teorico unidade IV

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<p>Ciência e Tecnologia</p><p>dos Materiais</p><p>Responsável pelo Conteúdo:</p><p>Prof. Me. Glauco Fabrício Bianchini</p><p>Revisão Textual:</p><p>Prof. Me. Claudio Brites</p><p>Cerâmicas</p><p>Cerâmicas</p><p>• Apresentar as principais características das cerâmicas, suas propriedades e formas de</p><p>processamento;</p><p>• Compreender e desenvolver um raciocínio crítico sobre possíveis utilizações dos materiais</p><p>cerâmicos.</p><p>OBJETIVOS DE APRENDIZADO</p><p>• Introdução;</p><p>• Composição e Estrutura;</p><p>• Processamento de Materiais Cerâmicos;</p><p>• Prensagem e Sinterização;</p><p>• Aplicações das Cerâmicas.</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>Introdução</p><p>As cerâmicas representam alguns dos materiais mais antigos e mais ambientalmente</p><p>duráveis para a engenharia. Ao falarmos em cerâmicas, a maioria das pessoas tendem</p><p>a pensar em estátuas de argila e na louça do jantar. Entretanto, os materiais cerâmicos</p><p>representam um grupo muito mais amplo de empregos e de tipos de materiais.</p><p>Conforme apresentado anteriormente, os materiais cerâmicos são compostos de ele-</p><p>mentos metálicos e não metálicos – são frequentemente óxidos, nitretos e carbetos.</p><p>Tais composições originam um material mais resistente a ambientes abrasivos e a altas</p><p>temperaturas, além de ser um isolante térmico.</p><p>A maioria das cerâmicas possuem predominantes ligações iônicas, o que significa</p><p>que algumas composições podem conter ligações iônicas e covalentes. Tais ligações</p><p>conferem às cerâmicas dureza, resistência à abrasão e estabilidade química. Quando as</p><p>ligações são prioritariamente iônicas, a rede consiste em cátions metálicos (menores) e</p><p>ânions não metálicos (maiores), exemplo disso é o dióxido de titânio (TiO2 – Ti4+ + 2O2-)</p><p>(NEWELL, 2010).</p><p>Como os cátions são menores que os ânions, a razão entre o raio dos cátions (rc) e o</p><p>raio dos ânions (ra) será sempre inferior a um. O número de coordenação da rede é, as-</p><p>sim, definido como o número de ânions que cada cátion tem contato e é controlado pelos</p><p>raios atômicos e pela geometria (NEWELL, 2010). A Figura 1 e a Tabela 1 apresentam as</p><p>influências dos raios iônicos sobre os números de coordenação estáveis. A Tabela 1 apre-</p><p>senta a menor razão entre os raios atômicos necessária para alcançar uma rede estável.</p><p>Estruturas cristalinas estáveis são formadas quando os ânions que envolvem um cátion</p><p>estão todos em contato com o cátion.</p><p>Figura 1 – Influência dos raios iônicos sobre o número de coordenação estáveis</p><p>Fonte: Adaptada de NEWELL, 2010</p><p>8</p><p>9</p><p>Tabela 1 – Razões dos raios iônicos para números de coordenação estáveis</p><p>Número de coordenação Valores de rc / ra</p><p>2 <0,155</p><p>3 0,155 – 0,225</p><p>4 0,225 – 0,414</p><p>6 0,414 – 0,732</p><p>8 0,732 – 1,0</p><p>Fonte: Adaptad a de NEWELL, 2010</p><p>Esses números de coordenação afetam a formação das estruturas cristalinas das cerâ-</p><p>micas, que são classificadas pelo número de cátions e ânions diferentes em cada rede.</p><p>Você Sabia?</p><p>A maioria dos materiais cerâmicos são imunes à corrosão, pois, essencialmente, já</p><p>estão corroídos.</p><p>Composição e Estrutura</p><p>Nos materiais cerâmicos, as estruturas cristalinas são, em geral, mais complexas que</p><p>as dos metais e classificadas pelo número de cátions e ânions diferentes. Alguns dos ma-</p><p>teriais cerâmicos mais comuns apresentam números iguais de cátions e ânions. Tais ma-</p><p>teriais são designados compostos AX, nos quais A representa os cátions e X os ânions</p><p>(CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>• Estrutura Sal-Gema: A célula unitária dessa estrutura cristalina é gerada a partir</p><p>de um arranjo CFC para os ânions com um cátion localizado no centro do cubo e</p><p>um cátion no centro de cada uma das 12 arestas do cubo (Figura 2). Como exem-</p><p>plos, podemos citar: NaCl, MgO, MnS, LiF e FeO;</p><p>Figura 2 – Célula unitária para a estrutura cristalina</p><p>Sal-Gema – número de coordenação igual a 6</p><p>Fonte: CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016</p><p>9</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>• Estrutura do Cloreto de Césio (CsCl): A célula unitária dessa estrutura cristalina</p><p>apresenta os ânions localizados em cada um dos vértices de um cubo e no centro</p><p>do cubo a presença de um cátion (Figura 3);</p><p>Figura 3 – Célula unitária para a estrutura Cloreto</p><p>de Césio (CsCl) – número de coordenação igual a 8</p><p>Fonte: CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016</p><p>• Estrutura da Blenda de Zinco (ZnS): A célula unitária dessa estrutura apresenta</p><p>os átomos de S nos vértices e nos centros das faces, enquanto os átomos de Zn</p><p>preenchem posições tetraédricas no interior. Dessa forma, cada átomo de Zn está</p><p>ligado a quatro átomo de S (Figura 4).