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Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 1 de 12 AGENDA 01. UA – Materiais Cerâmicos. Olá, acadêmicos! Nesta Agenda, vamos estudar sobre os materiais cerâmicos. Materiais cerâmicos estão entre os produtos manufaturados mais antigos de que se tem notícia, datando de mais de 20.000 anos a.C., quando peças foram encontradas por arqueólogos na Checoslováquia. No entanto, foi após a Segunda Guerra Mundial, que as indústrias cerâmicas se desenvolveram rapidamente, permitindo que elas se tornassem mais acessíveis a uma maior parcela da população. Mas o que são materiais cerâmicos? Cerâmica compreende todos os materiais inorgânicos, não metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas. O setor cerâmico é amplo e heterogêneo, o que induz a dividi-lo em subsetores ou segmentos em função de diversos fatores, como matérias-primas, propriedades e áreas de utilização. Dentre as classificações dos materiais cerâmicos temos os vidros. O vidro é um sólido não cristalino que exibe o fenômeno de transição vítrea, podendo ser produzido a partir de materiais inorgânicos, orgânicos e metálicos. Portanto, nesta Agenda vamos estudar sobre os materiais cerâmicos e vidros, como definição, propriedades, classificação, usos e listar as suas principais aplicações. Bons estudos! Para iniciar, acesse o Espaço de Conteúdos para Estudo: Leia as Unidades de Aprendizagem (UAs) “Materiais cerâmicos” e “Vidros”. 1. DISCIPLINA: MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO Apresentação A produção de artefatos utilizando argila é considerada a indústria mais antiga desenvolvida pelo homem. Desde os primórdios, os seres humanos vêm transformando argila em inúmeros materiais cerâmicos úteis para o seu conforto. Entre esses objetos, destacam-se artigos de cozinha, como pratos e jarras, e materiais utilizados na construção civil, como pisos, telhas e tijolos. A relevância na confecção desses materiais permanece alta atualmente, sendo os processos continuamente melhorados para fornecer produtos de alta qualidade e evitar perdas econômicas. Além disso, com o avanço da tecnologia, os materiais cerâmicos passaram a ter ainda mais aplicações, mediante o desenvolvimento de novas matérias-primas que propiciaram o desenvolvimento de sensores, próteses e até mesmo a viagem do homem ao espaço. Dessa maneira, fica evidente a importância do estudo e da compreensão desse tema, visto que os cerâmicos são cruciais para a qualidade de vida humana. Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 2 de 12 Nesta Unidade de Aprendizagem, você vai estudar o que são e os tipos de materiais cerâmicos, bem como as suas composições em cada tipo de aplicação. Além disso, serão mostrados alguns tipos de matéria-prima, tanto as de origem natural quanto as sintéticas. Por fim, serão apresentadas as etapas necessárias para a fabricação de objetos cerâmicos. Bons estudos. Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Definir materiais cerâmicos. Listar aplicações dos materiais cerâmicos. Elencar as principais matérias-primas dos materiais cerâmicos. Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 3 de 12 Desafio O processo de fabricação de materiais cerâmicos a partir de matérias-primas de origem natural está baseado, principalmente, nas etapas de extração, moagem, conformação, secagem e cozimento. Para que o produto apresente as qualidades necessárias para ser utilizado na indústria civil, esses processos devem ser controlados com rigor. Por exemplo, a moagem é feita para que as partículas apresentem tamanhos semelhantes e sejam processadas na mesma velocidade durante as etapas de conformação. Você é o engenheiro responsável por controlar o processo de fabricação de tijolos, e estes, após a etapa de cozimento, estão apresentando algumas deformações, como peças empenadas e com tamanhos distorcidos. Sendo assim, responda as questões a seguir. • Em qual das etapas de produção estão sendo gerados os defeitos no material? • Qual é o tipo de problema que está ocorrendo e como você resolveria essa situação? Sua resposta • Em qual das etapas de produção estão sendo gerados os defeitos no material? R: Os defeitos estão ocorrendo na etapa de cozimento dos tijolos. • Qual é o tipo de problema que está ocorrendo e como você resolveria essa situação? Avaliação de onde estão alocados no forno para poder identificar se pode estar ocorrendo uma variação térmica que pode causar os defeitos. Verificação do pré-aquecimento; Verificação e monitoramento da temperatura de recozimento; Verificação da massa e aditivos; Verificação do tempo de cozimento, e resfriamento após cozimento. Enviado em: 12/08/2023 11:25 Padrão de resposta esperado Analisando as etapas de fabricação de tijolos (extração da matéria-prima, moagem, conformação, secagem e cozimento), é na secagem que ocorrem os problemas de deformação nas peças. Essas deformações estão ligadas à secagem irregular do material, o que pode acarretar tijolos empenados ou com tamanhos distorcidos. O processo de secagem está baseado na remoção lenta de água, por isso são utilizadas temperaturas na casa dos 50º C e, durante essa etapa, torna-se crítico controlar a taxa de remoção de água. A secagem nas regiões internas do tijolo é feita por difusão, na qual as partículas de água migram para a superfície e lá evaporam. Caso temperaturas muito elevadas sejam utilizadas ou a peça não fique tempo suficiente para remover a quantidade necessária de água presente no material cerâmico, pode ocorrer que a taxa de evaporação seja maior do que a de difusão, levando a superfície a secar e, por consequência, contrair o seu volume mais rapidamente do que no interior, gerando assim os defeitos observados nesse processo. Para evitar esse problema, deve-se controlar cuidadosamente a temperatura e o tempo no qual os objetos permanecem secando. Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 4 de 12 Infográfico Os materiais cerâmicos são utilizados em muitas áreas, como, por exemplo, no campo da indústria civil, em telhas, tijolos e pisos, e em um contexto mais tecnológico, como na confecção de próteses ósseas e dentárias. O vasto número de aplicações das cerâmicas pode ser explicado pelas características apresentadas por esses materiais, tais como: • biocompatibilidade, • altos pontos de fusão, • estabilidade sob condições ambientais severas, entre muitas outras. Além disso, os cerâmicos apresentam como grande vantagem a possibilidade de ter as suas características reforçadas, mediante a adição de alguns aditivos, como os óxidos metálicos. Neste Infográfico, conheça diferentes óxidos metálicos que podem ser utilizados para conferir aos materiais cerâmicos uma melhoria nas suas características, como aumento na resistência mecânica e a altas temperaturas. Conteúdo do Livro Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 5 de 12 Diferentes processos são amplamente aplicados em indústrias e no dia a dia, garantindo mais qualidade de vida à população. Entre eles cabe destacar a fabricação e a utilização de produtos oriundos de materiais cerâmicos. Esses produtos estão presentes em tudo o que rodeia a humanidade, desde as paredes e o teto das residênciasaté as próteses utilizadas no corpo humano, permitindo que as pessoas vivam de uma maneira mais confortável e segura. No capítulo Materiais cerâmicos, base teórica desta Unidade de Aprendizagem, verifique conceitos relacionados à definição, aos tipos de cerâmicas e à composição de cada tipo de material. Estude também as aplicações das cerâmicas, desde as mais tradicionais, que já estão bem estabelecidas e são utilizadas pelo homem há séculos, até as mais recentes e tecnológicas. Por fim, compreenda as etapas de um processo de fabricação de cerâmicas e quais são as matérias-primas usadas no seu processamento. Boa leitura. Dica do Professor Os materiais cerâmicos apresentam muitas utilizações em diversos cenários da indústria. Uma das maiores aplicações desses materiais está inserida no uso de vidros, podendo ser aplicados na confecção de copos, jarras e janelas. Buscando aprimorar a utilidade dos vidros, trazendo mais durabilidade e segurança para esse material, foi desenvolvido o processo de têmpera, que aumentou a sua resistência mecânica. Nesta Dica do Professor, estude, com mais detalhes, como é realizado o processo térmico e químico de têmpera, as suas principais características, as situações empregadas e os seus principais benefícios. Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 6 de 12 Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 7 de 12 EXERCÍCIO 1. É possível classificar os materiais cerâmicos em dois grandes grupos: os materiais cerâmicos TRADICIONAIS, que são aqueles no qual os objetos normalmente são feitos de ARGILA, e os materiais cerâmicos avançados, cujos produtos são fabricados a partir de matérias-primas de origem SINTÉTICA. Leia as alternativas e assinale a que preenche as lacunas de forma correta. Resposta correta D. Tradicionais, argila, sintética. Os materiais cerâmicos podem ser classificados de diversas maneiras, como em relação às suas aplicações e composições. Outro tipo de classificação envolve o tipo de matéria-prima utilizada. Nesse caso, quando é utilizada uma matéria-prima de origem natural, conhecida como matéria-prima argilosa, os materiais cerâmicos são chamados de "tradicionais" e normalmente dão origem a produtos com pouca tecnologia agregada. Por outro lado, quando são utilizadas matérias-primas sintéticas, que são desenvolvidas em laboratórios e têm alto controle relacionado à sua composição e pureza, os materiais cerâmicos são chamados de "avançados", e os produtos formados a partir deles apresentam alto grau de tecnologia agregada. 2. As aplicações dos materiais cerâmicos estão diretamente relacionadas às suas composições químicas. Sabe-se que, alterando um dos componentes das cerâmicas, estas podem ser mais resistentes a choques mecânicos, toleram temperaturas mais altas e são biocompatíveis com o corpo humano. Correlacione o tipo de material com a sua composição. 1. Vidro Pyrex. 2. Porcelana. 3. Tijolos refratério. ( 1 ) 81% SiO2; 3,5% Na2O; 2,5% Al2O3 e 13% B2O3. ( 3 ) 80% SiO2 e 20% Al2O3. ( 2 ) 50% de argila, 25% de feldspato e 25% de quartzo. Assinale a alternativa que estabelece a relação correta entre elas. Resposta correta C. 1 – 3 – 2. A composição dos materiais cerâmicos é responsável por ditar as características dos objetos produzidos. No caso dos vidros, o componente majoritário sempre é o óxido de silício (SiO2), podendo apresentar variações nos outros óxidos utilizados, como por exemplo nos vidros de janelas em ônibus espaciais, cuja composição é praticamente toda (99,9%) de SiO2, conferindo a esse vidro uma alta temperatura de fusão. No caso do pyrex, vidro muito utilizado em cozinhas por ser resistente ao choque térmico, sua composição é 81% SiO2; 3,5% Na2O; 2,5% Al2O3 e 13% B2O3. Já os tijolos refratários são compostos basicamente de argila, cuja proporção entre óxido de silício e óxido de alumínio varia conforme a fonte natural da qual ela é extraída, existindo uma faixa na sua composição, que é de 50 a 80% de óxido de silício (SiO2) a 20 a 45% de óxido de alumínio (Al2O3). Por fim, a porcelana apresenta uma composição de 50% de argila, 25% de feldspato e 25% de quartzo. Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 8 de 12 3. Uma das aplicações mais importantes sobre a utilização dos materiais cerâmicos está relacionada ao seu uso no revestimento de ônibus espaciais, que são cobertos em toda a sua extensão por cerâmicas com a intenção de proteger a fuselagem. Marque V para verdadeiro e F para falso nas afirmações acerca do processo de corrosão. ( V ) O revestimento cerâmico é especialmente importante durante o lançamento do ônibus espacial que, ao romper a barreira da atmosfera, pode aquecer até chegar a temperaturas superiores a 1.500º C. ( V ) A cerâmica utilizada nesses casos é constituída por grandes quantidades de óxido de silício (SiO2), chegando a uma taxa de pureza de até 99,9%. ( F ) Após o desenvolvimento da cerâmica utilizada no ônibus espacial, este é revestido igualmente com o mesmo material, uma vez que o calor se propaga pela superfície da fuselagem, deixando a temperatura uniforme em toda essa região. Resposta correta E. V – V – F. Um grande exemplo da utilização de cerâmicos está no revestimento dos ônibus espaciais, que, ao romper a barreira com a atmosfera, podem chegar a temperaturas de até 1.650º C. Para suportar todo esse aquecimento na parte externa da fuselagem, mantendo a integridade da nave espacial e não deixando o calor penetrar na parte interna do veículo, esses ônibus são revestidos com cerâmicas especiais, capazes de suportar altas temperaturas e isolar a parte interna onde está a tripulação. Nesses casos, o material cerâmico utilizado é basicamente feito de sílica (SiO2), em quantidades que chegam à pureza de 99,9% desse componente. Para que esse escudo térmico seja eficiente, cada bloco de material cerâmico deve se encaixar perfeitamente em uma determinada região da superfície do ônibus espacial. É importante ressaltar também que cada área do veículo precisa de uma proteção diferente, pois a temperatura alcançada varia conforme a região da aeronave. Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 9 de 12 4. No processo de produção de materiais cerâmicos, normalmente é adicionada água para deixar a argila mais PLÁSTICA. Após a modelagem da peça, ela passa por um processo de SECAGEM, na qual a água é removida de maneira lenta, passando do interior para a superfície do objeto, mediante um processo de DIFUSÃO. Leia as alternativas e assinale a que preenche as lacunas de forma correta. Resposta correta C. Plástica, secagem, difusão. Após a argila ser extraída e passar pelo processo de moagem, uniformizando o tamanho das partículas, é adicionada uma certa quantidade de água para que a mistura se torne mais plástica. É importante ressaltar que a razão água/argila deve ser cuidadosamente observada, para que a massa que será moldada consiga permanecer com a sua forma inalterada durante as etapas seguintes. A etapa seguinte envolve a secagem da peça, de maneira lenta e gradual, com temperatura de aproximadamente 50º C, buscando evitar que ela se deforme. Essa remoção lenta de água ocorre de maneira uniforme no objeto, com a água se deslocandodo interior para a superfície, por meio de um processo de difusão. Por fim, ocorre a evaporação das moléculas de água que chegam à superfície. Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 10 de 12 5. O processo de fabricação de materiais cerâmicos a partir de matérias-primas de origem natural está baseado, principalmente, nas etapas de extração, moagem, conformação, secagem e cozimento. Em relação a esses processos, são feitas as afirmações a seguir. I. ( CORRETA ) A etapa responsável por promover o aumento da resistência mecânica da peça cerâmica é o cozimento, no qual o material passa por um aquecimento entre 900 e 1.400º C. II. ( CORRETA) A adição de água é crucial para que a massa de argila se torne mais plástica, podendo assim ser conformada de maneira mais fácil. No entanto, a adição de excesso de água pode levar a um excesso de plasticidade da massa, fazendo com que a peça moldada perca a sua forma nas etapas seguintes do processo. III. (INCORRETA) A composição da argila extraída da natureza tem a sua composição rigorosamente estudada antes de ser utilizada na confecção de materiais, como tijolos e telhas. Quais afirmativas estão corretas? Resposta correta. B. I e II, apenas. Após a remoção lenta de água no processo de secagem ocorre o cozimento, no qual os objetos cerâmicos são submetidos a altas temperaturas, entre 900 e 1.400 ºC. A temperatura utilizada no cozimento depende das características finais que se objetiva colocar no material, levando normalmente a um aumento da densidade, a uma diminuição da porosidade e a uma melhoria da resistência mecânica da peça. A adição de água é muito importante para a modelagem do material cerâmico, pois ela aumenta a plasticidade da massa, facilitando a etapa de conformação. No entanto, é importante ressaltar que a razão água/argila deve ser cuidadosamente observada, para que a massa que será moldada consiga permanecer com a sua forma durante as etapas seguintes. Por fim, sabe-se que a matéria-prima de origem natural apresenta grande variação na sua composição, dependendo do local no qual ela é extraída. Uma vez que os tijolos e as telhas são peças mais robustas em relação à sua composição, podem ser utilizadas argilas com diferentes proporções entre SiO2 e Al2O3, existindo uma faixa na sua composição, que é de 50 a 80% de óxido de silício (SiO2) e de 20 a 45% de óxido de alumínio (Al2O3). Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 11 de 12 Na prática Os materiais cerâmicos avançados têm ganhado destaque nas últimas décadas, uma vez que podem ser empregados na fabricação de diversos materiais com grande tecnologia agregada, tais como em próteses para o corpo humano, combustíveis para a indústria nuclear, revestimento de ônibus espaciais, entre outros. Neste Na Prática, conheça a história do engenheiro químico Rafael e como ele utilizou os conhecimentos sobre os materiais cerâmicos para solucionar um problema de blindagem de coletes balísticos na empresa onde trabalha. Centro Universitário – Católica de Santa Catarina. Curso: Bacharelado em Engenharia. Acadêmico: Fábio José Baum. Civil Disciplina: Materiais para Construção II. Página 12 de 12 Estudos adicionais. https://abceram.org.br/?v=1605951391 Aula. https://www.youtube.com/embed/bS2K6qQVpjg Ensaios em materiais cerâmicos e poliméricos de alta performance em mancais. https://www.researchgate.net/publication/335810462_Ensaios_em_materiais_ceramicos_e_polim ericos_de_alta_performance_em_mancais_nos_Dispositivos_de_Assistencia_Ventricular_DAV Cerâmicas avançadas. https://www.youtube.com/embed/z5RwER58trQ Desenvolvimento e fabricação. https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/32240/1/TESE%20Andr%c3%a9a%20Gon%c3% a7alves%20de%20Sousa.pdf https://abceram.org.br/?v=1605951391 https://www.youtube.com/embed/bS2K6qQVpjg https://www.researchgate.net/publication/335810462_Ensaios_em_materiais_ceramicos_e_polimericos_de_alta_performance_em_mancais_nos_Dispositivos_de_Assistencia_Ventricular_DAV https://www.researchgate.net/publication/335810462_Ensaios_em_materiais_ceramicos_e_polimericos_de_alta_performance_em_mancais_nos_Dispositivos_de_Assistencia_Ventricular_DAV https://www.youtube.com/embed/z5RwER58trQ https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/32240/1/TESE%20Andr%c3%a9a%20Gon%c3%a7alves%20de%20Sousa.pdf https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/32240/1/TESE%20Andr%c3%a9a%20Gon%c3%a7alves%20de%20Sousa.pdf PROCESSOS INORGÂNICOS INDUSTRIAIS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Definir materiais cerâmicos. > Listar aplicações dos materiais cerâmicos. > Elencar as principais matérias-primas dos materiais cerâmicos. Introdução Os materiais cerâmicos fazem parte do nosso cotidiano, estando presentes em tijolos, telhas, pisos, entre outros diversos exemplos relacionados ao seu vasto uso na indústria civil. Esses materiais fazem parte do grupo das cerâmicas clássicas, normalmente feitas de argila (matéria-prima abundante encontrada na natureza), as quais são utilizadas pela humanidade há milhares de anos. Nas últimas décadas, os avanços tecnológicos permitiram uma considerável evolução dos materiais cerâmicos. Isso se deu mediante o desenvolvimento de outras matérias-primas, que possibilitam a construção de produtos com aplicações mais específicas e demandam um maior rigor sobre a qualidade da cerâmica desenvolvida, como ocorre, por exemplo, no seu uso em próteses para o corpo humano. Neste capítulo, serão apresentados os diferentes tipos de materiais cerâmicos, desde os clássicos até os mais avançados, sendo ambos fundamentais para a qualidade de vida e a estrutura das cidades. Além disso, também serão descritas as diferentes composições dos objetos cerâmicos e as suas respectivas aplicações. Por fim, você conhecerá as principais matérias-primas dos materiais cerâmicos, bem como as etapas de fabricação de cerâmicas tradicionais. Materiais cerâmicos Lucas Loss Baldassari Os diferentes tipos de materiais cerâmicos Os materiais cerâmicos são materiais produzidos a partir de argilas ou óxidos puros, sendo formados por elementos metálicos e não metálicos, unidos por meio de um misto de ligações químicas de natureza iônica (na maioria dos casos) e covalente. Esses materiais podem apresentar diferentes caracterís- ticas quanto à sua cristalinidade, podendo ser cristalinos ou não cristalinos, ou, ainda, uma mistura de ambos. Devido à natureza das ligações químicas que estão presentes neles, os cerâmicos se caracterizam por ter alta dureza e elevada resistência mecânica, mesmo a altas temperaturas. No entanto, normalmente eles são considerados muito frágeis. Como veremos mais de- talhadamente na segunda seção deste capítulo, as principais aplicações dos materiais cerâmicos se devem ao excelente isolamento térmico que oferecem e à sua alta resistência ao calor, uma vez que têm elevados pontos de fusão. Além disso, também se destacam como características dos materiais cerâ- micos a baixa condutividade elétrica e as altas forças de compressão que apresentam (SHRIVER et al., 2008). Compostos principalmente por óxidos, nitretos e carbetos, os materiais cerâmicos podem ser encontrados, por exemplo, em frascos refratários, cimento, vidro e porcelana. Esses artefatos estão fortemente presentes na indústria civil, dando origem a inúmeros componentes de casas e edificações, tais como telhados (Figura 1), tijolos, vasos sanitários, pisos, entre outros. Figura 1. Materiais cerâmicos utilizados na fabricação de telhados na construção civil. Fonte: Anastasia Shuraeva/Pexels.com. Materiais cerâmicos2 Fonseca (2000) classifica os materiais cerâmicos em dois grandesgrupos: as cerâmicas tradicionais, que utilizam essencialmente matérias-primas na- turais, com predomínio das de natureza argilosa; e as cerâmicas avançadas, cujas matérias-primas são predominantemente sintéticas. Já a Associação Brasileira de Cerâmica (c2016) classifica esses materiais de acordo com o tipo de matéria-prima, as propriedades e as áreas de utilização dos objetos confeccionados, conforme listado a seguir. � Cerâmica vermelha: materiais com coloração avermelhada empregados na construção civil. A coloração avermelhada se deve à presença de óxido de ferro (Fe₂O₃) na cerâmica. � Cerâmica branca: materiais constituídos por um corpo branco e, em geral, recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor. A