CAP01

Prévia do material em texto

Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
INTRODUÇÃO AOS
MATERIAIS CERÂMICOS
PPGEM - EE - UFRGS
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS 
CERÂMICOS
1 INTRODUÇÃO
2 ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS
3 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
4 PROPRIEDADES E APLICAÇÕES
5 CONTROLE DE QUALIDADE
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
OBJETIVO
Apresentar os materiais cerâmicos e seus 
processos de fabricação do ponto de vista da 
ciência e engenharia de materiais.
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
BIBLIOGRAFIA
RICHERSON, D.W., Modern Ceramic Engineering, Marcel Dekker, Inc. New York, 1992.
KINGERY, W.D. Introduction to Ceramics. John Wiley & Sons. New York, 1967.
HANCH, L.L. e ULRICH, D.R., Science of Ceramic Chemical Procesing; Wiley - Interscience, New York, 
1986.
SANTOS, Pérsio de Souza. Ciência e Tecnologia de Argilas. 2ª edição. Volumes 1, 2 e 3. Ed. Edgar 
Blücher. 1989.
REED, JAMES S.: Principles of Ceramic Processing; Wiley Intersciense; New York; 2nd Ed.; 1995.
BRISTOT, VILMAR MENEGON; Máquinas e Equipamentos para Cerâmica; Edit. e Livraria Luana; 
Criciúma; 1996.
K. MASTERS; Spray Drying Handbook; George Godwin Limited; London; 4 th Ed.; 1985.
RIES, HANS B.; Preparation of Ceramic Bodies throug Dry Grinding, Moist Grinding, Plastification and 
Pelletization; Interbrick - Vol. 3, nº 3; 1987.
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
INTRODUÇÃO AOS
MATERIAIS CERÂMICOS
PPGEM - EE - UFRGS
CAPÍTULO 1 -
INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
1. INTRODUÇÃO
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-
PROPRIEDADES
1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO
1.4 EXERCÍCIOS
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
METÁLICOS CERÂMICOS POLIMÉRICOS COMPÓSITOS
cobre tijolos polietileno grafite-epóxi
ferro fundido azulejos epóxi WC e Co
ligas de aço refratário fenólicos fiber-glass
vidro
Metais
Polímeros
Cerâmicos
Compósitos 
metal-cerâmico
Compósitos 
cerâmico-polímero
Compósitos 
metal-polímero
Compósitos metal-
cerâmico-polímero
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
METÁLICOS CERÂMICOS POLIMÉRICOS
Séries
Carbetos
Boretos
Nitretos
Silicetos
Séries
Silicones
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
Ligações metálicas Ligações covalentesLigações 
iônico-covalente
DEFINIÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS
materiais não-metálicos, inorgânicos
Vidros: não cristalinos
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
METÁLICOS CERÂMICOS POLIMÉRICOS COMPÓSITOS
cobre polietileno grafite-epóxi
ferro fundido epóxi WC e Co
ligas de aço fenólicos fiber-glass
Vidros Produtos Refratários Abrasivos Cerâmica
de Argila Avançadas
ARGILA SÍLICA BÁSICOS ESPECIAIS
REFRATÁRIA
ESTRUTURAL ELETRÔNICA BIOMATERIAL NUCLEAR
PORCELANA CERÂMICA ISOLADORES ISOLANTES
VERMELHA ELÉTRICOS TÉRMICOS
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
INDÚSTRIA
CERÂMICOS: COMPOSIÇÃO, ESTRUTURA E PROPRIEDADES
CERÂMICA TRADICIONAL:
MATÉRIA-PRIMA E PROCESSAMENTO
CERÂMICA AVANÇADA: 
PERCUSSORES QUÍMICOS E PROCESSAMENTO
CERÂMICA BRANCA
CERÂMICA VERMELHA
VIDROS
ABRASIVOS
REFRATÁRIOS
CIMENTO
CERÂMICA ELETRÔNICA CERÂMICA AVANÇADA ESTRUTURAL
SUBSTRATO ELETRÔNICO
CAPACITORES E CERÂMICA 
PIEZOELÉTRICA
CERÂMICA MAGNÉTICA
CERÂMICA ÓPTICA
CERÂMICA SUPERCONDUTORA
CERÂMICA NUCLEAR
BIOCERÂMICA
TRIBOCERÂMICA
CERÂMICA AUTOMOTIVA
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
CERÂMICA TRADICIONAL
controle menos rígido das matérias-primas e parâmetros processuais
cerâmica branca: louças, isolantes, azulejos e pisos
cerâmica vermelha: tubos, tijolos, telhas, lajotas
refratários: tijolos, moldes, cimentos, cadinhos
construção: concreto, gesso, vidros
abrasivos: rebolos, lixas
vidros: garrafas, louças, vidros planos
1. INTRODUÇÃO
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
CERÂMICA TRADICIONAL
Extrusora (maromba) para a fabricação 
de artefatos de cerâmica vermelha
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Queima de louças sanitárias
Produtos de 
argila 
vermelha
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
CERÂMICA TRADICIONAL:
Refratários convencionais
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
CERÂMICA AVANÇADA
