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Centro Federal de Educação Tecnológica do Maranhão Professora: Carmem Francisco Nascimento Introdução a Ciência dos Materiais Materiais Cerâmicos: Teoria e Aplicação. São Luís MA Maio 2007

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Centro Federal de Educação Tecnológica do MaranhãoProfessora: Carmem Francisco NascimentoIntrodução a Ciência dos Materiais

Materiais Cerâmicos: Teoria e Aplicação.

São Luís MAMaio 2007

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Centro Federal de Educação Tecnológica do MaranhãoProfessora: Carmem Francisco NascimentoIntrodução a Ciência dos Materiais

Carolina Gomes Araújo Garreto EE0311002-21

Materiais Cerâmicos: Teoria e Aplicação.

São Luís MAMaio 2007

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃOHistórico, definiçãoClassificaçãoArgilas

PROCESSAMENTO E SINTERIZAÇÃO

PROPRIEDADES

PROPRIEDADES TÉRMICAS

PROPRIEDADES ÓTICAS

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Mecanismos de Deformação Plástica

Fluência

Propagação de Fendas

PROPRIEDADES ELÉTRICAS

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

PERMUTA MAGNÉTICA EM MATERIAIS CERÂMICOS

FERRITES

UTILIZAÇÃO DOS MATERIAS CERÂMICOS

VIDROS

Histórico

Definição do vidro

Deformação viscosa dos vidros

Etapas da fabricação dos vidros,,

Tratamento térmico de vidros

Vitro-cerâmica

Reciclagem dos vidros

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INTRODUÇÃO

HISTÓRICO, DEFINIÇÃO

A palavra cerâmica vem do grego "keramos", que significa coisa queimada indicando que asdesejáveis propriedades destes materiais são normalmente encontradas através de um processode tratamento térmico de alta temperatura denominado queima. Originalmente o termo éaplicado às porcelanas e cerâmicas, mas recentemente tendo-se notado que são materiaisinorgânicos e não-metálicos. A maioria dos materiais cerâmicos são compostos entre elementosmetálicos e não-metálicos para os quais as ligações interatômicas são ou totalmente iônicas oupredominantemente iônicas, mas tendo algum caráter covalente.

Até cerca de 40 anos atrás, os mais importantes materiais nesta classe eram denominados"cerâmicas tradicionais", aquelas para as quais a matéria prima básica é a argila; produtosconsiderados como cerâmicas tradicionais são louça, porcelana, tijolos, telhas, ladrilhos,azulejos, manilhas e, em adição, vidros e cerâmicas de alta temperatura. Ultimamente,significativos progressos têm sido feitos no entendimento do caráter fundamental destesmateriais e dos fenômenos que ocorrem neles que são responsáveis pelas suas únicaspropriedades. Consequentemente, uma nova geração destes materiais foi desenvolvida e o termo"cerâmica" tem sido tomado com um significado muito mais amplo. Em vários graus deimportância estes materiais têm um efeito bastante dramático sobre as nossas vidas; eletrônica,computador, comunicação, aeroespacial e um grande número de outras indústrias se apóiam noseu uso.

É quase impossível abrir os olhos sem ver um produto cerâmico ou um produto que depende doengenheiro ou do cientista cerâmico para sua existência. Quando pessoas em geral falam sobrecerâmicas, usualmente estão referindo-se a artefatos de cerâmica tais como pratos, vasos, objetosde arte, etc. Evidentemente tais produtos são cerâmicos, mas eles fornecem uma idéia poucoprecisa sobre a dimensão e o universo da indústria de cerâmica nos dias atuais.

Materiais cerâmicos têm propriedades elétricas como isolantes de alta-voltagem, em resistores ecapacitores, como a memória em computadores, velas na combustão interna de motores e, maisrecentemente, em aplicações de supercondutores de alta temperatura. Resistência ao calor é umadas características mais atrativas nos materiais cerâmicos, por essa razão telhas de cerâmicafornecem blindagem ao aquecimento nos ônibus espaciais de hoje. Uma classe inteira decerâmicas resistentes ao calor, chamadas de refratários torna possível a construção de alto-fornossiderúrgicos e usinas nucleares que são o coração da indústria moderna.

Alguns produtos são cerâmicos em sua origem: tijolo, telhas, azulejo, utensílios de mesa (louças,talheres), vasos de flores, porcelanas de banheiro. Além disso, o vidro, em suas milhares depermutações, é também um produto cerâmico, desde as lentes de óculos até as janelas de umarranha-céu até cabos de fibra ótica.

Os materiais cerâmicos estão por toda parte - nos carros que dirigimos, nos edifícios quemoramos e nas calçadas que pisamos. Elas são usadas até mesmo por dentistas em próteses,coroas, cimento e implantes dentários.

Filtros de cerâmica feitos de porcelana porosa podem isolar micróbios e bactérias do leite e águapotável, separar poeira de gases e remover partículas sólidas de líquidos. Cerâmicas sãoessenciais para a indústria de construção, para a indústria petroquímica, para gerar eletricidade,para as comunicações, exploração espacial, medicina, sanitarismo. Cerâmicas semicondutorastornaram possíveis os rádios transistorizados e a televisão portátil que revolucionaram o modo depensar sobre educação e diversão.

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Escudos de cerâmica, os quais são leves e resistentes ao impacto, têm sido confeccionados paraproteger aviões, veículos militares e soldados. Componentes eletrônicos individuais e circuitosintegrados complexos com multicomponentes têm sido fabricados de cerâmicas. Cerâmicasmono-cristal têm importantes aplicações mecânicas, elétricas e óticas. Cerâmicas incluem itenstão delicados que podem ser quebrados por um leve toque, tão resistentes que podem protegernosso próprio corpo e tão duradouros que permanecem depois de milhares de anos revelando-nosa história dos nossos mais remotos ancestrais.

CLASSIFICAÇÃO

O setor cerâmico é amplo e heterogêneo o que induz a dividi-lo em sub-setores ou segmentos emfunção de diversos fatores, como matérias-primas, propriedades e áreas de utilização. Dessaforma, a seguinte classificação, em geral, é adotada.

CERAMICAS TRADICIONAIS

Cerâmica Vermelha - compreende aqueles materiais com coloração avermelhada empregados naconstrução civil (tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e argilasexpandidas) e também utensílios de uso doméstico e de adorno. As lajotas muitas vezes sãoenquadradas neste grupo porém o mais correto é em Materiais de Revestimento.

Materiais de Revestimento (Placas Cerâmicas) - compreende aqueles materiais usados naconstrução civil para revestimento de paredes, piso e bancadas tais como azulejos, placas ouladrilhos para piso e pastilhas.

Cerâmica Branca - Este grupo é bastante diversificado, compreendendo materiais constituídospor um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor e queeram assim agrupados pela cor branca de massa, necessária por razões estéticas e/ou técnicas.Com o advento dos vidrados opacificados, muitos dos produtos enquadrados neste grupopassaram a ser fabricados, sem prejuízo das características para uma dada aplicação, commatérias primas com certo grau de impurezas, responsáveis pela coloração. Dessa forma é maisadequado subdividir este grupo em:

Louça sanitária / louça de mesa / isoladores elétricos para alta e baixa tensão / cerâmica artística(decorativa e utilitária) / cerâmica técnica para fins diversos, tais como: químico, elétrico,térmico e mecânico.

Materiais Refratários - Este grupo compreende uma diversidade de produtos, que têm comofinalidade suportar temperaturas elevadas nas condições específicas de processo e de operação

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dos equipamentos industriais, que em geral envolvem esforços mecânicos, ataques químicos,variações bruscas de temperatura e outras solicitações. Para suportar estas solicitações e emfunção da natureza das mesmas, foram desenvolvidos inúmeros tipos de produtos, a partir dediferentes matérias-primas ou mistura destas. Dessa forma, podemos classificar os produtosrefratários quanto a matéria-prima ou componente químico principal em: sílica, sílico-aluminoso,aluminoso, mulita, magnesianocromítico, cromítico-magnesiano, carbeto de silício, grafita,carbono, zircônia, zirconita, espinélio e outros.

Isolantes Térmicos - os produtos deste segmento podem ser classificados em:

a) refratários isolantes que se enquadram no segmento de refratários,b) isolantes térmicos não refratários, compreendendo produtos como vermiculita expandida,sílica diatomácea, diatomito, silicato de cálcio, lã de vidro e lã de rocha, que são obtidos porprocessos distintos ao do item a) e que podem ser utilizados, dependendo do tipo de produto até1100 ºC ec) fibras ou lãs cerâmicas que apresentam características físicas semelhantes às citadas no item b,porém apresentam composições tais como sílica, sílica-alumina, alumina e zircônia, quedependendo do tipo, podem chegar a temperaturas de utilização de 2000 ºC ou mais.

