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FORMULAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS: DO DESENVOLVIMENTO À
UTILIZAÇÃO DE UM SOFTWARE COM INTERFACE AMIGÁVEL
R. L. Siqueira*; J. H. Alano; O. Peitl; E. D. Zanotto
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPG-CEM,
Departamento de Engenharia de Materiais – DEMa, Universidade Federal de São
Carlos – UFSCar, Rod. Washington Luís km 235, 13565-905 São Carlos - SP
RESUMO
No desenvolvimento de um produto cerâmico, deve-se determinar com clareza o
conjunto de propriedades exigidas por ele para, assim, especificar a composição
e a(s) fase(s) que deverão compô-lo. Analisando a tabela periódica é possível
observar a possibilidade de muitas combinações entre os elementos, que podem ser
associados para formar novos componentes cerâmicos e também diversos arranjos
estruturais, quando o desejo é a obtenção de um material cristalino. Entretanto,
antes de se preparar uma nova formulação não é incomum, principalmente em
laboratórios, ser necessário responder às seguintes questões: quais reagentes e em
que quantidades eles devem ser utilizados? Para agilizar esse processo, discutimos
neste trabalho o desenvolvimento de um software para formulação de materiais
cerâmicos utilizando a linguagem de programação Java. O software possui uma
interface amigável, combinando recursos com simplicidade de uso. A intenção é
que a experiência produzida por sua utilização seja prazerosa ao usuário e de fácil
aprendizado.
Palavras-chave: MatChem_Formulation, materiais cerâmicos, formulação, software,
interface amigável.
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INTRODUÇÃO
Com presença garantida no cotidiano da população atualmente, os materiais
cerâmicos se inserem em diversos setores, compreendendo desde a arte cerâmica
até segmentos estratégicos e de alta tecnologia como o aeroespacial, automotivo,
óptico-eletrônico, ambiental, médico, odontológico, entre outros (1-5). Como resultado,
as aplicações dessa classe de materiais têm se tornado cada vez mais específicas,
fazendo das pesquisas nessa área do conhecimento um trabalho de característica
eminentemente interdisciplinar. Dessa forma, o desenvolvimento de novos materiais,
dos quais se tem explorado novas propriedades obtidas mediante diferentes
morfologias, composições químicas e/ou processos de fabricação, tem contribuído
para significativos avanços na fronteira do conhecimento, propiciando assim, o
surgimento de aplicações antes não imaginadas (6).
É oportuno mencionar que ao se desenvolver um novo material, deve-se
ter em mente quais serão as propriedades finais que ele deve possuir para
desempenhar suas funções. Essas propriedades são determinadas pela composição
e microestrutura do material, cuja formação é dependente das matérias-primas e do
processamento a que elas foram submetidas até a obtenção do produto final.
Portanto, o processamento se inicia com a definição de uma formulação. Uma vez
que essa etapa é associada a muitos testes laboratoriais e posteriormente em
escala piloto, até o desenvolvimento de uma formulação adequada para produção
industrial, a utilização de técnicas de planejamento estatístico de experimentos,
buscando minimizar o caráter empírico encontrado nessa etapa do processamento
é muito importante (7-9). Contudo, mesmo lançando mão dessa técnica, um número
definido de experimentos deverá ser realizado. Consequentemente, a escolha de
matérias-primas adequadas e a realização de cálculos estequiométricos para o
preparo das misturas reacionais serão passos inevitáveis. Embora os cálculos
envolvidos não sejam complexos, nessa etapa não pode haver erros e nem
dispêndio desnecessário de tempo para que o processo possa ser otimizado.
Nesse sentido, discutimos neste trabalho o desenvolvimento de um software
para formulação de materiais cerâmicos utilizando a linguagem de programação
Java. Possuindo uma interface amigável, a intenção é que a experiência produzida
por sua utilização seja prazerosa, de fácil manuseio e aprendizado. Por conseguinte,
proporcionando ao usuário tranquilidade e agilidade nas etapas de escolha das
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matérias-primas mais adequadas ao experimento, bem como na definição de suas
respectivas massas que deverão ser pesadas para o preparo das misturas que
serão posteriormente processadas.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para o desenvolvimento do software, foi utilizada a linguagem de programação
Java por representar uma linguagem que permite o desenvolvimento de sistemas
em diferentes sistemas operacionais e arquiteturas de hardware sem a necessidade
de se preocupar com detalhes de infraestrutura. Dessa forma, sendo possível
desempenhar um trabalho de forma produtiva e eficiente. Além disso, é uma
linguagem orientada a objetos, multithread, interpretada, neutra de arquitetura,
portável, robusta, segura e que oferece alto desempenho (10).
