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Perspectivas de Emprego de Cerâmica Avançada para os Desafios

Tecnológicos Atuais e Futuros

7° WORKSHOP INTERNACIONAL SENAI -

MATERIAIS EM CRICIÚMA

Prof. Dr. Agenor De Noni

Junior

Prof. Dr. Oscar R. K. Montedo

Criciúma (SC), agosto/2012

SENAI/SC –

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

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O QUE HÁ

DE NOVO NO ASSUNTO?

É

um dos maiores desafios da atualidade: INOVAR E COMERCIALIZAR

No passado os maiores desafios foram: Customização (2000)Produtividade (1990)

Aumentar a qualidade (1970/80)Copiar e fazer mais barato (1950/60)

INOVAÇÃO É

UM ASSUNTO NOVO?

Guerras, revoluções industriais, corrida espacial sempre exigiram iniciativas e esforços

no sentido da inovação.

1. INTRODUÇÃO

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INOVAR É

UMA PRIORIDADE ESTRATÉGICA

INOVAR NÃO É

UM PROGRAMA DE CERTIFICAÇÃO

P&D Produção Marketing

Últimos avanços da ciência e tecnologia

Necessidades da sociedade e do mercado

IDEIAPRODUTOCOMERCIA

L

Fonte: Prof.Martin Wartenberg. University

of

California, 2012

1. INTRODUÇÃO

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Maior barreira nas empresas: Não saber como lidar com o risco de ‘insucesso’

Solução: Aumentar o nível de relação de confiança entre as pessoas

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Empresa Universidade

Governo

1. INTRODUÇÃO

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2. ESTRATÉGIA NACIONAL DE C,T&I - MCTI

Desafios

Redução da defasagem científica e tecnológica que ainda separa o Brasil das nações mais desenvolvidas

Expansão e consolidação da liderança brasileira

na economia do conhecimento da Natureza

Ampliação das bases para a sustentabilidade

ambiental e o desenvolvimento de uma economia de baixo carbono

Consolidação do novo padrão de inserção internacional do Brasil

Superação da pobreza

e redução das desigualdades sociais e regionais

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Eixos de Sustentação da ENCTI

Promoção da inovação

nas empresas

Novo padrão de financiamento público para o desenvolvimento científico e tecnológico

Fortalecimento da pesquisa e da infraestrutura

científica e tecnológica

Formação e capacitação dos recursos humanos

2. ESTRATÉGIA NACIONAL DE C,T&I - MCTI

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Programas Prioritários para os Setores Portadores de Futuro

TICs

–

Tecnologias da Informação e Comunicação

Fármacos e Complexo Industrial da Saúde

Petróleo e Gás

Complexo Industrial da Defesa

Aeroespacial

Nuclear

Fronteiras para a inovação (Biotecnologia e Nanotecnologia)

Fomento da economia verde

C,T&I para o Desenvolvimento Social

2. ESTRATÉGIA NACIONAL DE C,T&I - MCTI

Características incomparáveis das Cerâmicas Avançadas: resistência a temperaturas elevadas

e à

maioria dos corrosivos químicos.

Limitação que impede sua disseminação: fragilidade

(baixa tenacidade).

Cerâmica Avançada ou de engenharia são materiais com solicitações maiores e desempenho destacado, obtidos a partir de matérias-primas mais puras. Feitas de óxidos, carbetos, nitretos, boretos, oxinitretos, etc.

3. CERÂMICA AVANÇADA

Algumas novas cerâmicas avançadas de alto desempenho possuem elementos de terras raras (Lantânio, Cério, Neodímio, Praseodímio, etc.) como um dos componentes.

Novas perspectivas estão sendo criadas a partir do entendimento do efeito destes 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.

3. CERÂMICA AVANÇADA

Por exemplo, o nitreto

de silício (Si3

N4

) é

um dos materiais mais promissores para a construção das novas gerações de turbinas a gás.

Esses enormes motores, projetados para movimentar usinas geradoras de energia elétrica, deverão queimar combustível a temperaturas acima de 1.200 °C. Operando a essas temperaturas, as novas turbinas deverão atingir uma eficiência térmica muito superior às termelétricas atuais, emitindo uma quantidade de gases poluentes muito menor.

