Materias Cerâmicos

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Materiais Cerâmicos
A característica comum a estes materiais é serem constituídos de elementos metálicos e elementos não metálicos, ligados por ligações de caráter misto, iônico-covalente. 
• Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão. 
• São geralmente isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutoras, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos, em faixas específicas de temperatura). 
• São comumente estáveis sob condições ambientais severas. 
• Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis.
• Os principais materiais cerâmicos são: 
– Materiais Cerâmicos Tradicionais: cerâmicas estruturais, louças, refratários (provenientes de matérias primas argilosas). 
– Vidros e Vitro-Cerâmicas. 
– Abrasivos. 
– Cimentos.
 	–Cerâmicas “Avançadas”: aplicações eletro-eletrônicas, térmicas, mecânicas, ópticas, químicas, bio-médicas.
Aplicações das Cerâmicas
Existem vários modos de classificar as cerâmicas. Um deles consiste em defini-las, conforme sua classe de compostos químicos, em óxidos, carbetos, nitretos, sulfetos, fluoretos etc. Outro modo é classificar a cerâmicas por suas propriedades (Tabela 15-1)
A cerâmicas são utilizadas em muitos componentes tecnológicos, como refratários, velas de ignição, dielétricos de capacitores, sensores, abrasivos e meios magnéticos de gravação. O ônibus espacial por exemplo, emprega cerca de 25 mil pastilhas de cerâmica reutilizáveis, leves e muito porosas, que protegem a estrutura de alumínio contra o calor gerado durante a reentrada na atmosfera terrestre. Essas pastilhas são feitas de fibras de sílica pura e coloidal, revestidas com um vidro borossilicato. As cerâmicas também aparecem na natureza como óxidos e em materiais naturais. O corpo humano, por exemplo, tem uma incrível habilidade de produzir hidroxiapatia, que é uma cerâmica encontrada nos ossos e dentes. As cerâmicas são também usadas com revestimentos, assim, os vidrados são revestimentos aplicados em corpos cerâmicos; os esmaltes cerâmicos são revestimentos empregados em componentes metálicos. Na tabela 15-1 estão reunidas as propriedades de interesse e as aplicações de várias cerâmicas. Alumina e sílica são as cerâmicas mais amplamente utilizadas em numerosas aplicações.
A seguir veremos um resumo de algumas aplicações para os materiais cerâmicos mais empregados:
A Alumina (Al2O3) é utilizada como refratário de fornos de fusão de metais e em outras aplicações sujeitas a altas temperaturas, nas quais uma alta resistência mecânica também seja necessárias. A alumina ainda é empregada como substrato de baixa constante dielétrica em circuitos eletrônicos de silício semicondutor. Uma aplicação clássica da alumina é em isolantes nas velas de ignição. Algumas aplicações especiais dessa cerâmica também são encontradas em medicina e odontologia.
O Diamante (C) é o material mais duro que existe e também é uma cerâmica. Diamantes industriais são utilizados como abrasivos para desbaste e polimento. Além disso, recobrimentos do tipo diamante (de chemical vapor deposition – CVC), são resistentes à abrasão e empregados em muitas aplicações, como em ferramentas de corte. Outro uso clássico dos diamantes, são em joias.
A Sílica (SiO2) é provavelmente o material cerâmico de uso mais amplo que constitui a base de muitos vidros e vitrocerêmicos. Os materiais à base de silíca são muito usados em isolantes térmicos, como refratários ou abrasivos, em fibras para reforço de materiais compósitos e em vidraria de laboratórios. 
O Carbeto de Silício (SiC) apresenta ótima resistência à oxidação mesmo em temperaturas superiores à fusão do aço, sendo, por isso, utilizado em equipamentos de siderurgia. O SiC é frequentemente empregado para recobrir metais com filmes finos, em compósitos carbono-carbono e mesmo em outras cerâmicas para proteção das temperaturas extremas. O SiC tem propriedades semicondutoras e é um bom candidato para circuitos eletrônicos que operam em alta temperatura.
O Nitreto de Silício (Si3N4) tem propriedades similares às do carbeto de silício, embora sua resistência à oxidação e à alta temperatura seja inferior. Tanto o nitreto de silício quanto o carbeto de silício são os materiais prováveis a serem selecionados para a fabricação de componentes automotivos e de turbinas a gás. Com isso, as temperaturas de operação poderão ser mais altas e o consumo de combustível menor, havendo ainda redução do peso dos componentes, quando comparado aos dos componentes fabricados de metais e ligas tradicionais.