</p><p>Figura 4 – Célula unitária para a estrutura cristalina da</p><p>Blenda de Zinco (ZnS) – número de coordenação igual a 4</p><p>Fonte: CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016</p><p>Quando as cargas dos cátions e dos ânions são diferentes, a rede é classificada como</p><p>de um sistema AmXp, em que m é diferente de p. Um exemplo seria o composto AX2,</p><p>10</p><p>11</p><p>para o qual uma estrutura cristalina típica é encontrada na fluorita (CaF2) (Figura 5).</p><p>Como exemplos, podemos citar: ZrO2, UO2, PuO2 e ThO2.</p><p>Figura 5 – Célula unitária para a Fluorita (CaF2)</p><p>Fonte: Callister JR.; Rethwisch, 2016</p><p>E, por fim, quando a cerâmica possui duas espécies de cátions com cargas diferentes,</p><p>o esquema é classificado como AmBnXp. O titanato de bário (BaTiO3) possui o cátion</p><p>Ba2+ e Ti4+ e sua estrutura cristalina é a da perovskita (Figura 6). Em temperaturas aci-</p><p>ma de 120°C, a estrutura cristalina é cúbica.</p><p>Figura 6 – Célula unitária da Perovskita</p><p>Fonte: Callister JR.; Rethwisch, 2016</p><p>Exercício 1</p><p>Com base nos raios iônicos, qual estrutura cristalina é esperada para os elementos</p><p>FeO, sabendo que o rFE2+ = 7,7 x 10-2 nm e rO2- = 1, 4 x 10-1 nm?</p><p>11</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>Resolução</p><p>O primeiro passo para resolução do exercício é a determinação da classificação com</p><p>composto. Pela sua formulação, tem-se um composto AX.</p><p>O segundo passo é a determinação da relação rc/ra.</p><p>2</p><p>1</p><p>1</p><p>7,7 10 5,5 10</p><p>1,4 10</p><p>c</p><p>a</p><p>r x x</p><p>r x</p><p>�</p><p>�</p><p>�� �</p><p>O terceiro passo é a comparação do valor obtido com os valores do Quadro 1, para</p><p>determinação do número de coordenação igual a 6.</p><p>Determinado o número de coordenação, busca-se uma estrutura cristalina que for-</p><p>neça essa relação. Conforme apresentado na Figura 2, a estrutura Sal-Gema atende a</p><p>esses requisitos, logo, espera-se que a composição FeO apresente uma estrutura crista-</p><p>lina Sal-Gema.</p><p>Cerâmicas a Base de Silicatos</p><p>O silício e o oxigênio correspondem a aproximadamente 75% dos elementos da</p><p>crosta terrestre, consequentemente, a maior parte dos solos, rochas, argilas e areias se</p><p>enquadram na classificação de silicatos. Os silicatos não são considerados iônicos devido</p><p>à natureza covalente nas ligações interatômicas entre os Si-Os, que são direcionais e</p><p>relativamente fortes.</p><p>Os silicatos não são classificados em termos de células unitárias, mas sim por vários</p><p>arranjos tetraédricos de SiO4-, em que cada átomo de silício está ligado a quatro oxi-</p><p>gênios e cada átomo de oxigênio necessita de mais um elétron para atingir uma confi-</p><p>guração estável. Várias estruturas de silicatos surgem das combinações de ligações de</p><p>SiO4-, formando arranjos unidirecionais, bidimensionais e tridimensionais. A Figura 7</p><p>apresenta o tetraedro silício-oxigênio (SiO4-).</p><p>Figura 7 – Tetraedro SiO4-</p><p>Fonte: CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016</p><p>• Sílica: Designação utilizada para abreviação do dióxido de silício (SiO2), seja na forma</p><p>cristalina, amorfa ou hidratada. Estruturalmente, esse composto forma redes tridi-</p><p>mensionais, que são ocasionadas pelo compartilhamento dos átomos de oxigênio</p><p>12</p><p>13</p><p>localizados nos vértices de cada tetraedro e são compartilhados por tetraedros ad-</p><p>jacentes (GOMES; FURTADO; SOUZA, 2018);</p><p>• Vidros à base de Sílica: A sílica é um óxido formador de rede vítrea e a adição</p><p>de óxidos conferem características distintas. Esses óxidos podem ser modificadores</p><p>de rede ou intermediários. Quando modificadores de rede, quebram a rede vítrea</p><p>formada pela sílica, diminuindo o ponto de fusão e a viscosidade do fluido. Quando</p><p>intermediários, podem atuar como modificadores ou formadores de rede (GOMES;</p><p>FURTADO; SOUZA, 2018);</p><p>• Silicatos: Para os</p><p>vários minerais à base de silicato, um, dois ou três átomos de oxi-</p><p>gênio nos vértices do tetraedro (SiO4-) são compartilhados com outros tetraedros,</p><p>formando algumas estruturas bastante complexas. Os silicatos podem ser divididos</p><p>em silicatos simples e silicatos em camadas (Figura 8).</p><p>Carbono</p><p>O carbono apresenta várias formas polimórficas e um estado amorfo. Ele não pertence</p><p>a nenhum grupo de classificação tradicional (cerâmicas, polímeros e metais), porém em</p><p>algumas literaturas a grafita é considerada uma cerâmica e a estrutura cristalina do</p><p>diamante é semelhante à da blenda de zinco. (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016):</p><p>• Diamante: Sua estrutura cristalina é uma variante da blenda de zinco, com os áto-</p><p>mos de carbono ocupando todas as posições, tanto do Zn quanto do S. Dessa forma,</p><p>como todas as ligações acontecem entre os átomos de carbono, suas ligações são</p><p>totalmente covalentes, formando a estrutura cristalina cúbica do diamante (Figura 8).