Fritas e Corantes - Estes dois produtos são importantes matérias-primas para diversos segmentoscerâmicos que requerem determinados acabamentos.

Frita (ou vidrado fritado) é um vidro moído, fabricado por indústrias especializadas apartir da fusão da mistura de diferentes matérias-primas. É aplicado na superfície docorpo cerâmico que, após a queima, adquire aspecto vítreo. Este acabamento tem porfinalidade aprimorar a estética, tornar a peça impermeável, aumentar a resistênciamecânica e melhorar ou proporcionar outras características.

Corantes: constituem-se de óxidos puros ou pigmentos inorgânicos sintéticos obtidos apartir da mistura de óxidos ou de seus compostos. Os pigmentos são fabricados porempresas especializadas, inclusive por muitas das que produzem fritas, cuja obtençãoenvolve a mistura das matérias-primas, calcinação e moagem. Os corantes sãoadicionados aos esmaltes (vidrados) ou aos corpos cerâmicos para conferir-lhescolorações das mais diversas tonalidades e efeitos especiais.

ABRASIVOS Parte da indústria de abrasivos, por utilizarem matérias-primas e processos semelhantes aos dacerâmica, constituem-se num segmento cerâmico. Entre os produtos mais conhecidos podemoscitar o óxido de alumínio eletro fundido e o carbeto de silício.

VIDRO, CIMENTO E CALSão três importantes segmentos cerâmicos e que, por suas particularidades, são muitas vezesconsiderados à parte da cerâmica.

Cerâmica de Alta Tecnologia/ Cerâmica Avançada O aprofundamento dos conhecimentos da ciência dos materiais proporcionou ao homem odesenvolvimento de novas tecnologias e aprimoramento das existentes nas mais diferentes áreas,como aeroespacial, eletrônica, nuclear e muitas outras e que passaram a exigir materiais comqualidade excepcionalmente elevada. Tais materiais passaram a ser desenvolvidos a partir dematérias-primas sintéticas de altíssima pureza e por meio de processos rigorosamentecontrolados. Estes produtos, que podem apresentar os mais diferentes formatos, são fabricadospelo chamado segmento cerâmico de alta tecnologia ou cerâmica avançada. Eles sãoclassificados, de acordo com suas funções, em: eletroeletrônicos, magnéticos, ópticos, químicos,

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térmicos, mecânicos, biológicos e nucleares. Os produtos deste segmento são de uso intenso e acada 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 decorte, brinquedos, acendedor de fogão, etc.

ARGILAS

As argilas são materiais terrosos naturais que quando misturados com água apresentam altaplasticidade. São constituídas de partículas extremamente pequenas formadas por um númeroestrito de substâncias denominadas argilo-minerais. De acordo com a ABNT as argilas sãocompostas de partículas coloidais de diâmetro inferior a 0,005 mm, com alta plasticidade quandoúmidas e que, quando secas formam torrões dificilmente desagregáveis pela pressão dos dedos.

Argilo-mineraisSão silicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio com pequenas percentagens de elementosalcalinos e alcalino-terrosos, além de sílica, alumina, mica, ferro, cálcio, magnésio, matériaorgânica, etc. Resultam da degradação de rochas sob ação da água e do gás carbônico, resultandoem jazidas muito variadas e mesmo variações acentuadas dentro de uma mesma jazida.

Tipos de argilaDe uma maneira geral, podem-se ter:

Argilas de cor de cozimento branca, como os caulins e argilas plásticas. Argilas refratárias, como os caulins, argilas refratárias e argilas altamente aluminosas. Argilas para produção de grês. Argilas para materiais cerâmicos estruturais, como as amarelas e vermelhas.

As argilas são ainda classificadas em:

GordasSão plásticas devido a grande quantidade de colóides e a presença de alumina, se deformam maisdurante o cozimento.

MagrasDevido ao excesso de sílica, são mais porosas e frágeis.

COMPONENTES DA ARGILA

Os principais componentes da argila são:

CaulimÉ a argila com predomínio de caulinita - pó branco matéria da porcelana. O nome caulim é deorigem chinesa (Kao-liang:colina elevada), quando seco é untoso e quando úmida é muitoplástica.

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Caulim

Óxido de ferroProvenientes das rochas ígneas que dá a cor avermelhada ou amarelada a maioria das argilas.Reduz a sua plasticidade e a propriedade de ser refratária.

Sílica livre (areia)Reduz a plasticidade e a retração, facilitando a secagem. Como paradoxo ela diminui aresistência mecânica, porém com a parte que funde (vitrifica) no cozimento endurece o produto.

Óxido de ferro Sílica

Alumina livreReduz a plasticidade e a resistência mecânica, mas aumenta a refratariedade.

FeldspatosAgem como fundentes aumentando a massa específica, a resistência e a impermeabilidade.

CálcioAge como fundente e clareia a cerâmica.

Matéria orgânicaEmbora melhore a plasticidade, torna a cerâmica mais porosa. Ela é responsável pela cor escurada argila antes do cozimento.

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As propriedades mais importantes das argilas são a plasticidade, a retração e o efeito do calor.Nas cerâmicas, o interesse se situa no peso, resistência mecânica, resistência ao desgaste,absorção de água e duração.1 - PlasticidadeÉ a propriedade de se deformar pela aplicação de uma força e manter esta deformação cessada aforça. Resulta das forças de atração entre as partículas argilo-minerais e a ação lubrificante daágua entre as partículas lamelares.Para determinar a plasticidade são elaborados os seguintes ensaios de laboratório:Limite de Plasticidade - LPÉ definido como o menor teor de umidade do solo com o qual se consegue moldar um cilindrocom 3 mm de diâmetro e 10 cm de comprimento, rolandose o solo com a palma da mão.Limite de Liquidez - LLO limite de liquidez é definido como o teor de umidade do solo com o qual uma ranhura nelefeita requer 25 golpes para se fechar, numa concha do aparelho de Casagrande.Índice de PlasticidadeIP = LL - LPÍndice de Consistência

Onde h é o teor de umidade da argila na jazida2 - RetraçãoQuando a argila começa a secar ela perde inicialmente a água superficial (processo rápido) edepois a água interna migra para a parte seca por capilaridade (processo lento) até sehomogeinizar.Após secar o espaço antes ocupado pela água cria vazios que se retraem.A retração depende do grau de umidade e da composição da argila (quanto mais caulinita maior aretração). A retração não é uniforme e tende a deformar as peças.

3 - Secagem e sinterizaçãoA secagem é o processo de evaporação da água. Se a velocidade de evaporação for maior que amigração da água interna para a superfície ocorrerá uma tensão diferencial que poderá ocasionarfissuras e deformação da peça.

Aquecendo-se a argila entre 20 a 150º C ela perde a água de capilaridade e amassamento. De 150 a 600º C ela perde a água adsorvida e vai enrijecendo (somente alterações físicas). A partir de 600º C começam as alterações químicas em três estágios:

1 - No primeiro estágio ocorre a desidratação química - a água de constituição também é expulsaresultando no endurecimento e as matérias orgânicas são queimadas.2 - No segundo estágio ocorre a oxidação os carbonetos são calcinados e se transformam emóxidos.3 - O terceiro estágio, a vitrificação, se inicia aos 950º C. A sílica forma uma pequena quantidadede vidro que aglutina os demais elementos, dando resistência, dureza e compactação ao conjunto.A qualidade da cerâmica depende da quantidade de vidro formada, sendo ínfima nos tijolos egrande nas porcelanas.

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ESTRUTURA ATÔMICA

Cerâmicas Cristalinas

Em geral, a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa que a dos metais, umavez que eles são compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de átomo ocupaposições determinadas no reticulado cristalino.

Exemplo: Titanato de Bário (BaTiO3)Material Piezo elétrico Estrutura tipo AmBnXp

Vidros (Cerâmicas Não-Cristalinas)

Para os materiais cerâmicos a ligação atômica é predominantemente iônica, as estruturascristalinas podem ser pensadas como sendo composto de íons eletricamente carregados em vezde átomos. Os íons metálicos, ou cátions, são carregados positivamente, porque eles deixaram oselétrons de valência deles aos íons dos não-metálicos, ou ânions, que são carregadosnegativamente. Duas características dos íons de componente em materiais cerâmicos cristalinosinfluenciam a estrutura cristalina: a magnitude de carga elétrica em cada um dos íons doscomponentes, e os tamanhos relativos dos cátions e anions. Com respeito à primeiracaracterística, o cristal deve ser eletricamente neutro: quer dizer, todo o cátion que carga depositivas devem ser equilibrada por um número igual de anion carga negativas. A fórmulaquímica de uma combinação indica a relação de cátions para anion, ou a composição que alcançaeste equilíbrio de carga. por exemplo, em fluoreto de cálcio, cada íon de cálcio tem carga +2 (Ca2+) associado com ions de fluir com carga -1 (F -), assim, deve haver duas vezes F - como Ca2+íons, com é refletido na fórmula CaF2 química.