O Dióxido de Titânio, ou Titânia (TiO2), é usado em cerâmicas eletrônicas como BaTiO3. As aplicações mais amplas são como um pigmento branco para produzir tintas e branquear leite. Algumas vitrocerâmicas contêm titânia como agente de nucleação. Mais recentemente partículas finas de TiO2 tem sido adicionada a protetores solares para proteger a pele contra os raios ultravioleta do sol.
A Zircônia (ZrO2), ou óxido de zircônio, também é empregada na fabricação de cerâmicas. Sensores de gás oxigênio dos automóveis que servem para medir o teor de oxigênio dissolvido no aço líquido são fabricados tendo a zircônia como composto principal. A zircônia também é adicionada em muitas cerâmicas eletrônicas e em materiais refratários. A forma cúbica dos monocristais de zircônia é adequada à fabricação de joias.
As propriedades de algumas cerâmicas estão apresentadas na Tabela 15-2, e as propriedades mecânicas de cerâmicas avançadas na Tabela 15-3.
Processos de Fabricação
Os processos de fabricação empregados pelos diversos segmentos cerâmicos assemelham-se parcial ou totalmente. O setor que mais se diferencia quanto a esse aspecto é o do vidro, embora exista um tipo de refratário (eletrofundido), cuja fabricação se dá através de fusão, ou seja, por processo semelhante ao utilizado para a produção de vidro ou de peças metálicas fundidas. Esses processos de fabricação podem diferir de acordo com o tipo de peça ou material desejado. De um modo geral eles compreendem as etapas de preparação da matéria-prima e da massa, formação das peças, tratamento térmico e acabamento. No processo de fabricação muitos produtos são submetidos a esmaltação e decoração.
Preparação da Matéria-Prima 
Grande parte das matérias-primas utilizadas na indústria cerâmica tradicional é natural, encontrando-se em depósitos espalhados na crosta terrestre. Após a mineração, os materiais devem ser beneficiados, isto é, desagregados ou moídos, classificados de acordo com a granulometria e muitas vezes também purificadas. O processo de fabricação, propriamente dito, tem início somente após essas operações. As matérias-primas sintéticas geralmente são fornecidas prontas para uso, necessitando apenas, em alguns casos, de um ajuste de granulometria.
Preparação da Massa
Os materiais cerâmicos geralmente são fabricados a partir da composição de duas ou mais matérias-primas, além de aditivos e água ou outro meio. Mesmo no caso da cerâmica vermelha, para a qual se utiliza apenas argila como matéria-prima, dois ou mais tipos de argilas com características diferentes entram na sua composição. Raramente emprega-se apenas uma única matéria-prima.
Dessa forma, uma das etapas fundamentais do processo de fabricação de produtos cerâmicos é a dosagem das matérias-primas e dos aditivos, que deve seguir com rigor as formulações de massas, previamente estabelecidas. Os diferentes tipos de massas são preparados de acordo com a técnica a ser empregada para dar forma às peças. De modo geral, as massas podem ser classificadas em:
- Suspensão, também chamada barbotina, para obtenção de peças em moldes de gesso ou resinas porosas;
- Massas secas ou semi-secas, na forma granulada, para obtenção de peças por prensagem;
- Massas plásticas, para obtenção de peças por extrusão, seguida ou não de torneamento ou prensagem.
Formação das Peças
Existem diversos processos para dar forma às peças cerâmicas, e a seleção de um deles depende fundamentalmente de fatores econômicos, da geometria e das características do produto. Os métodosmais utilizados compreendem: colagem, prensagem, extrusão e torneamento.
Colagem ou Fundição 
 
Consiste em verter uma suspensão (barbotina) num molde de gesso, onde permanece durante um certo tempo até que a água contida na suspensão seja absorvida pelo gesso; enquanto isso, as partículas sólidas vão se acomodando na superfície do molde, formando a parede da peça. O produto assim formado apresentará uma configuração externa que reproduz a forma interna do molde de gesso.
Mais recentemente tem se difundido a fundição sob pressão em moldes de resina porosa.