</p><p>Apresenta condutividade térmica anormalmente elevada para um não metal, é optica-</p><p>mente transparente nas regiões do visível, do infravermelho do espectro eletromagné-</p><p>tico e metaestável em condições ambientais de temperatura e pressão;</p><p>Figura 8 – Célula unitária da estrutura cúbica do diamante</p><p>Fonte: CERAMICS, 2021</p><p>• Grafita: Apresenta estrutura cristalina composta por camadas de carbono em um</p><p>arranjo hexagonal. Cada átomo de carbono está ligado covalentemente entre si nas</p><p>camadas, ou seja, compartilhando três elétrons e o quarto elétron, participa de uma</p><p>ligação fraca do tipo van der Waals entre as diferentes camadas. Devido às ligações</p><p>13</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>fracas entre as camadas, há a clivagem interplanar, dando origem às excelentes</p><p>propriedades lubrificantes da grafita (Figura 9);</p><p>Figura 9 – Célula unitária da estrutura da grafita</p><p>Fonte: CERAMICS, 2021</p><p>• Fulerenos: possuem estrutura cristalina esférica, contendo sessenta átomos de car-</p><p>bono C60. Cada molécula é composta por grupos de átomos de C ligados uns aos ou-</p><p>tros, formando configurações geométricas hexagonais ou pentagonais (Figura 10).</p><p>Figura 10 – Estrutura de uma molécula C60</p><p>Fonte: CERAMICS, 2021</p><p>Exercício 2</p><p>Com base na estrutura cristalina, calcule a massa específica teórica para o cloreto de</p><p>sódio. Compare o valor encontrado à massa específica experimental.</p><p>Faça uma busca nas literaturas indicadas sobre esse valor. Você também poderá ob-</p><p>ter esse valor no final da unidade.</p><p>14</p><p>15</p><p>Resolução</p><p>O cloreto de sódio possui estrutura cristalina Sal-gema conforme apresentado an-</p><p>teriormente. Para materiais cerâmicos com estruturas cristalinas, torna-se possível o</p><p>cálculo da sua massa específica (ρ) a partir de dados da célula unitária.</p><p>� �n Ac Aa</p><p>Vc Na</p><p>� �� ��</p><p>�</p><p>Detalhando os termos da fórmula:</p><p>• ρ: massa específica;</p><p>• n’: número de íons que estão incluídos na fórmula química;</p><p>• ΣAc: soma dos pesos atômicos de todos os cátions na fórmula unitária;</p><p>• ΣAa: soma dos pesos atômicos de todos os cátions na fórmula unitária;</p><p>• Vc: volume da célula unitária;</p><p>• Na: número de avogadro – 6,022x1023 fórmulas unitárias/mol.</p><p>A estrutura cristalina formada pelos íons de sódio e de cloreto é o CFC. Dessa forma,</p><p>o número de unidades de NaCl por célula unitária é igual a n’= 4. Os pesos atômicos</p><p>dos elementos são:</p><p>ΣAc = ANa = 22,99 g/mol</p><p>ΣAa = ACl = 35,45 g/mol</p><p>Para a determinação do volume da célula unitária, faz-se necessária a determinação</p><p>da aresta da célula unitária (a) e, sendo ela cúbica, Vc = a³. Conforme apresentado, a</p><p>aresta da célula unitária pode ser calculada por:</p><p>Figura 11</p><p>a = 2(rNa+ + rCl-) = 2 x (0,102 + 0,181) = 0,566 nm</p><p>Logo</p><p>Vc = (0,566 x 10-9)³ = 1,8 1 x 10-28 m³ = 1,8 1 x 10-22 cm³</p><p>15</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>De posse de todos os termos da equação, pode-se determinar a massa específica:</p><p>� �</p><p>22 23</p><p>4 22,99 35,45</p><p>2,144 / ³</p><p>1,81 1 0 6,022 10</p><p>x</p><p>g cm</p><p>x x x</p><p>� �</p><p>�</p><p>� �</p><p>Agora de posse da massa específica, pode-se comparar com o valor experimental e</p><p>verificar se os resultados são satisfatórios.</p><p>Abrasivos</p><p>Para os materiais abrasivos, a dureza é a característica mais importante, porém ele</p><p>deve resistir à fratura. As cerâmicas abrasivas são utilizadas para desgastar outros ma-</p><p>teriais por moagem, lixamento, lapidação e jateamento. Nesse processo, a partícula de</p><p>abrasivo atua como um instrumento de corte, removendo parte do material mais macio.</p><p>Muitas cerâmicas são abrasivos ideais, devido à sua mistura de tenacidade e dureza,</p><p>junto com a resistência elevada ao aquecimento, gerada pelo atrito durante o processo</p><p>de abrasão (NEWELL, 2010).</p><p>O abrasivo comercial mais conhecido é a lixa, na qual é usada uma resina para fixar par-</p><p>tículas grandes sobre um substrato. Quatro classes diferentes de abrasivos são usadas nas</p><p>lixas: alumina, granada, carbeto de silício e “cerâmica”. A Tabela 2 apresenta um resumo:</p><p>Tabela 2 – Tipos de abrasivos, aplicações e características</p><p>Abrasivo Aplicações Características</p><p>Alumina (Al2O3) Comuns. Material denso, duro, insolúvel em água,</p><p>com elevado ponto de fusão e friável.</p><p>Granadas (A3B2(SiO4)3) – o</p><p>metal B determina o tipo: ex.</p><p>granadas de alumínio, grana-</p><p>das de cromo etc.</p><p>Acabamentos em madeiras macias</p><p>– coloração típica – laranja. Menos duro que a alumina, não friável.</p><p>Carbeto de Silício (SiC) Desbastes de metais, argamassas e</p><p>compósitos de fibras de vidro. Mais dura que a alumina e friável.</p><p>“Cerâmicas”</p><p>Dar forma e nivelamento em</p><p>madeira e podem ser encontradas</p><p>em lixadeiras de rolo.</p><p>Elevada dureza e custo.</p><p>Fonte: Adaptada de NEWELL, 2010</p><p>Friável: Formam fragmentos com novas bordas afiadas quando quebram sobre tensão, de-</p><p>vido ao aquecimento ou à pressão. Dessa forma, pode-se dizer que elas se autorrenovam.