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A maior parte das cerâmicas apresentam fases cristalinas com poucos elétrons livres, sendoformadas geralmente por estruturas mais complexas do que, por exemplo, a dos metais. Nas fases cerâmicas que apresentamestruturas cristalinas, deve-se levar emconsideração além do tamanho dos íons(relação de raios), o número de elétrons devalência para que haja balanceamento decargas. O MgO tem uma estrutura CFC e afluorita (CaF2) também, onde os íons de Case encontram nos vértices e nos centros dasfaces e os íons de flúor se encontram dentroda célula (figura 01).Estrutura cristalina da fluorita. a) Tridimensional. b) Bidimensional.Exemplo 01: Usando a figura 01, dizer:a) Quantos átomos existem na célula; b) Qual a massa de cada célula.

a) Os íons de Ca contribuem com 1/8 em cada vértice e 1/2 em cada face e os íons de flúorcontribuem com seus volumes totais para cada célula, portanto:

)(:

2

6

8

8:2

céluladadentrotodosF

Ca

Fíons8

Caíons4 2

b) Sendo a massa atômica do Ca2+ igual a 19,00 e a do F- de 40,08, temos:

g/célula5,19x1022231002,6

08,40.400,19.8

xm

Compostos de Empacotamento Fechado:Compostos AX:São compostos formados por um cátion A para cada ânion X por célula unitária.

a) Estrutura Cúbica Simples: O CsCl (Cloreto de Césio) apresenta uma razão de raios iônicosde 1,65/1,81

0,9 e, portanto, número de coordenação igual a 8, formando uma estruturacúbica simples, como mostra a figura 02. Tal estrutura só é possível em compostos, poisum empacotamento eficiente nesse tipo de arranjo só pode ser conseguido com átomos detamanhos diferentes, onde o menor ocupa o interstício central da célula. No caso dosmetais, isso não seria possível, já que os átomos têm o mesmo tamanho.

Estrutura do CsCl. Há um cátion Cs+ e um ânion Cl- por célulaunitária.Cs+

Cl-

0,1 0,1

0,10,1

0,1

¼,¾

¼,¾ ¼,¾

½

½

½

½

¼,¾

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b) Estrutura Cúbica de Face Centrada: O MgO tem razão de raios iônicos 0,75/1,32

0,6 e

número de coordenação 6, formando assim uma estrutura CFC, onde os íons de Mg seencontram no centro da célula e das arestas e os íons de O se encontram nos vértices e nocentro das faces (figura 03).

Figura 03: Estrutura do MgO. Há quatro cátions Mg+ e quatro ânions O- por célula unitária.c) Hexagonal Compacta: A estrutura HC é semelhante à estrutura CFC, com fator de

empacotamento de 0,74 e número de coordenação 12, diferindo apenas pela seqüênciade empilhamento. O FeS (Sulfeto de Ferro) apresenta uma estrutura HC.

Exemplo 02: O MnS possui normalmente a mesma estrutura do MgO e do NaCl (CFC); Emalguns casos, porém, pode-se obter uma estrutura análoga ao ZnS cúbico. Qual a densidade doMnS em cada caso, admitindo que o tamanho dos átomos quando NC = 4 é de 94% do mesmoquando NC = 6? Dados RMn = 0,91 Å; RS = 1,74 Å; M Mn =54,96; MS = 32,06.

a) MnS com a estrutura do MgO e NaCl: o sistema é CFC, (com NC = 6), portanto o seuparâmetro é:

o

MnS ARra 3,574,191,022

unitáriacéluladavolume

avogadronatômicamassaátomosn

unitáriacéluladavolume

átomodemassacélulanaátomosnd

ooo 1

3g/cm3,8822

22

22

23

38

2323

10489,1

1078,5

10489,1

1002,606,3294,54.4

103,5

1002,606,32.4

1002,694,54.4

x

xd

x

x

x

xxd

b) MnS com a estrutura do ZnS: O sistema é cúbico, semelhante ao do diamante, apresentando acélula CFC formada pelos átomos de S, com os átomos de Zn dentro da célula. Neste caso, o NCé de 4, onde o tamanho dos átomos é 94 % menor que com NC = 6:

o

MnS ARra 491,265,2.94,0.94,0

o

A3,0338

23

310491,2.4

1002,606,3294,54.4

x

xd

Compostos AmXn: A fluorita (CaF2) é o composto mais simples, formando uma célula cúbicasimples (figura 04), onde o cátion se encontra no centro e o ânion nos vértices da célula. O Al2O3

(corundum) apresenta um arranjo atômico HC com os cátions em posição octaédrica.

0,1 0,1

0,10,1 1/2

1/2 1/2

1/2

0,1

1/2

1/21/2

1/2 1/2

0,1

0,10,1

0,1

b)a)

+

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Composto ABmXn: Embora a presença de mais de dois átomos aumente a complexidade dacélula, muitos compostos deste tipo são de grande interesse, como a cerâmica BaTiO3, que formauma célula cúbica a temperaturas acima de 120 ºC, com os íons Ba2+ se localizando no vértices,os de O2- nas faces e o de Ti4+ no centro cubo (figura 05).

Célula cúbica simples da Fluorita. Célula cúbica de BaTiO3.

F-

Ca+

Ba2+

O2-Ti4+

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PROCESSAMENTO E SINTERIZAÇÃO

O processamento de materiais cerâmicos à base de argila é feito a partir da compactação de pósou partículas e aquecimento à temperaturas apropriadas.As peças cerâmicas podem ser obtidas por FUSÃO ou SINTERIZAÇÃO

Pó + misturas Corpo a verdeProcesso de conformação Sinterização

Peça sinterizadaPeça prontaAcabamento

Devido às elevadas temperaturas de fusão dos materiais cerâmicos torna-se muito dispendioso etecnologicamente complicado utilizar as técnicas tradicionais de vazamento (fusão) com estesmateriais.

Preparação dos MateriaisSeleção das matérias primasPós cerâmicos (reatividade) Importante ter em atenção o grau de pureza (extremamente importante nas cerâmicas técnicas,caso da alumina) e a distribuição granulométrica.LigantesLubrificantesDesfloculantesAjudantes de sinterização

Pós obtidos por spray-drying

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PROPRIEDADES TÉRMICAS

Por propriedade térmica entende-se a resposta de um material à aplicação de calor. À medidaque um sólido absorve energia na forma de calor, sua temperatura sobe e suas dimensõesaumentam. A energia pode ser transportada para regiões mais frias da amostra se existiremgradientes de temperatura e, finalmente, a amostra pode se fundir. Capacidade calorífica,expansão térmica e condutibilidade térmica são propriedades que são às vezes críticas nautilização prática de sólidos.Forças de ligação interatômica relativamente fortes são encontradas em muitos materiaiscerâmicos como refletidas nos comparativamente baixos coeficientes de expansão térmica;valores tipicamente variam entre cerca de 0,5 x 10-6 a 15 x 10-6 (oC)-1. Para cerâmicas nãocristalinas e também aquelas contendo estruturas cristalinas cúbicas, l é isotrópico. Doutromodo, ele é anisotrópico e, de fato, alguns materiais cerâmicos, durante o aquecimento,contraem-se em algumas direções cristalográficas enquanto se expandem em outras. Para vidrosinorgânicos, o coeficiente de expansão depende da composição. Sílica fundida (vidro de SiO 2 dealta pureza) tem uma extremamente pequena expansão térmica, 0,5 x 10-6 (oC)-1. Isso é explicadopor uma baixa densidade de empacotamento atômico de maneira que expansão interatômicaproduz relativamente pequenas variações dimensionais macroscópicas. Adição de impurezas nasílica fundida aumenta o coeficiente de expansão térmica.Materiais cerâmicos que são submetidos a variações de temperatura devem ter coeficientes deexpansão térmica que são relativamente baixos e, em adição, isotrópicos. Doutro modo, essesmateriais frágeis podem experimentar fratura como uma consequência de variações dimensionaisnão uniformes no que é denominado choque térmico.

As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:Grande capacidade calorífica Baixo coeficiente de expansão térmica E condutividade térmica

Uma interessante aplicação, que leva em conta as propriedades térmicas das cerâmicas, é o seuuso na indústria aeroespacial.