Prensagem
Nesta operação utiliza-se sempre que possível massas granuladas e com baixo de teor de umidade. Diversos são os tipos de prensa utilizados, como fricção, hidráulica e hidráulica-mecânica, podendo ser de mono ou dupla ação e ainda ter dispositivos de vibração, vácuo e aquecimento. Para muitas aplicações são empregadas prensas isostáticas, cujo sistema difere dos outros. A massa granulada com praticamente 0% de umidade é colocada num molde de borracha ou outro material polimérico, que é em seguida fechado hermeticamente e introduzido numa câmara contendo um fluido, que é comprimido e em consequência exercendo uma forte pressão, por igual, no molde.
No caso de grandes produções de peças que apresentam seções pequenas em relação ao comprimento, a pressão é exercida somente sobre a face maior para facilitar a extração da peça, como é o caso da parte cerâmica da vela do automóvel, isoladores elétricos e outros. O princípio da prensagem isostática também está sendo aplicado para obtenção de materiais de revestimento (placas cerâmicas), onde. A punção superior da prensa é revestida por uma membrana polimérica, com uma camada interposta de óleo, que distribui a pressão de modo uniforme sobre toda a superfície ou peça a ser prensada. Outra aplicação da prensagem isostática que vem crescendo, é na fabricação de determinadas peças do segmento de louça de mesa.
Extrusão
 	A massa plástica é colocada numa extrusora, também conhecida como maromba, onde é compactada e forçada por um pistão ou eixo helicoidal, através de bocal com determinado formato. Como resultado obtém-se uma coluna extrudada, com seção transversal com o formato e dimensões desejados; em seguida, essa coluna é cortada, obtendo-se desse modo peças como tijolos vazados, blocos, tubos e outros produtos de formato regular.
A extrusão pode ser uma etapa intermediária do processo de formação, seguindo-se, após corte da coluna extrudada, como é o caso da maioria das telhas, ou o torneamento, como para os isoladores elétricos, xícaras e pratos, entre outros
Torneamento
Como descrito anteriormente, o torneamento em geral é uma etapa posterior à extrusão, realizada em tornos mecânicos ou manuais, onde a peça adquire seu formato final.
Tratamento Térmico
O processamento térmico é de fundamental importância para obtenção dos produtos cerâmicos, pois dele dependem o desenvolvimento das propriedades finais destes produtos. Esse tratamento compreende as etapas de secagem e queima.
Secagem
 	Após a etapa de formação, as peças em geral continuam a conter água, proveniente da preparação da massa. Para evitar tensões e, consequentemente, defeitos nas peças, é necessário eliminar essa água, de forma lenta e gradual, em secadores intermitentes ou contínuos, a temperaturas variáveis entre 50 ºC e 150 ºC.
Queima 
Nessa operação, conhecida também por sinterização, os produtos adquirem suas propriedades finais. As peças, após secagem, são submetidas a um tratamento térmico a temperaturas elevadas, que para a maioria dos produtos situa-se entre 800 ºC a 1700 ºC, em fornos contínuos ou intermitentes que operam em três fases:
- Aquecimento da temperatura ambiente até a temperatura desejada;
- Patamar durante certo tempo na temperatura especificada;
- Resfriamento até temperaturas inferiores a 200 ºC.
O ciclo de queima compreendendo as três fases, dependendo do tipo de produto, pode variar de alguns minutos até vários dias.
Durante esse tratamento ocorre uma série de transformações em função dos componentes da massa, tais como: perda de massa, desenvolvimento de novas fases cristalinas, formação de fase vítrea e a soldagem dos grãos. Portanto, em função do tratamento térmico e das características das diferentes matérias-primas são obtidos produtos para as mais diversas aplicações.
Acabamento
Normalmente, a maioria dos produtos cerâmicos é retirada dos fornos, inspecionada e remetida ao consumo. Alguns produtos, no entanto, requerem processamento adicional para atender a algumas características, não possíveis de serem obtidas durante o processo de fabricação. O processamento pós-queima recebe o nome genérico de acabamento e pode incluir polimento, corte, furação, entre outros.
Vidros
Características físicas e químicas do Vidro
Do ponto de vista físico, o vidro pode ser definido como um líquido sub-resfriado, rígido, sem um ponto de fusão definido e com uma viscosidade elevada. Do ponto de vista químico, o vidro é a mistura de óxidos inorgânicos não voláteis resultantes da decomposição e da fusão, principalmente, de compostos alcalinos, alcalinoterrosos e de areia, formando um produto final com estrutura atômica desorganizada.
