Materiais Cerâmicos

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INTRODUÇÃO
A sinergia entre desenvolvimento tecnológico, necessidade econômica e preservação ambiental vem demandando inovações contínuas em materiais. Esse processo de inovação e a qualidade dos materiais fizeram com que a escolha dos mesmos pela indústria fosse fundamental para que ela se mantivesse competitiva e apresentasse produtos de qualidades aos seus clientes.
A busca por novos materiais foi intensificada pelo aprimoramento de máquinas e objetos, necessitando que esses materiais sejam mais leves, mais resistentes, que não agridam o meio ambiente. O emprego de materiais cerâmicos vem se mostrando bastante eficiente. Ainda que pouco utilizado, novas perspectivas para o uso desse material foi abertas como redutor de poluentes, abrindo espaço para o seu uso na indústria. 
OBJETIVO
O objetivo do trabalho é apresentar as propriedades e características dos materiais cerâmicos, bem como seu emprego na indústria, evidenciando sua importância para uma evolução sustentável das atuais técnicas de produção.
MATERIAIS CERÂMICOS
São os materiais inorgânicos e não metálicos. “Predominantemente as cerâmicas são compostos formados entre elementos metálicos e não-metálicos, para os quais as ligações Inter atômicas ou são totalmente iônicas ou predominantemente iônicas tendo, porém, alguma natureza covalente.”
O termo cerâmica vem da palavra grega keramikos, que significa “matéria queimada”, evidenciando que o principal processamento do material é dado a partir de um tratamento térmico a elevada temperatura. Isso quer dizer que, depois que o material é queimado no forno, os átomos da sua estrutura ficam arrumados de forma simétrica e repetidos de tal modo que parecem pequenos cristais juntos uns aos outros.
Até os anos fim da década de 50, consideravam-se os materiais a base de argila, chamados de cerâmicas tradicionais, como os materiais mais importantes dentro das cerâmicas. Dentre eles estão as porcelanas de louça, telhas, azulejos. Existem também os vidros e as cerâmicas de alta temperatura, também conhecidas como cerâmicas avançadas.
ESTRUTURA ATÔMICA DOS MATERIAIS CERÂMICOS
A ligação atômica nos materiais cerâmicos variam de puramente iônica até totalmente covalente. Algumas cerâmicas possuem uma combinação dos dois tipos de ligação, sendo o nível do caráter iônico dependente das eletronegatividades desses átomos. 
Estrutura Cristalina
 “Para aqueles materiais cerâmicos para os quais a ligação atômica é predominantemente iônica, as estruturas cristalinas podem ser consideradas como compostas por íons eletricamente carregados, ao invés de átomos. Os íons metálicos, ou cátions, são carregados positivamente, pois eles doaram os seus elétrons de valência para os íons não-metálicos, ou ânions, os quais são carregados negativamente.” 
Duas características que definem os íons que compõem esse tipo de cerâmica são a magnitude da carga elétrica e o tamanho relativo do dos cátions e dos ânions. Em relação a primeira, o cristal deve ser eletricamente neutro, ou seja, todas as cargas positivas dos cátions devem se contrabalançar com as negativas dos ânions. Já em relação ao tamanho dos mesmos, que envolve a razão entre o raio dos cátions e o raio dos ânions, rc e ra, respectivamente. Uma vez que os cátions cedem elétrons, possuem raios menores que os dos ânions quando ionizados, tornando a razão rc /ra menor que a unidade. Essa razão também determina o número de coordenação, que é o número de ânions que são os vizinhos mais próximos para um cátion. Quando todos os ânions que estão ao redor do cátion também estão em contato com ele, chama-se essa estrutura de estrutura cristalina estável.
Estruturas cristalinas tipo AX
Com frequência esses materiais são designados por AX, sendo A o cátion e X o ânion. 
Quando o número de cátions é igual ao número de ânions, tem-se a estrutura AX. Como exemplo temos o cloreto de sódio (NaCl), cloreto de césio (CsCl), etc.