Revestimento exterior com fibraamorfas de sílica de alta pureza.Espessura: 1,27-8,89cm

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PROPRIEDADES ÓTICAS

Descreve a maneira com que um material se comporta quando exposto a luz. Assim, um materialpode ser: Transparente, Translúcido, Opaco.Materiais não metálicos são intrinsecamente transparentes ou opacos. Opacidade resulta emmateriais de relativamente estreita lacuna de banda como um resultado de absorção pela qual aenergia de um fóton é suficiente para promover transições eletrônicas banda de valência-bandade condução. Não-metais transparentes têm lacunas de banda maiores do que cerca de 3 eV.

Dois mecanismos importantes da interação da luz com a partícula em um sólido são:

Polarização

Transição de elétrons entre diferentes níveis de energia.

Banda de condução

Banda de valência

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Materiais cerâmicos são muito limitados em aplicabilidade por suas propriedades mecânicas, queem muitos aspectos são inferiores às dos metais. A principal desvantagem é uma disposição àfratura catastrófica de uma maneira frágil com muito pouca absorção de energia.

Mecanismos de Deformação Plástica

Embora à temperatura ambiente a maioria dos materiais cerâmicos sofra fratura antes do inícioda deformação plástica, vale a pena uma breve exploração dos possíveis mecanismos. Adeformação plástica é diferente para cerâmicas cristalinas e não-cristalinas; entretanto, cada umaé discutida.Para cerâmicas cristalinas, ocorre a deformação plástica, tal como com metais, pelo movimentode discordâncias. Uma razão para a dureza e a fragilidade destes materiais é a dificuldade doescorregamento (ou movimento de discordância). Esta é uma conseqüência da naturezaeletricamente carregada dos íons. Para escorregamento em algumas direções, íons de cargasimilar são colocados em estreita proximidade entre si; por causa da repulsão eletrostática, estemodo de escorregamento é muito restringido. Isto não é um problema em metais, uma vez quetodos os átomos estão eletricamente neutros.

A deformação plástica não ocorre por movimento de discordância para cerâmicas não-cristalinas, porque não existe nenhuma estrutura cristalina regular. Em vez disto, estes materiaisse deformam por escoamento viscoso, a mesma maneira na qual os líquidos se deformam; a taxade deformação é proporcional à tensão aplicada. Em resposta a uma tensão cisalhante aplicada,átomos ou íons deslizam uns sobre os outros, quebrando e recompondo ligações interatômicas.Entretanto, não existe nenhuma maneira ou direção pré-escrita na qual isto ocorre, como com asdiscordâncias. Líquidos têm relativamente baixas viscosidades; por exemplo, a viscosidade da água àtemperatura ambiente é de cerca de 10-3 Pa.s. Por outro lado, vidros têm extremamente grandesviscosidades à temperatura ambiente, que são atribuídas à forte ligação interatômicas. À medidaque a temperatura é elevada, a magnitude da ligação é diminuída, o movimento de deslizamentoou fluxo dos átomos ou íons é facilitado e então existe uma queda na viscosidade.

Fluência

Às vezes materiais cerâmicos experimentam deformação de fluência como um resultado deexposição às tensões (usualmente compressivas) a elevadas temperaturas. Em geral, ocomportamento de fluência tempo-deformação de cerâmicas é similar àquele dos metais;entretanto, fluência ocorre em temperaturas maiores em cerâmicas. Testes compressivos defluência a alta temperatura são conduzidos em materiais cerâmicos para determinar deformaçãode fluência como uma função da temperatura e do nível de tensão.

Fendas de Griffith

A resistência à fratura de um material sólido é uma função das forças coesivas que existem entreos átomos.Nesta base, estimou-se que a resistência coesiva teórica de um sólido elástico frágil éaproximadamente E / 10, onde E é o módulo de elasticidade. As resistências às fraturasexperimentais da maioria dos materiais de engenharia normalmente caem entre 10 e 1000 vezesabaixo deste valor teórico. Na década de 1920, A.A.Griffith propuseram que esta discrepânciaentre a força coesiva teórica e a resistência à fratura observada poderia ser explicada pelapresença de defeitos ou trincas muito pequenos e microscópicos que sempre existem sobcondições normais na superfície e dentro do interior de um corpo material. Os defeitos são umdetrimento para a resistência à fratura porque uma tensão aplicada pode ser amplificada ouconcentrada na ponta, a magnitude desta amplificação dependendo da orientação e geometria da

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trinca. Devido à sua capacidade de amplificar um tensão aplicada em seus locais, estes defeitos(falhas) às vezes denominadas elevadores tensão.Griffith a seguir propôs que todos os materiais frágeis contivessem uma população de pequenastrincas e falhas que têm uma variedade de tamanhos, geometrias e orientações. A fraturaresultará quando, sob aplicação de uma tensão de tração, a resistência coesiva teórica do materialé excedida na ponta de uma destas falhas. Isto conduz à formação de uma trinca que então sepropaga rapidamente. Se nenhuma falha estiver presente, a resistência à fratura seria igual àresistência coesiva do material. Whiskers (filamentos ou agulhas) metálicos ou cerâmicos muitopequenos e virtualmente livres de defeito foram crescidos com resistências à fratura que seaproximam dos seus valores teóricos.

Propagação de Fendas

Durante a propagação de uma trinca, existe uma liberação do que é denominado energia dedeformação elástica, alguma energia que é estocada no material quando ele é elasticamentedeformado. Além disso, durante o processo de extensão da trinca, novas superfícies livres sãocriadas nas faces de uma trinca, que dá origem a um aumento na energia superficial do sistema. Griffith desenvolveu um critério para a propagação de trinca de uma trinca elíptica realizandoum balanço de energia usando estas duas energias. Ele demonstrou que a tensão crítica requerida para propagação de trinca num material é descrita por:

(eq.onde:E = módulo de elasticidade

= energia superficial específicaa = metade do comprimento de uma trinca interna

Fratura Frágil

À temperatura ambiente, tanto a cerâmica cristalina quanto a cerâmica não-cristalina quasesempre se fraturam antes que qualquer deformação plástica possa ocorrer em resposta a umacarga de tração aplicada. O processo de fratura frágil consiste da formação e propagação detrincas através da seção reta de material numa direção perpendicular à carga aplicada.A resistência à fratura medida de materiais cerâmicos são substancialmente menores do queprevistas pela teoria das forças de ligação interatômicas. Isto pode ser explicado pelas pequenas eonipresentes falhas (defeitos) no material que servem como elevador de tensão. O grau deamplificação da tensão depende do comprimento da trinca e raio de curvatura da ponta de acordocom a Equação 8.1, sendo o mais alto para defeitos longos e apontados. Estes elevadores detensão podem ser trincas da superfície ou do interior (microtrincas), poros internos e cantos degrão, que são virtualmente impossível de eliminar ou controlar. Uma concentração de tensãonuma ponta de defeito pode causar a formação de uma trinca, que pode propagar-se até eventualfalha.A medida da capacidade de um material cerâmico para resistir à fratura quando uma trincaestiver presente é especificada em termos tenacidade à fratura. A tenacidade à fratura dedeformação plana, KIc , é definida de acordo com a expressão:

onde Y é um parâmetro adimensional que é função das geometrias tanto da amostra quanto da trinca;

é a tensão aplicada e; a é o comprimento de uma trinca superficial ou a metade do comprimento de uma trinca interna.A propagação de trinca não ocorrerá enquanto o lado direito da equação for menor do que atenacidade à fratura por deformação plana do material.