</p><p>Qualquer que seja o agente abrasivo, as lixas são classificadas pela sua granulometria,</p><p>que é dada pelo número de partículas de abrasivo por polegada quadrada, sendo:</p><p>• Granulometria 40 – 60: Grosso – Desbaste ou lixamento em larga escala;</p><p>• Granulometria 80 – 120: Médio – Lixamento;</p><p>• Granulometria 150 – 180: Fino – Lixamento final para madeiras;</p><p>16</p><p>17</p><p>• Granulometria 220 – 240 : Muito fino – Acabamento para produção de superfí-</p><p>cies brilhantes;</p><p>• Granulometria 280 – 320 : Extrafino – Remoção de marcas;</p><p>• Granulometria 360 – 600 : Superfino – Remoção de arranhões superficiais.</p><p>Cimentos</p><p>O cimento hidráulico mais conhecido é o cimento Portland, que possui o seu uso</p><p>mais comum como matriz no concreto e sua fabricação decorre da pulverização de nó-</p><p>dulos de silicatos de cálcio sinterizados, podendo ocorrer por processos a úmido ou a</p><p>seco, sendo o último consumidor de mais energia. Em ambos os processos, uma fonte</p><p>de carbonato de cálcio é moída e misturada com quartzo (SiO2) e com uma argila ou</p><p>areia que fornecem Fe2O3 e Al2O3 à mistura (NEWELL, 2010) .</p><p>Devido a diferentes óxidos de ferro, alumínio e cálcio ou silicatos poderem prevalecer</p><p>na mistura, um sistema padrão de abreviatura da nomenclatura do cimento Portland foi</p><p>desenvolvido (Tabela 3).</p><p>Tabela 3 – Nomenclatura resumida dos constituintes do cimento Portland</p><p>Composto Abreviação</p><p>Al2O3 A</p><p>CaO C</p><p>Fe2O3 F</p><p>H2O H</p><p>SiO S</p><p>SO3</p><p>S</p><p>Exemplo : Um composto com 3 mols de CaO para cada mol de Al2O3 será</p><p>abreviado para C3A.</p><p>Fonte: Adaptada de NEWELL, 2010</p><p>As partículas misturadas são levadas a um forno rotativo, iniciando um processo em</p><p>quatro estágios:</p><p>• 1° Estágio: Evaporação-desidratação – a mistura é aquecida entre 250°C e 450°C</p><p>para remoção de toda a água livre. O aquecimento continua até cerca de 600°C e</p><p>qualquer água ligada aos óxidos e aos silicatos é removida ;</p><p>• 2° Estágio: Calcinação – o processo se inicia próximo dos 900°C, quando o car-</p><p>bonato de cálcio é convertido em óxido de cálcio e é liberado dióxido de carbono</p><p>(Equação 1).</p><p>3 2</p><p>CaCO CaO CO� �</p><p>Nessa mesma faixa de temperatura, o óxido de cálcio (C) reage com o óxido de alu-</p><p>mínio (A) e com o óxido férrico (F) para formar o tetracálcio aluminoferrita (C4AF) e o</p><p>tricalcio aluminato (C3A) (Equações 2 e 3) ;</p><p>44 C A F C AF� � �</p><p>Equação 1</p><p>Equação</p><p>2</p><p>17</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>33 C A C A� �</p><p>• 3° Estágio: Formação do clínquer – Com a elevação da temperatura para cerca de</p><p>1450°C, a formação do clínquer começa e o óxido de cálcio remanescente reage com</p><p>os silicatos do quartzo para formar o silicato dicálcio (C2S) e silicato tricálcio (C3S)</p><p>(Equações 4 e 5);</p><p>2</p><p>2 C S C S� �</p><p>3</p><p>3 C A C A� �</p><p>• 4° Estágio – Resfriamento – o produto originado do forno é o clínquer que consiste</p><p>em uma distribuição de partículas que possuem em média 10 mm de diâmetro. O Clín-</p><p>quer passa por um estágio de resfriamento e, então, é enviado para um moinho de</p><p>bolas onde é moído com 5% de gesso moído (CSH2 ) até atingir m diâmetro médio</p><p>de 10 μm.</p><p>Você Sabia?</p><p>A denominação cimento é um termo genérico que se refere a qualquer material capaz</p><p>de unir partes. Os cimentos hidráulicos são dependentes da água para formar um sólido,</p><p>enquanto os cimentos não hidráulicos formam sólidos sem precisar de água.</p><p>Refratários</p><p>As cerâmicas refratárias são ideais para fornos de alta temperatura, necessários para</p><p>fundir vidro, metal e outros materiais. São cerâmicas capazes de suportar altas tempe-</p><p>raturas sem fundir, degradar ou reagir com outros materiais. Os refratários são mais</p><p>comumente comercializados como tijolos, mas eles também podem ser encontrados</p><p>como placas, mantas ou em formatos diferenciados sob encomenda (NEWELL, 2010).</p><p>Os refratários comuns são constituídos de partículas grosseiras de óxido ligadas por</p><p>um material refratário mais fino, que funde durante a queima e causa a união do mate-</p><p>rial. Em alguns casos, tijolos refratários possuem cerca de 20% a 25% de poros aparen-</p><p>tes e são considerados bons isolantes térmicos.</p><p>Vidros</p><p>Os vidros são conformados em temperaturas elevadas a partir de uma massa fluida</p><p>que se torna muito viscosa com o resfriamento. Os materiais vítreos, ou não cristalinos,</p><p>não se solidificam como os materiais cristalinos, eles se tornam cada vez mais viscosos,</p><p>não existindo uma temperatura na qual o líquido se transforme em um sólido. Para os</p><p>materiais cristalinos, existe uma redução descontínua do volume na temperatura de fu-</p><p>são Tf (Linha azul – Figura 12). Porém, nos materiais vítreos, o volume diminui continua-</p><p>mente com a redução da temperatura, ocorrendo um ligeiro arrefecimento na inclinação</p><p>da curva, no ponto denominado de temperatura de transição vítrea (Tv) (Linha vermelha</p><p>– Figura 12).