Cerâmicas Refratárias: Estrutura e Propriedades

Prévia do material em texto

Disciplina: Estrutura e Propriedades dos Sólidos
Cerâmicas Refratárias
Aluno(a):Ana Maria Sanches dos Santos, RA:758874
Aluno (a): Sérgio Couto, RA:758914
Aluno(a):Silvana Christina Silva Cardoso, RA:758915
Professor: José Antônio Eiras
São Carlos
2023
Conteúdo
1 Introdução 1
2 Fundamentos Teóricos 2
2.1 Estrutura cristalina de cerâmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Cerâmicas refratárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Propriedades Térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.1 Expansão Térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.2 Condutividade Térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.3 Resistência ao Choque Térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.4 Śılica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Processamento 8
3.1 Técnicas de Conformação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Sinterização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Aerogel de Śılica para Isolamento Térmico de Edif́ıcios 10
4.1 Aerogéis de Śılica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2 Śıntese do aerogel de Śılica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2.1 Preparação do gel de śılica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2.2 Envelhecimento e lavagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.3 Secagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 Conclusão 17
1
Resumo
As cerâmicas refratárias são um tipo espećıfico de material cerâmico projetado para resistir a
temperaturas extremamente elevadas sem sofrer deformação, fusão ou degradação significativa,
devido à sua baixa expansão térmica, alta resistência ao choque térmico, baixa condutividade
térmica e por se manterem inertes em ambientes severos. Os tipos de cerâmicas refratárias podem
variar em composição e estrutura, dependendo das necessidades espećıficas da aplicação e estão
presentes em diversas áreas e etapas industriais, assim como no dia-a-dia da população. Neste
trabalho busca-se compreender a estrutura cristalina destes materiais, em destaque da śılica, e
suas propriedades térmicas que a diferem do restante dos materiais cerâmicos. São destacadas as
diversas técnicas de conformação e sinterização utilizados no processamento de materiais cerâmicos
refratários e por fim, é discutida a aplicação de aerogel de śılica como componente no isolamento
térmico de edif́ıcios devido a sua utilização como forma sustentável para a redução de gasto
energético nesse setor e seus processos de śıntese .
1 Introdução
Cerâmicas são materiais sólidos inorgânicos, não metálicos e que são sujeitos à altas temperaturas
durante sua fabricação ou utilização. As cerâmicas são conhecidas pela sua alta resistência à
compressão e dureza bem como por suas propriedades elétricas, térmicas e qúımicas espećıficas,
como baixa condutividade, resistência à altas temperaturas, estabilidade qúımica e baixa densidade.
Apesar de sua alta resistência à compressão, os materiais cerâmicos são muitas vezes frágeis e
podem quebrar sob tensões de tração. [1]
Já o termo refratário é atribúıdo à materiais capazes de suportar altas temperaturas sem perder
suas propriedades f́ısico-qúımicas, como a resistência e condutividade térmica e elétrica, e mantendo
sua composição. Eles aguentam choques térmicos sem apresentar rachaduras e conseguem manter o
calor durante o tempo necessário para a produção de objetos. Portanto, as cerâmicas refratárias
são um tipo espećıfico de material cerâmico projetado para resistir a temperaturas extremamente
elevadas sem sofrer deformação, fusão ou degradação significativa. Elas se diferem das cerâmicas
comuns, principalmente, por suportarem temperaturas muito altas, acima de 1.500 °C, sem se
deformarem ou perderem suas propriedades estruturais, devido à sua baixa expansão térmica e
resistência ao choque térmico, possúırem baixa condutividade térmica e por se manterem inertes
em ambientes severos.[2]
Os tipos de cerâmicas refratárias podem variar em composição e estrutura, dependendo das
necessidades espećıficas da aplicação. Alguns exemplos comuns de cerâmicas refratárias incluem
óxido de alumı́nio (alumina), śılica, carbeto de siĺıcio, zircônia e muitos outros materiais compostos.
A escolha do tipo de cerâmica refratária a ser utilizada depende das condições de operação, das
temperaturas envolvidas e dos requisitos de resistência térmica da aplicação espećıfica. Usualmente
são encontrados em fornos industriais, de laboratórios de pesquisa e ensino, caldeiras, fornos
domésticos e churrasqueiras (tijolo refratário), entre outras aplicações.[1]
As cerâmicas refratárias podem ser classificados em Cerâmicas Refratárias Avançadas, materiais
especialmente projetados e fabricados para oferecer propriedades superiores de resistência térmica,
resistência qúımica e resistência ao desgaste em aplicações que envolvem altas temperaturas e
condições extremas. E em Cerâmicas Refratárias Estruturais, materiais cerâmicos projetados para
serem usados em aplicações que requerem tanto alta resistência térmica quanto capacidade de
suportar cargas mecânicas. Os refratários estruturais, por sua vez, são classificados em: conformados
e monoĺıticos. [2]
Exemplos de cerâmicas avançadas incluem óxido de alumı́nio (alumina), carbeto de siĺıcio,
zircônia, carboneto de tungstênio e produtos à base de śılica, entre outros. Esses materiais são
utilizados em uma variedade de indústrias, incluindo aeroespacial, eletrônica, metalurgia, saúde,
automobilismo e muitas outras, onde o desempenho superior e a resistência a condições extremas
são essenciais.