Rígido controle das matérias-primas e parâmetros processuais
cerâmica eletrônica: elemento de aquecimento, isolantes, substratos, 
semicondutores
cerâmica aeroespacial: partes de turbinas, isolamento térmico, trocadores de 
calor
biocerâmica: próteses, implantes
refratários avançados: revestimentos e concretos de alto desempenho
nuclear: combustíveis
diversos: ferramentas de corte, componentes resistentes à abrasão, blindagem, 
vitrocerâmicos, monocristais, fibras ópticas
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
CERÂMICA AVANÇADA
Produtos de alta alumina e ZrO2
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
CERÂMICA AVANÇADA: outros exemplos biocerâmica
isolamento térmico
moldado por injeção
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
Exemplo: lâmpada de sódio (1000oC)
com tubo de alumina
(100 lúmens/W convencional 15 lúmens/W)
Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida
CERÂMICA AVANÇADA: 
Materiais projetados
porosidade: 3% porosidade: 0,3% 
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
• Fundamental ação de 
fundentes: B, P
• Necessária a presença de 
elementos que potenciem a 
cristalização: Li, Mg, Ca, Ba, Zn
• Obrigatória presença de 
elementos difíceis de cristalizar: 
Na, K
• Eventualmente nucleantes: TiO2
e ZrO2
• Outros necessários: Al e Si
• Ocasionalmente para 
propriedades especiales: Fe, Cu, 
Co, Ni1mm
CRISTAL (Espinela)
FASE VÍTREA
EXEMPLO: VITROCERÂMICOS
TENDÊNCIA: CERÂMICA TRADICIONAL  CERÂMICA AVANÇADA
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
TENDENCIAS PARA AUMENTAR EL VALOR AÑADIDOTENDÊNCIAS PARA AUMENTAR O VALOR AGREGADO
EsmalteEsmalte
• Aumento da dureza e resistência à abrasão superficial
• Incremento na proporção de cristais em matriz vítrea
SUPORTEBiscoito
• Aumentarla resistencia ao impacto para uso exterior 
• Incrementar o conteúdo em vidro por fusão
Aumento da complexidade científica e tecnológica de produção
INCONVENIENTES
ESMALTE: é difícil obter dureza superficial e
decoração por polimento
SUPORTE: a resistência ao impacto é obtida por 
um aumento na espessura e portanto do peso da peça 
SOLUÇÕES
Biscoito finos e
coloridos com
superfície lisa
ESMALTE
SUPORTE
PROTEÇÃO
AO IMPACTO
FLEXÃO FRATURA
PROTEÇÃO
SUPERFICIAL
DECORAÇÃO
A
L
V
U
R
A
F
IS
IC
A
Q
U
IM
IC
A
T
R
A
N
S
P
A
R
Ê
N
C
IA
DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS PARA A INDÚSTRIA CERÂMICA
A) ESMALTE VITROCERÁMICO BRANCO/OPACO SEM ZIRCÔNIO PARA GRÊS PORCELANATO
B) ESMALTE VITROCERÂMICO TRANSPARENTE PARA GRES PROCELÁNICO
C) ESMALTE VITROCERÂMICO COLORIDO (CRISTALIZAÇÃO DO PIGMENTO)
FUSÃO POLIDO FUSÃO+CRISTAL..
ESMALTES
TRADICIONAIS
ESMALTES
VITROCERÂMICOS
MONOPOROSA
GRES
GRES
PORCELANATO
GRES
PORCELANATO
SINTERIZAÇÃO SINTERIZAÇÃO E FUSÃO
1 etapa 2 etapa 1 etapa
BRILHO
SAIS SOLÚVEIS
PEÇA 
VITROCERAMICA
(SUPORTE 
VITROCERÂMICO)
FUSÃO+CRISTALFUSÃO+CRISTAL
D) SUPOTES VITROCERÂMICOS
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
ABORDAGEM
 fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAIS
como interrelação entre
ESTRUTURA e PROPRIEDADES
ESTRUTURA PROPRIEDADES
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
1.1 MATERIAIS CERÂMICOS PARA ENGENHARIA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
OS MATERIAIS PARA ENGENHARIA PRECISAM TER 
FORMA E DIMENSÕES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
ESTRUTURA PROPRIEDADES
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
• CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA
ESTRUTURA NOS MATERIAIS
• ESTRUTURA ATÔMICA
• ESTRUTURA CRISTALINA
• MICROESTRUTURA
• MACROESTRUTURA
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
• CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
• MECÂNICAS 
• FÍSICAS
• QUÍMICAS
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
– PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
– MECÂNICAS
• resistência à tração, compressão, flexão
• resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga
• ductilidade
• módulo de elasticidade
• resistência ao desgaste
– FÍSICAS
• propriedades elétricas
• magnéticas
• térmicas
• ópticas
• densidade
– QUÍMICAS
• resistência à corrosão/oxidação
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA
PROCESSOS DE 
FABRICAÇÃO
• COLAGEM
• PRENSAGEM
• EXTRUSÃO
• TAPE CASTING
• MOLDAGEM POR INJEÇÃO
• HIDROPLÁSTICA
• SOL-GEL
• OUTROS ...
