UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIA CTDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICACINCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

CERMICAS AVANADAS

NATAL/RNJUNHO-2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIA CTDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICACINCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAISJOAO BOSCO DE ARAUJO PAULO

CERMICAS AVANADAS

NATAL/RNJUNHO-2014SUMRIO

1- INTRODUO42- DEFINIES E PRODUO53- PROPRIEDADES, TIPOS COMUNS E APLICAES73.1- Propriedades73.2- Tipos comuns83.2.1- Alumina83.2.2- Carboneto de silcio93.2.3- Zircnia113.2.4- Nitreto de silcio123.3- Aplicaes123.3.1- Indstria automotiva123.3.2- Medicina143.3.3- Energia e meio ambiente153.3.4- Engenharia mecnica15Componentes de de nitreto de silcio usados na fabricao de lminas desta turbina154- INDUSTRIA E PERSPECTIVAS165- CONCLUSO186- REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS19

1- INTRODUOA palavra cermica derivada da palavra grega (Keramikos), que significa material inorgnico, no-metlico, formado pela ao do calor. At meados do sculo passado, as cermicas mais comumente conhecidas foram as argilas tradicionais, tijolos, telhas, cimento e vidro. Muitos materiais cermicos so duros, quebradios e porosos. O estudo e desenvolvimento de cermicas avanadas nos ltimos anos envolveu formas de aliviar os problemas que surgem a partir destas caractersticas . Cermicas avanadas, tais como alumina, nitreto de alumnio, zircnia, carboneto de silcio, nitreto de silcio e materiais base de dixido de titnio, cada um com suas prprias caractersticas especficas, oferecem um alto desempenho, alternativa econmica para materiais convencionais, como vidro, metais e plsticos.A demanda colocada por novas aplicaes novas e mudanas visa melhorar a operao a um custo reduzido . Novos materiais esto sendo continuamente projetados e adaptados para atender s necessidades de aplicaes especficas e, muitas vezes, nicas.A juno de cermica com metais cria seus prprios desafios de engenharia que exigem conhecimentos especializados.

2- DEFINIES E PRODUOCermicas industriais so comumente entendidas como todos os materiais usados industrialmente que so inorgnicos e slidos no metlicos. Normalmente, eles so os xidos de metal (isto , compostos de elementos metlicos e de oxignio), mas muitas cermicas (especialmente as avanadas) so compostas de elementos metlicos e de carbono, azoto, ou enxofre. Na estrutura atmica, so mais frequentemente cristalinas, embora possam tambm conter uma combinao de fases vtreas. Essas estruturas e ingredientes qumicos resultam em propriedades cermicas semelhantes de utilidade universalmente reconhecidas, incluindo: resistncia mecnica, apesar da fragilidade; durabilidade qumica contra os efeitos de deteriorao do oxignio, gua, cidos, bases, sais e solventes orgnicos; dureza, contribuindo para a resistncia contra o desgaste; a condutividade trmica e elctrica consideravelmente menor do que a de metais; e uma capacidade de ter um acabamento decorativo.As matrias-primas utilizadas na fabricao cermicas avanadas (tambm conhecidas como "cermica fina") incluem ps slidos inorgnicos com pureza, tamanho de partcula e distribuio controlada com preciso. Estas matrias-primas so formuladas para as propriedades especficas e funcionalidades, em seguida, misturadas com um agente ligante. Em seguida, elas so moldadas e cortadas a exigncias precisas e cozidas a temperaturas extremas em fornos com temperatura controlada.

Exemplo de modelo de produo de cermicas finas

3- PROPRIEDADES, TIPOS COMUNS E APLICAES3.1- PropriedadesAs propriedades fsicas, tais como dureza, resistncia ao desgaste, corroso e estabilidade trmica so consideradas ao escolher um material. Cada uma delas pode ser otimizada, dependendo da escolha do mesmo .Para essa situao, ser mostrada uma tabela apresentando as propriedades da alumina, zircnia, nitreto e carboneto:

ALUMINA Al2O3ZIRCONIA ZrO2NITRETO DE SILCIO Si3N4CARBONETO DE SILCIO SiC

PROPRIEDADES DO MATERIAL

Densidadegr/cm33.863.33.2

PorosidadeVol %0000

PROPRIEDADES MECNICAS

DurezaN/mm220000120001600025000

Fora de compressoMPa1700-2500200028002500

Dureza de fraturaMPa*m49-156-73-4

Bending strengthN/mm2300-340800-1400750-850300-550

PROPRIEDADES TRMICAS

Mxima temperatura de uso

C1650-1900

900-1200

1000-1400

1400-1600

Expanso trmica10-6/K7.0-9.08.0-11.03.0-4.04.0

Condutividade trmicaW/mK a 20C20-302-335110

PROPRIEDADES ELTRICAS

Resistividade eltricaOhm.cm a 400C10121010101110-50

Quando se projetam componentes de cermicas avanadas, a escolha do material correto muito importante. Com isso, foi criada a seguinte base: Al2O3 - deve ser usado quando as propriedades trmicas e eltricas forem importantes. Possui boa fora mecnica e apresenta pouco desgaste. ZrO2 - deve ser usado quando propriedades mecnicas forem importantes. Possui baixa condutividade trmica Si3N4 - deve ser usado quando propriedades mecnicas extremas forem importantes. Tambm possui boas propriedades trmicas e eltricas. SiC - deve ser usado quando quando propriedades mecnicas extremas forem importantes a altas temperaturas. Possui baixa resistividade eltrica.3.2- Tipos comuns3.2.1- Alumina O xido de Alumnio, Al2O3 um importante material de engenharia. Dispe de uma combinao de boas propriedades mecnicas e elctricas que conduzem a uma grande variedade de aplicaes.A alumina pode ser produzida em uma variedade de graus de pureza com aditivos destinados a melhorar suas propriedades. Uma grande variedade de mtodos de processamento de cermica pode ser aplicada, incluindo usinagem para produzir uma ampla gama de tamanhos e formatos de componentes. Alm disso, ela pode ser facilmente associada a outros metais ou cermicas, utilizando tcnicas metalizao e brasagem .Caractersticas tpicas incluem: Boa rigidez Boa resistncia corroso Boa estabilidade trmica Excelentes propriedades dieltricas (de DC para freqncias GHz) Baixa constante dieltrica

Aplicaes de alumina tpicas incluem:

Anis de vedao Prteses mdicas Tubos de laser Substratos eletrnicos Blindagem balstica Tubos de termopares Isoladores3.2.2- Carboneto de silcioO carboneto de silcio formado de duas maneiras, por ligao e sinterizao. Cada mtodo de formao afeta grandemente a microestrutura final. A ligao do SiC feita por infiltrao de compactos feitos de misturas de SiC e carbono com o silcio lquido. O silcio reage com o carbono formando mais SiC, que liga as partculas iniciais.

O SiC sinterizado produzido a partir do p puro de SiC com auxiliares de sinterizao no xidos. Processos convencionais de formao de cermica so utilizados e o material sinterizado numa atmosfera inerte, a temperaturas de at 2000 C.

Ambas as formas de carboneto de silcio ( SiC ) so altamente resistentes ao desgaste, com boas propriedades mecnicas, incluindo a resistncia a altas temperaturas e ao choque trmico.

As caractersticas tpicas carbeto de silcio incluem:

Baixa densidade Alta resistncia Boa resistncia a altas temperaturas (reaco ligado ) Resistncia oxidao ( reao ligado ) Excelente resistncia ao choque trmico Alta dureza e resistncia ao desgaste Excelente resistncia qumica Expanso trmica baixa e alta condutividade trmica

As aplicaes tpicas Silicon Carbide incluem:

Componentes de turbinas fixas e mveis Selos, rolamentos, bombas Peas de vlvula Placas de desgaste Mobilirio kiln Trocadores de calor3.2.3- ZircniaA Zircnia oferece resistncia qumica e corroso a temperaturas bem acima do ponto de fuso de Alumina.Na sua forma pura, a estrutura de cristal muda as aplicaes mecnicas, no entanto, Zirconias estabilizadas produzidas pela adio de clcio, magnsio ou xidos podem produzir uma resistncia e,em particular, uma tenacidade muito alta. Alm disso, o material tem uma baixa condutividade trmica e um condutor inico acima de 600 C. Isto levou a aplicaes em sensores de oxignio e clulas de combustvel de alta temperatura.Caractersticas tpicas incluem: Alta capacidade de temperatura de at 2400C Alta densidade Alta resistncia e tenacidade a fraturas Alta dureza e resistncia ao desgaste Baixa condutibilidade trmica Boa resistncia qumica Condutividade Inica