Para desenvolver os algoritmos necessários para a realização dos cálculos
estequiométricos, foi utilizado como base a relação existente entre as frações de
massa dos componentes do sistema pretendido e a massa das matérias-primas
selecionadas para fornecer ao sistema cada constituinte individualmente, conforme
as expressões:
� = ��
�� × � × 100 (A)
sendo,
� = ��
�� =
�� � ����� (���������� �� ������ �)
�� � ����� (�������������) (B)
em que P corresponde a porcentagem em massa do componente de interesse,
m1 a massa do composto a ser pesado (matéria-prima), m2 a massa de amostra
considerada para o experimento e F o fator gravimétrico (11). Experimentalmente,
sabemos que nem sempre a massa da matéria-prima selecionada para suprir o
sistema com certo componente será diretamente a massa do componente tal como
ele deve ser expresso. Torna-se então necessário calcular o fator gravimétrico, que
é a relação entre a massa molar do componente de interesse e a massa molar da
matéria-prima que será utilizada, levando em conta os coeficientes de ajuste do
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componente na matéria-prima para que o número de átomos envolvidos permaneça
balanceado.
APRESENTAÇÃO DO SOFTWARE
Denominado MatChem_Formulation, o software aqui desenvolvido combina
recursos com facilidade de uso. Não havendo necessidade de instalação, o software
funciona diretamente a partir de um arquivo executável com suporte multiplataforma,
ou seja, pode ser utilizado em diferentes sistemas operacionais, como o Windows,
Linux e Mac OS. Um de seus principais destaques é a interface amigável e intuitiva,
o que facilita o uso imediato mesmo para usuários com pouca experiência em
informática. A tela inicial do software MatChem_Formulation (versão beta) com o
menu de ferramentas padrão é mostrado na Figura 1.
Figura 1: Tela inicial do software MatChem_Formulation (beta).
No Quadro 1 consta a descrição geral de cada ícone contido na barra de
ferramentas padrão e uma lista de atalhos de teclado (também conhecidos como
teclas de acesso) para o uso dos recursos disponibilizados pelo software. Os atalhos
de teclado são combinações de duas ou mais teclas para executar uma tarefa que
normalmente exigiria um mouse ou outro dispositivo apontador. Assim, pelo ícone
Iniciar ou por meio do comando Ctrl + Q é possível retornar a tela inicial mostrada na
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Figura 1 ou finalizar as atividades com o fechamento do software. No ícone Ajuda, o
usuário terá acesso a informações sobre o software, desenvolvedores e contato para
dúvidas e/ou sugestões. Uma vez que o software será disponibilizado gratuitamente,
a interação com o usuário será de fundamental importância, já que ele poderá
apontar facilmente seus aspectos positivos, negativos e o que precisa ser
modificado para que o aplicativo possa ser continuamente melhorado.
Quadro 1: Descrição dos itens contidos na barra de ferramentas padrão. Ícones Descrição Atalho
Fechamento do aplicativo Ctrl + Q
Acesso a área de trabalho F3
Consulta e cadastro de novas matérias-primas F4
Informações sobre o software, desenvolvedores
e contato para dúvidas e/ou sugestões F5
Ao acionar o ícone Formulação na barra de ferramentas, o usuário terá acesso
a área de trabalho (ver Figura 2). A área de trabalho do software é simples, intuitiva
e, ao mesmo tempo, oferece alguns recursos extras, tais como a possibilidade de se
determinar a quantidade de produto a ser preparado, ajuste de pureza das matérias-
primas selecionadas e conversão do percentual em massa de cada componente do
sistema pretendido para mol e vice-versa.
Figura 2: Visão geral da área de trabalho do software MatChem_Formulation (beta).
I II
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Para facilitar a explicação de funcionamento do software, na Figura 2 são
destacadas duas regiões da área de trabalho. A primeira (I), compreendendo as
Etapas 1, 2 e 3, e a segunda (II) as Etapas 4, 5 e 6. As imagens ampliadas dessas
regiões são mostradas nas Figuras 3 e 4, respectivamente. Seguindo os passos
sugeridos, inicialmente o usuário deverá determinar o número de componentes do
sistema pretendido, tendo como opção um número máximo de 10 componentes.
Considerando um sistema formado por óxidos, como por exemplo o sistema Li2O–
ZrO2–SiO2 (LZS), entende-se como componente cada um dos óxidos individuais que
constituem o sistema. No caso, sendo o componente 1 = Li2O, o componente 2 =
ZrO2 e o componente 3 = SiO2.
Figura 3: Visão ampliada da área de trabalho (destaque para as Etapas 1, 2 e 3).
Com a escolha do número de componentes, será habilitado nas demais Etapas
um número correspondente de campos para inserção de dados. Por exemplo, se o
sistema pretendido possuir 2 componentes, como mostra a Figura 3, estarão
habilitados na Etapa 3 apenas 2 campos para que seja fornecido o percentual
correspondente a cada um deles no sistema. Como previamente mencionado, o
usuário terá a liberdade de inserir os percentuais de cada componente expressos
aba para seleção
campos
habilitados
inserir % do componente 1
inserir % do componente 2
selecionar % em massa ou mol
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em massa ou em mol. Caso haja interesse de conversão de uma forma para outra,
de modo informativo, bastará que o botão Converter seja acionado. Como na Figura
3 o modo de entrada ilustrado é % em mol, consequentemente o resultado gerado
será % em massa como indicado no subtítulo da seção.
