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EET 360 INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS CERÂMICOS Prof. Celio Costa O desenvolvimento de materiais cerâmicos* requer o conhecimento de vários princípios básicos relacionados a uma vasta gama de níveis estruturais, conforme abaixo: * Interação entre processamento, microestrutura, propriedades e desempenho. Escalas de Conhecimentos 1) Pequenas variações nas relações das ligações químicas iônicas- covalentes, que são típicas em cerâmicos e vidros, e súbitas diferenças nas distribuições de fases são difíceis de observar, mas causam grandes variações de propriedades durante o processamento ou uso. PARTICULARIDADES DOS CERÂMICOS 2) Procedimentos de preparação de metais e polímeros não são, via de regra, apropriados a caracterização dos cerâmicos e vidros. 3) Materiais cerâmicos e vidros não possuem padrões (normas) de composição química e (micro) estruturas, preparação/processamento e tratamento térmico, diferentemente dos metais. PARTICULARIDADES DOS CERÂMICOS Tais particularidades requerem profundo conhecimento e uso de termodinâmica, cinética, diagrama de fases e estrutura cristalina, os quais serão aplicados para o desenvolvimento dos materiais cerâmicos*. VISÃO GLOBAL •A solução da soma de (termodinâmica, cinética, diagrama de fases e estrutura cristalina) com (interação entre processamento, microestrutura, propriedades e desempenho) é feita através de: CARACTERIZAÇÃO DE CERÂMICOS E VIDROS - Análise química - Análise de fases - Analise microestrutural - Caracterização da matéria prima - Caracterização mecânica, térmica, ótica, NDE, etc. - Análise de falha - ETC. MÉTODOS DE PROCESSAMENTO CERÂMICO - Matéria-prima: Seleção e Caracterização - Preparação da batelada, - Conformação, - Sinterização (queima) - Usinagem (se requerido) As características físicas e química das partículas cerâmicas têm profunda influência no seu comportamento durante o processamento e, assim, impactam a microestrutura e o desempenho dos componentes cerâmicos. Uma vez que o processo de sinterização (densificação) é MATÉRIA-PRIMA (PÓ OU PARTICULADO) Uma vez que o processo de sinterização (densificação) é conduzido para redução da área superficial da partícula, a medição do tamanho da partícula e da área superficial são importantes. MATÉRIA-PRIMA (PÓ OU PARTICULADO) Entretanto, partículas de pó são estruturas complexas e, usualmente, consistem de muitas partículas primárias de tamanho submicrométrico que se aglomeram em grandes partículas, as partículas secundárias. MATÉRIA-PRIMA (PÓ OU PARTICULADO) - As partículas primárias constituem um ou mais grãos , isto é, podem ser mono ou policristalinas. - Já as partículas secundárias estão aglomeradas de forma fracamente ligadas (aglomerados macios) ou fortemente ligadas (aglomerados duros). MATÉRIA-PRIMA (PÓ OU PARTICULADO) (aglomerados duros). Aglomerados macios deformam-se sob compressão, destruindo a identidade do aglomerado, resultando em densidade uniforme. Já os aglomerados duros mantêm sua integridade durante a compressão e, por isso, uma descontinuidade na estrutura e na densidade existe entre o interior do aglomerado a na região interaglomerados.. A diferença na estrutura e na densidade entre estas duas regiões (aglomerados macios e duros) provavelmente causará taxas de sinterização diferente entre estas duas regiões. Outra dificuldade na caracterização da partícula encontra-se na forma MATÉRIA-PRIMA (PÓ OU PARTICULADO) complexa das mesmas, na faixa de distribuição, variação de composição de partícula para partícula e, também, a presença de mais de uma fase, tanto na partícula como entre as partículas. Geometria das Partículas: É uma questão importantíssima a ser levada em conta na análise das partículas. As técnicas de medição de tamanho de partícula usam o conceito de que as partículas são esféricas; contudo, a MATÉRIA-PRIMA (PÓ OU PARTICULADO) conceito de que as partículas são esféricas; contudo, a natureza real está longe deste cenário. Desta forma, é importante se medir a distribuição de tamanho de partícula, seu tamanho médio e as geometrias associadas. TAMANHO E DISTRIUIÇÃO DE PARTÍCULAS Observação Importante: As análises macroscópicas (tanto físicas quanto químicas) tratam do conjunto de partículas (a massa), sem levar em conta a diferença entre as partículas individuais. Análises microscópicas devem ser realizadas para determinar tais variações. MATÉRIA-PRIMA (PÓ OU PARTICULADO) Assim, quanto menor for a partícula, maior será a influência da química da superfície da partícula no processamento e microestrutura, logo, nas propriedades. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MATÉRIA-PRIMA Tamanho de Partícula e Distribuição de Tamanho de Partícula Parâmetros que afetam a medida: - O pó de partida (pó como recebido) - Operações de moagem (ou cominuição) Questões relevantes: - Escolha apropriada do lote- Escolha apropriada do lote - Molhamento e Dispersão - Medição, Aquisição de Dados e Análise t rTkTkm P MX PlanoMXsv Ω = 2][2 6 ãoDensificaç de Taxa pi γα CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MATÉRIA-PRIMA -O líquido deve molhar completamente a partícula, - A dispersão do pó tem que resultar em desaglomeração e formação de uma suspensão estável. -Métodos típicos de desaglomeração: Ponta ultrasônica, banho ultrasônico, mexer (agitar), ultrasônica, banho ultrasônico, mexer (agitar), chacoalhar. -Dos métodos acima, o mais efetivo na desaglomeração de partículas é a ponta ultrasônica. Reproductibilidade é crítica nesta operação. O diâmetro da ponta, volume da suspensão, energia imposta, tempo e a taxa de imposição de energia são parâmetros que afetam a desaglomeração. l MÉTODOS DE ANÁLISE DA MATÉRIA PRIMA MICROSCOPIA MICROSCOPIA DIFRAÇÃO A LASER -O método utiliza a interação entre o feixe de radiação e o conjunto de partículas em suspensão em um meio fluido. -O feixe de radiação colide com as partículas e resulta em sua difração, absorção e, também, transmissão. -Se o equipamento for de difração a laser, um típico feixe de He-Ne emite um feixe com comprimento de 638,8 nm.emite um feixe com comprimento de 638,8 nm. -O cálculo do tamanho de partícula usa as teoria de difração de Fraunhofer e de espalhamento de Mie. DIFRAÇÃO A LASER DIFRAÇÃO A LASER SEDIMENTAÇÃO -Este método usa a teoria de Stokes, a qual relaciona a velocidade de sedimentação (UST) com o tamanho da partícula (D). η ρρ 18 )( U 2 ST Dgfs − = -Onde: ρs = densidade do sólido -ρf = densidade do fluido -η = viscosidade do fluido -g = aceleração da gravidade SEDIMENTAÇÃO 200 250 300 350 V e l o c i d a d e d e S e d i m e n t a ç ã o Um único material sendo analisado 0 50 100 150 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 V e l o c i d a d e d e S e d i m e n t a ç ã o Tamanho de Partícula SEDIMENTAÇÃO 80 100 120 140 160 V e l o c i d a d e d e S e d i m e n t a ç ã o Um único tamanho de partícula 0 20 40 60 80 0 2 4 6 8 V e l o c i d a d e d e S e d i m e n t a ç ã o Densidade das Partículas (ou do Material) SEDIMENTAÇÃO POR RAIO-X -Este método combina o feixe de luz (difração por radiação) com a sedimentação de Stokes. -Basicamente, a intensidade do feixe de raio-x (I) é proporcional ao peso depó (concentração de pó = C). O B é uma constante.B é uma constante. -E a densidade do feixe (Xd) é proporcional a intensidade entre o feixe emitido (I0) e o absorvido (I). )(exp0 CBII −= = 0 log I I X d SEDIMENTAÇÃO POR RAIO-X ANÁLISE MORFOLÓGICA ANÁLISE MORFOLÓGICA ANÁLISE MORFOLÓGICA ANÁLISE MORFOLÓGICA -Somente a observação no microscópio permite a visualização da partícula em 3D (exceção de MET). -Todos os outros métodos fazem a observações/medições no plano (2D). ANÁLISE MORFOLÓGICA Se as partículas no pó estão desaglomeradas, possuem geometria regular e uma distribuição de tamanho estreita, a área de superfície (S) pode ser correlacionada com um tamanho médio de partícula. ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA Se as partículas são idealizadas como esferas, então a área superficial específica (Sw) é definida como a razão entre a área total de superfície (St) pela massa (M) do pó, conforme abaixo. M SS tw = Se as simplificações acima são válidas, então a área ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA M SS tw = superficial específica (Sw) fornece um diâmetro de esfera equivalente médio (D). ..... ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA DR R VN SN M SS tw ρpiρ pi ρ 6 3 4 4 3 2 ==== Onde: N é o número de partículas, (V) é o volume médio de uma partícula, (S) é a área superficial média de uma partícula e ρ é a densidade da partícula. ][6 2 g m unidade D Sw ∴= ρ As duas técnicas mais usadas são: -Adsorção de gás, segunda a teoria de Brunauer, Emmett e Teller (BET) -Permeametria TÉCNICAS DE MEDIÇÃO DE ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA Adsorção de gás, segunda a teoria de Brunauer, Emmett e Teller (BET). -A área superficial específica de um pó (o adsorvente) TÉCNICAS DE MEDIÇÃO DE ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA pode ser obtida a partir da determinação do peso (W) do vapor adsorvido (adsorvato) em função da pressão de vapor (P) do adsorvato a temperatura constante. -segue - O método BET preconiza o equilíbrio entre um vapor e o adsorvato (vapor adsorvido), no qual múltiplas camadas de moléculas de vapor são adsorvidas sem completa adsorção pelas camadas inferiores. A segunda TÉCNICAS DE MEDIÇÃO DE ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA e as demais camadas são assumidas como tendo propriedades do líquido. -A equação de BET pode ser expressa como: BET − += − 00 11 )1/( 1 P P CW C CWPPW mm Onde: Wm é o peso de uma monocamada de vapor adsorvido e C é a constante de BET, que para o caso Nadsorvido e C é a constante de BET, que para o caso N2 como adsorvato, está na entre 50 e 300. A área superficial total é dada pela equação abaixo. BET Onde: N é o número de Avogadro, A é a área da seção M ANWS Am= Onde: NA é o número de Avogadro, A é a área da seção transversal da mólecula de adsorvato (para N2 = 0,162 nm2) e M é o peso molecular. BET - As medidas mais precisas e reprodutíveis são obtidas em pós limpos e densos, que possuam baixa porosidade e que os adsorvatos sejam fracamente adsorvidos. Nitrogênio e gases inertes são geralmente utilizados. - A preocupação com a densidade está ligada ao fato que adsorção de gases ocorrerá em qualquer superfície exposta do pó e, assim, a área superficial será bastante aumentada. PERMEAMETRIA A permeação de um fluido através de um leito de pó compacto é descrito pela lei de Darcy, qual seja: A velocidade média (u) medida através de toda área do leito é diretamente proporcional a diferença de pressão (∆P) e inversamente proporcional a espessura (L) do leito. L P u ∆ ∝ PERMEAMETRIA Se um escoamento viscoso é imaginado ocorrer ao longo de canais tortuosos através de capilares muito pequenos, então a permeação pode ser descrita pela equação e Carmen-Kozeny: ( ) ( ) eW S e L P S V L L u ∆ − = 2 2 2 2 2)1( ηε ε ε PERMEAMETRIA ( ) ( ) eW S e L P S V L L u ∆ − = 2 2 2 2 2)1( ηε ε ε Le = o comprimento médio de um capilar através do leito, ε = a porosidade (fração volumétrica de poros), Vs = o volume de sólidos η = viscosidade do fluido. O valor (L/ Le) é substituído pelo fator de tortuosidade (K1)1/2, o qual pode ser teoricamente estimado ou experimentalmente determinado para casos ideais. DENSIDADE de Pó A densidade, definida como a razão entre a massa e o = 33 ouVolume Massa)( Densidade cm g m kgρ A densidade, definida como a razão entre a massa e o volume do sólido, tem uma fortíssima influência nas propriedades mecânicas, térmicas, óticas e elétricas dos produtos cerâmicos. Importante: O diâmetro de partícula calculado pela medida de área superficial é bastante influenciado pela preparação da amostra, tal como os métodos de sedimentação ou difração de luz. ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA luz. A reatividade do pó é melhor medido pela área superficial do que pelo tamanho de partícula. Por que? DENSIDADE de Pó Apesar de aparentemente simples, há um grande = 33 ouVolume Massa)( Densidade cm g m kgρ Apesar de aparentemente simples, há um grande complexidade na obtenção desta medida. A começar pelo tipo de densidade em questão, quais sejam: Densidade Cristalográfica: É densidade ideal de uma estrutura cristalina específica. Ela é calculada a partir dos dados de composição química e distância interatômica obtidos por difração de raio-X. DENSIDADE de Pó Densidade Teórica: É a densidade de um material que contem zero % de porosidade microestrutural. Ela considera a presença de múltiplas fases, defeitos estruturais e solução sólida. Para fins práticos: Densidade Cristalográfica = Densidade Teórica DENSIDADE de Pó Densidade Global (Bulk Density): É a densidade medida de um corpo cerâmico, incluindo poros internos fechados, defeitos da malha cristalina e fases. Densidade Geométrica: Tem o mesmo conceito da DENSIDADE de Pó Densidade Geométrica: Tem o mesmo conceito da densidade global, porém a técnica de medição do volume é feita com paquímetro ou micrometro. Densidade TAP (Tap Density): Densidade ocupada pelo pó ser socado algumas vezes. DENSIDADE de Pó A massa é de simples medição, basta secar o material e usar uma balança de precisão. = 33 ouVolume Massa)( Densidade cm g m kgρ e usar uma balança de precisão. Já o volume é de difícil medição. A escolha do volume a ser medido ditará qual densidade será obtida. Vejamos: DENSIDADE de Pó Técnicas de Medição de DENSIDADE de Pó 1) Densidade Teórica: Massa da célula unitária do material dividida pelo volume da célula unitária. UnitáriaCélula da Volume Volume Avogadro) de (Numero )Atômico Peso( ) UnitáriaCèlulapor Átomos de Número( UnitáriaCélula da Peso = = ∑∑ UnitáriaCélula da Volume Volume = Ex. SiC (cúbico) Célula CFC para o Si, e o C ocupa metade dos insterstícios tetraédricos. Ao todo, 4 átomos de cada espécie. O parâmetro de rede da célula cúbica é de 4,349 Α. ( ) 323-338- 23 )cm( 10 x 8,23 )cm(10 x 4,349 V (g) l)(átomos/mo 10 x 6,022 (C) g/mol 12,011 *4 (Si) g/mol 28,0855 * 4 M == + = Técnicas de Medição de DENSIDADE de Pó 323- 22- cm g 3,24 10 x 8,23 10 x 2,66 V M ===ρ A densidade teórica do SiC é de 3,22 g/cm3 Técnicas de Medição de DENSIDADE de Pó 2) Densidade Global: O ponto chave é e medição do volume e, para tal, usa a picnometria de Hélio. Picnometria a Hélio (ex. de equipamento ACCUPYC1330, Micrometics). A técnica determina diretamente o volume aparente de um material/produto; cujo princípio é baseado na variação da pressão de gás causada pela introdução de um sólido na câmara de controle, conforme exemplificado na Figura a seguir. Técnicas de Medição de DENSIDADE de Pó Por que o gás He? Técnicas de Medição de DENSIDADE de Pó nRTPV = Se o processo ocorre a temperatura constante, tem-se que: ssis rrssrsisssis x PP VPVPVPVPV − −−+ = ssis PP − -Onde: Psis - Pressão de equilíbrio do sistema Ps - Pressão da câmara Pr - Pressão da câmara de referência Vs - Volume da câmara Vx - Volume da amostra a determinar Vr - Volume da câmara de referência Técnicas de Medição de DENSIDADE de Pó 3) Densidade por TAP (Socagem – ASTM D 3347): Este tipo de medida fornece uma medida da compactabilidade do pó. A massa padrão é de 100 gramas e o volume medido em um cilindro graduado, o qual é posicionado em um um cilindro graduado, o qual é posicionado em um dispositivo de socagem (queda livre) e um dado número de golpes é aplicado. Esta medida é fortemente dependente da maneira como o pó é carregado no cilíndro, do número e da força de golpes aplicados pela máquina, além de efeitos de parede do cilindro. POROSIDADE Medição de porosidade é, via de regra, realizada em materiais sinterizados. As técnicas mais empregadas são: -Porosimetria de Mercúrio - Adsorção de Gás Análise Química -Vital para a especificação do material e controle de propriedades. -Pequeníssimas quantidades de aditivos podem ter um efeito majoritário no processamento e nas propriedades finais. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MATÉRIA-PRIMA -Ex. Aditivos de sinterização podem ser adicionados em teores menores que 0,1% e promovem uma rápida densificação por inibir o crescimento de grão (Al2O3 + 10 ppm de MgO). -Todavia, a determinação precisa das espécies químicas ainda é problemática. Análise Química -Análises químicas que requeiram decomposição e/ou dissolução do material são complicadas pela refratariedade química geral dos compostos. Consequentemente, a falha em recuperar todos os COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MATÉRIA-PRIMA componentes como produto de reação e contaminação influenciam o resultados. Métodos de Determinação da COMPOSIÇÃO QUÍMICA dos Pós Cerâmicos Componentes Químicos Principais (1 – 99 wt%) - Espectroscopia de Fluorescência de Raios-X - Espectroscopia de Absorção Atômica - Espectroscopia de Emissão a Plasma Indutiva - Espectroscopia de Emissão a Plasma Direta - Espectroscopia de Emissão a Arco - Gravimetria- Gravimetria - Combustão - Kjeldahl - Eletroquímico - Análise de Ativação por Neutron - Espectroscopia de Massa Métodos de Determinação da COMPOSIÇÃO QUÍMICA dos Pós Cerâmicos Componentes Químicos Principais -Espectroscopia de Fluorescência de Raios-X - Mede elementos com número atômico > 9 (atualmente já existe para Nat 6, em concentrações elevadas) - Precisão de acima de 0,5 wt%- Precisão de acima de 0,5 wt% - Análises semi-quantitativas e quantitativas - Necessita de padrões de referência - Determinação rápida de um grande número de elementos químicos simultaneamente e amostras quase não necessitam de preparação. Excitação da fluorescências características do elementos Métodos de Determinação da COMPOSIÇÃO QUÍMICA dos Pós Cerâmicos Componentes Químicos Principais -Espectroscopia de Absorção Atômica - Precisão em ppb e acima - Análises semi-quantitativas e quantitativas - Necessita de padrões de referência - Preparação da amostra é lenta e necessita de - Preparação da amostra é lenta e necessita de muitos cuidados. Métodos de Determinação da COMPOSIÇÃO QUÍMICA dos Pós Cerâmicos Componentes Químicos Secundários -Impurezas Não-Metálicas (0,01 – 1 wt%) -Combustão -Eletroquímico -Análises por ativação de neutrons -Cromatografia de ions-Cromatografia de ions -Espectroscopia de Massa -Impurezas Metálicas (0,01 – 1 wt%) - Eletroquímico - Espectrosciopia de absorção atômica - Espectroscopia de Emissão a Plasma Indutiva - Espectroscopia de Emissão a Plasma Direta - Espectroscopia de emissão ótica COMPOSIÇÃO DA FASES PRESENTES Difração de Raios-X - Usado para determinação das fases presentes em materiais cristalinos - Como cada fase tem características únicas, esta técnica também é usada para determinar composição química.também é usada para determinar composição química. - Partículas maiores do que 10 µm podem reduzir os distorcer as intensidades medidas (estatística de se encontrar os planos cristalinos em várias direções). - Partículas menores do que 0,1 µm podem abrir o pico de difração COMPOSIÇÃO DA SUPERFÍCIE -Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios-X (XPS) -Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier -Espectroscopia Raman -Espectroscopia NMR (transições induzidas por rádio- frequência) - Ressonância de Elecron-Spin- Ressonância de Elecron-Spin -Cinética Elétrica COMPOSIÇÃO DA SUPERFÍCIE -Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios-X (XPS) -Ex. SiC I n t e n s i d a d e ( u n i d a d e s a r b i t r á r i a s ) Si C O F Elemento % atômica C 48,4 0 200 400 600 800 1000 I n t e n s i d a d e ( u n i d a d e s a r b i t r á r i a s ) Energia de Ligação (eV) F Si 40,9 O 8,4 F 2,2 Fe 0,1 Deconvolução COMPOSIÇÃO DA SUPERFÍCIE -Deconvolução na região do silício 2p I n t e n s i d a d e ( u n i d a d e s a r b i t r á r i a s ) Ligação química Posição(e V) Largura (FWHM) Fração da área total (%) SiC 100,4 1,7 93,9 SiO2 102,1 1,8 6,1 85 90 95 100 105 110 115 I n t e n s i d a d e ( u n i d a d e s a r b i t r á r i a s ) Energia de Ligação (eV) Técnicas de Medição de DENSIDADE de Pó Antes de iniciar a análise propriamente dita, a amostra, colocada na respectiva câmara, foi sujeita a um processo de desgaseificação que consistiu em repetidas purgas com hélio, para remoção de impurezas e umidade. Um objeto de volume desconhecido (Vx) foi inserido na câmara de volume conhecido (V ). Após a selagem da câmara de volume conhecido (Vs). Após a selagem da câmara, mediu-se a pressão (Ps) dentro da mesma. Em seguida, a câmara de referencia (volume conhecido Vr) que está isolada é submetida a uma pressão Pr, maior que a pressão da câmara de volume Vs. Abre-se, então, a válvula que isola as duas câmaras e a pressão do sistema se equilibra em Psis. Admitindo-se comportamento ideal do gás hélio, o volume do sólido foi calculado a partir da equação de Clapeyron dos gases perfeitos.
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