Estruturas cristalinas tipo AmXp
Quando as cargas de ânions e cátions não forem as mesmas, m ≠ p, poderá existir os números m e/ou p ≠ 1. Como exemplo para esta estrutura tem-se a fluorita (CaF2).
Estruturas cristalinas tipo AmBnXp
São as estruturas que possuem mais um tipo de cátion, determinado como A ou B. O titanato de bário (BaTiO3) é um exemplo para esse tipo de estrutura.
 Cerâmicas a Base de Silicatos
” Os silicatos são os materiais compostos principalmente por silício e oxigênio, os dois elementos mais abundantes na crosta terrestre, consequentemente, a maior parte dos solos, rochas, argilas e areia se enquadra nessa classificação de silicatos.” Eles não são considerados iônicos pois são consideráveis as ligações covalentes presentes nessa estrutura. 
Sua estrutura é convenientemente representada através de tetraedros de SiO44- interconectados. Estruturas relativamente complexas podem resultar quando são adicionados outros cátions e ânions.
Carbono
O carbono é um elemento que existe em vários formas polimórficas, assim como no estado amorfo. Eles não se enquadram em nenhuma classificação de metais, polímeros ou cerâmicos, porém, algumas de suas formas podem ser descritas como uma cerâmica. É o caso da grafita que possui estrutura cristalina bastante estável a temperatura e pressão ambiente. Sua estrutura em camadas lhe proporciona excelentes propriedades lubrificantes e uma condutividade elétrica relativamente elevada. A grafita também é conhecida por sua alta resistência e estabilidade química.
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Resistencia a fratura
Na temperatura ambiente, tanto as cerâmicas cristalinas quanto as não cristalinas quase sempre fraturam antes que qualquer deformação plástica possa ocorrer em resposta à aplicação de uma carga de tração, evidenciando seu elevado nível de fragilidade.
Comportamento elástico
O comportamento tensão-deformação elástico para os materiais cerâmicos relaciona-se linearmente.
Dureza
É a propriedade mecânica que mais se destaca nos materiais cerâmicos. É utilizada com frequência quando uma ação de abrasão ou de polimento é necessária. Os materiais cerâmicos são considerados como sendo os mais duros existentes.
Fluência
Com frequência os materiais cerâmicos sofrem deformação por fluência como resultado de sua exposição a tensões em temperaturas elevadas. A fluência nas cerâmicas é ocasionada a altas temperaturas.
Considerações mecânicas diversas
Muitos corpos cerâmicos contêm porosidade residual, que é negativa tanto para os seus módulos de elasticidade quanto para as suas resistências à fratura. 
PROCESSAMENTO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Uma das principais preocupações na aplicação dos materiais cerâmicos está relacionada ao seu método de fabricação. Muitas das operações de conformações básicas e fundição são impraticáveis nas cerâmicas devido a esses materiais possuírem elevados temperatura de fusão e grau de fragilidade. 
Processamento de Vidros
É importante destacar algumas propriedades dos vidros antes de propriamente discutir-se sobre seu processamento. Primeiramente os materiais vítreos não se solidificam no mesmo sentido que os materiais cristalinos, no resfriamento o vidro se torna cada vez mais viscoso e não existe uma temperatura definida de mudança de estado. Nos materiais vítreos, o volume diminui continuamente em relação a temperatura, denominando a temperatura de transição vítrea (Tv), que caracteriza uma ligeira diminuição na inclinação da curva (como mostrado na figura 1). Também são importantes destacar alguns pontos relativos a temperatura que influenciam no processamento dos vidros.
Ponto de fusão: corresponde a temperatura em que o vidro é fluido o suficiente para ser considerado líquido.
Ponto de trabalho: representa a temperatura na qual a viscosidade é suficiente para que o vidro seja deformado com facilidade
Ponto de amolecimento: é a temperatura máxima em que o vidro possa ser manuseado sem que haja alterações significativas nas suas dimensões;
Ponto derecozimento: temperatura na qual a difusão atômica é suficientemente rápida para remover quaisquer tensões residuais em um curto intervalo de tempo;
Ponto de deformação: temperatura que define o início da deformação plástica do vidro, abaixo dela podem ocorrer fraturas.
Conformação do Vidro
O vidro é produzido em alta temperatura, fazendo com que a matéria prima seja aquecida até a ocorrência da fusão. A maioria dos vidros comerciais é do tipo sílica-soda-cal. A sílica é suprida geralmente como areia de quartzo comum, enquanto o Na2O e o CaO são adicionados como soda barrilha (Na2CO3) e calcário (CaCO3). São três os processos de conformação dos vidros: 
Prensagem: usada para a fabricação de peças com paredes mais espessas. A peça de vidro é conformada pela aplicação de pressão sobre um molde de ferro fundido revestido com grafita que possui a forma desejada
Sopro: a partir de um tarugo de vidro, um parison ou forma temporária, é conformado através da prensagem mecânica em um molde. Essa peça é inserida no molde do acabamento ou de sopro e é então forçada a se conformar segundo os contornos do molde, devido à pressão criada pela injeção de ar.
Estiramento: utilizado para a confecção de peças longas como chapas, tubos e barras, que possuem uma seção transversal constante.
Eles ainda podem ser conformados por laminação a quente.
Tratamento térmico dos vidros
Recozimento: processo que reduz as tensões internas dos vidros já processados. O processo trada do aquecimento de uma peça de vidro é aquecida até o seu ponto de recozimento e depois é resfriada lentamente.
Têmpera do vidro: a peça de vidro é aquecida até uma faixa entre a temperatura de transição vítrea e ao ponto de amolecimento e posteriormente é resfriada até a temperatura ambiente com o auxílio de um jato de ar ou óleo. Esse processo serve para aumentar a resistência superficial do vidro.
Fabricação e processamento dos produtos à base de argila
Características das argilas 
Os materiais argilosos desempenham papeis muito importantes nos corpos cerâmicos. Primeiramente, quando adicionado água, a argila apresenta alta plasticidade, o que favorece as operações de conformação. Além disso, a argila se funde a uma determinada faixa de temperatura, facilitando o cozimento da peça sem que ela seja completamente derretida.
Composição dos produtos à base de argila
São compostas basicamente por alumina (Al2O3) e sílica (SiO2) e que contem água quimicamente ligada. Alguns produtos ainda possuem matérias primas com baixa plasticidade como o sílex, ou quartzo finamente moído e um fundente tal como o feldspato.
Técnicas de fabricação
As materiais primas extraídas têm, em geral, que ser submetidas a uma operação de moagem ou trituração, onde os tamanhos das partículas são reduzidos. Esse procedimento é seguido por um peneiramento ou classificação granulométrica. Duas técnicas de modelagem são utilizadas para a conformação de compostos a base de argila:
Hidroplástica: como já dito anteriormente, quando misturados com água os compostos de argila tornam-se altamente plásticos e flexíveis. A consistência (razão água-argila) da massa hidroplástica deve produzir um limite de escoamento suficiente para permitir que uma peça conformada mantenha a sua forma durante o manuseio e a secagem. A técnica de conformação hidroplastica mais comum é a extrusão, onde uma massa cerâmica plástica rígida é forçada através de um orifício de uma matriz que possui a geometria desejada da seção transversal.
Fundição em suspensão: utiliza a argila e/ou outros materiais não plastificáveis suspensos em água. Quando derramada dentro de um molde poroso, a água da suspensão é absorvida pelo molde, deixando uma camada sólida sobre a parede do mesmo.
Secagem e cozimento
Uma peça cerâmica que tenha sido conformada hidroplasticamente ou obtida por fundição em suspensão retém uma porosidade significativa e possui uma resistência insuficiente para a maioria das aplicações práticas. Além disso pode conter ainda algum tipo de líquido, o qual foi adicionado para auxiliar na operação de conformação. Esse liquido pode ser extraído através de dois processos:
Secagem: tratamento térmico a alta temperatura que extrai a água das porosidades da peça. Deve ser realizado com cuidado pois, conforme ocorre a extração do líquido, diminui o espaçamento entre as partículas de argila podendo ocasionar contrações e danificar a peça.
Cozimento: após a secagem o corpo passa pelo processo de cozimento, ou seja, a peça é cozida a uma temperatura entre 900 e 1400ºC. esse temperatura varia de acordo com a composição e com as características desejadas. O processo também deve ser realizado com cuidado pois os espaçamentos entre os poros diminui ainda mais, podendo também, ocasionar contrações. Ele é geralmente realizado com o intuito de melhorar a resistência mecânica.
Prensagem em pós
É utilizado tanto para a produção de compostos argilosos quanto de não argilosos. “Essencialmente, uma massa pulverizada contendo geralmente uma pequena quantidade de água ou outro aglutinante é compactada na forma desejada por aplicação de pressão. O grau de compactação é maximizado e a fração de espaços vazios é minimizado com o emprego de partículas maiores misturadas com particular mais finas em proporções apropriadas.” Existem ainda três tipos de prensagem de pós:
Prensagem Uniaxial: o pó é compactado em uma matriz metálica mediante uma pressão aplicada em uma única direção. A peça conformada assume a configuração da matriz e da punção através da qual a pressão é aplicada.
Prensagem Isostática: o material pulverizado está contido em um invólucro de borracha e a pressão é aplicada por meio de um fluido, isostaticamente (ela possui a mesma magnitude em todas as direções).
Tanto na prensagem uniaxial quanto na isostática é necessária a operação de cozimento ao fim do processo, com o intuito de melhorar a resistência mecânica da peça.
Prensagem a Quente: o material pulverizado é pressionado em uma matriz quente. Nesse processo a prensagem ocorre ao mesmo tempo que o cozimento. 
Fundição em fita
Como o próprio nome indica, lâminas finas de uma fita flexível são produzidas através de um processo de fundição essas lâminas são preparadas a partir de um processo de fundição. Essas lâminas são preparadas a partir de suspensões. Esse tipo de suspensão consiste em uma suspensão de partículas cerâmicas em um líquido orgânico que também contém aglutinantes e plastificantes, que são incorporados para introduzir resistência e flexibilidade a fita fundida. A fita é formada pelo derramamento da suspensão sobre uma superfície plana (de aço inoxidável, vidro, filme polimérico ou papel), uma lamina afiada espalha a suspensão na forma de uma fita fina de espessura uniforme.
TIPOS E APLICAÇÕES DOS CERÂMICOS
Vidros
Os vidros são um grupo familiar de cerâmicas. Recipientes, lentes e fibras de vidro são as aplicações típicas desse grupo. Duas características principais desses materiais são a sua transparência óptica e a relativa facilidade pela qual eles podem ser fabricados.
Vidrocerâmicas
A maioria dos vidros inorgânicos pode ser transformada, através de um tratamento térmico apropriado, de um material não-cristalino em um estado cristalino. Esse processo é chamado de cristalização e o seu produto é um material policristalino com grãos finos chamado vidrocerâmica. 
Esses materiais foram projetados para possuir características como: alta resistência mecânica, baixo coeficiente de expansão térmica, capacidade de utilização em temperaturas elevadas, etc. Elas são fabricadas com os nomes comerciais de PyroceramTM e também VisionTM e suas aplicações mais tradicionais são em peças domesticas, que podem ir ao fogo, janelas de fornos e tampas de fogões de cozinha.
Produtos à base de argila
 Os produtos à base de argila possuem dois tipos de aplicação, produtos estruturais e louças brancas. Os produtos estruturais incluem os tijolos de construção, telhas e tubos de esgoto. As louças brancas são as porcelanas, louças de barro,louças para mesa e objetos domésticos.
Refratários
As cerâmicas refratarias podem ser feitas com base em argila ou à base de sílica. Elas possuem capacidade de suportar temperaturas elevadas sem se fundir ou se decompor, capacidade de permanecer não reativos e inertes quando expostos a ambientes severos e habilidade de proporcionar isolamento térmico. Os tijolos são as formas mais comuns de comercialização dos materiais refratários mas também são utilizados em revestimento de fornos para refino de metais, fabricação de vidros, tratamentos térmicos metalúrgicos e geração de energia.
Abrasivos
São materiais utilizados para desgastar, polir ou cortar outros materiais mais moles. Portanto, a principal exigência para esse tipo de cerâmica é a alta dureza, alta resistência ao desgaste e alto grau de tenacidade. Os diamantes, tanto naturais como os sintéticos, são utilizados como abrasivos, porém, com elevado custo. Os abrasivos mais comuns incluem o carbeto de silício, o oxido de alumínio (ou coríndon) e a areia de sílica e são utilizados de várias formas como colados em rodas de esmerilhamento.
CERÂMICAS AVANÇADAS
Embora as cerâmicas tradicionais correspondam a maior parte da produção, teve início o desenvolvimento de uma nova cerâmica, chamada de cerâmica avançada. As cerâmicas avançadas são utilizadas em sistema de comunicação por fibras ópticas, em sistemas microeletromecânicos (MEMS – Microelectromechanical Systems), como rolamentos de esferas, etc.
Sistemas Microeletromecânicos 
Os MEMS são sistemas inteligentes em miniatura, os quais, consistem em um grande número de dispositivos mecânicos que estão integrados a uma grande quantidade de elementos elétricos, divididos em microssensores e microatuadores. Os microssensores coletam informações do ambiente através da medição de fenômenos mecânicos, químicos, térmicos. Os componentes microeletrônicos então processam as informações retornando-as aos microatuadores, na qual executam as respostas com movimentos, bombeamento, regulagem, etc. Esses sistemas são utilizados em motores, engrenagens, sulcos de tamanho microscópico, são extremamente sofisticados e confiáveis.
Fibras ópticas
Trata-se de um material cerâmico novo e extremamente avançado, um componente critico nos atuais sistemas de comunicação. A fibra óptica é feita de sílica com pureza extremamente elevada. Atualmente, virtualmente todas as telecomunicações são transmitidas por fibras ópticas, melhorando a velocidade de transmissão, a densidade de informações e a distancia de transmissão, com redução na taxa de erros.
CERÂMICAS NA INDUSTRIA AUTOMOBILISTICA
O uso de cerâmicas na indústria automobilística ainda é pequeno, porém, bastante promissor. A muito tempo já se usa cerâmica nas velas de ignição dos motores e em rotores de motores elétricos, mas as aplicações cessaram. Hoje, novas pesquisas mostram um forte crescimento das cerâmicas como componente automobilístico.
Para muitos fabricantes, a cerâmica é o material cuja aplicação mais vai crescer nos próximos anos dentro da indústria automobilística. E os motores serão os maiores beneficiados. As peças internas feitas desse material vão precisar de menos lubrificação, durar mais e ser mais leves que as similares de ferro e alumínio. Por serem mais resistentes às altas temperaturas que as feitas de metal, são mais estáveis e não se deformam nem dilatam quando em condições críticas de uso. Além disso, o calor dissipa melhor nas peças cerâmicas que nas metálicas, o que é importante em componentes que sofrem atritos severos - como é o caso dos discos de freio.
Para que apresentem essas características, as modernas cerâmicas de engenharia têm em suas fórmulas alumina, sílica, titânio, areia, feldspato e zircônia. Esses elementos, combinados, formam o composto cerâmico, que tem ainda mais uma vantagem em relação aos metais. É a flexibilidade, que possibilita a manufatura de peças complexas com precisão. Existem ainda as espumas cerâmicas, que podem ser utilizadas em filtros e catalisadores. Na lista de peças de cerâmica que já estão sendo testadas, além destes últimos estão ainda os anéis, válvulas, pistões, camisas (o revestimento interno dos cilindros, quando este pode ser removido), polias e até mesmo componentes grandes, como cabeçotes e blocos de motores.
REFERÊNCIA 
CALLISTER – Engenharia e Ciência dos Materiais