cor branca da massa é demandada por razões estéticas e/ou técnicas. � Materiais refratários: produtos cuja finalidade é suportar temperaturas elevadas nas condições específicas de processo e de operação dos equipamentos industriais, que, em geral, envolvem esforços mecânicos, ataques químicos, variações bruscas de temperatura e outras solici- tações. Para suportar essas solicitações e em função da sua natureza, foram desenvolvidos inúmeros tipos de produtos a partir de diferentes matérias-primas ou misturas destas. Dessa forma, os produtos refra- tários podem ser classificados, considerando-se a matéria-prima ou o componente químico principal, em sílica, sílico-aluminoso, aluminoso, mulita, magnesiano-cromítico, cromítico-magnesiano, carbeto de silício, grafita, carbono, zircônia, zirconita, espinélio, entre outros. � Isolantes térmicos: os produtos deste grupo podem ser classificados em: ■ refratários isolantes, que se enquadram no grupo dos refratários; ■ isolantes térmicos não refratários, compreendendo produtos como vermiculita expandida, sílica diatomácea, diatomito, silicato de cál- cio, lã de vidro e lã de rocha, que são obtidos por processos distintos dos processos pelos quais são obtidos os refratários isolantes e que podem ser utilizados, dependendo do tipo de produto, a uma temperatura de até 1100°C; ■ fibras ou lãs cerâmicas, cujas características físicas são semelhan- tes às dos isolantes térmicos não refratários; porém, apresentam composições como sílica, sílica-alumina, alumina e zircônia, que, a depender do tipo, podem chegar a temperaturas de utilização de 2000°C ou mais. Materiais cerâmicos 3 � Abrasivos: parte da indústria de abrasivos, por utilizar matérias- -primas e processos semelhantes aos da cerâmica, se configura como um segmento cerâmico. Entre os produtos mais conhecidos desse grupo, podemos citar o óxido de alumínio eletrofundido e o carbeto de silício. � Cerâmica de alta tecnologia/avançada: o aprofundamento dos co- nhecimentos da ciência dos materiais possibilitou à humanidade desenvolver novas tecnologias e aprimorar as já existentes nas mais diferentes áreas, como aeroespacial, eletrônica, nuclear, entre muitas outras — que começaram a exigir materiais com qualidade excepcionalmente elevada. Tais materiais passaram a ser desenvol- vidos a partir de matérias-primas sintéticas de altíssima pureza e por meio de processos rigorosamente controlados. Esses produtos, que podem apresentar os mais diferentes formatos, são fabricados pelo chamado “segmento cerâmico de alta tecnologia” ou “cerâmica avançada”. � Vidro, cimento e cal: trata-se de três importantes segmentos ce- râmicos, que são muito utilizados pela indústria civil e que, a de- pender da sua aplicação, apresentam algumas diferenças na sua composição. Vamos conhecer mais detalhadamente a composição de alguns ma- teriais cerâmicos, como vidro, tijolos, porcelanas, entre outros. O vidro é um material cerâmico sólido não cristalino, que apresenta apenas ordenação atômica de curto alcance. Seu principal constituinte é o óxido de silício (SiO₂), mas outros óxidos também podem estar presentes na sua composição, tais como CaO, Na₂O, K₂O, B₂O₃ e Al₂O₃. Os produtos de vidro são moldados a quente, quando o material apresenta um comportamento semelhante ao de um líquido, que é bastante viscoso e, dessa forma, pode ser deformado plasticamente sem se romper. Quando o líquido é resfriado, a sua viscosidade aumenta (e o seu volume diminui) até o ponto em que o material começa a apresentar o comportamento mecânico de um sólido. O Quadro 1 apresenta diferentes tipos de vidro, bem como a sua composição frente a diferentes óxidos. Repare que, em todos os casos, o óxido de silício (SiO₂) é o componente majoritário da mistura (VAN VLACK, 1973). Materiais cerâmicos4 Quadro 1. Diferentes tipos de vidro e suas composições Tipo de vidro Composição (% em massa) Características e aplicações SiO₂ Na₂O CaO Al₂O₃ B₂O₃ Outros Sílica fundida > 99,5 — — — — — Alta temperatura de fusão, baixo coeficiente de expansão térmica (resistente ao choque térmico) 96% de sílica (Vycor) 96 — — — 4 — Resistente ao choque térmico e ao ataque químico — material de laboratório Borosilicatos (Pyrex) 81 3,5 — 2,5 13,0 — Resistente ao choque térmico e ao ataque químico — artigos de cozinha Embalagem 74 16 5 1 — 4 MgO Baixo ponto de fusão, facilmente moldado, durável Fibra de vidro 55 — 16 15 14 4 MgO Facilmente transformado em fibras — compósitos polímeros — fibras de vidro Vidro óptico (flint) 54 1 — — — 37 PbO 8 K₂O Facilmente fabricado, resistente ao choque térmico — artigos de cozinha Fonte: Adaptado de Callister (2002). Uma das matérias-primas mais utilizadas na confecção de materiais cerâmicos é a argila. Esse componente é abundante na natureza, de fácil extração e, sendo assim, também apresenta baixo custo. Além disso, a argila é frequentemente utilizada na mesma composição em que é extraída, não sendo necessário submetê-la a nenhum tratamento químico na indústria. Os Materiais cerâmicos 5 produtos à base de argila normalmente são produzidos mediante a adição de uma certa quantidade de água, formando uma massa plástica muito suscetível a modelagem. Após a modelagem, a peça passa por um tratamento térmico em elevadas temperaturas para melhorar a sua resistência mecânica. Do ponto de vista da composição estrutural, as argilas são aluminossilica- tos, isto é, são compostas por alumina (Al₂O₃) e sílica (SiO₂), as quais contêm água quimicamente ligada. No entanto, dependendo da fonte da argila, podem estar presentes algumas impurezas, sendo as mais comuns os óxidos de bário, cálcio, sódio, potássio e ferro, além de alguns materiais orgânicos. Podemos