</p><p>Equação 3</p><p>Equação 4</p><p>Equação 5</p><p>18</p><p>19</p><p>Figura 12 – Comparação do comportamento do volume específi co</p><p>versus temperatura para materiais cristalinos e não cristalinos</p><p>Fonte: CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016</p><p>As características viscosidade-temperatura do vidro são importantes para o processo</p><p>de conformação. Na Figura 13, estão destacados alguns pontos específicos e importan-</p><p>tes do processo de fabricação:</p><p>Figura 13 – Logaritmo da viscosidade em função da temperatura para quatro vidros</p><p>Fonte: CALLISTER J R.; RETHWISCH, 2016</p><p>• 1° Ponto de fusão: Temperatura cuja viscosidade possui valor de 10 Pa.s – vidro é</p><p>fluido o suficiente para ser considerado líquido;</p><p>• 2° Ponto de trabalho: Temperatura cuja viscosidade possui valor de 10³ Pa.s – vidro</p><p>é deformado com facilidade nessa viscosidade;</p><p>• 3° Ponto de amolecimento: Temperatura cuja viscosidade possui valor de 4x106</p><p>Pa.s – temperatura máxima que uma peça de vidro pode ser manuseada sem que</p><p>ocorram alterações nas suas dimensões;</p><p>19</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>• 4° Ponto de recozimento: Temperatura cuja viscosidade possui valor de 1012 Pa.s</p><p>– a difusão atômica é rápida e qualquer tensão residual pode ser removida em um</p><p>intervalo de 15 min. Se, durante o processo de resfriamento dos vidros, surgirem</p><p>tensões térmicas, que podem enfraquecer ou, em alguns casos, levar à fratura,</p><p>estes precisam ser aquecidos até o ponto de recozimento e, então, resfriados lenta-</p><p>mente até a temperatura ambiente;</p><p>• 5° Ponto de deformação: Temperatura cuja viscosidade possui valor de 3x1013 Pa.s</p><p>– para temperatura abaixo do ponto de deformação, haverá fratura antes do início</p><p>da deformação plástica. A temperatura de transição vítrea será superior ao ponto</p><p>de deformação.</p><p>Como pode ser observado na Figura 13, a temperatura em que cada um desses</p><p>pontos acontece depende da composição do vidro. A maioria das operações de confor-</p><p>mação dos vidros é conduzida na faixa de trabalho – entre as temperaturas de trabalho</p><p>e amolecimento.</p><p>A resistência de uma peça de vidro pode ser melhorada por meio de tratamento térmi-</p><p>co, a chamada têmpera térmica, que consiste em um aquecimento da peça de vidro até</p><p>uma temperatura acima da região de transição vítrea, porém abaixo do ponto de amo-</p><p>lecimento. Ela então é resfriada até a temperatura ambiente por meio de jatos de ar ou</p><p>imersão em óleo, causando tensões residuais devido ao gradiente de temperatura entre a</p><p>superfície e o interior. Esse gradiente causa uma tensão radial voltada para o interior da</p><p>peça, causando tensões de compressão na superfície e tensões de tração no interior, me-</p><p>lhorando assim o seu desempenho mecânico (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016).</p><p>Processamento de Materiais Cerâmicos</p><p>Os materiais cerâmicos se fundem em altas temperaturas e são frágeis quando sub-</p><p>metidos a esforços de tração. Neles, a dispersão dos resultados da resistência mecânica</p><p>é maior. Assim, os materiais respondem melhor quando submetidos a compressão. Seu</p><p>processo de conformação, diferentemente dos metais e termoplásticos, ocorre pelo pro-</p><p>cessamento dos pós cerâmicos, sendo o pó constituído de partículas finas (ASKELAND;</p><p>PHULÉ, 2008). O Quadro 1 apresenta um fluxograma das etapas típicas do processa-</p><p>mento das cerâmicas.</p><p>Quadro 1 – Etapas típicas do processamento das cerâmicas</p><p>Síntese do Pó Cerâmico</p><p>• Produção do pó cerâmico;</p><p>• Operaçoes de moagem, separação de impurezas, mistura com</p><p>outros pós e atomização;</p><p>• Resultado: Pó fino e homogêneo.</p><p>Preparação do pó</p><p>• Preparação do pó, conforme as características desejadas do</p><p>material e da cerâmica verde;</p><p>• Operações de moagem em moinho de bolas, mistura, secagem</p><p>por nebulização dos pós, usos de aditivos;</p><p>• Cerâmica verde é uma cerâmica que ainda não foi sinterizada.</p><p>20</p><p>21</p><p>Processamento do pó</p><p>• Conformação no formato do objeto desejado;</p><p>• Moldagem de pós para produzir cerâmica verde utilizando</p><p>compactação, colagem de barbotina, colagem de filmes de</p><p>cerâmica etc.</p><p>Sinterização</p><p>• Obtenção do objeto monolítico;</p><p>• A cerâmica verde é aquecida a altas temperaturas sob atmos-</p><p>feras controladas e com ciclos térmicos determinados para a</p><p>produção de um material com alta massa específica.</p><p>Processamento</p><p>Secundário</p><p>• A cerâmica é submetida às outras operações, tais como: des-</p><p>baste, corte, polimento, instalação de eletrodos, revestimen-</p><p>tos, para adquirir as propriedades requeridas de projeto;</p><p>• Resultado: Produto Final.</p><p>Fonte: Adaptado de ASKELAND; PHULÉ, 2008</p><p>Os pós de cerâmicas, preparados por técnicas convencionais ou avançadas, são pro-</p><p>cessados conforme a Figura 12. Os pós não apresentam formados por partículas com</p><p>fracas ligações entre si, e, durante o processamento, adquirem a forma do objeto desejado.</p><p>Frequentemente a secagem da massa de pó cerâmico na forma de pasta é realizada por</p><p>aspersão térmica, na qual há injeção da suspensão na forma de aerossol em uma câmara</p><p>aquecida (ASKELAND; PHULÉ, 2008).</p><p>Figura 14 – Técnicas de processamento de cerâmicas avançadas</p><p>Fonte: Adaptada de ASKELAND; PHULÉ, 2008</p><p>21</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>Prensagem e Sinterização</p><p>A forma de processamento dos materiais está diretamente ligada à demanda produ-</p><p>tiva e ao custo dos processos produtivos. Uma forma econômica de se obter milhares</p><p>de peças cerâmicas relativamente pequenas, menores que 150 mm, com geometria</p><p>simples, é por prensagem e sinterização. Várias cerâmicas para fins eletrônicos e mag-</p><p>néticos são fabricadas por essa técnica.</p><p>A prensagem de pós é o análogo cerâmico da metalurgia do pó. Trata-se de uma massa</p><p>pulverizada contendo uma pequena quantidade de água ou aglutinante compactada na</p><p>forma desejada pela aplicação</p><p>de pressão. O grau de compactação é maximizado e a</p><p>fração de vazios é minimizada com o emprego de partículas maiores misturadas com</p><p>menores em proporções adequadas. (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016)</p><p>Aglutinante: uma das funções do aglutinante é a de lubrificar as partículas pulverizadas</p><p>conforme elas se movem umas em relação às outras durante a compactação.</p><p>A operação de prensagem compreende três etapas, preenchimento da cavidade do</p><p>molde, compactação da massa e extração da peça (ALBERO, 2000). A Figura 12 apre-</p><p>senta duas grandes modalidades de prensagem:</p><p>• Prensagem uniaxial (Figura 13): A compactação do pó acontece em matriz rígida,</p><p>por aplicação de pressão na direção axial por meio de punções rígidos. Utilizada</p><p>para conformação de peças que não apresentem relevos superficiais na direção de</p><p>prensagem. Para peças com grandes espessuras e geometrias complexas faz-se</p><p>necessário a prensagem em duas direções (dupla ação) ou então que se empregue</p><p>um molde complexo com múltiplos punções;</p><p>Figura 15 – Representação esquemática das etapas da prensagem uniaxial de pós</p><p>Fonte: CALLISTER JR; RETHWISCH, 2016</p><p>• Prensagem isostática: A compactação do pó ocorre no interior de um molde fle-</p><p>xível, sobre o qual atua um fluido pressurizado (Quadro 1). Esse processo assegura</p><p>uma distribuição homogênea da pressão sobre a superfície do molde. É empregada</p><p>na fabricação de peças de formas complexas, que apresentem relevos em duas ou</p><p>22</p><p>23</p><p>mais direções, ou em peças em que uma das dimensões é muito maior que as de-</p><p>mais, como no caso de tubos e barras.</p><p>Figura 16 – Prensagem isostática</p><p>Fonte: Adaptada de ALBERO, 2000</p><p>Tanto para o procedimento uniaxial quanto para o isostático, uma operação de co-</p><p>zimento é necessária após a operação de prensagem. Durante o cozimento, a peça</p><p>conformada se contrai e apresenta uma redução de porosidade, juntamente com uma</p><p>melhoria em sua integridade mecânica. Essas alterações ocorrem pela coalescência das</p><p>partículas do pó em uma massa mais densa, em um processo denominado sinterização</p><p>(Figura 14) (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016) .</p><p>Figura 17 – Coalescência entre duas esferas</p><p>Fonte: CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016</p><p>a) Partículas do pó se tocam após a prensagem;</p><p>b) Coalescência das partículas e formação dos poros conforme o início da sinterização;</p><p>c) Redução dos poros conforme a sinterização avança.</p><p>23</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>Colagem em Fita e Colagem de Barbotina</p><p>A colagem em fita é uma técnica empregada na produção de filmes finos de cerâmica</p><p>de 3 a 100 μm. Esse filme ganha resistência mecânica devido à sinterização. Muitos cir-</p><p>cuitos microeletrônicos utilizam substratos de alumina. Capacitores de titanato de bário</p><p>também são feitos por colagem de filmes. Trata-se de uma técnica utilizada para forma-</p><p>tos simples, fitas ou placas, com espessuras muito baixas, sem muita produtividade e</p><p>investimento em equipamento relativamente alto (ASKELAND; PHULÉ, 2008).</p><p>O processo de colagem de barbotina permite a execução de peças complexas, assim</p><p>como o processo de injeção, porém o seu investimento é muito menor. Trata-se de um</p><p>processo ideal para formatos complexos, de qualquer espessura, produtividade baixa e</p><p>investimento relativamente pequeno.