3. CERÂMICA AVANÇADA

Espuma cerâmica a base de Al2

O3

, 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 Al2

O3

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

4. APLICAÇÕES: FILTROS

Peças de turbina de Si3

N4

.

Rolamentos de Si3

N4

.

4. APLICAÇÕES: TURBINAS

4. APLICAÇÕES: PEÇAS DE MOTORES E FREIOS

Peças a base de Al2

O3

, SiC

e

B4

C para proteção balística humana, de veículos e

aeronaves.

4. APLICAÇÕES: PROTEÇÃO BALÍSTICA

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4. APLICAÇÕES: PROTEÇÃO BALÍSTICA

Componentes para válvulas de exaustão de gases feitos

de ZrO2

.

Parafusos, anéis de vedação e outras peças de SiC

para

aplicações industriais.Componentes de selagem metal-cerâmica

de alta performance.

Bicos de nebulização

de Si3

N4

.

4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIA

Suportes para catalisadores.

Proteção contra a corrosão.

Rolamentos resistentes ao desgaste para alta

temperatura.

Parafusos.

4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIA

Peças para queimadores

de

WC.

Rotor revestido de placas de alta alumina.

4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIA

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Substrato para microeletrônica de LTCC.

Componentes piezoeletrônicos

para

transdutores eletromecânicos.

Substratos para componentes eletrônicos.

4. APLICAÇÕES: ELETRÔNICA

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Cabeça femoral a base de alta alumina.

Componentes de ZrO2

, Al2

O3

ou espinélio

para

uso odontológico.

Prótese dentária de vitrocerâmico.

4. APLICAÇÕES: MEDICINA

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Nanopartículas

de Al2

O3

(~ 50 nm) podem melhorar significativamente a eficiência de combustão de biocombustíveis

e reduzir a

emissão de gases poluentes.

4. APLICAÇÕES: ENERGIA/MEIO AMBIENTE

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Protótipo de lente feita de fibra de vidro revestida com cobre, que

mede cerca de 10 cm2, foi fabricado com mais de 1.000 peças individuais e tem campo de visão

de praticamente 180o.

Fibra óptica.

Lente para telescópio de vitrocerâmico.

4. APLICAÇÕES: ÓPTICA

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Novos estudos apontam para o desenvolvimento de eletrólitos sólidos cerâmicos a base de ZrO2

,CeO2

, apatitas, BiO2

.

4. APLICAÇÕES: CÉLULAS A COMBUSTÍVEL

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Peças de vitrocerâmicos

e ZrO2

.

4. APLICAÇÕES: VIDA MODERNA

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5. CARACTERÍSTICAS DAS CERÂMICAS AVANÇADAS

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 controle sobre os gases da atmosfera do forno

7.

Profundo conhecimento sobre a relação:

microestrutura x propriedades x desempenho

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Al2

O3

– Alumina:

Obtida a partir da digestão alcalina da bauxita (processo Bayer), seguida por precipitação e calcinação.

Al2

O3

+ 2 OH-

+ 3 H2

O → 2 [Al(OH)4

]-

(175 oC)

2 Al(OH)3

→ Al2

O3

+ 3 H2

O (900 a 1050 oC)

Alumina eletrofundida:

Produzida em fornos de arco elétrico (T > 2000 oC) . Se obtém maior tamanho de grão e melhores propriedades refratárias e abrasivas.

treibacher.com.br

6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO

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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 oC

do sulfato de

zircônio.

ZrO2 (99,5%)

+ H2

SO4

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

, Y2

O3

, Nb2

O3

) .

6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO

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SiC

–

Carbeto

de Silício

Obtido pela redução térmica da sílica em presença de coque

C + SiO2

→ SiO + COSiO2

+ CO → SiO + CO22C + SiO → SiC + CO

Essa reação ocorre em forno de grafite T > 1700 oC

(Processo Acheson)

Si3

N4 –

Nitreto

de Silício

Obtidos pela redução carbotérmica

da sílica em atmosfera de nitrogênio

3 SiO2

(s) + 6 C(s) + 2 N2

(g) → Si3

N4

(s) + 6 CO(g)

Essa reação ocorre entre 1400 e 1450 oC

6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO

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Exemplo de Processo de Conformação de Cerâmica Avançada

Travitzky, N. Windsheimer, H. Fey, T. Greil, P. Preceramic

Paper-Derievd

Ceramics. J.Am.Cer.Soc. (2008).