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Sob algumas circunstâncias, a fratura de materiais cerâmicos ocorrerá por lenta propagação detrincas, quando tensões forem estáticas em natureza e o lado direito da equação for menor do queKIc . Este fenômeno é chamado fadiga estática, ou fratura retardada; o uso do termo "fadiga" éalgo enganador porquanto uma fratura possa ocorrer na ausência de tensões cíclicas. Observou-se que este tipo de fratura é especialmente sensível às condições ambientais, especificamentequando umidade estiver presente na atmosfera. Relativamente ao mecanismo, um processo decorrosão sob tensão provavelmente ocorre nas pontas das trincas; isto é, a combinação de umatensão de tração aplicada e a dissolução de material conduz a um afilamento e a um alongamentodas trincas até que uma trinca cresça até um tamanho de rápida propagação de acordo com aEquação 8.3. Além disso, a duração da aplicação da tensão que precede a fratura decresce com oaumento da tensão.Existe usualmente considerável variação e dispersão na resistência à fratura para muitas amostrasde um específico material cerâmico frágil. Este fenômeno pode ser explicado pela dependênciada resistência à fratura em relação à probabilidade da existência de um defeito que seja capaz deiniciar uma trinca. Esta probabilidade varia de amostra a amostra do mesmo material e dependeda técnica de fabricação e de qualquer subseqüente tratamento. Tamanho ou volume da amostratambém influencia a resistência à fratura; quanto maior a amostra tanto maior esta probabilidadede existência de defeito e tanto menor a resistência à fratura.Para tensões compressivas, não existe nenhuma amplificação de tensão associada com quaisquerdefeitos existentes. Cerâmicas frágeis exibem maiores resistências em compressão do que emtração e elas são geralmente utilizadas quando condições de carga são compressivas. Também, aresistência à fratura de uma cerâmica frágil pode ser melhorada pela imposição de tensõescompressivas residuais em sua superfície. Uma maneira de realizar isto é por revestimentotérmico.Foram desenvolvidas teorias estatísticas que em conjunção com os dados experimentais sãousadas para determinar o risco de fratura de um dado material; uma discussão desta está além doescopo do presente tratamento. Como uma conseqüência do processo de fabricação, algunssistemas cerâmicos retêm porosidade residual, que normalmente existe como poros isoladospequenos, aproximadamente esféricos. Porosidade é usualmente deletéria à resistência à fraturadestes materiais por 2 razões: (1) poros reduzem área de seção reta através da qual uma carga éaplicada; e (2) eles também agem como concentradores de tensão - para um poro esféricoisolado. A influência da porosidade é bastante acentuada; experimentalmente tem sido observadoque a resistência de muitas cerâmicas decresce exponencialmente com o aumento da porosidade.

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PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Começamos com um fenômeno de condução elétrica: os parâmetros pelos quais ela é expressa, omecanismo da condução por elétrons e como a estrutura da banda de energia dos elétrons de ummaterial influencia sua capacidade para conduzir. Estes princípios são estendidos a metais,semicondutores e isolantes. Atenção particular é dada às características de semicondutores eentão a dispositivos semicondutores. Também são tratadas as características dielétricas demateriais isolantes. As seções finais são devotadas aos particulares fenômenos deferroeletricidade e piezo eletricidade.Para isolantes e semicondutores, estados vazios adjacentes ao topo da banda de valênciapreenchida não são disponíveis. Para ficarem livres, portanto, elétrons devem ser promovidosatravés lacuna de banda de energia e para dentro dos estados vazios na base da banda decondução. Isto é possível apenas mediante o suprimento a um elétron da diferença de energiaentre estes dois estados, que é aproximadamente igual à lacuna de banda de energia Eg .Embora as cerâmicas tradicionais discutidas anteriormente respondam pelo grosso da produção,o desenvolvimento de novas e o que é denominado "cerâmicas avançadas" começou e continuarápara estabelecer um destacado nicho em nossas avançadas tecnologias. Em particular,propriedades elétricas, magnéticas e óticas e combinações únicas de propriedades para cerâmicastêm sido exploradas numa hoste (grande número) de novos produtos; Além disso, cerâmicas avançadas são, ou têm potencial para ser, utilizadas em máquinas de

combustão interna e turbinas, como placa de armadura, em embalagem eletrônica, comoferramentas de corte e para conversão, estocagem e geração de energia.A indústria eletrônica está continuamente procurando novos materiais para acompanhar astecnologias continuamente mutantes. De interesse particular é a embalagem de circuitointegrados (ICs). Os ICs são montados num material substrato que deve ser eletricamenteisolante, tendo apropriadas características dielétricas (isto é, baixa constante dielétrica), bemcomo dissipar o calor gerado por correntes elétricas que passam através dos componenteseletrônicos (isto é, termicamente condutivos). À medida emque os componentes IC se tornammontados mais próximos entre si, esta dissipação de calor se torna uma consideração rescementemais crítica. Óxido de alumínio tem sido o material substrato padrão; sua principal limitação,entretanto, é a sua relativamente baixa condutividade térmica. Como uma regra geral, materiaisque são maus condutores elétricos são também maus condutores térmicos, e vice-versa. Exceções(isto é, isolantes elétricos e condutores térmicos) são materiais cerâmicos de alta pureza quetenham estruturas cristalinas simples; estes incluem nitreto de boro (BN), carbeto de silício (SiC)e nitreto de alumínio (AlN). Correntemente, o mais promissor substrato alternativo é o AlN, quetem uma condutividade térmica de cerca de 10 vezes melhor do que aquela da alumina. Alémdisso, a expansão térmica do AlN é muito próxima daquela de IC "chips" de silício para os quaisserve como um substrato.

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PROPIEDADES MAGNÉTICAS

PERMUTA MAGNÉTICA EM MATERIAIS CERÂMICOS

FERRITES

Os ferrites são extremamente sensíveis as condições de processamento e obtenção dos mesmos e,portanto, suas propriedades magnéticas apresentam grande dependência com a microestrutura.Devido a isto, falaremos inicialmente sobre a sinterização, que é o processo de obtenção dosferrites.Os ferrites são materiais a base de óxidos, como o óxido de bário, por exemplo. A sinterizaçãodos ferrites produz um material de aspecto cerâmico. As ferrites mais empregadas são decomposição BaO6Fe2 O3 e SrO6Fe2 O3 com, eventualmente, alguns aditivos como Si O3 eBiO2 , que produzem uma influencia benéfica. Uma ferrite sintetizada típica é produzidamediante uma mistura de BaO ou de compostos de estrôncio (Sr) com Fe2 O3 .É comumadicionar-se um ligeiro excesso de bário, assim como uma substância lubrificante, a qual facilitaa compactação da mistura. A sinterização é feita entre 1000° C C e 1300º C, originando- se ummaterial de aspecto cerâmico com a dureza correspondente e usinável somente com o empregode ferramentas de diamante, inclusive para a sua retificação. A tabela abaixo apresenta asprincipais características de ferrites sintetizados para ímãs permanentes.

PROPIEDADESTÍPICAS DE FERRITESSINTETIZADAS PARAÍMÃS PERMANETENS

As ferritas são óxidos pertencentes a classe de novos materiais que exibem uma induçãomagnética espontânea na ausência de um campo magnético extremo e formam uma classepredominante entre as cerâmicas magnéticas. Estes materiais podem apresentar diferentesestruturas cristalinas, composição e aplicação. As estruturas de cristalização são do tipo deespinélio, gama e hexagonal. As ferritas de espinélio formam uma classe de óxidos que tem oFe2 O3 como principal componente. Existe uma forte relação entre o modo de preparação dasferritas, suas propriedades e aplicações. Usualmente, ferritas de espinélio tem sido preparadapelo método padrão, que é a mistura de pós; mistura dos óxidos precursores com posterioresetapas de compactação e de sinterização. Entretanto, outros métodos de obtenção de pó demelhor qualidade vã sendo desenvolvidos, como por exemplo o método da síntese hidrotérmica.Neste método busca-se obter pós de partícula de tamanho nanométrico com um alto grau depureza. O método consiste em precipitar o pó da ferrita sob altas temperaturas e pressãoutilizando-se de uma autoclave. A preparação do pó é feita, por exemplo, de uma solução aquosa contendo nitratos de zinco,

cobalto e ferro; e utilizando-se NaOH ou NH4 OH como agente precipitante. Os pós obtidos sãocompactados sob pressão de 2 toneladas e as pastilhas obtidas são calcinadas a 600° C por 2horas.As microestruturas são monitoradas por micrografias obtidas por microscopia eletrônica devarredura (MEV) durante o processamento do pó e do produto final sinterizado. Este processoobtém uma ferrita de corpo denso e de baixa porosidade. A composição da ferrita é determinada

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qualitativamente por espectroscopia de energia dispersiva(EDS) , em MEV, e quantitativamentepor espectrofotometria de absorção atômica.