</p><p>A colagem de barbotina (Figura 15) utiliza pó cerâmico com consistência de uma</p><p>pasta aquosa (barbotina) depositada em um molde de gesso (A). À medida que a água</p><p>da suspensão sai por capilaridade, uma massa espessa se forma nas paredes do molde</p><p>(B). Quando esta adquire a espessura desejada, o restante da pasta é vazado formando</p><p>a cerâmica verde (C). A cerâmica verde é então seca e, em seguida, sinterizada em alta</p><p>temperatura (D) (ASKELAND; PHULÉ, 2008).</p><p>Figura 18 – Processo de colagem de barbotina</p><p>Fonte: ASKELAND; PHULÉ, 2008</p><p>Moldagem por Extrusão e Injeção</p><p>A moldagem por extrusão é uma técnica utilizada para a produção de tubos para</p><p>resistências elétricas de fornos, tijolos, azulejos e isolantes. A extrusão é ideal para a</p><p>produção de peças que possuem um perfil, uma seção transversal, que é projetada ao</p><p>longo da direção de extrusão. O equipamento de extrusão possui algumas zonas carac-</p><p>terísticas para obtenção do compacto verde:</p><p>24</p><p>25</p><p>• Misturador: Com função de misturar e umedecer as matérias primas para que fi-</p><p>quem nas condições ideais de plasticidade;</p><p>• Câmera de vácuo: Para extração da maior quantidade possível de ar. Bolhas de ar</p><p>ficam aprisionadas dentro da massa plástica, que possui uma quantidade elevada de</p><p>líquidos aprisionados dentro dela, dificultando a saída das bolhas entre as partículas;</p><p>• Rosca de extrusão: Para transporte da massa para o perfil da extrusora. Com o</p><p>avanço da massa, a câmara da extrusora vai reduzindo a sua seção. Nesse estreita-</p><p>mento, para que o fluxo de material se mantenha, a velocidade na ponta da rosca</p><p>deve ser maior. Quanto menor o diâmetro interno, maior a velocidade. Essa situ-</p><p>ação submete a massa a um esforço de cisalhamento que é o esforço que leva ao</p><p>rearranjo das partículas até chegarem ao formato do bocal.</p><p>Para que todo esse processo ocorra, a massa deve possuir uma certa plasticidade,</p><p>sendo a plasticidade a capacidade do material de se deformar quando submetido a um</p><p>esforço e de não recuperar o formato quando este for retirado. A plasticidade da massa</p><p>possui relação direta com a umidade presente nela. Uma baixa taxa de umidade não</p><p>fornece a plasticidade, enquanto uma taxa elevada conduz à facilidade de deformação</p><p>após a extrusão. O Ideal é a utilização de umidades intermediárias e previamente deter-</p><p>minadas para a mistura.</p><p>O processo de injeção permite a produção de peças com formatos complexos. A injetora</p><p>possui um pistão que empurra a massa para o bico de injeção para adentrar o molde, que,</p><p>por sua vez, tem uma cavidade que será preenchida. Após o preenchimento, interrompe-se</p><p>o movimento do pistão, abre-se o molde e retira-se a peça. Processo semelhante ao uti-</p><p>lizado para materiais poliméricos.</p><p>O design dos moldes de injeção precisa contemplar, de maneira satisfatória, o pro-</p><p>cesso de preenchimento da cavidade do molde. A escolha errada no posicionamento</p><p>do ponto de injeção determina a característica da microestrutura verde, causando um</p><p>preenchimento não uniforme (heterogeneidade).</p><p>Para que a massa possa preencher o molde, o comportamento plástico da massa</p><p>deve ser alto, sendo necessária uma quantidade muito grande de ligantes para conferir</p><p>o comportamento plástico. A remoção dos ligantes torna-se umas das etapas críticas</p><p>do processo.</p><p>Exercício 3</p><p>Partículas de carbeto e silício são compactadas e sinterizadas em alta temperatura</p><p>para produzir uma peça cerâmica mecanicamente resistente. A massa específica do</p><p>SiC é 3,20 g/cm³. Posteriormente, a massa da peça cerâmica é determinada quando</p><p>seca – Wd = 360g, após estar saturada de água – Ww = 385 g e quando saturada em</p><p>água – Ws = 224g. Determine a porosidade aparente, a porosidade verdadeira e ainda</p><p>a fração volumétrica de poros fechados.</p><p>Resolução</p><p>A porosidade aparente é uma medida da quantidade de poros interconectados e</p><p>determina a permeabilidade da peça cerâmica. A porosidade aparente é calculada por:</p><p>25</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>385 360</p><p>*100 *100 15,5%</p><p>385 224</p><p>w d</p><p>ap</p><p>w s</p><p>w wP</p><p>w w</p><p>� �</p><p>� � �</p><p>� �</p><p>A massa específica aparente (B) é a massa da cerâmica dividida pelo volume:</p><p>360 2, 24</p><p>385 224</p><p>d</p><p>w s</p><p>WB</p><p>W W</p><p>� � �</p><p>� �</p><p>A porosidade verdadeira Pv inclui os poros interconectados e fechados:</p><p>3,2 2,24</p><p>*100 *100 30%</p><p>3,2</p><p>v</p><p>BP �</p><p>�</p><p>� �</p><p>� � �</p><p>A porosidade devida aos poros fechados é a porosidade verdadeira menos a aparente,</p><p>ou seja, 30 – 15,5 = 14,5 %. Assim, a fração de poros fechados em relação ao total de</p><p>poros é igual a 14,5/30 = 0,483.</p><p>Processo de Extrusão TupiGuarani. Disponível em: https://youtu.be/JW0iE90xX3o</p><p>Como é feita uma privada #Boravê Manual do Mundo.