Aula 2 - Materias_Primas_Ceramicas b

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Matérias Primas Cerâmicas
EMT002–Materiais Cerâmicos
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
Curso de Engenharia de Materiais
Prof. D. Thomazini 1
Objetivos
 Mostrar os tipos de matérias primas:
 Naturais;
 Artificiais.
 Os tipos de minerais naturais e sua formação;
 Os tipos de materiais artificiais e seu processamento.
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Tipos de matérias-primas
 
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Classificação dos materiais cerâmicos
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Matérias Primas Naturais
 As matérias primas naturais são obtidas a partir da crosta 
terrestre;
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Matérias Primas Naturais
 Rochas Ígneas:
 Formada pelo resfriamento do magma da terra;
 Contém muito silicatos
 Rochas Metamórficas;
 Sofrem transformações químicas e físicas;
 Altas temperaturas e pressões;
 Reações no estado sólido;
 Cianita, estaurolita, silimanita, andalusita, e algumas granadas.
 Rochas Sedimentares;
 Pequenas partículas de cristais ou precipitados ficam 
cimentados;
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http://pt.wikipedia.org/wiki/Cianita
http://pt.wikipedia.org/wiki/Estaurolita
http://pt.wikipedia.org/wiki/Silimanite
http://pt.wikipedia.org/wiki/Andaluzita
http://pt.wikipedia.org/wiki/Granada_(mineralogia)
Matérias Primas Naturais
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Matérias Primas Naturais
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Rochas Ígneas
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Rochas Ígneas
Granito: magma resfriado perto da superfície da terra
Riólito: Granito de grãos finos
Obsidiana: vidro vulcânico de composição semelhante a do granito
Basalto: grãos muito finos com rápido resfriamento da lava
Gabro: como o basalto, com grãos maiores
Máfico: Ígnea escura. Granito
Riólito
ObsidianaBasalto
Gabro
Máfico
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http://pt.wikipedia.org/wiki/Granito
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ri%C3%B3lito
http://pt.wikipedia.org/wiki/Obsidiana
http://pt.wikipedia.org/wiki/Basalto
http://pt.wikipedia.org/wiki/Gabro
http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1fico
Rochas Metamórficas
Mármore: Calcário 
Ardósia: grão fino e homogêneo composta por argila ou cinzas vulcânicas
Quatzito: quartzo (mais de 75% como ordem de grandeza)
Gnaisse: deformação de sedimentos arcósicos ou de granitos.
Xisto: argila metamorfizada. argila  folhelho  ardósia  xisto  gnaisse
Itabirito: minério de ferro
Mármore
Ardósia
QuartzitoGnaisse
XistoItabirito
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http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1rmore
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ard%C3%B3sia
http://pt.wikipedia.org/wiki/Quartzito
http://pt.wikipedia.org/wiki/Gnaisse
http://pt.wikipedia.org/wiki/Arcose
http://pt.wikipedia.org/wiki/Granito
http://pt.wikipedia.org/wiki/Xisto
http://pt.wikipedia.org/wiki/Argila
http://pt.wikipedia.org/wiki/Folhelho
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ard%C3%B3sia
http://pt.wikipedia.org/wiki/Gnaisse
http://pt.wikipedia.org/wiki/Itabirito_(geologia)
Rochas Sedimentares
Calcário: > 30% de carbonato de cálcio
Travertino: composta por de calcita, aragonita e limonita
Dolomita:  carbonato de cálcio e magnésio CaMg(CO3)2
Arenito: areias aglutinadas por um cimento natural
Calcáreo
Travertino
Dolomita
Arenito
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http://pt.wikipedia.org/wiki/Calc%C3%A1rio
http://pt.wikipedia.org/wiki/Travertino
http://pt.wikipedia.org/wiki/Calcita
http://pt.wikipedia.org/wiki/Aragonita
http://pt.wikipedia.org/wiki/Limonita
http://pt.wikipedia.org/wiki/Dolomita
http://pt.wikipedia.org/wiki/Carbonato_de_c%C3%A1lcio
http://pt.wikipedia.org/wiki/Magn%C3%A9sio
http://pt.wikipedia.org/wiki/Arenito
Formação das Rochas
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Sílica
 A sílica é a matéria-prima mais importante para a 
indústria cerâmica;
 Revestimentos (vidrados e massas cerâmicas);
 Cimento (agregados);
 Indústria eletroeletrônica (semicondutores – alta pureza);
 Vidros;
 Pirex (SiO2 + B2O3)
 Maior fonte de sílica : AREIA;
 Formas cristalinas (mais comuns): 
 Quartzo, tridimita e cristobalita;
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Silicatos
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Silicato
 Feldspato: 
 70% é utilizado para vidros (fonte de Al2O3);
 Caolinita: argilo-mineral de alumínio hidratado
 Porcelana, papel e borracha;
 Mica: alta rigidez dielétrica e estabilidade química
 Uso em capacitores e isolantes.
