AulaCerâmica2(Sinterização) 2013 (2)

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PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 1 
TEORIA DA SINTERIZAÇÃO 
PMT5783 
Samuel Toffoli 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 2 
SINTERIZAÇÃO – Pressão devida à curvatura 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 3 
Partículas de látex coalescendo durante a secagem 
3 
Microscopia TEM: Látex estireno-acrilato de 
butila-ácido acrílico produzido em único 
estágio. 
Agente de contraste: acetato de uranila 
Dissertação de Mestrado: José Carlos Rodrigues, PMT-
EPUSP, 2004 
Microscopia TEM: Látex estireno-acrilato de 
butila-ácido acrílico produzido em único estágio 
Agente de contraste: Acetato de uranila + RuO4 
Dissertação de Mestrado: José Carlos Rodrigues, PMT-EPUSP, 
2004 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 4 4 
14 FACES: 
6 faces quadradas 
+ 
8 faces hexagonais 
24 VÉRTICES: 
2 ângulos de 120º 
1 ângulo de 90º 
MAS, no “mundo real”: 
• Cristais nunca se arranjam direito 
• Grãos nunca são do mesmo 
tamanho 
• Número de faces nas estruturas 
com grãos tridimensionais varia de 
9 a 18 
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Changfa Guo, Yong Hu, 
Haisheng Qian, Jiqiang Ning, 
Shijie Xu – Magnetite (Fe3O4) 
tetrakaidecahedral 
microcrystals: Synthesis, 
characterization, and micro-
Raman study – Materials 
Characterization 62(2011), 
148–151. 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 6 
SINTERIZAÇÃO – Pressão devida à curvatura 
Portanto: 
Grãos com menos de 6 lados  contornos côncavos ( grão tende a encolher) 
Grãos com mais de 6 lados  contornos convexos ( grão tende a crescer) 
 (sempre do ponto de vista do centro do grão) 
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SINTERIZAÇÃO – Definições 
• Chiang: sintering refers to the process of firing and consolidating a body 
shaped from powder particles 
•Richerson*: the densification of a particulate ceramic component is 
technically referred to as sintering. Sintering is essentially a removal of the 
pores between the starting particles (accompanied by shrinkage of the 
component), combined with growth together and strong bonding between 
adjacent particles. The following criteria must be met before sintering can 
occur: 
1. A mechanism for material transport must be present 
2. A source of energy to activate and sustain this material transport 
must be present 
 
*D.W. Richerson – Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing, and Use in Design – Marcel Dekker, Inc., New York, 1992. 
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SINTERIZAÇÃO – Definições 
• Chiang: sintering refers to the process of firing and consolidating a body 
shaped from powder particles 
• Richerson*: the densification of a particulate ceramic component is 
technically referred to as sintering. Sintering is essentially a removal of the 
pores between the starting particles (accompanied by shrinkage of the 
component), combined with growth together and strong bonding between 
adjacent particles. The following criteria must be met before sintering can 
occur: 
1. A mechanism for material transport must be present 
2. A source of energy to activate and sustain this material transport 
must be present 
 
*D.W. Richerson – Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing, and Use in Design – Marcel Dekker, Inc., New York, 1992. 
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SINTERIZAÇÃO 
SINTERIZAÇÃO EM FASE ÚNICA 
(Single Phase Sintering) 
Ocorre em 3 estágios, sem distinção clara entre eles: 
• Estágio Inicial 
• Estágio Intermediário 
• Estágio Final 
 
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SINTERIZAÇÃO 
ESTÁGIO INICIAL 
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SINTERIZAÇÃO 
ESTÁGIO INICIAL 
Mecanismos: 
1. Fluxo viscoso 
2. Difusão no volume ou no reticulado (rede) 
3. Evaporação e condensação 
4. Difusão na superfície 
Características: 
• Partículas mantêm identidade 
• A estrutura de poros é aberta e interconectada 
0 < x/r < 0,3 
Centros se aproximam  
Retração; Densificação 
Centros NÃO se aproximam  
Sem Retração; Sem Densificação 
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SINTERIZAÇÃO 
ESTÁGIO INICIAL 
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SINTERIZAÇÃO 
tTf
r
x
m
n
).(
ESTÁGIO INICIAL 
Equação de crescimento do pescoço, segundo Kuczynski 
Mecanismo n m f(T) 
Gráfico para verificar 
dependência com t 
Fluxo viscoso 2 1 Viscosidade t1/2 
Evaporação e condensação 3 1 Pressão de vapor t1/3 
Difusão na superfície 5 2 Difusividade t2/5 
Difusão no volume 5 2 Difusividade t2/5 
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SINTERIZAÇÃO 
ESTÁGIO INTERMEDIÁRIO 
Mecanismo único: Difusão 
Características: 
• Estrutura de poros ainda interconectada, mas cilíndricos. 
• Partículas perdem identidade gradativamente 
• Densificação 
• Crescimento de grão (no final da etapa) 
• Quando a porosidade cai para 8%, a rede aberta de poros se torna instável 
geometricamente e colapsa para poros esféricos. Quando poros tornam-se 
independentes  Estágio Final 
~ 70 – 90% rteórica 
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SINTERIZAÇÃO 
ESTÁGIO FINAL 
Mecanismo único: Difusão 
Características: 
• Crescimento de grão 
• Estrutura de poros fechada 
• Poros tendem a tornar-se esféricos 
• Lento 
• Quando gás fica aprisionado nos poros, solubilidade do gás na matriz 
influencia a taxa de eliminação dos poros  sinterização em vácuo OU uso 
de atmosfera solúvel no material que sinteriza 
• Pode ocorrer o fenômeno chamado “crescimento exagerado de grãos” 
(afinal de contas, quanto maior o grão, mais rápido ele cresce!!) 
Porosidade < 8% 
Mas frequentemente desenvolvem lados 
curvados – ver discussão mais adiante 
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SINTERIZAÇÃO 
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SINTERIZAÇÃO 
Representação esquemática dos 3 estágios do processo de sinterização: 
a) Particulado; b) 1º Estágio; c) 2º Estágio; d) 3º Estágio 
Randall M. German – Fundamentals of 
Sintering. In: S.J. Schneider – 
Engineered Materials Handbook, Vol.4, 
Ceramics and Glasses – ASM 
International, 1991 
a b 
d c 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais PMT2311 - Cerâmica Física 18 
SINTERIZAÇÃO 
Randall M. German – Fundamentals of 
Sintering. In: S.J. Schneider – 
Engineered Materials Handbook, Vol.4, 
Ceramics and Glasses – ASM 
International, 1991 
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SINTERIZAÇÃO 
COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA 
(Liquid Phase Sintering) 
Formação de líquido a alta temperatura  transporte rápido  sinterização alta 
• Líquido forma-se e flui por entre as partículas 
• Líquido elimina interfaces sol-vap 
• Alguns poros podem ficar aprisionados no líquido 
• O líquido precisa molhar completamente o sólido 
• É necessária alguma solubilidade do sólido no líquido 
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SINTERIZAÇÃO 
COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA 
Ocorre em 3 fases: 
• Rearranjo (I): 
• Líquido flui e penetra; deslizamento de partículas; reempacotamento; 
densificação rápida 
• Dissolução-Reprecipitação(II): 
• Fase sólida dissolve-se no líquido, quantidade de líquido aumenta até 
saturar-se em componente sólido e líquido torna-se transportador de 
átomos da fase sólida 
• Retração Final (III): 
• Estado sólido apenas; crescimento de pescoço; crescimento de grão; 
aumento de tamanho do poro. 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 21 
SINTERIZAÇÃO 
COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA 
II 
I 
III 
t 
%rteo 
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SINTERIZAÇÃO 
COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 23 
SINTERIZAÇÃO 
COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais PMT2311 - Cerâmica Física 24 
SINTERIZAÇÃO 
COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA 
Randall M. German – Fundamentals of 
Sintering. In: S.J. Schneider – 
Engineered Materials Handbook, Vol.4, 
Ceramics and Glasses – ASM 
International, 1991 
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S.J. Bennison – Grain Growth. In: S.J. 
Schneider – Engineered Materials 
Handbook, Vol.4, Ceramics and 
Glasses – ASM International, 1991 
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B.-N. Kim, K. Hiraga, K. Morita, H. Yoshida, Y. 
Kagawa – Light scattering in MgO-doped 
alumina fabricated by spark plasma sintering – 
Acta Materialia 58 (2010) 4527–4535 
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Porcelana Técnica 
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SINTERIZAÇÃO 
CONSIDERAÇÕES GERAIS 
• É difícil conseguir-se 100% de densificação por sinterização, já que diversos 
fatores inibem a eliminação total dos poros. Portanto, é sempre importante 
manipular a microestrutura inicial do particulado e o ciclo de aquecimento. 
• Geralmente a sinterização acontece por uma combinação de mecanismos 
• Evitar-se crescimento dos grãos, porque isso diminui a taxa de densificação 
• Não se esquecer que a a taxa (velocidade) de densificação diminui ao longo 
da sinterização (porque a superfície vai gradativamente reduzindo – força 
motriz ↓) 
 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 30 
SINTERIZAÇÃO 
CONSIDERAÇÕES GERAIS 
• Cerâmicas covalentes (ou seja, aquelas em que as ligações entre os átomos 
são eminentementes covalentes) são particularmente difíceis de sinterizar, 
uma vez que as taxas de difusão nesses materiais são baixíssimas! Ex.: SiC 
• Uma alternativa para contornar-se as dificuldades de densificação 
(particularmente em cerâmicas difíceis de sinterizar) é o uso de forças 
externas durante a sinterização: 
• Prensagem a quente (hot pressing) 
• Prensagem isostática a quente – HIP (hot isostatic pressing) 
 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 31 
SINTERIZAÇÃO – Prensagem a quente 
D.W. Richerson – Modern Ceramic 
Engineering: Properties, Processing, 
and Use in Design – Marcel Dekker, 
Inc., New York, 1992. 
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SINTERIZAÇÃO – Prensagem a quente 
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SINTERIZAÇÃO – Prensagem isostática a quente 
D.W. Richerson – Modern Ceramic 
Engineering: Properties, Processing, 
and Use in Design – Marcel Dekker, 
Inc., New York, 1992. 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 34 
SINTERIZAÇÃO – Prensagem isostática a quente 
PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais PMT2311 - Cerâmica Física 35 
SINTERIZAÇÃO