6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO

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Exemplo de Processo de Conformação de Cerâmica Avançada

Travitzky, N. Windsheimer, H. Fey, T. Greil, P. Preceramic

Paper-Derievd

Ceramics. J.Am.Cer.Soc. (2008).

6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO

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Exemplo de Processo de Conformação de Cerâmica Avançada

Travitzky, N. Windsheimer, H. Fey, T. Greil, P. Preceramic

Paper-Derievd

Ceramics. J.Am.Cer.Soc. (2008).

6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO

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7. CERÂMICA AVANÇADA

CERÂMICA ARTÍSTICA

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O que se pode incorporar à

Cerâmica Tradicional a partir da Cerâmica Avançada?

1.

Uso de matérias-primas sintéticas de elevada pureza?

2.

Rigoroso controle de distribuição de tamanho de partícula?

3.

Processos de conformação de formas complexas?

4.

Rigoroso controle de densidade aparente?

5.

Sinterização em temperaturas mais elevadas e controle rigoroso?

6.

Controle rigoroso controle sobre os gases da atmosfera do forno?

7.

Profundo conhecimento sobre a relação:

microestrutura x propriedades x desempenho?

7. CERÂMICA AVANÇADA

CERÂMICA TRADICIONAL

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Microestrutura x Propriedades x Desempenho de PORCELANATO

6264

6668

70

72

C1

C2 C3

C4 C5

C6

C7

Quartzo

Caulim Feldspato

ResfriamentoLento

C4

C7

C6

90

8682 78 7470

Quartzo

Caulim Feldspato

ResfriamentoRápido

M+VC

Q

P

VA

7. CERÂMICA AVANÇADA

CERÂMICA TRADICIONAL

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“Vitrocerâmicos

são sólidos policristalinos contendo fase vítrea residual,

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

cristalização controlada”

8. VITROCERÂMICOS

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Algumas Propriedades:

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

8. VITROCERÂMICOS

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8. VITROCERÂMICOS

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Tecnologia de Fabricação

1) Componentes monolíticos de vidro –

tecnologia do vidro

2) Tecnologia do pó

–

tecnologia cerâmica

• Fusão e obtenção de fritas

• Pulverização

• Conformação

• Tratamento térmico (sinterização e cristalização)

Sinterização Cristalização

8. VITROCERÂMICOS

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8. VITROCERÂMICOS

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9. PERSPECTIVAS

Cerâmicas Avançadas para Defesa Nacional e Segurança

Pública• B4

C e SiC

para blindagem balística

• Vidros especiais para blindagem balística•

Compósitos cerâmica (Al2

O3

) –

polímero de aramida

ou PE de ultra alta massa

molar

Cerâmicas Avançadas para Fotônica

(Semicondutores)• Silício• Fosfeto

de índio (InP), arseneto

de gálio (GaAs) e nitreto

de gálio (GaN)

• ZrO2

, TiO2

, Ta2

O5

e HfO2

(elevada constante dielétrica)

Centro de Gestão e Estudos Estratégicos –

CGEE

Materiais Avançados –

2010-2022

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Centro de Gestão e Estudos Estratégicos –

CGEE

Materiais Avançados –

2010-2022

Cerâmicas Avançadas para Uso Magnético (Armazenamento de Dados)• Nanoestruturas

magnéticas

de

Fe

em Al2

O3

• Nanopartículas

de Fe3

O4

e BaFe12

O19

com tamanhos típicos de 10 nm

Cerâmicas Avançadas para Uso Aeroespacial• Compósitos C/SiC

e SiC/SiC

• B4

C e HfC

9. PERSPECTIVAS

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MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO

CONTATOagenordenoni@unesc.net

okm@unesc.net+55 48 3431 2775

www.unesc.net/ppgcem

7° WORKSHOP INTERNACIONAL SENAI -

MATERIAIS EM CRICIÚMA

SENAI/SC –

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial