aula de ceramica

VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO

Universidade Federal de Santa CatarinaPrograma de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGMAT

Karoline Bastos MundstockKaroline Bastos Mundstock

OrientadorOrientador

Prof. Dachamir HotzaProf. Dachamir Hotza

Co-orientadoresCo-orientadores

Prof. Antônio Pedro Prof. Antônio Pedro Novaes de OliveiraNovaes de Oliveira

Prof. Carlos R. RamboProf. Carlos R. Rambo


Cerâmicas Celulares

Honeycombs Espumas cerâmicas

Células abertas

Células fechadas

Métodos de Processamento

Método da réplica ou esponja polimérica

Método de gelcasting aplicado a espumas

Geração de bolhas dentro da suspensão

Incorporação de aditivos de sacrifício

Reação de sinterização

Controle nas condições de sinterização com o objetivo de alcançar uma parcial densificação


Método da Réplica


Pó Cerâmico

Suspensão Cerâmica

Impregnação

Remoção do Excesso de Suspensão

Tratamento Térmico (pirólise e sinterização)

DispersanteLigante

Esponjas Poliméricas

Secagem

Bentonita Metasilicato de sódio

Método da Réplica


Calandra

Secagem Pirólise e Sinterização

Schwartzwalder e Somers, 1963

Processo da esponja polimérica

Simples e de baixo custo

Características das espumas celulares

- células abertas (100 - 5000 m)

- ampla faixa de porosidade, 65 a 95%

- elevada permeabilidade (k1 ~10-7 a 10-9 m2)

Método da Réplica



Método Gelcasting

Pó Cerâmico, Monômeros Orgânicos, Dispersantes e Água

Suspensão Cerâmica

Espumação

Polimerização

Secagem e Tratamento Térmico

Surfactante

Remoção do Molde

Iniciador e Catalisador

Método Gelcasting


Características das espumas celulares

- células abertas (40 - 200 m) com geometria tendendo à esfericidade

- porosidade de até 90%

- elevada permeabilidade (k1 ~10-7 a 10-9 m2)

- paredes das células completamente densas, proporcionando um significativo aumento na resistência mecânica

OBS: Antigamente este processo era pouco utilizado devido a liberação de gases tóxicos, hoje esse problema foi solucionado com o uso de monômeros de baixa toxicidade acrilato de amônio, hidroximetilacrilamida, metacrilamida e metilobisacrilamida

Incorporação de aditivos de sacrifício

Aditivo de sacrifício Suspensão

Molde

secagem

Sinterização

2H2O2(l) 2H2O(l) + O2(g)

CaCO3(s) CaO (s) + O2 (g)

Aditivos de sacrifício:

neutralização

redox


serragem

Fibra da cana de áçucar

Compactação por prensagem uniaxial


Pó Cerâmico

Mistura (12h)

Evaporação do Solvente

Compactação (40MPa) (prensagem uniaxial)

Tratamento Térmico (pirólise e sinterização)

Ligante (2% de polivinil butiral (PVB) ou polivinil álcool

(PVA)

Vantagens:

-Método prático e econômico,

- Permite a fabricação de estruturas celulares a partir de diversos tipos de fibras.

Propriedades Específicas

Elevada porosidade

Elevada área superficial

Elevada permeabilidade

Baixa densidade

Boa resistência mecânica à compressão

Não são tóxicas, nem inflamáveis

Elevada refratariedade

Elevada resistência a

ataques químicos

Baixa condutividade térmica

Estabilidade dimensional sob variações de temperatura e umidade,

Materiais Celulares Materiais Cerâmicos


Filtros

Membranas

Suportes catalíticos

Substituto do tecido ósseo

Sensores de gás

Isolantes térmicos

Material estrutural leve

Aplicações


Poros fechados

Isolantes térmicos

Isolantes acústicos

Poros abertos

Alumina (Al2O3)

Mulita (3Al2O3.2SiO2)

Carbeto de silício (SiC)

Zircônia parcialmente estabilizada

Hidroxiapatita e demais tipos de fosfatos de cálcio

Sistemas de compósitos (carbeto de silício-alumina, alumina-zircônia, alumina-mulita e mulita-zircônia)

Vitrocerâmicos (K2O-CaO-P2O5-Al2O3-SiO2-F, SiO2-P2O5-CaO-Na2O)

Materiais Celulares


Analisando as propriedades dos materiais vitrocerâmicos vimos o grande potencial destes materiais para diversos tipos de aplicaçõesBaixo coeficiente de expansão térmica Elevada resistência à abrasão Boas resistências mecânica e química Elevada resistência ao choque térmico

Propriedades dos Materiais Vitrocerâmicos

Placas de aquecimento de fogões e fornos

Materiais dentários

Componentes de telescópios


Materiais Vitrocerâmicos

Propriedades finais e o tipo da fase cristalina

- Dependem da composição

do vidro precursor

- Tratamento térmico aplicado

Preparação:

- Tratamento térmico de vidros

Fase vítrea Cristal

Representação da microestrutura de um material vitrocerâmico


Vidros

É um material inorgânico fundido, que foi resfriado até um estado rígido, sem experimentar cristalização.

