DISCIPLINA: DEQ 0605 – Ciências e Engenharia de Materiais para Engenharia de Alimentos

DOCENTE: João Bosco de A. Paulo

DISCENTES: Karine Fonseca Soares

Cerâmicas Avançadas na Indústria de Alimentos

NATAL/RN

JUNHO – 2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE - UFRN

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

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Sumário

1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 3

2. CERÂMICAS AVANÇADAS ...................................................................................................... 4

2.1. DEFINIÇÃO ..................................................................................................................... 4

2.2. CARACTERISTICAS DAS CERÂMICAS AVANÇADAS ......................................................... 4

2.3. CLASSIFICAÇÃO .............................................................................................................. 5

2.4. APLICAÇÃO .................................................................................................................... 6

2.4.1. Filtros ..................................................................................................................... 6

2.4.2. Na indústria ........................................................................................................... 6

2.4.3. Turbinas ................................................................................................................. 6

2.4.4. Optica .................................................................................................................... 7

2.4.5. Em motores e freios .............................................................................................. 7

2.4.6. Proteção Balística .................................................................................................. 8

2.4.7. Eletrônica............................................................................................................... 8

2.5. PROCESSAMENTO ......................................................................................................... 8

2.5.1. Al2O3 –Alumina ...................................................................................................... 9

2.5.2. Alumina eletrofundida .......................................................................................... 9

2.5.3. ZrO2 – Zircônia ....................................................................................................... 9

2.5.4. SiC – Carbeto de Silício .......................................................................................... 9

2.5.5. Si3N4 – Nitreto de Silício ...................................................................................... 10

2.6. TRADICIONAIS X AVANÇADAS ..................................................................................... 10

2.7. CERÂMICAS AVANÇADAS NO BRASIL .......................................................................... 11

2.8. PERSPECTIVAS ............................................................................................................. 12

3. CONCLUSÃO ........................................................................................................................ 14

4. REFERENCIAS ....................................................................................................................... 15

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1. INTRODUÇÃO

A cerâmica é uma arte antiga, que datam de 4.000 anos, originários do Egito

antigo cerca de 4.700 a.C.A origem da palavra "cerâmica" vem da palavra grega

"Keramos", ou cerâmica. A palavra "telha" se origina do latim "Tegula" e seu derivado

francês, "Tuile. No Brasil, a cerâmica tem seus primórdios na Ilha de Marajó, esta

aponta à avançada cultura indígena que floresceu na ilha. Estudos arqueológicos,

contudo, indicam a presença de uma cerâmica mais simples, que indica ter sido criada

na região amazônica por volta de cinco mil anos atrás.

Cerâmica compreende todos os materiais inorgânicos, não metálicos, obtidos

geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas.

As cerâmicas são comumente dividas em dois grandes grupos:

Cerâmica Tradicional - Inclui cerâmica de revestimentos,

como ladrilhos, azulejos e também potes, vasos, tijolos e outros objetos

que não tem requisitos tão elevados se comparados ao grupo seguinte.

Cerâmica "Avançada" - Geralmente são materiais com solicitações

maiores e obtidos a partir de matéria prima mais pura. São abstraidos

motivo, ferramentas de corte para usinagem, tijolos refratários para

fornos.

As cerâmicas avançadas apresentam as seguintes propriedades: grande

resistência à alta temperatura, alta resistência ao desgaste e corrosão, baixa

densidade, fragilidade a impactos, alta condutividade térmica, baixa condutividade

elétrica, alta dureza e resistência química.

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2. CERÂMICAS AVANÇADAS

2.1. DEFINIÇÃO

O aprofundamento dos conhecimentos da ciência dos materiais proporcionou

ao homem o desenvolvimento de novas tecnologias e aprimoramento das existentes

nas mais diferentes áreas, como aeroespacial, eletrônica, nuclear e muitas outras e

que passaram a exigir materiais com qualidade excepcionalmente elevada. Tais

materiais passaram a ser desenvolvidos a partir de matérias-primas sintéticas de

altíssima pureza e por meio de processos rigorosamente controlados. Estes produtos,

que podem apresentar os mais diferentes formatos, são fabricados pelo chamado

segmento cerâmico de alta tecnologia ou cerâmica avançada.

As cerâmicas de alta tecnologia são materiais com solicitações maiores e

desempenho destacado, obtidos a partir de matérias-primas mais puras. Feitas de

óxidos, carbetos, nitretos, boretos, oxinitretos, etc.