Micrografia de uma amostra de ferrita de cobalto e zinco

A influência da microestrutura sobre o comportamento físico da ferrita precisa ser estudadodevido a importância de se compreender a relação com as propriedades magnéticas e elétricas. Oconhecimento da identificação e formação de fases, a segregação de cátions para a região docontorno de grãos e a presença de poros e de impurezas precipitadas é de grande importânciapara se entender e melhorar as propriedades magnéticas de ferritas cerâmicas. Como um produtocerâmico, as ferritas são extremamente sensíveis as condições de processamento sendonecessário um melhor controle sobre todas as etapas de produção para se garantir a qualidade doproduto final. Algumas propriedades são dependentes da microestrutura e da química docontorno de grãos. A importância do controle de grãos em ferritas moles está no controle dosmecanismos de perdas e de alta permeabilidade. Muitas ferritas (como as ferritas de MnZn)possuem como perdas predominantes as por correntes parasitas e as perdas por histerese. Asperdas por histerese aumentam quando a permeabilidade estática diminui e as perdas porcorrente parasita vão se tornando importantes a medida que se aumenta a freqüência de operação.Uma das formas de se diminuir as perdas consiste no aumento da resistividade global da ferritapelo aumento da resistividade na região do contorno de grão. Isso pode ser alcançado pelautilização de dopantes. Dependendo da solubilidade na rede cristalina hospedeira, os dopantespodem segregar para os contornos, influenciar o crescimento do grão ou promover a formação deuma fase líquida ou ainda modificar a química do contorno de grão, formando uma fase nãocondutora. Adições de CaO e SiO2 , em proporções adequadas, resultam em uma maiorresistividade para as ferritas porque estas misturas podem desenvolver fases vítreas isolantes noscontornos de grãos.A resistividade elétrica das ferritas é também afetada pela proporção de oxigênio na sinterização.Por exemplo, as ferritas de MnZn sinterizadas em nitrogênio (3 ppm de O2) apresentamresistividade da ordem de 81 Wcm ao passo que quando sinterizadas em nitrogênio contendo 5%de O2 a resistividade aumenta para 2x106 Wcm. Verifica-se que a resistividade das ferritas podeainda ser aumentada por processos de recozimento onde as propriedades obtidas são dependentesda temperatura e do tempo de tratamento térmico. Esse tratamento térmico promoveria aoxidação dos íons Fe2+ tanto no interior do grão como no contorno do grão. A influência da microestrutura sobre o comportamento físico da ferrita precisa ser estudado

devido a importância de se compreender a relação com as propriedades magnéticas e elétricas. Oconhecimento da identificação e formação de fases, a segregação de cátions para a região docontorno de grãos e a presença de poros e de impurezas precipitadas é de grande importânciapara se entender e melhorar as propriedades magnéticas de ferritas cerâmicas. Como um produtocerâmico, as ferritas são extremamente sensíveis as condições de processamento sendonecessário um melhor controle sobre todas as etapas de produção para se garantir a qualidade doproduto final. Algumas propriedades são dependentes da microestrutura e da química docontorno de grãos. A importância do controle de grãos em ferritas moles está no controle dosmecanismos de perdas e de alta permeabilidade. Muitas ferritas (como as ferritas de MnZn)possuem como perdas predominantes as por correntes parasitas e as perdas por histerese. As

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perdas por histerese aumentam quando a permeabilidade estática diminui e as perdas porcorrente parasita vão se tornando importantes a medida que se aumenta a freqüência de operação.Uma das formas de se diminuir as perdas consiste no aumento da resistividade global da ferritapelo aumento da resistividade na região do contorno de grão. Isso pode ser alcançado pelautilização de dopantes. Dependendo da solubilidade na rede cristalina hospedeira, os dopantespodem segregar para os contornos, influenciar o crescimento do grão ou promover a formação deuma fase líquida ou ainda modificar a química do contorno de grão formando uma fase nãocondutora. Adições de CaO e SiO2 , em proporções adequadas, resultam em uma maiorresistividade para as ferritas porque estas misturas podem desenvolver fases vítreas isolantes noscontornos de grãos.A resistividade elétrica das ferritas é também afetada pela proporção de oxigênio na sinterização.Por exemplo, as ferritas de MnZn sinterizadas em nitrogênio (3 ppm de O2 ) apresentamresistividade da ordem de 81 W.cm ao passo que quando sinterizadas em nitrogênio contendo 5%de O2 a resistividade aumenta para 2x106 W.cm. Verifica-se que a resistividade das ferritas podeainda ser aumentada por processos de recozimento onde as propriedades obtidas são dependentesda temperatura e do tempo de tratamento térmico. Esse tratamento térmico promoveria aoxidação dos íons Fe2+ tanto no interior do grão como no contorno do grão.Um dos mecanismos de magnetização atuantes nas ferritas é o deslocamento reversível dasparedes dos domínios magnéticos. A magnetização é aumentada pela facilidade do deslocamentoreversível das paredes desses domínios na direção do campo magnético aplicado. Ferritas commaiores tamanhos de grãos possuem relativamente menos áreas de contorno de grão por unidadede volume do que as ferritas com menores tamanhos de grão. A permeabilidade está relacionadacom a facilidade do movimento das paredes dos domínios magnéticos; ou seja; ela crescelinearmente com o aumento do tamanho do grão.Deve-se tomar cuidado com o uso indiscriminado do aumento do tamanho do grão para aumentara permeabilidade magnética, pois este aumento pode conduzir a produção de ferritas inferioresdo ponto de vista mecânico, elétrico e até mesmo magnético, porque com o aumento do tamanhodo grão podem surgir imperfeições como poros, rachaduras e inclusões; reduzindo a suaresistência mecânica, elétrica e a permeabilidade pelo impedimento do movimento das paredes.As perdas totais à baixa freqüência diminuem com o aumento do tamanho médio do grão porqueas perdas por histerese são menores para ferritas de grãos maiores devido à dependência dacoercitividade sobre o tamanho do grão (maior tamanho do grão menor força coercitiva). Emcondições de alta freqüência, na utilização como núcleo de transformadores de alta freqüência, ofator principal é a perda por correntes parasitas. Neste caso, um grão menor é mais indicado, oque pode ser explicado pela relação entre a freqüência para o qual ocorre a ressonância da paredede domínio e o tamanho do grão da ferrita. Esta freqüência de ressonância é proporcional aoinverso do quadrado do tamanho do grão da ferrita.O objetivo de um controle efetivo do crescimento e da velocidade de crescimento do grão noprocesso de sinterização das ferritas pode ser perseguido pela utilização de matérias primas dealto grau de pureza além da utilização de dopantes que funcionem como controladores docrescimento do grão. O controle da velocidade de crescimento é importante para se evitar que osgrãos cresçam com velocidades diferentes, o que resultaria em uma estrutura chamada duplex(forma grãos de tamanhos diferentes) o que é indesejável. O tamanho de grão e a distribuição deporos são importantes parâmetros para se evitar a formação de estruturas duplex.Para se obter uma baixa porosidade deve-se utilizar pós com grande superfície de área noprocesso de sinterização. Pode ocorrer do poro se tornar maior do que o seu tamanho original,devido ao fato de que os poros não impedem o crescimento do grão, porém movem-se ao longodestes com o movimento do contorno de grão, coalescendo para grandes poros. Com o aumentodo diâmetro do poro na sinterização pode ocorrer o aumento do tamanho do grão. Desta forma osgrãos permanecem livres de poros e a microestrutura tende para muito altas permeabilidades.Estudos sobre materiais óxidos demonstraram que grandes poros encontram-se com baixas taxasde sinterização. A combinação de baixa porosidade e grãos pequenos é difícil de se obter com o

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processamento cerâmico normal. Melhoras tem sido obtidas com a prensagem isostática. àquente.Trabalhos sobre métodos de produção por via úmida tem sido pesquisados por apresentarem póscom boa homogeneidade, alto grau de pureza, boa reatividade e com menor agregação onde boastaxas de compactação são obtidas.

Estrutura de uma ferrita de núcleo

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UTILIZAÇÃO DOS MATERIAS CERÃMICOS

Um grande número de materiais cerâmicos cai num esquema de classificação por aplicação queinclui os seguintes grupos: vidros, produtos estruturais de argila, louças brancas, refratários,abrasivos, cimentos e as recentemente desenvolvidas cerâmicas avançadas.Os vidros são um grupo de cerâmicas familiares; recipientes, janelas, lentes e "fiberglass"representam aplicações típicas. Conforme já mencionado, eles são silicatos não cristalinoscontendo outros óxidos, notavelmente CaO, Na2O, K2O e Al2O3, que influenciam aspropriedades do vidro. Um típico vidro de soda-cal consiste de aproximadamente 70% em pesode SiO2, o restante sendo principalmente Na2O (soda) e CaO (cal ou cálcia). As composiçõesde vários materiais de vidro estão contidas na Tabela 14.1. Possivelmente, os 2 principaispredicatos destes materiais são sua transparência ótica e a relativa facilidade com que eles podemser fabricados.