Após a definição dos componentes e de seus respectivos percentuais no
sistema, na Etapa 4 é preciso definir qual a quantidade de produto será produzida. O
software foi desenvolvido para simular desde a preparação de gramas até toneladas
de material, apesar de ser comum em laboratórios de pesquisa apenas a preparação
de pequenas quantidades.
Figura 4: Visão ampliada da área de trabalho (destaque para as Etapas 4, 5 e 6).
Na Etapa 5 são selecionadas as matérias-primas que irão suprir cada
componente do sistema de acordo com suas respectivas frações percentuais. Até
aqui, trabalhamos com as matérias-primas admitindo que fossem puras (100% de
pureza). Na prática, isso ocorre apenas na produção de certos medicamentos ou em
análises químicas muito especiais (11). Normalmente, trabalhamos com substâncias
que apresentam certa porcentagem de impurezas. Para equacionar essa questão,
quantidade de
produto desejado
matéria-prima para suprir o componente 1
matéria-prima para suprir o componente 2
relatório de dados
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na Etapa 6 é disponibilizada uma função de ajuste para que possa ser inserido o
grau de pureza das matérias-primas selecionadas.
Após a realização das Etapas de 1 a 6, ao acionar o botão Calcular será
gerado como resultado a massa das matérias-primas selecionadas que deverão ser
pesadas para a obtenção do produto de interesse. Conforme a indicação feita na
Figura 4, na última seção do software será lançado um relatório sumarizando todos
os passos adotados pelo usuário. Com isso, ele será capaz de fazer uma verificação
para identificar possíveis erros e executar as correções necessárias. É importante
mencionar que as Etapas de 1 a 6 são apenas um guia para que o usuário possa
alimentar o sistema e obter a resposta desejada. Assim, outras sequências poderão
ser utilizadas conforme a experiência adquirida por ele.
Para finalizar, outro recurso interessante do software é o seu Banco de dados
disponível na barra de ferramentas padrão. Por meio dele é possível consultar
e cadastrar novas matérias-primas, visto que o banco de dados é aberto,
possibilitando que o usuário construa sua própria base. Na Figura 5 é mostrado o
banco de dados disponibilizado para cadastramento de novas matérias primas.
Figura 5: Visão geral do banco de dados do software MatChem_Formulation (beta).
No software consta um banco de dados pré-cadastrado, mas, como
mencionado, ele poderá ser complementado conforme a necessidade do usuário. Ao
inserir nova
matéria-prima
inserir a massa molar da nova matéria-prima
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inserir a fórmula molecular e massa molar de uma nova matéria-prima, em seus
respectivos campos, basta acionar o botão Cadastrar para que os dados sejam
incluídos no banco de dados. Ainda são disponibilizadas as funções Editar e
Remover, caso haja necessidade de alteração dos dados cadastrados.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O desenvolvimento do software MatChem_Formulation exigiu empenho em um
compromisso a longo prazo. Até onde sabemos, ele é diferente de softwares
existentes. Com uma abordagem única, ele é capaz de atender satisfatoriamente
às necessidades do dia a dia de laboratórios de pesquisa, proporcionando ao
usuário tranquilidade e agilidade nas etapas de escolha das matérias-primas, bem
como na definição de suas respectivas massas a serem pesadas para preparação
das misturas reacionais que serão posteriormente processadas.
Para finalizar, o software será disponibilizado gratuitamente e o recebimento
de críticas e/ou sugestões serão de grande valia para que possamos melhorar e
expandir suas funcionalidades a um maior número de usúarios.
MATERIAL SUPLEMENTAR
O arquivo contendo o software MatChem_Formulation e as instruções de uso
(~7 MB) estão disponíveis na internet para download. Acessando o endereço abaixo
todo o material poderá ser adquirido gratuitamente:
http://goo.gl/tW1cPV
AGRADECIMENTOS
À FAPESP (Processo 2013/07793-6 ‒ CeRTEV), CAPES e CNPq pelo auxílio
financeiro e bolsa de estudo concedida a R.L. Siqueira.
REFERÊNCIAS
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3. CHEVALIER, J.; GREMILLARD, L. Ceramics for medical applications: a picture for
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4. WANG, S.F.; ZHANG, J.; LUO, D.W.; GU, F.; TANG, D.Y.; Dong, Z.L.; TAN,
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11. HARRIS, D.C. Análise química quantitativa, 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005.
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FORMULATION OF CERAMIC MATERIALS: NEW SOFTWARE WITH
FRIENDLY USER INTERFACE
ABSTRACT
In the development of ceramic products it is necessary to clearly determine the
desired set of properties, so its composition and possible phases can be specified. A
large number of element combinations to form new ceramic components is available
from all the useful elements of the periodic table. However, before preparing a new
formulation it is not uncommon to address the following questions: which chemicals
should be used? How much? To facilitate this process, a new software for the
formulation of ceramic materials, using the Java programming language, is discussed
here. The software has a friendly user interface, combining several useful resources
with simplicity of use. Our intention is that the software is not only useful, but the
experience produced by its use is pleasant to the user.
Keywords: MatChem_Formulation, ceramic materials, formulation, software, user
interface.
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