citar como exemplo a argila caulinita, cuja fórmula química é [Al₂(Si₂O₅)(OH)₄]. A sua estrutura cristalina está representada na Figura 2 (CALLISTER, 2002). Figura 2. Estrutura da argila caulinita. Fonte: Adaptada de Callister (2002). A plasticidade da matéria-prima aumenta com a adição de água, que penetra nas camadas de argila e se posiciona entre as lâminas, deixando as partículas livres para se movimentarem entre si. Além da argila, outros componentes muito comuns de cerâmicos são minerais não plásticos, isto é, minerais que não podem ser moldados. Entre os principais materiais, está o quartzo, muito utilizado como material de enchimento (conhecido por ser uma Materiais cerâmicos6 carga inorgânica), de baixo custo, relativamente duro e quimicamente não reativo. Além do quartzo, também é comum o uso de um material fundente, como o feldspato, que, quando misturado com argila, forma um vidro com baixo ponto de fusão. Esse agente é composto por aluminossilicatos que contêm íons K⁺, Na⁺ e Ca⁺. Dessa forma, a característica da peça produzida vai depender da proporção utilizada desses três componentes (argila, feldspato e quartzo). Por exemplo, uma porcelana típica normalmente apresenta como composição 50% de argila, 25% de feldspato e 25% de quartzo. Já os tijolos refratários são compostos basicamente de argila, ou seja, de aluminossilicatos hidratados, cuja composição varia de 50% a 80% de óxido de silício (SiO₂) a 20% a 45% de óxido de alumínio(Al₂O₃), podendo, ainda, estar presentes outros componentes em baixas proporções. Quanto maior for a quantidade de alumina na peça refratária, maior será a temperatura suportada pelo tijolo, o que é imprescindível para o seu uso na indústria, tornando esse tipo de material mais caro (CALLISTER, 2002). Principais aplicações de cerâmicos tradicionais e avançados Os materiais cerâmicos apresentam diversas aplicações (Quadro 2), rela- cionadas sobretudo à indústria civil. Como já mencionamos anteriormente, esses materiais estão presentes em telhados, pisos e tijolos, sendo cruciais na indústria metalúrgica, uma vez que são constituintes dos fornos nos quais os metais recebem tratamentos térmicos. Quadro 2. Diferentes tipos de materiais cerâmicos e suas aplicações Tipo de cerâmico Aplicação Cerâmica vermelha Tijolos, blocos, telhas, lajes e utensílios de uso doméstico Cerâmica branca Louça sanitária, louça de mesa, isolantes elétricos Cerâmica de alta tecnologia Materiais de implante dentário, sensores, ferramentas de corte Vidro Artigos de cozinha em geral, artigos para laboratório químico Corantes Obtêm-se corantes pela adição de diferentes óxidos em esmaltes Fonte: Adaptado de Callister (2002). Materiais cerâmicos 7 Um exemplo interessante do emprego de cerâmicos é o revestimento dos ônibus espaciais, que, ao romper a barreira com a atmosfera, podem atingir temperaturas de até 1650°C. Para suportar todo esse aquecimento na parte externa de sua fuselagem, mantendo a sua integridade e impedindo que o calor penetre na sua parte interna, esses veículos são revestidos com cerâmicas especiais, capazes de suportar altas temperaturas e isolar a parte interna, onde fica a tripulação. Nesses casos, o material cerâmico utilizado é feito basicamente de sílica (SiO₂), em quantidades que chegam à pureza de 99,9% desse componente. Para que esse escudo térmico seja eficiente, cada bloco de material cerâmico deve se encaixar perfeitamente em uma determinada região da superfície do ônibus espacial. Também é importante ressaltar que cada área do veículo precisa de uma proteção diferente, pois a temperatura alcançada varia de acordo com a região da aeronave, como se pode observar na Figura 3 (CALLISTER, 2002). Figura 3. Temperaturas alcançadas em diferentes regiões de um ônibus espacial: (a) vistas superior e inferior; (b) vista lateral. Fonte: Adaptada de Callister (2002). Materiais cerâmicos8 A Figura 4 apresenta uma ampliação da parte lateral frontal de um ônibus espacial, em que é possível visualizar as telhas de cerâmica que revestem e protegem a fuselagem das altas temperaturas. Figura 4. Placas cerâmicas colocadas na parte externa de um ônibus espacial. Fonte: Jones (2013, documento on-line). Além do revestimento de cerâmicos, os ônibus espaciais são re- vestidos com três camadas de vidros nas janelas. Para conhecer a composição de cada uma dessas camadas de materiais cerâmicos, sugerimos a leitura do artigo “Uso de vidro no ônibus espacial”, escrito por Mauro Akerman e publicado no site da Associação Brasileira de Cerâmica. Outra importante aplicação dos cerâmicos diz respeito ao seu uso em próteses, que podem ser aplicadas em diversas partes do corpo humano, como, por exemplo, no lugar de ossos e, sobretudo, de dentes. O material utilizado nas aplicações em dentes costuma ser a porcelana, que apresenta alta biocompatibilidade com o corpo humano, além de muito se assemelhar esteticamente aos dentes naturais. A composição desse material pode apresentar algumas variações, sendo as mais comuns as próteses de Materiais cerâmicos 9 alumina, podendo ou não apresentar uma base metálica na estrutura dos dentes. Além do uso em próteses dentárias, o óxido de alumínio (Al₂O₃) também é muito utilizado na substituição de juntas. Tais aplicações in- cluem placas para a substituição de joelhos e cabeças femorais (Figura 5) (AZEVEDO et al., 2008). Figura 5. Prótese de cabeça de fêmur. Fonte: Azevedo et al. (2008, p. 34). É importante ressaltar que esses interessantes exemplos da aplica- ção de materiais cerâmicos (em ônibus espaciais e em próteses para o corpo humano) estão inseridos em um contexto de desenvolvimento de cerâmicas de alta tecnologia. Nesses casos, a matéria-prima