As matérias-primas utilizadas na sua fabricação são: Vitrificantes ou formadores de rede: SiO2, B2O3, P2O5.

Fundentes ou modificadores de rede: Na2O, CaO, K2O, PbO, Li2O

Estabilizantes:Al2O3, ZnO

Componentes secundários: ZrO2, TiO2 (opacificantes e corantes)

ESPUMA VÍTREA/VITROCERÂMICA

PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARES

PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO

Preparação do vidro:

Matérias-primas (CaCO3, Na2CO3, SiO2 e (NH4)2HPO4)

Moagem e homogeneização 1h

Fusão 1450oC

Moagem

Caracterização

Classificação tamanho de partícula


PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARES

PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO

Preparação da Espuma Vítrea/vitrocerâmica:

vidroAgente espumante

(2, 3, 4 e 5%)Ligante PVA 5%

Preparação de uma pasta

Compactação

Secagem

Queima

Caracterização

(passante em peneira de 45µm, 75 µm e 106 µm)

L/P=0,38

Variação da temperatura.


PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO


Propriedades e Caracterização

Fluorescência de Raios-X Análise Térmica Simultânea TG-ATD Difração de raios-X Microscopia Eletrônica de Varredura Análise por Energia Dispersiva de Raios-X Determinação do diâmetro dos poros Expansão Volumétrica

As propriedades das espumas vitrocerâmicas são controladas pela:composição do vidro precursor, tamanho de partícula do vidro precursor,tipo de agente espumante,pressão de compactação,pelo tratamento térmico aplicado,




Resultados Fluorescência de Raios-X




Amostras Óxidos constituintes (% massa)

SiO2 P2O5 CaO Na2O Al2O3 Zr Fe2O3 K2O SO3 Sr

Bio E 54,73 7,96 14 20,9 1,62 0,32 0,18 0,15 0,08 0,06

Bio F 54,14 7,87 16,06 17,79 2,61 1,09 0,17 0,14 0,08 0,06

Bio G 54,42 7,78 17,98 15,63 2,64 1,03 0,21 0,17 0,07 0,07

• A presença de Sr (Estrôncio) pode ser confundida com a presença de Zr (Zircônio) já que possuem espectros semelhantes.

• A presença de Al2O3 e Zr é devida, à contaminação do biovidro durante o processo de fusão, pelos cadinhos de ZAS cuja composição.

• Quando aumentamos a quantidade de CaCO3 a quantidade de Al2O3 e Zr como contaminante devido a eletronegatividade do Ca2+ que é maior que a do Na+

• Quando a temperatura em que o vidro é fundida aumenta a viscosidade diminuindo podendo apresentar fervura facilitando reações com o cadinho.

Análise por Difração de Raios-X dos vidros:




10 20 30 40 50 60 70

inte

nsid

ade

2

Bio E800 Bio E900 Bio E1000

10 20 30 40 50 60 70

inte

nsid

ade

2

Bio F800 Bio F900 Bio F1000

Todos os vitrocerâmicos preparados são constituídos pela fase Na6Ca3Si6O18 (cartão 77-2189) e pela fase NaCaPO4 (cartão 76-1456).

O [CaO] e [Na2O], não alterou o tipo de fase cristalina formada.

Análise por Difração de Raios-X dos vidros:




Como o (Ca++) é duplamente carregado tem efeito menos destrutivo sobre a rede,

≡Si-O-Si≡ + CaO ≡Si-O-Ca++-O-Si≡

≡Si-O-Si≡ + Na2O ≡Si-O-Na+ + Na+ -O-Si≡

O [CaO] viscosidade e conseqüentemente um temperatura de cristalização (Tc) e temperatura de fusão dos biovidros.

Análise de Dilatação Térmica dos vidros:


Com o [CaO], ou seja, Ca2+, e [Na2O], (Na+), ocorre uma do coeficiente de dilatação térmica devido ao efeito menos destrutivo do Ca2+ na estrutura do vidro.

OBRIGADA PELA ATENÇÃO!

Agradecimentos


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