AL2O3: Desenvolvida como material refratário, atualmente tem diversos usos –

velas de ignição.

„ SiC: É muito duro, tem alta resistência à oxidação e é usado como reforço em

compósitos com metais ou cerâmicos

„ Si3N4: Dentre os materiais cerâmicos, é o que exibe melhor conjunto de

propriedades e é usado em componentes de motores

„ ZrO2: Zircônia pura é polimórfica e se transforma de tetragonal para

monoclínica em 1170 °c, causando expansão de volume e trincas. combinando ZrO2

com Y2O3.

2.2. CARACTERISTICAS DAS CERÂMICAS AVANÇADAS

As características incomparáveis das cerâmicas avançadas é a resistência a

temperaturas elevadas e à maioria dos compostos corrosivos. Porém sua limitação,

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que impede o seu uso descontinuo, é a fragilidade, possui uma baixa

tenacidade.

Suas principais características são:

1. Uso de matérias-primas sintéticas de elevada pureza;

2. Rigoroso controle de distribuição de tamanho de partículas;

3. Processos de conformação de formas complexas;

4. Rigoroso controle dimensional e densidade aparente;

5. Sinterização em temperaturas mais elevadas e controle rigoroso;

6. Controle rigoroso sobre os gases da atmosfera do forno;

7. Profundo conhecimento sobre a relação: microestrutura x propriedades x

desempenho.

2.3. CLASSIFICAÇÃO

Os produtos são classificados, de acordo com suas funções, em:

eletroeletrônicos, magnéticos, ópticos, químicos, térmicos, mecânicos, biológicos e

nucleares. Os produtos deste segmento são de uso intenso e a cada dia tende a se

ampliar. Como alguns exemplos, podemos citar: naves espaciais, satélites, usinas

nucleares, materiais para implantes em seres humanos, aparelhos de som e de vídeo,

suporte de catalisadores para automóveis, sensores (umidade, gases e outros),

ferramentas de corte, brinquedos, acendedor de fogão, etc.

Tenacidade: é a energia mecânica, ou seja, o impacto necessário

para levar um material à ruptura. Tenacidade é uma medida de

quantidade de energia que um material pode absorver antes de fraturar.

Os materiais cerâmicos, por exemplo, têm uma baixa tenacidade.

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2.4. APLICAÇÃO

2.4.1. Filtros

Espuma cerâmica a base de Al2O3, ZrO2 ou SiC para

filtragem de metais ferrosos e não ferrosos, filtragem de

gases em altas temperaturas, catalisadores e outras

aplicações. Tratamentos químicos superficiais poderiam

proporcionar filtragem seletiva.

Cerâmica porosa em cilindros de Al2O3 para uso em

aquários. Realiza a filtragem biológica e eliminação do amoníaco e dos nitritos da água.

2.4.2. Na indústria

Na industria em geral pode servir para várias áreas:

Componentes para válvulas de exaustão de gases feitos de ZrO2.

Bicos de nebulização de Si3N4.

Parafusos, anéis de vedação e outras peças de SiC para aplicações industriais.

Componentes de selagem metal-cerâmica de alta performance.

Parafusos.

Suportes para catalisadores.

Proteção contra a corrosão.

Rolamentos resistentes ao desgaste para alta Temperatura.

Peças para queimadores de WC.

Rotor revestido de placas de alta alumina.

2.4.3. Turbinas

Também existe muita aplicabilidade na fabricação de peças de turbinas e em

rolamentos feitos com Si3N4.

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2.4.4. Optica

Muito importante na fabricação de fibras opticas, lente de telescopio feitos de

virtroceramicos.

Recentemente está sendo feito um estudo para

lentes feita de fibra de vidro revestida em cobre, que mede

cerca de 10 cm2, um peça tem aproximadamente 1000

lentes com um campo de visão de 180°.

2.4.5. Em motores e freios

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2.4.6. Proteção Balística

As peças são feitas a base de Al2O3, SiC e B4C para proteção balística humana,

de veículos e aeronaves.

2.4.7. Eletrônica

Pode ser aplicado em Substrato para microeletrônica de LTCC, Componentes

piezoeletrônicos para transdutores eletromecânicos, Substratos para componentes

eletrônicos, abaixo segue suas respectivas figuras.

2.5. PROCESSAMENTO

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As ceramicas avançadas podem ser obtidas por vários componentes

2.5.1. Al2O3 –Alumina

Obtida a partir da digestão alcalina da bauxita (processo Bayer), seguida por

precipitação e calcinação.

Al2O3+ 2 OH- + 3 H2O →2 [Al(OH)4] (175 oC)

2 Al(OH)3 →Al2O3+ 3 H2O (900 a 1050 oC)

Produzida em fornos de arco elétrico (T > 2000 oC) . Se obtém maior tamanho

de grão e melhores propriedades refratárias e abrasivas.

2.5.2. Alumina eletrofundida

Produzida em fornos de arco elétrico (T > 2000 oC) . Se obtém maior tamanho

de grão e melhores propriedades refratárias e abrasivas.

2.5.3. ZrO2 – Zircônia

Obtida a partir da dissociação do silicato de zircônio ZrSiO4 em forno de plasma.

ZrSiO4 ZrO2 (99,5%) + SiO2

O grau de pureza necessário para aplicações em engenharia é obtido através de

digestão ácida da zircônia, seguida de calcinação entre 900 e 1000 °C do sulfato de

zircônio.

ZrO2 (99,5%) + H2SO4 Zr(SO4)2 ZrO2 (99,95%)

A transformação martensítica (tetragonal monoclínica) ocasiona fratura que

impedem o uso. As aplicações industriais requerem o uso de óxidos estabilizantes, que

inibem essa transformação (MgO, CaO, CeO2, Y2O3, Nb2O3) .

2.5.4. SiC – Carbeto de Silício

Obtido pela redução térmica da sílica em presença de coque

C + SiO2 →SiO + CO

SiO2 + CO →SiO + CO2

2C + SiO →SiC + CO

Essa reação ocorre em forno de grafite T > 1700 oC (Processo Acheson)

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2.5.5. Si3N4 – Nitreto de Silício

Obtidos pela redução carbotérmica da sílica em atmosfera de nitrogênio.

3 SiO2(s) + 6 C(s) + 2 N2(g) →Si3N4(s) + 6 CO(g)

Essa reação ocorre entre 1400 e 1450 °C

2.6. TRADICIONAIS X AVANÇADAS

A principal diferença entre os materiais cerâmicos avançados e o tradicional é

que os avançados tem como matéria prima elementos sintética e os tradicionais tem

como matéria prima elementos naturais.

Os materiais avançados sua microestrutura é visto através de um

microscópio eletrônico e as tradicionais podemos ver sua microestrutura pelo

microscópio ótico.

CARACTERÍSTICA AVANÇADAS TRADICIONAIS

MATÉRIA PRIMA SINTÉTICA NATURAL

PARTÍCULAS 1,0 µm 0,5 – 1.000 µm

TIPO DE PÓ ALTAMENTE

CONTROLADO

POUCO

CONTROLADO

CONFORMAÇÃO ALTAMENTE

CONTROLADA

ALTAMENTE

CONTROLADA

SINTERIZAÇÃO SEM FASE VÍTREA COM FASE VÍTREA

ANÁLISE MICROSCOPIA

ELETRÔNICA

MICROSCOPIA

ÓPTICA

RESISTÊNCIA 1 – 1.000 1

CUSTO 10 – 10.000 1

Mas o que são Vitrocerâmicas?

Vitrocerâmicos são sólidos policristalinos contendo fase vítrea residual,

preparados pela fusão de vidros, os quais são conformados em produtos sujeitos a

cristalização controlada.

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Algumas das suas propriedades são: alta tenacidade, altas resistências à flexão,

à abrasão e ao risco, ampla faixa de coeficientes de expansão térmica, podendo

mesmo alcançar valores negativos, conferindo resistência ao choque térmico, alta

resistividade elétrica, alta resistência química (dependendo fortemente da composição

química), podem ser facilmente coloridos, podem ser opacos ou até mesmo

transparentes, dependendo do tamanho dos cristais. Por essas características eles são

mais usados nas cerâmicas tradicionais, pois as avançadas são mais puras, devido a

essa pureza elas possuem uma baixa tenacidade.

2.7. CERÂMICAS AVANÇADAS NO BRASIL

A indústria cerâmica brasileira tem grande importância para o país, tendo

participação no PIB – Produto Interno Bruto – da ordem de 1,0%. No Brasil

convencionou-se definir o setor cerâmico em segmentos que se diferenciam pelos

produtos obtidos e mais precisamente pelos mercados que estão inseridos. A seguir

são listados os principais segmentos, classificados pelo valor anual de sua produção.

Principais segmentos da indústria cerâmica brasileira (dados de 2000).

A partir da tabela acima observamos que as cerâmicas avançadas possuem uma

parcela significada na produção brasileira, no entanto muito aquém do que podia

proporcionar. Apesar disso, existe uma intensa atividade de pesquisa em cerâmicas

avançadas no país, as quais são executadas por cerca de 45 grupos existentes em

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universidades e institutos de pesquisa. Todavia, o mercado para estas cerâmicas no

Brasil, em1988, era de US$ 250 milhões, tendo crescido muito pouco. Ao compararmos

com os maiores produtores que são o Japão, os Estados Unidos e a Europa Ocidental

verificamos o quão pequena é a produção brasileira nessa área.

Venda mundial de cerâmicas avançadas pelos 10 maiores produtores

2.8. PERSPECTIVAS

Algumas novas cerâmicas avançadas de

alto desempenho possuem elementos de terras

raras (lantânio, cério, neodímio, praseodímio)

como um dos seus componentes.

Novas perspectivas estão sendo criadas a

partir do entendimento do efeito desses

elementos, terras raras, na origem das

propriedades mecânicas das cerâmicas avançadas.

Isto deve tornar possível no futuro fazer configurações precisas do material cerâmico,

que poderão abrir uma nova fronteira para a aplicação das cerâmicas avançadas e

melhorar o desempenho desses materiais em uma ampla gama de aplicações.

Por exemplo: o nitreto de silício (Si3N4) é um dos materiais mais promissores

para a construção de novas gerações de turbinas a gás. Esses enormes motores,

projetados para movimentar usinas geradoras de energia elétrica deverão queimar

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combustível a temperaturas acima de 1.200 °C. Operando a essas temperaturas, as

novas turbinas deverão atingir uma eficiência térmica muito superior as termelétricas

atuais, emitindo uma quantidade de gases poluentes muito menor.

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3. CONCLUSÃO

Através da pesquisa apresentada, verificou-se o panorama das cerâmicas

avançadas mostrando um campo em desenvolvimento com crescente utilização dessas

cerâmicas nos mais variados setores. É uma área de grande potencial de estudos para

viabilização do seu uso tornando mais acessíveis os benefícios dos produtos gerados

desse material.

Assim, o futuro mostra a necessidade de inovação representada na produção

de materiais alternativos, alguns novos apresentam ainda restrição quanto ao custo e

produção industrial como é o caso das cerâmicas avançadas. Atualmente as previsões

apontam para uma maior participação desses materiais cerâmicos nos componentes

veiculares, mas ainda há necessidade de maior investimento da indústria automotiva

em tecnologias de fabricação, que tornem essas cerâmicas mais baratas e de maior

facilidade produtiva, principalmente ao se tratar de uma indústria em que fatores

como o tempo e agilidade de fabricação são vitais para sua sobrevivência.

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4. REFERENCIAS

Pesquisa revela a estrutura atômica das cerâmicas avançadas. Disponível em

<http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=01016005011>

Acessado em: 02 de junho de 1013.

Polímeros biodegradáveis. Disponível em:

<http://www.eba.ufmg.br/alunos/kurtnavigator/arteartesanato/origem.htmlhttp://pt.

scribd.com/doc/23377504/Polimeros-Biodegradaveis-1>. Acessado em: 04 de junho de

2013

Revisão da literatura – Cerâmicas. Disponível em:

<http://www.maxwell.lambda.ele.puc-rio.br/13224/13224_4.PDF>. Acessado em: 04

de junho de 2013

BERG, E.A.T. (1989). Matéria-prima versus processamento. In: II ENOMAT – Encontro

Estadual sobre Novos

Inovações tecnológicas: aplicação de materiais cerâmicos na indústria

Automobilística. Disponível em:

<http://www.abepro.org.br/biblioteca/ENEGEP2004_Enegep0801_1975.pdf>.

Acessado em: 04 de junho de 2013

Definição e Classificação das Cerâmicas Disponível em:

<http://www.emic.com.br/artigos.php?id_artigo=129&categoria=tecnicos&lang=16>.

Acessado em: 07 de junho de 2013

Cerâmicas Avançadas e perspectivas de aplicação. Disponivel em:

<http://www.slideshare.net/senaimais/cermica-avanada-perspectivas-de-aplicao-e-

desafios-tecnolgicos-atuais-e-futuros>. Acessado em 07 de junho de 2013

Estrutura e Propriedades dos MATERIAIS CERÂMICOS. Disponivel em:

<http://www.fem.unicamp.br/~caram/6.%20MATERIAIS%20CERAMICOS%20GRAD.pdf

>. Acessado em 08 de junho de 2013.