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA
– PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
• os materiais precisam adquirir forma e dimensões para ser 
utilizáveis na Indústria
• são definidos em função das propriedades da matéria-prima
e das propriedades necessárias para fazer frente às 
condições de serviço da peça ou componente
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
CERÂMICA COMO MATERIAL PARA ENGENHARIA
• MATERIAIS CERÂMICOS FRÁGEIS
– não admitem deformação plástica
» não podem ser processados por conformação mecânica
• PONTO DE FUSÃO ELEVADO
– dificuldade para obter um forno (revestimento)
• CAPACIDADE CALORÍFICA MAIOR QUE OS METAIS
• BAIXA CONDUTIVIDADE TÉRMICA
– alto custo para aquecer, fundir e vazar
» não são processados por fundição
1.2 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
MATÉRIA-PRIMAS NATURAIS COM BAIXA GRANULOMETRIA
• FRIÁVEIS
– moem com facilidade
PROCESSAMENTO DE PÓS
1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
• Forma, Tamanho e 
Propriedade do Material?
• Processo Cerâmico
PÓ
CORPO POROSO
(alto grau de empacotamento 
e homogeneidade)
ACABAMENTO
PRODUTO FINAL
PROCESSAMENTO
TÉRMICO
CONFORMAÇÃO
FABRICAÇÃO
PREPARAÇÃO DA
MATÉRIA-PRIMA
1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
PÓ
CORPO POROSO
(alto grau de empacotamento e 
homogeneidade)
DEFEITOS, DESCONTINUIDADES
ordem de grandeza muita vezes superior a defeitos da Estrutura Cristalina
PROPRIEDADES
por exemplo: mecânicas, ópticas
1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
• Extração: argila, 
feldspatos, caulim, etc. 
• Maturação: estabilizar as 
matérias-primas (argila)
• Cominuição: matéria-
prima com tamanho de 
partícula e distribuição 
granulométrica;
MATÉRIA-PRIMA
BENEFICIAMENTO
PÓ
Extração
Maturação
Cominuição
1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO
1. INTRODUÇÃO
EXEMPLO DE OBTENÇÃO DE PÓ PARA 
POSTERIOR CONFORMAÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
EXTRAÇÃO/BENEFICIAMENTO
DA MATÉRIA-PRIMA
MOAGEM/FORMULAÇÃO
CONFORMAÇÃO
SECAGEM/EXTRAÇÃO DE 
ADITIVOS
QUEIMA
PRODUTO FINAL
FLUXOGRAMA DO 
PROCESSAMENTO TÍPICO 
DE MATERIAIS CERÂMICOS
1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
Importância: para ser selecionado, um material deve:
1. Apresentar as propriedades adequadas
Compromisso entre propriedades
2. Possa ser processado na forma desejável
3. Seja economicamente viável (matéria-prima e processo de fabricação)
- avaliar relação: resistência/densidade
- confiabilidade
4. Possa ser reciclado (impacto ambiental)
1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO
1. INTRODUÇÃO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
ESTRUTURA PROPRIEDADES
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
1. INTRODUÇÃO
1.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO
RESUMO
Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
1. Cite 6 processos de fabricação de materiais cerâmico. Como eles diferem entre si?
2. Em que basicamente os processos de fabricação de materiais cerâmicos diferem dos processos para outros 
materiais?
3. Quais as diferenças entre os processos de fabricação de materiais cerâmicos tradicionais e os aplicados a materiais 
cerâmicos avançados? Qual a tendência.
4. Como se relaciona a estrutura, as propriedades e os processos de fabricação para os materiais cerâmicos?
5. Em que estaria baseada a mudança de propriedades de um mesmo material processado por diferentes técnicas?
6. Faça um fluxograma genérico do processamento de materiais cerâmicos e acrescente um pequeno comentários sobre 
cada etapa e suas finalidades.
7. Cite 5 produtos cerâmicos e relacione-os com seus processos de fabricação.
8. Cite algumas características típicas dos materiais cerâmicos que estão associadas ao seu processo de fabricação.
9. Cite alguns critérios para a escolha do processo de fabricação. 
10. Faça uma comparação entre os custos de alguns pós cerâmicos
1. INTRODUÇÃO
1.4 EXERCÍCIOS