Argilas

Umas das matérias primas cerâmicas mais largamente empregadas é a argila. Este ingredientebarato, encontrado na natureza em grande abundância, às vezes é usado na forma como foiencontrado, sem nenhuma melhoria de qualidade. Uma outra razão para sua popularidade residena facilidade com que produtos de argila podem ser conformados; quando misturados nasapropriadas proporções, argila e água formam uma massa plástica que é muito suscetível àconformação. A peça formada é seca para remover alguma umidade, depois é queimada numatemperatura elevada para melhorar sua resistência mecânica.A maioria dos produtos baseados na argila cai em duas largas classificações: os produtosestruturais de argila e as louças brancas. Os produtos estruturais de argila incluem tijolos deconstrução, telhas e tubos de esgoto (manilhas) - aplicações nas quais a integridade estrutural éimportante. As cerâmicas de louças brancas se tornam brancas após queima em alta temperatura.Incluídas neste grupo estão a porcelana, olaria (cerâmica de barro), louças de mesa, porcelanachinesa e instalações de encanamento (louças sanitárias). Em adição à argila, muito destesprodutos também contém ingredientes não-plásticos, que influenciam as mudanças que ocorremdurante os processos de secagem e de queima e as características da peça acabada.

SIALON (Si3Al3O3N5)

É um material cerâmico composto de nitreto de silício, sílica, alumina e nitreto de alumínio. Neleexistem duas fases dentro da mesma estrutura: uma vítrea (amorfa)e outra cristalina e possui umaestrutura semelhante à dos vidros-cerâmicos: a fase vítrea é cristalinizada para melhorar aresistência à influência a altas temperaturas.Possui Níveis de porosidade próximos de 0% devido à fase vítrea, propriedades mecânicas aonível dos melhores cerâmicos e uma superior resistência ao choque térmico.

Aplicações

Aplicações que envolvam elevadas temperaturas com resistência ao desgaste e elevadaresistência mecânica. Exemplo: Componentes de motores

NITRETO DE SILÍCIO (Si3N4)

Começou a ser desenvolvido a partir dos anos 80 e compete com a alumina e o SiC emferramentas de corte. Possui nível de porosidade pode variar entre 20 e 0%, consoante o tipo deprocessamento, mantém propriedades até 1000ºC, possui uma maior resistência choque térmicoque maioria dos cerâmicos, tem apenas 1/3 da densidade do aço, baixo coeficiente expansãotérmica,maior tenacidade que SiC e Al2O3 e rigidez 50% superior ao aço.

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Aplicações

É usado em ferramentas de corte (por exemplo, para ferros fundidos), componentes de turbina,rolamentos, motores diesel e matrizes de extrusão a quente.

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VIDROSHistórico

Segundo a lenda, que surgiu com o escritor romano Plínio, o Velho, os fenícios oumarinheiros egípcios numa praia da Fenícia inventaram o vidro por acaso. Isso aconteceu quandoblocos de natro (carbonato de sódio) foram usados para sustentar uma vasilha posta sobre umafogueira acesa na areia. O calor atingiu uma intensidade que foi suficiente para derreter os doisingredientes, escorreram juntos e formaram o vidro.

A indústria do vidro experimentou uma mudança espectacular a partir do primeiroquarto do século XIX, graças ao barateamento da produção da solda. Esta redução de preçoocorreu originalmente devido a um método de obtenção criado pelo químico Italiano NicolasOliveira no final do século XVIII. Desde então iniciou-se a fabricação de vidros de grandequalidade para instrumentos ópticos, garrafas, vasos e outros utensílios, com a consequentemelhoria da qualidade de vida.

Mas o processo de produção em larga escala de placas de vidro para janelas só foidescoberto em 1910, ao mesmo tempo por Irving W. Colburn (1861-1917), nos EUA, e porEmile Fourcault, na Bélgica.

Foi só no século XVIII que se estabeleceu em Portugal a indústria vidreira naMarinha Grande- e ainda hoje esta existe. Anteriormente, há notícia, desde o século XV, daexistência de alguns produtores artesanais de vidro.

É conhecido o labor do vidreiro Guilherme, que trabalhou no Mosteiro da Batalha. Ovidro era obtido através da incineração de produtos naturais com carbonato de sódio (erva-maçaroca). Houve diversos fornos para a produção vidreira em Portugal, mas a passagem de umaprodução artesanal, muito limitada, para a produção industrial foi lenta. Uma fábrica existenteem Coina veio a ser transferida para a Marinha Grande, em consequência da falta decombustível. Estava-se no reinado de D. João V. A proximidade do Pinhal de Leiria, teriaaconselhado a transferência da antiga Real Fábrica de Coina. Depois, o Marquês de Pombalconcedeu um subsídio para o reapetrechamento desta fábrica vidreira na Marinha Grande.

Em 1748 estabeleceu-se na Marinha Grande John Beare, dedicando-se ali à indústriavidreira. A abundância de matérias primas e de carburante aconselhavam o fomento dessaindústria naquela região. Em 1769 o inglês Guilherme Stephens beneficiou de importanteprotecção do Marquês de Pombal e estabeleceu-se na mesma localidade: subsídios,aproveitamento gratuito das lenhas do pinhal do Rei, isenções, etc. A Real Fábrica de Vidros daMarinha Grande desenvolveu-se a ponto de ser Portugal, a seguir à Inglaterra, o primeiro país afabricar o cristal.

Os vidros possuem propriedades especiais não existentes em outros materiais deengenharia. A combinação de transparência, dureza à temperatura ambiente juntamente comsuficiente resistência mecânica tornam os vidros indispensáveis pra muitas aplicações em nossomeio, como em janelas de construções, veículos, tubos de ensaios, espelhos etc.

Na indústria elétrica, o vidro é essencial para vários tipos de lâmpadas, devido ás suaspropriedades isoladoras e á capacidade de criar invólucros herméticos. A grande resistênciaquímica do vidro torna-o útil para montagens laboratoriais e para revestimentos interiores detubagens e reatores na indútria química.

Definição do vidroO vidro é um material cerâmico, uma vez que é feito a partir de materiais inorgânicos a

altas temperaturas. Em sua forma pura, vidro é um material transparente, relativamente forte,resistente, essencialmente inerte e biologicamente inativo, que pode ser formado com superfíciesmuito lisas e impermeáveis.

No entanto, distingue-se dos outros cerâmicos pelo fato dos seus constituintes seremaquecidos até a fusão e depois serem arrefecidos para um estado rígido, sem cristalização.Assim, um vidro pode ser definido como um produto inorgânico de fusão, arrefecido desde oestado fundido até um estado rígido, sem cristalização. Uma das características do vidro é queele tem uma estrutura não cristalina ou amorfa.

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As moléculas do vidro, ao contrário do que acontece em um sólido cristalino, mudamde orientação de um modo aleatório ao longo do material sólido.

Em sua forma pura, vidro é um material transparente, relativamente forte, resistente,essencialmente inerte e biologicamente inativo, que pode ser formado com superfícies muitolisas e impermeáveis. Estas propriedades desejáveis conduzem a um grande número de usos dovidro. O vidro é, entretanto, frágil e quebra-se em cacos afiados. Estas propriedades podem sermodificadas, ou mesmo ser mudadas inteiramente, com a adição de outros compostos outratamento de calor. Um outro conceito importante é: vidro é um óxido metálico super-resfriado.

Deformação viscosa dos vidros

Acima de sua temperatura de transição vítrea, um vidro comporta-se como um líquidoviscoso (sobre-arrefecido). Sob a ação de uma tensão mecânica, íons dos silicatos podemescorregar uns sobre os outros permitindo-se assim a deformação continua do vidro. Acima datemperatura de transição vítrea as forças de ligação interatomicas resistem a deformação mas sãoincapazes de incapazes de impedir o escoamento viscoso do vidro se a tensão aplicada forsuficientemente alta. À medida que a temperatura do é aumentada progressivamente acima dasua temperatura de transição vítrea, a viscosidade diminui e o escoamento viscoso torna-se maisfácil.

A temperatura tem alguns efeitos sobre a viscosidade de alguns tipos comerciais devidro. Usam-se vários níveis de viscosidade ou pontos de referência, para a comparação dosvidros. Os pontos de referência usados são: o de trabalho, o de amolecimento, o de recozimento eo de deformação. As suas definições são:

1. O ponto de fusão O vidro é fluido suficiente para ser considerado como um líquido.

2. Ponto de trabalhoAs operações de fabricação do vidro são realizadas a esta temperatura.

3. Ponto de amolecimentoA esta temperatura o vidro flui a uma velocidade apreciável sob a ação do seu própriopeso. No entanto, este ponto não pode ser definido por um valor exato de viscosidade,uma vez que depende da densidade e da tensão superficial do vidro.