 Mulita: composto Al2O3 - SiO2
 Blocos refratários
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http://pt.wikipedia.org/wiki/Feldspato
http://pt.wikipedia.org/wiki/Argilomineral
Tipos de Silicatos
 Unidade fundamental: tetraedros
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Silicatos
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Silicato / Vidros
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Silicatos Simples
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Silicatos
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Silicatos em camadas
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Argilas
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 Alteração do feldspato;
 Branca ou vermelha;
 Tipos:
 Caulinita;
 Esmectita;
 Montmorilonita;
 Illitas.
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Caulinita
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 Argilo-mineral de alumínio hidratado;
 Altamente branco
 Feldspato → Caulinita
 2 KAlSi3O8 + 11 H2O Al→ 2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+ + 2OH-
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Caulinita
 Formula geral:
 Al2Si2O5(OH)4 ou Al2O3.2SiO2.2H2O;
 Principal componentes das argilas puras;
 Formato: pequenas placas hexagonais;
 Muito branca (alva).
 Usos:
 Porcelana;
 Cerâmica;
 Comprimidos;
 Papel.
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Montmorilonita
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 Composta por camadas: 1 gibsita e 2 sílica;
  Silicato de alumínio, magnésio e cálcio hidratado:
 (Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2.nH2O
(P
ai
va
, 2
00
8)
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Bentonita
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 Granulometria muito reduzida;
 Mistura de argilas:
 Montmorilonita (60-80%);
 Caulinita, Quartzo, Pirita, Feldspato, Calcita;
 São denominadas pelo íon predominante:
 Al
 Na: incha com a adição de água
 K
 Ca: tipo mais abundante
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Argilas
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 Natural:
 Pode ser usada sem adição de outros materiais.
 Refratária:
 Resistência a altas temperaturas (alto teor de alumina);
 Caulim:
 Branca. Base na produção de porcelanas. Funde a 1800°C.
 Argila de bola(ball-clay): 
 Secundária. Alta plasticidade. Preta ou azul (alta quantidade 
de orgânicos).
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Argilas
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 Grés:
 Fina, plástica, refratária. Vitrificam em 1200-1300ºC. Feldspato.
 Vermelha:
 Plástica. Alto teor de ferro. Resistem até 1100ºC.
 Bentonita:
 Origem vulcânica. Plástica. Mais sílica que alumina. Aumenta 
seu volume em 10-15vezes qdo misturada com água. Funde 
1200°C.
 Expandida:
 Produzidas em fornos rotativos. Produzem produtos leves, 
refratárias, inércia química
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Cerâmica Vermelha
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 Compreende materiais com coloração avermelhada em 
pregados na construção civil (tijolos, blocos, telhas, 
elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e argilas 
expandidas), e também utensílios de uso doméstico e de 
decoração. Segmento formado em geral pelas olarias e 
fábricas de louças de barro;
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Cerâmica Branca
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 Grupo bastante diversificado, o qual compreende os 
produtos obtidos a partir de uma massa de coloração 
branca, em geral recobertos por uma camada vítrea 
transparente e incolor, como por exemplo, louça de mesa, 
louça sanitária e isoladores elétricos;
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Cerâmica de Revestimento
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 Responsável pela produção de materiais na forma de 
placas, usados na construção civil para revestimento de 
paredes, pisos, bancadas e piscinas de ambientes internos 
e externos, os quais recebem diversas designações, tais 
como: azulejo, pastilha, porcelanato, grês, lajota, piso, etc;
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Vidrados (ou fritas)
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 Importantes matérias-primas de acabamento para 
diversos segmentos cerâmicos que requerem 
determinados acabamentos. Constituídas por um vidro 
moído, são fabricadas por indústrias especializadas a 
partir da fusão da mistura de diferentes matérias-primas. 
É aplicada na superfície do corpo cerâmico que, após a 
queima, adquire aspecto vítreo, com o objetivo de 
melhorar a estética, tornar a peça impermeável, aumentar 
a resistência mecânica e melhorar outras características;
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CorantesProf. D. Thomazini 
 Constituem-se de óxidos puros ou pigmentos 
inorgânicos sintéticos obtidos a partir da mistura de 
óxidos ou de seus compostos. Os pigmentos são 
fabricados por empresas especializadas, inclusive por 
muitas das que produzem fritas, cuja obtenção envolve a 
mistura das matérias-primas, calcinação e moagem. Os 
corantes são adicionados aos esmaltes (vidrados) ou aos 
corpos cerâmicos para conferir-lhes colorações das mais 
diversas tonalidades e efeitos especiais;
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Tipos de Silicatos
 Tetraedros:
 Si no centro e O nos vértices;
 Ortosilicatos:
 Refratários.;
 Elevado ponto de amolecimento;
 Estrutura com boa estabilidade.
 Dissilicatos:
 Estrutura em formato de folhas;
 Base dos argilo-minerais;
 Essa estrutura causa clivagem perfeita paralela ao plano ab.
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Tipos de Silicatos - Argilo-mineral
 Fórmula geral:
 [Al3+a-y + Fe3+b + Mq2+d][Al3+y + Si4-y],O10[OH]2 X0,33
 Onde a-y+b+d = nro de íons octaédricos
 0,33 é a quantidade de bases trocáveis.
