S. B. Microestrutura e propriedades mecânicas de Compósitos alumina-zircônia para

próteses dentárias. Dissertação (Doutorado em Ciência dos Materiais do Instituto Militar de Engenharia). Rio deJaneiro. 2004.

• COSTA, H. S. Fabricação de biocerâmicas de matriz porosa com estrutura em alumina, recobrimentosuperficial de fosfato de cálcio e zinco incorporado à superfície. Dissertação (Mestrado em EngenhariaMetalúrgica e de Minas - Universidade Federal de Minas Gerais). Minas Gerais. 2006.

• IFSC. Cerâmica e Mecânica: um casamento de futuro. Material de aula. Disponível em:https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/0/0d/Aula_19.pdf. Acesso em: 10 out. 2012.

• CALLISTER JR., W. D. Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução. São Paulo: LTC, 2002.

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CERÂMICA. Informações Técnicas - Matérias-Primas Sintéticas. Disponível em:http://www.abceram.org.br/site/?area=4&submenu=48 Acesso em: 10 out. 2012.

• LAMOTTE, A.; MOURA, L. N.; NISHIKAWA, T. S. P. Processo Kroll  – obtenção de titânio e zircônio metálico.Monografia  – Universidade de São Paulo. São Paulo, 2011.  

• PINHEIRO, T. B. Processamento e caracterização da microestrutura e de algumas propriedades mecânicasda zircônia parcialmente estabilizada com ítr ia e da parcialmente estabilizada com magnésia. Dissertação(mestrado em ciências em engenharia metalúrgica e de materiais  – Universidade Federal do Rio de

Janeiro). Rio de Janeiro, 2008.• SILVA, B.; VINICIUS, B.; PAULO, J.; PORTO, T. Materiais Refratários. Disponível em:

http://www.ifba.edu.br/metalografia/arq/mat_refra.pdf . Acesso em: 10 out. 2012.

• BELTRÃO, M. S. S.; Sinterização em estado sólido de carbeto de silício em presença de carbeto deboro, carbono e zircônia. Dissertação (mestrado em ciências em engenharia metalúrgica e demateriais  – Universidade Federal do Rio de Janeiro). Rio de Janeiro, 2005.