Aplicaes tpicas incluem: Meios de moagem de alta densidade Os sensores de oxignio Membranas das clulas de combustvel Lminas de corte Prteses mdicas Componentes de Metrologia

3.2.4- Nitreto de silcio

O nitreto de silcio tem boa resistncia a altas temperaturas, fluncia e resistncia oxidao, ao mesmo tempo que o seu baixo coeficiente de expanso trmica proporciona uma boa resistncia ao choque trmico, quando comparado com a maioria dos outros materiais cermicos.

Possui alta resistncia fratura, dureza e resistncia ao desgaste, e fabricado em trs tipos principais de produtos: a reao ligada nitreto de silcio (RBSN), nitreto de silcio quente pressionado (HPSN) e nitreto de silcio sinterizado (SSN).

Aplicaes tpicas incluem:

Rolamento de esferas e elementos do rolo Ferramentas Vlvulas Rotores do turbocompressor para motores Velas de incandescncia Manipulao de metal fundido no-ferrosos Bainhas de termopares Gabaritos de soldagem e acessrios e bicos de solda corte.

3.3- Aplicaes3.3.1- Indstria automotiva

Para vrias montadoras, a cermica ser o material cuja a aplicao mais crescer em um futuro prximo na indstria automotiva, com os motores sendo os mais beneficiados. As peas internas feitas deste material exigiro menos lubrificao, tero uma durao maior e sero mais leves que o ferro e alumnio. Por serem mais resistentes a temperaturas mais elevadas do que peas feitas de metal, elas so mais estveis e no incham ou se deformam sob condies crticas de uso . Alm disso , o calor mais facilmente dissipado, o que importante componentes que sofrem efeitos de frico grandes - como o disco freio. Para obter essas caractersticas, as cermicas avanadas tm em suas frmulas alumina , slica, titnio, areia, feldspato e zircnia . Estes elementos combinam-se para formar o composto de cermica que tem mais uma vantagem em comparao com metais, a flexibilidade. Ela que permite a fabricao de peas complexas com preciso. Nos motores, as peas em cermica, resistentes ao calor como os componentes de vlvulas, apoios nas caixas de eixos de manivela e os componentes para gua e bombas de combustvel asseguram maior eficincia, menos desgaste e reduo de emisso de rudo. Com isso, os compostos de metal de cermica abrem um mundo de novas possibilidades na construo de metais leves. Como exemplos de usos na indstria automobilista, podemos citar o sistema de frenagem e as velas de ignio.

3

De 240 km/h a zero, o carro equipado com freios de cermica ganha 11 metros em cada segundo de freada. Um ganho de eficincia de 25% em relao a outro equipado com discos de ferro.

Cermica com alto teor de alumina: permite eficiente dissipao trmica, maior isolao eltrica e resistncia aos choques trmicos e mecnicos.

3.3.2- Medicina

Cermicas de alta qualidade so utilizadas por fabricantes de dispositivos mdicos e profissionais de sade por causa de as suas caractersticas fsicas excepcionais. Dentro dessa rea, podemos citar o uso de prteses ortopdicas cermicas e combinaes altamente especializadas de cermica-metal para dispositivos implantveis, como marca-passos, implantes cocleares e desfibriladores.Os cermicas avanadas biocompatveis resistentes a desgaste permitem que os mdicos forneam um excelente atendimento aos pacientes e ajuda-os a controlar os desafios da vida diria novamente. Atualmente, a articulao do quadril com prtese Biolox CeramTec componentes so implantados a cada minuto por mdicos em todo o mundo. Mas o CeramTec cermica avanada tambm usado em todos os tipos de dispositivos e equipamentos, tais como produtos de limpeza ultra-snicos e Lithotripters ou produtos odontolgicos na rea de cermicas odontolgicas.