</p><p>Disponível em: https://youtu.be/X4SvstybSPk</p><p>Aplicações das Cerâmicas</p><p>As cerâmicas são utilizadas em muitos componentes tecnológicos, como refratários,</p><p>velas de ignição, dielétricos de capacitores, sensores,</p><p>abrasivos, meios magnéticos de grava-</p><p>ção etc. O ônibus espacial, por exemplo, emprega cerca de 25.000 pastilhas de cerâmicas</p><p>produzidas de sílica pura e coloidal, revestidas por um vidro borossilicato, com a função de</p><p>proteger a estrutura de alumínio contra o calor gerado na reentrada na atmosfera terrestre.</p><p>No nosso corpo humano, por exemplo, há uma incrível habilidade de produzir hidroxia-</p><p>patita, que é uma cerâmica encontrada nos ossos e dentes (ASKELAND; PHULÉ, 2008).</p><p>No Quadro 2, estão descritas algumas aplicações para os materiais cerâmicos</p><p>mais utilizados.</p><p>Quadro 2 – Aplicações cerâmicas</p><p>Alumina (Al2O3)</p><p>• Altas temperaturas: refratários de fornos fusão de metais;</p><p>• Substratos de baixa constante dielétrica em circuitos eletrôni-</p><p>cos de silício semicondutor;</p><p>• Isolamento de velas de ignição.</p><p>26</p><p>27</p><p>Diamante (C)</p><p>• Material mais duro que existe, utilizado em pontas de brocas;</p><p>• Abrasivos para desbaste e polimento;</p><p>• Ferramentas de corte;</p><p>• Joias.</p><p>Sílica (SiO2)</p><p>• Base de vidros e vidro-cerâmicas;</p><p>• Isolamentos térmicos : refratários – abrasivos;</p><p>• Fibra ótica para comunicação;</p><p>• Pigmentos de tintas.</p><p>Carbetos de silício (SiC)</p><p>Nitreto de Silício (Si3N4)</p><p>• Resistente à oxidação mesmo a altas temperaturas;</p><p>• Recobrimento de metais com filmes finos;</p><p>• Abrasivos de esmeril;</p><p>• Resistência elétrica de fornos;</p><p>• Circuitos eletrônicos de alta temperatura.</p><p>Dióxido de titânio (TiO2)</p><p>• Cerâmicas eletrônicas;</p><p>• Vidro-cerâmicas;</p><p>• Nanopartículas em protetores solares.</p><p>Zircônia (ZrO2)</p><p>• Pilhas combustíveis de carros elétricos;</p><p>• Fabricação de joias.</p><p>Fonte: Adaptado de ASKELAND; PHULÉ, 2008</p><p>Em Síntese</p><p>Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos e não metálicos, sendo a maioria das</p><p>cerâmicas formadas por elementos metálicos e não metálicos, com predominância de</p><p>ligações iônicas, mas com alguma natureza covalente. Antigamente, os materiais mais</p><p>importantes nessa categoria eram denominados cerâmicas tradicionais, tendo como</p><p>matéria-prima principal a argila, gerando produtos como: porcelanas de louças, tijolos,</p><p>telhas e cerâmicas de alta temperatura.</p><p>Recentemente, com o avanço das tecnologias e da capacidade de processamento, o termo</p><p>cerâmica tomou um novo significado, mais amplo, causando um efeito considerável sobre</p><p>nossas vidas, como na indústria dos componentes eletrônicos, computadores, comunica-</p><p>ção, setor aeroespacial e outras vastas aplicações que transformaram toda a sociedade.</p><p>Massa específica experimental do cloreto de sódio é igual a 2,16 g/cm³ .</p><p>27</p><p>UNIDADE Cerâmicas</p><p>Material Complementar</p><p>Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade:</p><p>Livros</p><p>A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação industrial. Parte II</p><p>ALBERO, J. L. A. A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação</p><p>industrial. Parte II: A compactação. Instituto de Tecnologia Cerâmica, Universitad de</p><p>Valência. 2000.</p><p>A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação industrial. Parte III</p><p>ALBERO, J. L. A. A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação in-</p><p>dustrial. Parte III: Variáveis do processo de compactação. Instituto de Tecnologia Cerâmica,</p><p>Universitad de Valência. 2000.</p><p>A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação industrial. Parte IV</p><p>ALBERO, J. L. A. A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação in-</p><p>dustrial. Parte IV: Extração da peça e resistência mecânica a verde. Instituto de Tecnologia</p><p>Cerâmica, Universitad de Valência. 2000.</p><p>A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação industrial. Parte V</p><p>ALBERO, J. L. A. A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação</p><p>industrial. Parte V: Descrição da etapa de prensagem. Instituto de Tecnologia Cerâmica,</p><p>Universitad de Valência. 2000.</p><p>28</p><p>29</p><p>Referências</p><p>ALBERO, J. L. A. A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação</p><p>industrial. Parte I: O preenchimento das cavidades do molde. Instituto de Tecnologia</p><p>Cerâmica, Universitad de Valência. 2000.</p><p>ASKELAND, D. R.; PHULÉ, P. P. Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo:</p><p>Cengage Learning, 2012.</p><p>CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais –</p><p>Uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC. 2016.</p><p>CERAMICS. Classification of ceramics. Disponível em: <http://fis.uc.pt/data/20062007/</p><p>apontamentos/apnt_005_0.pdf>. Acesso em: 09/04/2021 .</p><p>GOMES, L. S.; FURTADO, A. C. R.; SOUZA. M. C. A sílica e suas particularidades.</p><p>Rev. Virtual Quim., v. 10, n. 4, 2018.</p><p>NEWELL, J. Fundamentos da moderna engenharia e ciência dos materiais. James</p><p>Newell: tradução e revisão técnica José Roberto Moraes d’Almeida. – Rio de Janeiro:</p><p>LTC, 2010.</p><p>29</p>