utilizada não é de origem natural, como ocorre na confecção de telhados, pisos e tijolos para residências; ela é cuidadosamente desenvolvida e estudada em laboratórios, tendo origem sintética. Com isso, podemos dividir as aplicações dos cerâmicos em materiais de origem natural (cerâmicas tradicionais) e em materiais de origem sintética (cerâmicas avançadas). A Figura 6 mostra uma correlação entre essas aplicações e os materiais formados em cada tipo. Materiais cerâmicos10 Figura 6. Utilização de cerâmicas tradicionais e avançadas. Fonte: Adaptada de Callister (2002). C er âm ic as tr ad ic io na is Aumento da tecnologia C er âm ic as a va nç ad as Materiais para polimento Materiais abrasivos Materiais para corte e usinagem Tijolos Telhas Louças Azulejos Vidros Ossos artifi ciais Dentes Articulações Fibras ópticas Monitores Lâmpadas Sensores Circuitos integrados Osciladores Capacitores Baterias Componentes para sistemas nucleares Supercondutores Joias artifi ciais Pedras sintéticas Diamante artifi cial Principais matérias-primas e obtenção industrial de cerâmicos As matérias-primas das cerâmicas tradicionais são minerais ou acúmu- los de rochas que podem ser extraídos da natureza e utilizados, com ou sem algum tratamento prévio, na confecção de produtos cerâmicos. Tais matérias-primas raramente são encontradas na sua forma pura, podendo ser constituídas por minerais argilosos (argilas, caulins, etc.) e não argilosos (quartzo, feldspato, talco). As características plásticas ou não plásticas, então, são determinadas pelos componentes em maior concentração. Quanto maior for o predomínio de materiais argilosos, mais plástica será a matéria- -prima (KNIESS, 2005). Considerada a mais antiga matéria-prima cerâmica, a argila tem como principais características físicas o tamanho de partículas menor ou igual a 2 µm e a alta plasticidade quando misturada com uma quantidade adequada de água. Dentre os principais argilominerais, podem ser des- tacados os grupos da caulinita, da mica e da clorita, detalhados a seguir (KNIESS, 2005). Materiais cerâmicos 11 � Grupo da caulinita: os minerais desse grupo apresentam uma estru- tura mais estável quando comparados a outros materiais argilosos, sendo a sua fórmula molecular Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈. As argilas cauliníticas contêm normalmente 80% ou mais de caulinita, minerais argilosos de três camadas, pequenas quantidades de quartzo e diversos óxidos, que são, em sua maioria, fundentes. As duas fases estáveis de alta temperatura desenvolvidas quando a caulinita é sinterizada são a mulita e a cristobalita (KNIESS, 2005). � Grupo da mica: no grupo das micas hidratadas, está a montmorilonita, cuja fórmula química é (AlMg)₈(Si₄O₁₀)₃(OH).12H₂O. Em sua estrutura, as folhas estão separadas por um número variável de camadas de água, que podem provocar um inchamento na sua estrutura. As ar- gilas montmoriloníticas (principalmente a bentonita) são utilizadas em baixas proporções para aumentar a plasticidade de uma massa cerâmica (KNIESS, 2005). � Grupo da clorita: a estrutura cristalina das cloritas é constituída por camadas alternadas de estruturas do tipo mica (uma camada de gibsita entre duas camadas de silicato) e brucita (hidróxido de magnésio) (KNIESS, 2005). Já nas cerâmicas avançadas, são usados como matéria-prima sobretudo óxidos de alumínio (Al₂O₃), carbetos (SiC) e nitretos (Si₃N₄). Nesses casos, normalmente é exigida uma alta pureza da matéria-prima a ser utilizada (ocorrendo um alto controle de impurezas), visto que as suas aplicações comumente estão inseridas em um contexto de química fina e, por isso, demandam uma composição definida para serem empregadas na obtenção decerâmicos que tenham propriedades específicas. Processo de fabricação de artigos cerâmicos Por fim, é importante compreendermos como ocorre o processo de fabricação de artigos cerâmicos, desde o início, com a extração da matéria-prima, até a etapa de obtenção do produto final. Existem muitas técnicas utilizadas para o processamento de cerâmicos, como se pode observar na Figura 7. E esses processos se diferenciam conforme o tipo material que está sendo processado. Materiais cerâmicos12 Figura 7. Técnicas de conformação de materiais cerâmicos. Fonte: Adaptada de Callister (2002). Técnicas de fabricação de materiais cerâmicos Processos de conformação do vidro Processos de conformação de particulados Prensagem Prensagem do pó Uniaxial IsostáticaQuente Sopragem ou insulfl ação Conformação hidroplástica Conformação hidroplástica Estiramento Secagem Cozimento Conformação da fi bra Fundição em fi ta Cimentação Inicialmente, ocorre a extração de argila, realizada com escavadeiras, que coletam a argila da natureza e a depositam em caminhões. Ao chegar nas fábricas, a argila passa por um processo de moagem ou trituração, para reduzir e tentar uniformizar o tamanho das partículas. Na sequência, essas partículas são peneiradas e classificadas por granulometria, dando origem a um produto pulverizado que apresenta uma faixa desejada de tamanho de partículas. Quando se quer utilizar uma mistura multicomponente, os materiais pulverizados devem ser completamente misturados com água, de modo a fornecer as características de escoamento necessárias para a etapa seguinte. Após as etapas de extração e moagem, ocorre o processo de conforma- ção, isto é, o processo de modelagem da peça que se deseja produzir. Para a conformação de composições à base de argila, são empregadas duas técnicas de modelagem: conformação hidroplástica e fundição por suspensão. No processo de conformação hidroplástica, adiciona-se uma certa quan- tidade de água à argila, e então a mistura se torna extremamente