Prteses de quadril com peas de cermica so uma excelente opo de tratamento, o que ajuda a fornecer aos pacientes com uma elevada qualidade de vida por um longo perodo de tempo.3.3.3- Energia e meio ambienteOs materiais cermicos permitem um controle dos processos de seguros e de baixo desgaste , reduzem as emisses e asseguram o uso eficiente dos recursos em muitas reas de abastecimento de energia e tecnologia ambiental.Um exemplo de seu uso a utilizao de nanoparticulas de xido de alumnio (Al203) para aumentar a eficincia na combusto de biocombustveis e diminuir a emisso de gases poluentes.

Nanopartculas de xido de alumnio3.3.4- Engenharia mecnicaA resistncia ao desgaste extraordinrio, resistncia temperatura e alto nvel de resistncia corroso fazer cermica tcnica CeramTec uma alternativa segura para outros materiais nas instalaes, engenharia mecnica e equipamentos. Nos dias de hoje, o nitreto de silcio (Si3N4) um dos materiais mais promissores para a construo de novas geraes de turbinas gs.

Componentes de de nitreto de silcio usados na fabricao de lminas desta turbina4- INDUSTRIA E PERSPECTIVASNo tocante industria mundial, quem lidera a produo no ramo de cermicas finas a companhia japonesa chamada Kyocera. Em seguinda, temos uma norte-america e outra japonesa.

1. Kyocera Corp.

As operaes globais da Kyocera oferecer uma variada gama de produtos, incluindo cermica avanada e componentes de vidro para aplicaes tais como equipamentos de fabricao de semicondutores e dispositivos eletrnicos, como smartphones e outros dispositivos touchscreen.

2. Corning Inc.

A Corning est envolvido na fabricao de especialidades cermica e vidro componentes, tais como substratos cermicos para as emisses automotivas sistemas de controle e proteo de vidro para aplicaes eletrnicas como laptops e dispositivos touchscreen.

3. Murata Manufacturing Co. Ltd.A Murata produz capacitores e outros componentes eletrnicos para uso em produtos como telefones celulares, computadores, carros / caminhes, televisores, etc componentes avanados incluem produtos como capacitores de cermica monoltica, ressonadores de cermica e filtros cermicos.A indstria dos brasileira continua a ter uma necessidade de materiais que so leves, fortes e capazes de serem usados em ambientes extremos que muitas vezes incluem altas temperaturas ou alta corroso. Embora muitas cermicas geralmente apresentam um bom desempenho a temperaturas consideravelmente mais elevadas do que as ligas de metais convencionais, elas so geralmente frgeis e, como resultado, podem sofrer uma falha catastrfica em servio. Tipos de cermicas avanadas esto sendo desenvolvidas para superar essa limitao, mantendo suas outras propriedades de valor. Esta nova classe de materiais cermicos ir proporcionar uma combinao nica de estabilidade a alta temperatura, a resistncia corroso e resistncia necessria para uma vasta gama de aplicaes, onde so desejadas melhorias na eficincia energtica, a proteo do ambiente, a proteo balstica, custo operacional de vida e desempenho.

5- CONCLUSO

A partir de origens humildes em barro e tijolos, a cermica j percorreu um longo caminho, onde hoje elas parecem estar prontas para revolucionar a vida moderna. Supercondutores de alta temperatura, cermicas estruturais para motores e cermicas eletrlitas para baterias de armazenamento e clulas de combustvel tm a capacidade de provocar uma mudana radical no mundo em torno de ns se o seu potencial prometido for realizado. As prximas duas dcadas devem testemunhar isso.

6- REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

Evolution, classification, properties, production, firing, finishing and design of Advanced Ceramics. Disponvel em: . Acesso em: 30 maio 2014.BRITANNICA, Encyclopdia.Advanced Ceramic Materials Properties and Processes.Disponvel em: . Acesso em: 30 maio 2014.CERAMTEC. CERMICA AVANADA: Mercado. Disponvel em: . Acesso em: 29 maio 2014. NONI JUNIOR, Prof. Dr. Agenor de; MONTEDO, Prof. Dr. Oscar R. K..Perspectivas de Emprego de Cermica Avanada para os Desafios Atuais e Futuros.Disponvel em: . Acesso em: 30 maio 2014.

ADVANCED Ceramics - Properties. Disponvel em: . Acesso em: 30 maio 2014.