As cerâmicas refratárias estruturais conformadas referem-se a materiais cerâmicos refratários
que foram processados e moldados em formas espećıficas antes de serem usados em aplicações
industriais. Essas cerâmicas são projetadas para suportar condições extremas de temperatura e
cargas mecânicas, sendo moldadas em peças pré-determinadas para atender às necessidades de
aplicações espećıficas, um dos principais exemplos é o tijolo. Já as cerâmicas refratárias monoĺıticas
são produzidas tanto na forma de agregados secos como no estado úmido e aplicadas diretamente na
superf́ıcie de equipamentos ou estruturas, onde posteriormente endurecem e formam uma camada
única e cont́ınua, alguns exemplos são o concreto e a argamassa.[2]
Portanto, as cerâmicas refratárias estão presentes em diversas áreas e etapas industriais,
assim como no dia-a-dia da população já que desempenham papéis na construção civil - tijolos,
1
telhas e revestimentos, no setor automobiĺıstico - onde são usadas em motores e sistemas de
freio e embreagem, na indústria petroqúımica - essenciais na fabricação de componentes de alta
performance, na eletrônica - onde participam da fabricação de capacitores, semicondutores e
sensores, e na indústria metalúrgica - em que são indispensáveis em processos como a fundição e a
metalurgia do ferro e do aço.
2 Fundamentos Teóricos
2.1 Estrutura cristalina de cerâmicas
As cerâmicas são materiais inorgânicos não-metálicos cuja maioria é formada pela combinação de
elementos metálicos e não-metálicos em proporções bem definidas, exemplos disso são os materiais
à base de silicatos e sais ”tradicionais”(como o NaCl). As ligações interatômicas variam desde
a puramente iônica até a totalmente covalente, porém a maioria dos compostos possui ligações
intermediárias, com contribuições iônicase covalentes. A Tabela 1 apresenta a porcentagem iônica
de algumas cerâmicas [3].
Material Porcentagem da Natureza Iônica
CaF2 89
MgO 73
NaCl 67
SiO2 51
SiC 12
Tabela 1: Porcentagem da natureza iônica de diferentes materiais cerâmicos. Fonte: Adaptado de
[3].
Como citado anteriormente, os materiais cerâmicos são predominantemente caracterizados como
materiais de elevada dureza, fragilidade e resistência a temperaturas elevadas. Essas propriedades
derivam da natureza de suas ligações e arranjos atômicos. Além disso, um material cerâmico pode
ser composto por um alto número de átomos de diferentes elementos, o que aumenta a complexidade
de sua estrutura [3].
Em uma cerâmica com caráter iônico elevado, os metais adquirem cargas verdadeiras positivas,
tornando-se cátions; e os não-metais adquirem cargas negativas, tornando-se ânions. Duas pro-
priedades dos ı́ons interferem na estrutura cerâmica: a magnitude da carga e a diferença entre os
raios dos cátions e ânions. Como os cristais devem ser eletricamente neutros, as proporções entre
os cátions e ânions devem garantir a sua neutralidade. Portanto, a eletronegatividade dos átomos
envolvidos é o fator determinante na parcela de cada tipo de ligação [3].
Para uma estrutura ser estável, os raios dos cátions e ânions devem ser tais que os átomos
dos ânions estejam em contato com os átomos dos cátions para que ocorra a ligação iônica. A
Figura 1 apresenta configurações estáveis e instáveis de cátions(azul) e ânions(laranja). Isso porque
os sólidos iônicos exibem tendência a formar estruturas altamente compactas, de modo que o limite
de tal compactação é dado pela relação entre raios iônicos e pelo balanço eletrostático dos ı́ons
envolvidos [3, 4].
O número de coordenação(NC) descreve o número de átomos, ı́ons ou moléculas vizinhas que
estão diretamente ligados a um átomo central em uma estrutura cristalina. Nesse contexto, ele
2
Figura 1: Configurações estáveis e instáveis de associações ânion-cátion. Cátions são representados
em azul, e os ânions em laranja.Fonte: [4]
impacta a razão entre os raios cátion-ânion para que uma estrutura cerâmica seja estável. A
Figura 2 apresenta geometrias correspondentes a diferentes números de coordenação e razões entre
os raios cátion-ânion [3].
Na maioria dos materiais cerâmicos, a estrutura é resultado da quantidade relativa de ligações
iônicas e covalentes presentes. As estruturas de materiais cerâmicos são dividas em tipo AX,
AmXp e AmBnXp. Na estrutura AX com número de coordenação igual a 8, o NC é o mesmo
para cátions e ânions. A estrutura cristalina desses compostos remete a uma estrutura de cubo de
corpo centrado(CCC), porém, ela não pode ser classificada como tal, pois o átomo central é de um
elemento diferente dos átomos nos vértices e no caso de um CCC, o átomo é do mesmo elemento.
Uma estrutura do tipo AX com NC = 6 também é igual para cátions e ânions. Tal estrutura é
gerada a partir de uma célula CFC para o ânion, onde o cátion fica localizado no centro do cubo e
nas arestas(entre os ânions). Exemplos de compostos que seguem tal estrutura são NaCl, MgO,
MnS, LiF e FeO [4, 3].
Outro caso de estrutura do tipo AX ocorre com NC = 4 para cátions e ânions. Esse é o caso
das esfarelitas, compostos que apresentam geometria tetraédrica, com a maioria das ligações de
caráter covalente. Exemplos de disso são ZnS, ZnTe e SiC [4, 3].
Estruturas cristalinas do tipo AmXp ocorrem quando as cargas dos ı́ons são diferentes. Nesses
casos, o NC e o tipo de estrutura irão depender da diferença entre os raios dos ı́ons e irão
variar conforme os ı́ons. Exemplos de compostos são Li2O, Na2O e K2O, onde as estruturas são
semelhantes, mas as posições de cátions e ânions podem estar invertidas [4, 3].
A estrutura AmBnXp ocorre quando há dois tipos diferentes de cátions. Nesses casos, tanto o
NC e o tipo de estrutura irão depender da diferença entre os raios dos ı́ons, também irão variar
conforme os ı́ons e suas cargas. O BaTiO3 é um exemplo desse tipo de composto [4, 3].
Os sólidos iônicos exibem tendência a formar estruturas altamente compactas, semelhantes às
estruturas compactas de metais, contendo śıtios tetraédricos e octaédricos. Os ânions normalmente
compõem a estrutura base, pois costumam ser maiores, de modo que os cátions se acomodam de
forma intersticial, o que origina as diferentes estruturas citadas acima [4, 3].