plástica e flexível, podendo ser moldada de maneira simples. No entanto, importa salientar que a razão água/argila deve ser cuidadosamente observada, a fim de que a massa a ser moldada consiga permanecer com a sua forma durante as etapas seguintes. A adição excessiva de água pode acarretar problemas nesse processo, uma vez que os materiais moldados podem perder a forma. A técnica mais conhecida de conformação hidroplástica é a extrusão, em que uma massa de cerâmica é forçada a passar por um orifício de uma matriz com a geometria de seção desejada. Durante esse processo, é comum a remoção do ar, com o uso de uma câmara de vácuo, Materiais cerâmicos 13 para melhorar a densidade da peça formada. Essa técnica é aplicada para a confecção de tijolos, azulejos e tubos (CALLISTER, 2002). Já na fundição por suspensão, há uma suspensão de argila em água. Quando derramada dentro de molde poroso, este absorve a água da suspensão, que deixa para trás uma camada sólida sobre a parede do molde, cuja espessura vai depender do tempo que a suspensão ficar lá. Esse processo pode ser executado até que toda a cavidade do molde se torne sólida (Figura 8a) ou pode ser interrompido quando a parede externa da peça atingir a espessura desejada, pela inversão do molde ou pela retirada do excesso de suspensão (Figura 8b). À medida que a água vai sendo removida do processo, ocorre uma diminuição do tamanho da peça, que se separa do molde, permitindo que este seja removido sem danificar o material cerâmico (CALLISTER, 2002). Figura 8. Técnicas de suspensão por fundição. Fonte: Adaptada de Callister (2002). Materiais cerâmicos14 Depois da etapa de conformação, a peça ainda não apresenta a resistência necessária para a maioria das aplicações para as quais os produtos cerâmicos são direcionados, uma vez que ela ainda pode conter uma quantidade significativa de água em sua composição. Devido a isso, é preciso realizar um processo de secagem, um tratamento térmico que melhora a densidade e a resistência das peças produzidas, pois, conforme um corpo cerâmico seca, o seu volume se contrai. No processo inicial de secagem, as partículas de argila estão separa- das por finas camadas de água, e, à medida que ocorre esse processo, elas se aproximam umas das outras, o que implica uma diminuição do volume do objeto produzido (Figura 9). É importante ressaltar que esse processo ocorre por difusão da água presente no interior da peça para a sua superfície; chegando lá, a água é removida por evaporação. Caso as taxas de difusão e evaporação da água não sejam adequadas, a peça pode vir a apresentar algumas deformidades. Por isso, normalmente se utilizam baixas temperaturas para esse processo, sendo comumente observada a temperatura de secagem de 50°C (CALLISTER, 2002). Figura 9. Técnica de secagem de cerâmicos: (a) cerâmico molhado, (b) cerâmico parcialmente seco e (c) cerâmico completamente seco. Fonte: Callister (2002, p. 298). Por fim, após a remoção lenta de água do material cerâmico, é realizada a etapa de cozimento, em que a peça é exposta a altas temperaturas (entre 900°C e 1400°C). Essa temperatura depende da composição da peça e das propriedades e características que são desejadas no material final. Tal etapa é crucial para um aumento da densidade, uma diminuição da porosidade e uma melhora da resistência mecânica (CALLISTER, 2002). A porosidade das peças diminui como consequência da reação de vitrifica- ção, que forma gradualmente um vidro líquido que flui para dentro e preenche parte dos poros. Nesse processo, também é observada uma contração no volume do objeto. O grau de vitrificação depende da temperatura, do material e do tempo de cozimento, e pode variar conforme o objetivo na utilização do material cerâmico (CALLISTER, 2002). Materiais cerâmicos 15 Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CERÂMICA. Informações técnicas: definição e classificação. ABCERAM, c2016. Disponível em: https://abceram.org.br/definicao-e-classificacao/. Acesso em: 26 mar. 2021. AZEVEDO, V. V. C. et al. Materiais cerâmicos utilizados para implantes. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, v. 3, n. 1, p. 31–39, 2008. Disponível em: http://www2.ufcg. edu.br/revista-remap/index.php/REMAP/article/view/58/87. Acesso em: 26 mar. 2021. CALLISTER, W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5. ed. Rio de Janeiro: LCT, 2002. FONSECA, A. T. Técnicas de processamento cerâmico. Lisboa: Universidade Aberta, 2000. JONES, T. Evocative endeavour: space shuttle endeavour at the California Science Center. Communicate Science, 2013. Disponível em: https://communicatescience.com/zoono- mian/2013/01/24/evocative-endeavour-space-shuttle-endeavour-at-the-california- -science-center/. Acesso em: 26 mar. 2021. KNIESS, C. T. Desenvolvimento e caracterização de materiais cerâmicos com adição de cinzas pesadas de carvão mineral. 2005. 279 f. Tese (Doutorado) — Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2005. Disponível em: https://repositorio. ufsc.br/handle/123456789/102317. Acesso em: 26 mar. 2021. SHRIVER, D. F. et al. Química inorgânica. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2008. VAN VLACK, L. H. Propriedade dos materiais cerâmicos. São Paulo: Edusp, 1973. Leitura recomendada AKERMAN, M. Uso de vidro no ônibus espacial. ABCERAM, 2017. Disponível em: https:// abceram.org.br/2017/05/29/uso-de-vidro-no-onibus-espacial/. Acesso em: 26 mar. 2021. Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material. No entanto, a rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo. Assim, os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links. Materiais cerâmicos16
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