4. Ponto de recozimentoAs tensões internas podem ser aliviadas a esta temperatura.

5. Ponto de deformaçãoAbaixo desta temperatura, o vidro é rígido e a relaxamento de tensões só ocorre a umavelocidade lenta o intervalo de recozimento e de deformação é geralmente considerado ointervalo de recozimento de um vidro.

Os vidros são normalmente fundidos a uma temperatura que corresponde a umaviscosidade de cerca de . No que diz respeito à conformação, as viscosidades dos vidros sãocomparadas qualitativamente. Um vidro rígido tem um ponto de amolecimento alto, enquantoque um vidro mole tem um ponto de amolecimento baixo. Um vidro largo apresenta uma grandediferença de temperatura entre seus pontos de amolecimento e de deformação. Isto é, a medidaque a temperatura diminui um vidro largo solidifica mais lentamente do que um vidro estreito.

Etapas Da Fabricação Dos Vidros

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CONFORMAÇÃO DE VIDROOs produtos de vidro são primeiro obtidos aquecendo primeiro o vidro a uma

temperatura que de origem a um líquido viscoso, o qual é em seguida moldado, estirado oulaminado, de forma a obter-se a forma desejada. São usados 4 diferentes métodos deconformação para fabricar produtos de vidro: prensagem, sopro, estiramento e conformação defibra.

Obtenção do vidro em chapaÉ usado para formar peças longas de vidro tais como chapa, vidro, tubo e fibras, que

têm uma seção reta constante.A banda de vidro é arrefecida numa atmosfera controlada á medida que se move sobre

o banho de estanho fundido. O vidro em chapa sai do forno quando as superfícies já estãosuficientemente endurecidas para não ficarem marcadas pelos rolos, e passa em seguida atravésde um forno comprido de recozimento, denominado LEHR, onde as tensões residuais sãoremovidas.Fibras de vidro

Fibras de vidro contínuas são formadas numa operação bastante sofisticada deestiramento. O vidro líquido é contido numa câmara de aquecimento de platina. Fibras sãoformadas pelo estiramento do vidro líquido através de muitos orifícios pequenos na base dacâmara. A viscosidade do vidro, que é crítica, é continuamente controlada pelas temperaturas dacâmara e do orifício.

Sopragem, prensagem e vazamento.Prensagem é usada na fabricação de peças de parede relativamente grossa tais como

pratos e tigelas. A peça de vidro é conformada por aplicação de pressão num molde de ferrofundido revestido com grafita que tenha a forma desejada; o molde é ordinariamente aquecidopara assegurar uma superfície igual (uniforme).

Embora algum sopro de vidro seja feito à mão, especialmente para objetos de arte, oprocesso foi completamente automatizado para a produção de jarras de vidro, garrafas e bulbosde lâmpadas. A partir de uma pré-forma de partida, conforma-se uma forma temporária porprensagem mecânica num molde. Esta peça é inserida dentro de um molde de acabamento ou desopro e forçada a conformar-se aos contornos do molde pela pressão criada por um sopro de ar.Peças fundas tais como garrafas, jarros, e invólucros de lâmpadas são normalmente enfornadaspor sopragem de ar, de modo a obrigar o vidro fundido a forma dos moldes. Peças planas, comopor exemplo as lentes óticas, são obtidas fazendo atuar um embôlo de compressão sobre ummolde que contém o vidro fundido.

Tratamento Térmico De Vidros

RecozimentoQuando um material cerâmico é resfriado a partir de uma temperatura elevada, tensões

internas, denominadas tensões térmicas, podem ser introduzidas como um resultado da diferençana taxa de resfriamento e contração térmica entre as regiões da superfície e do interior.

Estas tensões térmicas são importantes em cerâmicas frágeis, especialmente vidros, umavez que elas podem enfraquecer o material ou, em casos extremos, conduzir à fratura, que édenominada choque térmico. Normalmente, tentativas são feitas para evitar tensões térmicas, oque podem ser realizadas por resfriamento da peça numa taxa suficientemente baixa. Uma vezque tais tensões tenham introduzidas, entretanto, eliminação, ou pelo menos a redução da suamagnitude, é possível por um tratamento de recozimento no qual a vidraria é aquecida ao pontode recozimento e a seguir resfriamento lentamente até à temperatura ambiente.

VITRO-CERÂMICASMuitos vidros inorgânicos podem ser feito para transformar de um estado não-cristalino

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para um que seja cristalino pelo apropriado tratamento térmico a alta temperatura. Este processo,chamado devitrificação, ordinariamente é evitado porque vidro devitrificado, sendopolicristalino, não é transparente. Também, tensões podem ser introduzidas como um resultadode mudanças de volume que acompanham a transformação, fornecendo um produto materialrelativamente fraco. Todavia, para alguns vidros esta ransformação de devitrificação pode seradministrada na extensãona qual é produzido um material finamente granulado que é livre de tensões residuais; um talproduto é denominado vitro-cerâmica. Um agente nucleante (frequentemente dióxido de titânio)deve ser adicionado para induzir o processo de cristalização ou de devitrificação. Característicasdesejáveis de vitro-cerâmica incluem um baixo coeficiente de expansão térmica, tal que outensílio de vitro-cerâmica não experimenta choque térmico; em adição, resistências mecânicas econdutividades térmicas relativamente altas são encontradas. Possivelmente, o mais traenteatributodesta classe de materiais é a facilidade com a qual êles podem ser fabricados; técnicasconvencionaisde conformação de vidro podemser usadas convenientemente na produção emmassa de utensílios praticamente isentos de poro. Vitro-cerâmicas fabricadas comercialmentesob os nomes comerciais de Pyroceram, Cer- Vit e Hercuvit. Os usos mais comuns destesmateriais são louças de forno-estufa e de mesa, principalmente por causa de sua excelenteresistência ao choque térmico e sua alta condutividade térmica. Elas também servem comoisoladores e como substratos de placas de circuito impresso.

Vidro temperadoEste tipo de vidro torna-se mais resistentes através do arrefecimento rápido da sua

superfície por meio do ar, após ter sido arrefecido a uma temperatura próxima do ponto deamolecimento. A superfície do vidro arrefece primeiro e contrai-se, enquanto que o interior aindaestá quente e se reajusta ás mudanças dimensionais, sem que nesta altura existam tensõesinternas significativas.

Quando o interior arrefece e se contrai, as superfícies já estão rígidas, pelo que se criamtensões no interior do vidro e tensões de compressão nas superfícies. Este tratamento de temperaaumenta a resistência do vidro uma vez que as tensões aplicadas em tração terão que ultrapassaras tensões residuais compressivas na superfície do vidro para que possa ocorrer a fratura. O vidrotemperado tem uma maior resistência ao impacto do que o vidro recozido. As janelas laterais dosautomóveis e os vidros de segurança usados nas portas são exemplos de produtos temperadoshermeticamente.

Vidros fortalecidos quimicamenteA resistência do vidro pode ser aumentada através de tratamentos químicos especiais. O

processo de tempera química pode ser usado em seções mais finas do que permitem a temperatérmica, uma vez que a camada compressiva é muito mais delgada. O vidro fortalecidoquimicamente é usado em janelas de aviões supersônicos e em lentes oftálmicas.

RECICLAGEM DOS VIDROSA Reciclagem de vidro é o processo pelo qual o vidro é reutilizado na produção de

outro produto. Dependendo da finalidade do seu uso, pode ser necessário separá-lo em coresdiferentes. As três cores principais são:

* Vidro incolor * Vidro verde * Vidro marrom/âmbar

Os componentes de vidro decorrentes de lixo municipal (lixo doméstico e comercial)são geralmente: garrafas, artigos de vidro quebrados, lâmpada incandescente, potes de alimentose outros tipos de materiais de vidro. A reciclagem de vidro implica em um gasto de energia

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consideravelmente menor do que a sua manufatura através de areia, calcário e carbonato desódio. O vidro pronto para ser novamente derretido é chamado de cullet.

Reuso do vidroO reuso do vidro é preferível à sua reciclagem. Garrafas são extensamente reutilizadas

em muitos países europeus e no Brasil. Na Dinamarca, 98% das garrafas são reutilizadas e 98%destas retornam para os consumidores. Porém, estes hábitos são incentivados pelo governo. Empaíses como a Índia, o custo de fabricação das novas garrafas obriga a reciclagem ou o reuso degarrafas velhas.

Reciclagem de vidroO vidro é um material ideal para a reciclagem e pode, dependendo das circunstâncias,

ser infinitamente reciclado. O uso de vidro reciclado em novos recipientes e cerâmicas possibilitaa conservação de materiais, a redução do consumo de energia (o que ajuda nações que têm queseguir as diretrizes do Protocolo de Quioto) e reduz o volume de lixo que é enviado para aterrossanitários.