Substâncias utilizadas na fabricação do vidro
Várias são as substâncias que podem ser utilizadas na fabricação do vidro e, por essa razão, existem os mais variados tipos de vidro no mercado, já que a possibilidade de combinação dos materiais é muito grande. As substâncias mais comuns na fabricação dos vidros são:
· Sílica ou óxido de silício (SiO2): É o principal componente que forma o vidro e nada mais é do que areia. Sua quantidade percentual na fórmula do vidro chega a, aproximadamente, 70%;
· Óxido de cálcio (CaO): É utilizado na composição do vidro para dificultar a cristalização da sílica, pois ele não permite que os átomos do óxido de silício reorganizem-se corretamente em cristais de areia;
· Carbonato de sódio (Na2CO3) ou Óxido de sódio (Na2O): Utilizado para remover toda e qualquer bolha de ar durante o processo de fabricação do vidro, além de contribuir para uma boa dureza e rigidez. Facilita também a fusão da sílica;
· Alumina ou óxido de alumínio (Al2O3): Está na composição do vidro para conferir maior resistência a choques mecânicos;
· Óxido de magnésio (MgO): Proporciona a capacidade de suportar mudanças bruscas na temperatura.
Tipos de vidro
Entre os vários tipos de vidro, cinco grupos são mais utilizados. São eles:
Vidro de soda-cal
Trata-se do tipo de vidro mais comum, sendo muito utilizado, por exemplo, em pratos e copos. Apresenta na sua composição sílica, cal e carbonato.
Vidro de sílica fundida ou quartzo
Trata-se de um vidro cujo ponto de fusão, resistência química e resistência térmica são elevadíssimos. O vidro de sílica fundida possui como principal componente o tetracloreto de silício (SiCl4) e é muito utilizado em laboratórios de altíssima tecnologia que trabalham com altas temperaturas. Não é utilizado para produção de objetos de uso cotidiano em virtude do custo de produção.
Vidro de borossilicato
Trata-se de um grupo de vidros que apresenta óxido de boro e silicato na sua composição. Esses componentes químicos favorecem a não expansão do vidro quando ele é aquecido e nem a fácil quebra com um impacto. Um exemplo de sua utilização são as lâmpadas.
Vidro de Chumbo
Trata-se de um vidro com alto teor de óxido de chumbo (PbO) e que tem baixo ponto de fusão e alta densidade. É muito utilizado como protetor para radiação.
Vidro de silicato de alumínio
Trata-se de um vidro que apresenta na sua composição óxidos de alumínio e boro, o que origina um produto final cuja principal característica é a sua durabilidade química.
Processamento e aplicações de produtos de argila
Em geral, os objetos feitos de cerâmicas cristalinas são fabricados pela compactação alcançada pela prensagem de pós-finos. Os pós compactados são consolidados por reação química, por vitrificação (por fusão parcial ou total), ou ainda por sinterização. Osprodutos à base de argila são formados dessa maneira.
Os produtos de argila formam um grupo de cerâmicas tradicionais utilizadas para a produção de tubos, tijolos, utensílios de cozinha e outros itens comuns. A argila, como a caulinita [um mineral que tem a fórmula Al2Si2O5(OH)4] e água, serve como ligante inicial para os pós de cerâmica constituídos de sílica. Outros materiais, como o feldspato [(K, Na)2º - Al2O3 – 6SiO2)], servem como fundentes (formadores de vidro) durante o tratamento posterior. 
Técnicas de conformação para produtos de argila
Os pós, a argila, o fudente e a água são misturados e moldados para dar forma à cerâmica. Misturas secas ou semissecas são mecanicamente prensadas obtendo-se corpos cerâmicos verdes, isto é, não queimados, com resistência suficiente apenas para serem manuseados. Para uma prensagem mais uniforme de objetos com formatos complexos, a prensagem isostática deve ser empregada. Os pós são colocados com alta umidade permite que os pós tenham plasticidade suficiente para serem conformados. Processos de conformação hidroplástica, incluindo-se a extrusão, bateia e trabalho de plastificantes que não a água pode ser injetadas em moldes.
https://escolakids.uol.com.br/ciencias/quimica-do-vidro.htm
http://www.divinalvidros.com.br/blog/2017/12/13/como-e-feita-fabricacao-dos-vidros/
https://abceram.org.br/processo-de-fabricacao/
http://sites.poli.usp.br/d/pmt2100/aula10_2005%201p.pdf
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