3
Figura 2: Número de coordenação e geometrias para várias razões entre raios cátion-ânion.[4]
2.2 Cerâmicas refratárias
Como mencionado anteriormente, as cerâmicas refratárias são notáveis devido às suas carac-
teŕısticas de grande relevância comercial. Elas se destacam por sua capacidade de resistir a altas
temperaturas sem derreter ou se decompor, e por permanecerem inertes e não reativas quando
expostas a ambientes extremos. Além disso, a capacidade de fornecer isolamento térmico é uma de
suas principais caracteŕısticas atrativas. Aplicações t́ıpicas incluem o revestimento de fornos para
refino de metais, fabricação de vidro, tratamento térmico metalúrgico e geração de energia [4].
Diferentemente das cerâmicas tradicionais, as cerâmicas refratárias possuem maior teor de
óxidos metálicos em sua composição, como óxido de alumı́nio (alumina), carbeto de siĺıcio, óxido de
zircônio e outros, e menos elementos não metálicos, como siĺıcio. O desempenho de uma cerâmica
refratária é largamente influenciado por sua composição, que serve como base para sua classificação
em categorias como argila refratária, śılica, básica e refratários especiais. As composições para
vários refratários comerciais estão listadas na Tabela 2 [4].
4
Em muitos materiais comerciais, as matérias-primas consistem em part́ıculas grandes e finas,
frequentemente com diferentes composições. Durante o processo de queima, as part́ıculas finas
normalmente desempenham um papel na formação de uma fase de ligação, que é responsável pelo
aumento da resistência do material e pode ter uma natureza predominantemente v́ıtrea ou cristalina.
É importante notar que a temperatura de operação é geralmente inferior àquela a que o material
refratário foi submetido durante a sua produção.[4]
As estruturas cristalinas altamente organizadas das cerâmicas refratárias, com átomos dispostos
em uma rede regular e repetitiva, garantem à elas uma estabilidade estrutural significativa em altas
temperaturas. Dentre as posśıveis estruturas cristalinas apresentadas por elas, as mais comuns
são as estruturas cúbicas, hexagonais e tetragonais. Além disso, o espaçamento entre os átomos
e a disposição das ligações qúımicas em suas estruturas cristalinas são projetados para resistir a
mudanças estruturais significativas em temperaturas elevadas, o que também garante sua adequação
para aplicações de alta temperatura [4].
Outro diferencial dessas cerâmicas em relação às tradicionais é que suas ligações qúımicas
geralmente consistem em ligações covalentes fortes, onde os átomos compartilham elétrons de forma
mais igualitária. Essas ligações covalentes resultam em uma forte força de ligação, além de serem
mais direcionais do que as ligações iônicas ou metálicas, conferindo maior rigidez e resistência
mecânica às cerâmicas refratárias. Além de contribúırem para a inércia qúımica das cerâmicas
refratárias, tornando-as resistentes a ataques qúımicos em ambientes corrosivos. Algumas das
cerâmicas refratárias podem conter ligações iônicas ou metálicas em diferentes graus, dependendo da
composição. No entanto, as ligações covalentes tendem a predominar, especialmente em cerâmicas
refratárias com alto teor de óxido de alumı́nio (alumina) e carbeto de siĺıcio [4].
Um aspecto cŕıtico na fabricação de uma peça refratária é o controle da porosidade. A reduçãoda porosidade contribui para caracteŕısticas mecânicas superiores, como a capacidade de suportar
cargas e a resistência à corrosão por materiais agressivos. Entretanto, a diminuição da porosidade
também resulta em uma redução das propriedades de isolamento térmico e da resistência a choques
térmicos. Portanto, a porosidade ideal varia conforme a aplicação espećıfica para a qual a peça é
destinada. As cerâmicas refratárias são geralmente densas, com uma porosidade controlada, para
serem mais adequadas para resistir a condições de alta temperatura.[4]
Composição (%p)
Categorias Al2O3 SiO2 MgO Cr2O3 Fe2O3 CaO TiO2 Porosidade
Argila refratária 25− 45 70− 50 0− 1 0− 1 0− 1 1− 2 10− 25
Argila refratária
com alto teor de
alumina
90− 50 10− 45 0− 1 0− 1 0− 1 1− 4 18− 25
Śılica 0.2 96.3 0.6 2.2 25
Periclásio 1.0 3.0 90.0 0.3 3.0 2.5 22
Minério de pe-
riclásio-cromo
9.0 5.0 73.0 8.2 2.0 2.25 21
Tabela 2: Composição de materiais cerâmicos refratários comumente usadas.
Os refratários especiais são materiais cerâmicos usados em aplicações muito espećıficas. Exemplos
desses compostos são óxidos com pureza elevada, nos quais alguns possuem baixa porosidade. A
alumina, śılica, magnésio, beŕılia(BeO), zircônia(ZrO2) e mulita (3Al2O3 − 2SiO2 são espécimes
desse grupo. O carbeto de siĺıcio (SiC) tem sido usado em elementos de aquecimento por resistência
5
elétrica, também como cadinhos, e em componentes internos de fornos. Outra aplicação convencional
dele é como absorvedor em usinas de energia solar térmica.[4]
2.3 Propriedades Térmicas
Entre as propriedades cerâmicas, destacam-se aquelas que diferenciam as cerâmicas refratárias
das tradicionais a seguir.
2.3.1 Expansão Térmica
A maioria dos materiais sólidos expande-se com o aquecimento e contrai-se quando resfriados.
A mudança no comprimento com a temperatura para um material sólido pode ser expressa da
seguinte forma:
∆l
l0
= αl∆T (1)
Onde l0 representa o comprimento inicial, ∆l a mudança no comprimento e ∆T a mudança de
temperatura. O parâmetro αl é chamado de coeficiente linear de expansão térmica e é uma
propriedade do material que indica até que ponto um material se expande com o aquecimento e
tem unidades de temperatura rećıproca (°C−1).
Como mencionado anteriormente, as cerâmicas possuem forças de ligação interatômicas relativa-
mente fortes, o que é refletido em coeficientes de expansão térmica comparativamente baixos, entre
0.5× 10−6 e 15× 10−6°C−1[4]
Os materiais cerâmicos que são submetidos a mudanças de temperatura, como as cerâmicas
refratárias, devem ter coeficientes de expansão térmica relativamente baixos e, além disso, isotrópicos.
Caso contrário, estes materiais podem sofrer fratura como consequência de mudanças dimensionais
não uniformes no que é denominado choque térmico.[4]
2.3.2 Condutividade Térmica
As cerâmicas, como materiais não metálicos, são isolantes térmicos pois carecem de um grande
número de elétrons livres. Dessa forma, a condução térmica é realizada pelos fônons. Como os
fônons são espalhados com muito eficiência pelas imperfeições da rede, eles acabam não sendo tão
eficazes quanto os elétrons livres no transporte de energia térmica.[4]
Os valores de condutividade térmica para vários materiais cerâmicos estão contidos na Tabela
19.1, e à temperatura ambiente variam entre aproximadamente 2 e 50 W/m−K. [4]
A dispersão das vibrações da rede torna-se mais pronunciada com o aumento da temperatura,
portanto, a condutividade térmica da maioria dos materiais cerâmicos normalmente diminui com
o aumento da temperatura. Como a Figura 3 indica, a condutividade começa a aumentar em
temperaturas mais altas, o que é devido à transferência de calor radiante: quantidades significativas
do calor radiante infravermelho pode ser transportado através de um material cerâmico transparente.
A eficiência deste processo aumenta com a temperatura.[4]
Além disso, a porosidade em materiais cerâmicos pode ter uma influência dramática na conduti-
vidade térmica; aumentar o volume dos poros resulta, em geral, numa redução da condutividade
térmica, por conta disso, as cerâmicas refratárias são, em sua maioria, bastante porosas. Afinal,
a transferência de calor através dos poros é normalmente lenta e ineficiente. Os poros internos
normalmente contêm ar parado, que tem uma condutividade térmica extremamente baixa, aproxima-
damente 0,02 W/m-K. Além disso, a convecção gasosa dentro dos poros também é comparativamente
ineficaz. [4]
6
Figura 3: Dependência da condutividade térmica da temperatura para diversos materiais cerâmicos
2.3.3 Resistência ao Choque Térmico
As tensões térmicas são tensões induzidas em um corpo como resultado de mudanças na
temperatura, que podem levar à fratura ou à deformação plástica indesejável.
Quando um corpo sólido é aquecido ou resfriado, a distribuição da temperatura interna dependerá
de seu tamanho e forma, da condutividade térmica do material e da taxa de mudança de temperatura.
As tensões térmicas podem ser estabelecidas como resultado de gradientes de temperatura através
de um corpo, que são frequentemente causados por rápido aquecimento ou arrefecimento, em que o
exterior muda a temperatura mais rapidamente do que o interior. Por exemplo, após aquecimento,
o exterior de uma amostra fica mais quente e, portanto, terá se expandido mais do que as regiões
internas. Consequentemente, as tensões superficiais de compressão são induzidas e equilibradas
pelas tensões internas de tração. As condições de tensão interior-exterior são invertidas para um
resfriamento rápido, de modo que a superf́ıcie seja colocada em um estado de tensão. [4]
A não ductilidade da maioria das cerâmicas aumenta a possibilidade de fratura devido a essas
tensões. O resfriamento rápido de um corpo frágil tem maior probabilidade de infligir tal choque
térmico do que o aquecimento, uma vez que as tensões superficiais induzidas são de tração. A
formação e propagação de fissuras a partir de falhas superficiais são mais prováveis quando uma
tensão imposta é de tração.
A capacidade de um material resistir a este tipo de falha é denominada resistência ao choque
térmico. Para um corpo cerâmico que é resfriado rapidamente, a resistência ao choque térmico
depende não apenas da magnitude da mudança de temperatura, mas também das propriedades
mecânicas e térmicas do material. A resistência ao choque térmico é melhor para cerâmicas que
possuem alta resistência à fratura σf e altas condutividades térmicas, bem como baixos módulos de
elasticidade e baixos coeficientes de expansão térmica. A resistência de muitos materiais a este tipo
de falha pode ser aproximada por um parâmetro de resistência ao choque térmico TSR.[4]
7
TSR =
σfk
Eαl
(2)
Muitas vezes é necessário remover tensões térmicas em materiais cerâmicos como forma de
melhorar suas resistências mecânicas e caracteŕısticas ópticas. Isto pode ser conseguido por um
tratamento térmico de recozimento ou sinterização.
2.3.4 Śılica
A śılica(SiO2) é um dos compostos qúımicos mais abundantes na crosta terrestre e desempenha
um papel crucial na composição de diversos materiais, incluindo cerâmicas, pois forma uma estrutura
cristalina extremamente estável. Os principais tipos de cristais de śılica incluem o quartzo, a
tridimita e a cristobalita. Essas estruturas cristalinas consistem em tetraedros de SiO4 que se
organizam em padrões tridimensionais altamente ordenados. Essa organização estrutural confere à
śılica estabilidade e resistência.
Figura 4: Estrutura da célula unitária de uma cristobalita, polimorfo da SiO2 [4]
Os átomos de siĺıcio e oxigênio na estrutura da śılica estão ligados por fortes ligações covalentes,
como tais ligações requerem quantidades significativas de energia para serem quebradas, elascontribuem para a sua resistência qúımica e térmica. Resultado disso é a śılica ter uma alta
temperatura de fusão, de modo a suportar temperaturas extremamente elevadas sem derreter ou
se deformar, ela se torna essencial em cerâmicas usadas em aplicações de alta temperatura, como
cerâmicas refratárias. Nesse contexto, outra caracteŕıstica importante que ela confere às cerâmicas
é a de isolamento térmico (que será explorada melhor durante a Seção 4). A baixa condutividade
térmica e elétrica também são favorecidas pela disposição ordenada dos tetraedros de śılica na
estrutura cristalina, o que torna uniforme a distribuição de cargas elétricas na rede.
3 Processamento
O processamento de materiais cerâmicos envolve várias etapas, sendo elas: a moagem da matéria-
prima selecionada, para garantir uma distribuição uniforme dos componentes e para melhorar a
homogeneidade do material; a mistura do material móıdo, garantindo uma composição uniforme; a
conformação do material, que pode ser feita através de diversas técnicas dependendo da aplicação
final; a secagem do material cerâmico conformado para que a umidade seja removida do produto; a
8
sinterização; as vezes, são realizados tratamentos térmicos adicionais para alcançar propriedades
espećıficas; e por fim, a usinagem e o acabamento para obtenção da forma final desejada e melhorar
o desempenho em condições espećıficas. Dentre esses processos os principais são a conformação e a
sinterização do material cerâmico, que são discutidos adiante.
3.1 Técnicas de Conformação
• Moldagem a Seco
Nesse processo, as matérias-primas cerâmicas em pó são comprimidas em um molde através
de uma prensa hidráulica ou mecânica. A pressão aplicada compacta o pó em uma peça
sólida com a forma desejada. A principal vantagem dessa técnica é que ela é adequada para
produzir peças de alta densidade com tolerâncias dimensionais precisas. No entanto, a alta
pressão pode limitar a complexidade das formas.
• Extrusão
Processo no qual a mistura cerâmica é forçada através de uma matriz com a forma da peça
desejada. Isso resulta na formação de peças com seção transversal uniforme, como tubos,
perfis e componentes longos. A extrusão é especialmente útil para a fabricação de peças com
geometrias complexas.
• Prensagem a Quente
Nessa técnica, a mistura cerâmica em pó é aquecida durante a prensagem. O calor ajuda a
sinterização das part́ıculas cerâmicas, resultando em peças de maior densidade e resistência
mecânica. O hot pressing é particularmente útil para materiais de cerâmica avançada que
requerem alta densidade e propriedades superiores.
• Fundição por Injeção
Nesse processo, o pó cerâmico é misturado com um poĺımero termoplástico e injetado em um
molde. A mistura é aquecida para queimar o poĺımero, deixando uma peça cerâmica com a
forma do molde. Isso é útil para criar peças complexas com detalhes precisos.
• Moldagem em Placas
O processo de moldagem em placas envolve a preparação de uma suspensão de cerâmica
ĺıquida (barbotina) que é derramada em um molde poroso. A água da barbotina é absorvida
pelo molde, deixando uma camada cerâmica sólida na superf́ıcie interna do molde. Após a
secagem e sinterização, a peça cerâmica é removida.
3.2 Sinterização
A sinterização é um processo crucial no processamento de cerâmicas refratárias, onde as part́ıculas
cerâmicas são aquecidas a altas temperaturas para que se fundam parcialmente e formem uma
estrutura densa e coesa. Isso resulta em um aumento na densidade, resistência e durabilidade do
material cerâmico. Existem vários métodos de sinterização utilizados para cerâmicas refratárias,
dependendo das propriedades desejadas e da composição do material. Alguns dos principais métodos
de sinterização incluem:
9
• Sinterização a alta temperatura (High-Temperature Sintering):
Método de sinterização mais comum para cerâmicas refratárias. Consiste em aquecer o
material cerâmico a temperaturas elevadas, geralmente acima de 1.000 graus Celsius e, às
vezes, até 1.800 graus Celsius ou mais, para promover a fusão parcial das part́ıculas cerâmicas
e a consolidação do material. Esse processo é geralmente conduzido em fornos de alta
temperatura com atmosfera controlada para evitar a oxidação.
• Sinterização a vácuo (Vacuum Sintering):
Neste método, o material cerâmico é aquecido a altas temperaturas sob pressão reduzida,
ou seja, em um ambiente de vácuo. Isso ajuda a eliminar a presença de oxigênio e reduz a
porosidade das cerâmicas sinterizadas, resultando em materiais mais densos e resistentes.
• Sinterização a pressão (Pressure Sintering):
A sinterização sob pressão envolve a aplicação de pressão mecânica durante o processo de
sinterização. Isso ajuda a eliminar bolhas de porosidade e a aumentar a densidade das
cerâmicas, resultando em produtos finais de alta qualidade.
• Sinterização por Spark Plasma (Spark Plasma Sintering - SPS):
Este é um método de sinterização relativamente novo que utiliza campos elétricos para aquecer
rapidamente as part́ıculas cerâmicas, promovendo a sinterização. O SPS é conhecido por sua
capacidade de produzir cerâmicas densas com alta qualidade em tempos relativamente curtos
e a temperaturas mais baixas em comparação com métodos tradicionais.
• Sinterização por Micro-ondas (Microwave Sintering):
A sinterização por micro-ondas utiliza micro-ondas para aquecer seletivamente e eficientemente
o material cerâmico. Esse método é capaz de alcançar altas temperaturas em um tempo
muito curto, economizando energia e tempo de processamento.
A escolha do método de sinterização depende da composição da cerâmica, das propriedades
desejadas e das condições de processamento. Cada método tem suas vantagens e limitações, e a
seleção adequada ajuda a obter as caracteŕısticas desejadas no produto cerâmico final. A sinterização
desempenha um papel cŕıtico na obtenção da densidade e da resistência necessárias para cerâmicas
refratárias que precisam resistir a condições extremas de temperatura e carga mecânica.
4 Aerogel de Śılica para Isolamento Térmico de Edif́ıcios
Nos últimos anos, a demanda global por energia tem impactado significativamente a construção
de edif́ıcios [5]. Em 2016, o setor de construção a ńıvel mundial foi responsável por cerca de 30%
do consumo total de energia final e contribuiu com 28% das emissões globais de CO2 relacionadas à
energia [6]. Nesse sentido, o desempenho térmico da estrutura dos edif́ıcios, como pisos, telhados e
paredes, desempenha um papel de extrema importância, pois influencia a quantidade de energia
necessária para manter o conforto térmico no interior [7].
Dessa forma, uma estratégia comum para reduzir o consumo de energia é a utilização de
materiais de isolamento térmico em paredes e telhados. Esta é uma das maneiras mais eficazes
de alcançar economia de energia, uma vez que reduz as perdas de calor para o ambiente exterior.
Assim, há diversas forma de realizar este isolamento, no entanto, na maioria dos páıses, os materiais
superisolantes são a principal ferramenta para a melhora do desempenho energético.
10
Atualmente há o desenvolvimento de diversos materiais superisolantes com foco em construções
de alto desempenho, como painéis isolantes a vácuo (VIPs) [8], filmes de baixa emissividade
para aberturas envidraçadas [9], perlita de espuma com estrutura porosa tripla hierárquica [10] e
cobertores reforçados com aerogel [11].
Embora aerogéis possam ter diversas composições, aqui iremos nos ater aos aerogéis, mais
especificamente aos aerogéis de śılica. A śılica é um composto qúımico que consiste principalmente
de siĺıcio e oxigênio (SiO2) e é um dos materiais mais comuns e amplamente utilizados na indústria
de cerâmica e em muitos outros campos devido às suas propriedadesúnicas e versatilidade. Ela
também é a principal das matéria prima para a śıntese de aerogel de śılica, como veremos mais
adiante. Por essa razão e por suas propriedades, o aerogel de śılica é considerado um material
cerâmico [12]. A Figura 5 mostra um exemplo de aerogel para isolamento térmico em construções.
Figura 5: Exemplo de aerogel como material de isolamento térmico de alto desempenho para
aplicações de construção (Aspen Aerogels, Inc.)[13].
Além da eficiência energética, outra vantagem do uso de aerogéis é a espessura de suas camadas.
Para um sistema de isolamento térmico comum, a espessura das paredes é grande para compor
camadas de isolamento. Isso compromete o espaço interno do edif́ıcio, não possui alta eficiência e
aumenta os gastos com materiais. No caso dos aerogéis de śılica, devido à sua baixa condutividade
térmica, basta uma pequena espessura para isolar termicamente o interior de uma construção.
Podemos destacar ainda que o número de estudos sobre este material vem crescendo exponenci-
almente nos últimos 10 anos, como mostra a Figura 6. Isso mostra a importância dos aerogéis para
o setor de construção e isolamento térmico.
11
Figura 6: Número de publicações dos últimos dez anos contendo “aerogel” e ”construções”como
palavras chave, e também adicionando o termo ”condutividade térmica” para um conjunto mais
restrito (Web of Science; 24 de janeiro de 2021).
4.1 Aerogéis de Śılica
Os aerogéis de śılica são materiais com um grande potencial de aplicação, graças à sua estrutura
tridimensional única. Eles consistem em redes ultrafinas de cadeias de SiO2, repletas de poros
preenchidos com ar, que constituem uma parcela significativa do volume total do material, variando
de 85% a 99, 8%. Esses poros formam uma rede interconectada. Os mesoporos nesses aerogéis têm
tamanhos que variam entre 2 e 50 nm, com um diâmetro médio de 20− 40 nm. Além disso, durante
o processo de śıntese, é posśıvel gerar microporos (com menos de 2 nm) ou macroporos (com mais
de 50 nm) conforme necessário. A Figura 7 mostra a microestrutura do aerogel de śılica.
12
Figura 7: (a) Microestrutura do aerogel de śılica. (b) Microestrutura do compósito de aerogel de
śılica. [7]
A condutividade térmica nos aerogéis ocorre por meio de três mecanismos: condução, convecção
e radiação. A condutividade térmica efetiva resulta da combinação desses mecanismos. A convecção
está relacionada ao componente gasoso dos aerogéis e é altamente influenciada pela estrutura dos
poros. Como os aerogéis consistem em nanoporos com uma distribuição aleatória de tamanhos,
uma maior variação no tamanho dos poros resulta em mais poros maiores, aumentando assim a
transferência de energia térmica por convecção.
Além disso, a quantidade de poros presente nos aerogéis contribui para a redução da condutivi-
dade térmica. Devido à combinação de alta porosidade e tamanhos pequenos de poros, os aerogéis
de śılica apresentam uma condutividade térmica menor.
Em geral, a condutividade térmica dos aerogéis exibe uma forte correlação com a densidade,
frequentemente representada na forma de uma curva em forma de ”U”, como ilustrado na Figura 8
abaixo, para aerogéis de śılica monoĺıtica fabricados a partir de polietoxidissiloxano. A parte da
condutividade térmica efetiva relacionada à condução aumenta com densidades mais elevadas,
enquanto densidades mais baixas resultam em um aumento da condutividade térmica dos gases,
devido à maior presença de poros. Isso é ilustrado no gráfico pela localização da mı́nima conduti-
vidade térmica a 13.5mW ·m−1 ·K−1 e densidade de 0.123g · cm−3, intervalo no qual o aerogel
apresenta propriedades elásticas.
Fonte: https://www.researchgate.net/figure/The-microstructure-of-silica-aerogel-a-and-silica-
aerogel-composite-bf ig4323787692
13
Figura 8: Dependência da condutividade térmica da densidade. [7]
4.2 Śıntese do aerogel de Śılica
Aerogéis de śılica possuem diversos métodos de śıntese [14], no entanto, em todos os métodos é
necessário passar por três etapas principais: a preparação do gel através de processos sol-gel, o
envelhecimento do gel em sua solução mãe para evitar que o gel encolha durante a secagem e, por
fim, a secagem sob condições especiais. Essas condições são necessárias para que a estrutura não
entre em colapso.
4.2.1 Preparação do gel de śılica
Como dito anteriormente, a prinćıpio é necessário realizar um processo sol-gel. Neste proce-
dimento, ocorre a hidrólise e reações de condensação próximas a temperatura ambiente, o que
leva a formação de uma rede de śılica nanoestruturada. A Figura 9 mostra uma representação
esquemática do processo sol-gel para a śıntese de aerogéis.
14
Figura 9: Representação esquemático de um processo sol-gel para preparo de aerogel. [15]
Durante essa etapa, são formadas pontes de siloxano (Si - O - Si) pela reação dos precursores de
śılica escolhidos. Para a śıntese de aerogel de śılica, os principais precursores são os alcoxissilanos de
siĺıcio. Os compostos tetrametoxissilano Si(OCH3)4 ou TMOS [16], o tetraetoxissilano Si(OC2H5)4
ou TEOS [17] e o polietoxidisiloxano SiOn(OC2H5)4−2n ou PEDS-Px [18] são os mais usados
normalmente.
A hidrólise dos alcoxissolanos de siĺıcio ocorre com a presença de um catalisador e envolve
a conversão dos grupos alcoxido em grupos silanol (Si-OH). Durante as reações de condensação,
por outro lado, ocorrem dois processos. No primeiro deles, os silanóis se condensam para formar
a ligação de siloxano e liberam uma quantidade equivalente de água (condensação de água). Já
no segundo, um silanol e um grupo alcoxido se condensam, formando uma ligação de siloxano e
liberando uma quantidade equivalente de álcool (condensação de álcool).
É importante ressaltar que o pH da solução tem um impacto significativo nas reações de hidrólise
e condensação, resultando em estruturas de géis diferentes. Quando são usados catalisadores ácidos,
a hidrólise ocorre mais rapidamente do que a condensação, resultando em uma rede de śılica menos
ramificada. Já no caso de catalisadores básicos, ocorre o oposto, com a etapa de condensação
sendo favorecida em vez da hidrólise, o que leva a redes altamente condensadas com menos grupos
alcoxido e silanol residuais. Nesta etapa, consideramos que as reações de hidrólise e condensação
estão quase completas quando a solução atinge o ponto de gel.
4.2.2 Envelhecimento e lavagem
Após atingir o ponto de gel, as reações de hidrólise e condensação continuam, mas em uma
velocidade muito mais baixa devido a limitações difusionais e à diminuição das espécies reativas.
15
Esse processo é chamado de envelhecimento (aging), e essas reações causam o fortalecimento e
endurecimento da rede de śılica, o que tem um impacto significativo na microestrutura do aerogel
[19].
O fortalecimento da rede do gel ocorre devido ao crescimento da região de conexão entre duas
part́ıculas de śılica ou part́ıculas secundárias na estrutura do gel, resultado da reprecipitação da śılica
dissolvida na superf́ıcie das part́ıculas secundárias. Além disso, outra razão para o fortalecimento
da rede é o mecanismo de maturação de Ostwald, na qual ocorre a dissolução de part́ıculas de śılica
menores e, em seguida, elas se reprecipitam sobre part́ıculas maiores.
Após o envelhecimento, é realizada uma etapa de lavagem para remover o catalisador, a água,
precursores não reagidos e outros posśıveis aditivos. Esta etapa é de extrema importância, uma
vez que essas impurezas podem levar ao colapso parcial da rede porosa durante a secagem, o que
pode resultar em um aumento da densidade do gel. Esse colapso pode ocorrer porque alguns
desses compostos podem interagir com grupos silanol na superf́ıcie da śılica, aumentando as forças
capilares durante a secagem.
A lavagem é geralmentefeita mergulhando o gel em álcool puro (por exemplo, o mesmo usado
na śıntese), em várias etapas, trocando o ĺıquido nos poros por meio de um processo de difusão.
4.2.3 Secagem
A última etapa na produção de aerogéis é a secagem do gel. Esta etapa é necessária para manter
a estrutura porosa inicial do gel após a secagem. Isso pode ser feito minimizando os danos na rede
do gel causados pelas forças capilares, a fim de melhorar as propriedades do aerogel.
Para esta etapa, os principais métodos são a secagem à pressão ambiente (ADP) e a secagem
supercŕıtica (SCD). O método ADP é o mais versátil e o mais atrativo em termos de custo de
execução. A secagem supercŕıtica (SCD), por outro lado, ainda é o método mais usado para a
fabricação de aerogéis, uma vez que os fluidos supercŕıticos evitam os efeitos da tensão superficial
durante a etapa de secagem, o que reduz significativamente a contração e colapso da estrutura
porosa.
Destacando um pouco mais sobre a SCD, podemos dizer que existem dois métodos diferentes de
secagem supercŕıtica: secagem supercŕıtica em alta temperatura (HTSCD) e secagem supercŕıtica
em baixa temperatura (LTSCD).
No método HTSCD, o solvente de śıntese é transformado em um estado supercŕıtico, o que
envolve aumentar a pressão e a temperatura dentro de um autoclave. Logo depois, a pressão
e a temperatura são liberadas lentamente a uma taxa constante, o que permite que o solvente
supercŕıtico seja liberado do material do gel sem causar danos à sua estrutura porosa. O material
mantém sua forma e porosidade iniciais, o que resulta em um aerogel com alta porosidade e baixa
densidade.
O LTSCD, por outro lado, normalmente utiliza dióxido de carbono supercŕıtico (scCO2) para
extrair o solvente orgânico utilizado na śıntese do gel. Para usar o LTSCD, o solvente orgânico
deve ser solúvel em scCO2. Existem duas abordagens para o LTSCD: na primeira, o CO2 ĺıquido
é bombeado para a amostra enquanto o solvente orgânico é removido. A temperatura é então
aumentada sob alta pressão, seguida pela remoção do scCO2. Na segunda abordagem, o scCO2 flui
continuamente através da amostra para extrair o solvente orgânico.
16
5 Conclusão
Neste trabalho foram apresentados tópicos fundamentais para o entendimento de cerâmicas
refratárias, partindo de uma breve ilustração das estruturas cristalinas de cerâmicas de modo geral,
chegou-se às cerâmicas refratárias e sua propriedades, principalmente térmicas, como expansão
térmica, condutividade e resistência a choque térmico. Além disso, foram descritos as principais
técnicas constituintes do processamento das cerâmicas refratárias, são eles: conformação e sinte-
rização. A aplicação apresentada foi o aerogel de śılica como componente no isolamento térmico de
edif́ıcios que se apresenta como uma opção sustentável para a redução de gasto energético nesse
setor. São discutidos os processos de śıntese dos aerogéis de śılica que consistem em processos
sol-gel, o envelhecimento e a secagem do gel, sendo o método mais utilizado para tal o método
de secagem supercŕıtica (SCD) que pode ser feito em alta temperatura (HTSCD) ou em baixa
temperatura (LTHSCD).
Referências
[1] I. R. Elétricas, “O que você precisa saber sobre os materiais refratários?,” 2022.
[2] M. Júnior, “Materiais refratários: Entenda tudo sobre eles,” 2020.
[3] U. of North Texas, “Ceramic bonding,” 2019.
[4] W. D. Callister, Materials science and engineering : an introduction. John Wiley Sons, 2007.
[5] P. Santos, “Energy efficiency of light-weight steel-framed buildings,” in Energy Efficient
Buildings (E. Yap, ed.), pp. 35–60, London, UK: IntechOpen, 2017.
[6] T. Abergel, B. Dean, and J. Dulac, “Towards a zero-emission, efficient, and resilient buildings
and construction sector: Global status report 2017,” tech. rep., UN Environment, International
Energy Agency, Paris, France, 2017.
[7] A. Lamy-Mendes, A. D. R. Pontinha, P. Alves, P. Santos, and L. Durães, “Progress in silica
aerogel-containing materials for buildings’ thermal insulation,” Construction and Building
Materials, vol. 286, p. 122815, 2021.
[8] J. Zach, J. Peterková, Z. Dufek, and T. Sekavcˇnik, “Development of vacuum insulating panels
(vip) with non-traditional core materials,” Energy and Buildings, vol. 199, pp. 12–19, 2019.
[9] R. Kou, Y. Zhong, J. Kim, Q. Wang, M. Wang, R. Chen, and Y. Qiao, “Elevating low-emissivity
film for lower thermal transmittance,” Energy and Buildings, vol. 193, pp. 69–77, 2019.
[10] H. Gao, H. Liu, L. Liao, L. Mei, G. Lv, L. Liang, G. Zhu, Z. Wang, and D. Huang, “Improvement
of performance of foam perlite thermal insulation material by the design of a triple-hierarchical
porous structure,” Energy and Buildings, vol. 200, pp. 21–30, 2019.
[11] U. Berardi and S. Zaidi, “Characterization of commercial aerogel-enhanced blankets obtained
with supercritical drying and of a new ambient pressure drying blanket,” Energy and Buildings,
vol. 198, pp. 542–552, 2019.
17
[12] L. An, Z. Li, Z. Guo, Y. Hu, Y. Huang, J. Armstrong, C. Zhou, and S. Ren, “Transparent
thermal insulation ceramic aerogel materials for solar thermal conversion,” Nanoscale Advances,
vol. 4, no. 20, pp. 4291–4295, 2022.
[13] R. Baetens, B. P. Jelle, and A. Gustavsen, “Aerogel insulation for building applications: A
state-of-the-art review,” Energy and Buildings, vol. 43, 2011.
[14] A. Dorcheh and H. Abbasi, “Silica aerogel: synthesis, properties and characterization,” Journal
of Materials Processing Technology, vol. 199, pp. 10–26, 2008.
[15] H. Maleki, L. Durães, and A. Portugal, “An overview on silica aerogels synthesis and different
mechanical reinforcing strategies,” Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 385, pp. 55–74, 2014.
[16] K. Nakanishi, H. Minakuchi, N. Soga, and N. Tanaka, “Double pore silica gel monolith applied
to liquid chromatography,” Journal of Sol-Gel Science and Technology, vol. 8, pp. 547–552,
1997.
[17] H. Tamon, T. Kitamura, and M. Okazaki, “Preparation of silica aerogel from teos,” Journal
of Colloid and Interface Science, vol. 197, pp. 353–359, 1998.
[18] X. Chao, S. Jun, and Z. Bin, “Ultralow density silica aerogels prepared with peds,” Journal of
Non-Crystalline Solids, vol. 355, pp. 492–495, 2008.
[19] D. Levy and M. Zayat, The Sol-Gel Handbook, 3 Volume Set: Synthesis, Characterization,
and Applications, vol. 2. John Wiley Sons, 2015.
18
	Introdução
	Fundamentos Teóricos
	Estrutura cristalina de cerâmicas
	Cerâmicas refratárias
	Propriedades Térmicas
	Expansão Térmica
	Condutividade Térmica
	 Resistência ao Choque Térmico
	Sílica
	Processamento
	Técnicas de Conformação
	Sinterização
	Aerogel de Sílica para Isolamento Térmico de Edifícios
	Aerogéis de Sílica
	Síntese do aerogel de Sílica
	Preparação do gel de sílica
	Envelhecimento e lavagem
	Secagem
	Conclusão