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Silicato – Argilas e Caulim
 Principal componente das cerâmicas tradicionais;
Tipo Uso Produção 
anual
Comentários
Argila branca Piso e tijolo 1,3 Argila plástica, aumenta a 
trabalhabilidade
Bentonita Louças sanitárias
Ligante em areia de fundição
absorvente
Argila vermelha Tijolo e cimento Presença de Fe2O3
Argila refratária Refratários Presença de Al2O3 e SíO2
Terra de Fuller Absorvente Absorve óleo, sujeira e 
contaminantes
Caolim Papel Confere a brancura do papel
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Silicato - Feldspato
 Corresponde a 60% da crosta terrestre;
 Em 2006, a produção do Brasil foi de 123.000 T;
 No vidro, aumenta resistência ao choque e riscos;
 Em louças, produz um fase vítrea (  resistência e 
transparência);
 Beneficiamento:
 Extração da mina;
 Flotação (separação dos minerais);
 Secagem;
 Moagem:
 #20 : Vidros;
 #200 : Cerâmica.
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Silicato - Mica
 Consiste em um grupo de 37 minerais
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Silicato - Mica
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Silicato - Mulita
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Silicato - Mulita
 Mulita = 3 Al2O3.2 SiO2
 Não existe em quantidade abundante na natureza;
 É utilizada em aplicações de altas temperaturas:
 Baixo coeficiente de expansão;
 Alta resistência ao choque térmico;
 Alta resistência a fluência em altas temperaturas;
 Não reage com vidro ou metal fundido;
 Alta resistência a corrosão;
 É produzida de duas formas:
 Sinterização ou
 Fusão.
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Silicato - Mulita
 Sinterização:
 Cianita (Al2OSiO4) + Bauxita + Caulim;
 T = 1600°C;
 85-90% de mulita.
 Fusão:
 Alumina + Caulim:
 Forno arco-elétrico;
 1750°C;
 >95% mulita.
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Matérias Primas Sintéticas
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Óxidos
 Praticamente os óxidos de alta pureza são produzidos 
artificialmente;
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Cerâmicas Estruturais
 Alumina (Al2O3)
 Zircônia (ZrO2)
 Nitreto de Silício (Si3N4)
 Carbeto de Silício (SiC)
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Alumina
 Locais de produção no mundo
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Alumina – Processo Bayer
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Alumina
Bauxita
(40 – 60% de Al2O3) 
+ Si4+ + Ti4+ + Fe3+
Gibsita
(Al(OH)3)
Alumina
(Al2O3)
NaOH
(175°C)
Dissolução
1050°C
Calcinação
+ H2O
Alumínio
Eletrólise
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Alumina
 Al2O3 (coríndon) é a matéria prima cerâmica sintética 
mais utilizada no mundo;
 É produzida a partir do Processo Bayer (Karl Josef Bayer 
em 1888);
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Alumina
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Microestrutura típica de uma alumina densa
Alumina
 Alumina (Al2O3)
 Coríndon (mineral)
 Cr3+: rubi;
 Ti4+: safira.
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Alumina
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Magnésia
 Ocorre na forma natural de periclásio (MgO):
 Produzida pela decomposição da dolomita (CaMg(CO3)2), ou;
 pela magnesita (MgCO3) e hidróxido de magnésio (Mg(OH)2).
 Contém várias impurezas:
 Silica, ferro, aluminio, manganês e cálcio.
 Calcinação do MgCO3
 800 a 900°C : altamente reativa;
 Abaixo de 1700°C: sinterizada
 Pode ser produzida da água do mar: 1,28g Mg2+/kg;
 Mg2+(aq) + 2(OH)-(aq)  Mg(OH)2(s) 
 Principal aplicação: usado em revestimento refratários
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Zircônia
 Tem como fonte ZrSiO4 (encontrada em granitos e 
pergmatitos);
 Dissocia em 1700ºC em ZrO2 e SiO2 (em plasma);
 Fusão em arco elétrico 2100-2300°C
 Pergmatitos decompostos: Brasil e Madagascar;
 Aplicações:
 Tesouras e facas, selos e válvulas, implantes ortopédicos, 
refratários, eletrônicos (sensores), gemas sintéticas.
 http://www.youtube.com/watch?v=JFnT5INymiY
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http://www.youtube.com/watch?v=JFnT5INymiY
Zircônia
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Zircônia
 Derivada do Zircão (ZrSiO4);
 Estrutura da fluorita (AmXp);
 Elementos de aquecimento (>1000°C até 2000°C);
 Sensor de oxigênio (condução de O2-);
 Tf = 2677°C;
 Tenacificador (quando adicionada à Al2O3);
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Diagrama de fase (ZrO2 – CaO)
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Zircônia - Aplicações
Sonda Lambda : Sensor de oxigênio
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Zircônia - Estrutura
Nro de Coordenação:
Cátions: 8
Ânions: 4
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Zircônia - Tenacificador
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Carbeto de Silício
 Artificial:
 SiO2 (s) + 3C (s) SiC (s) + 2CO (g)→
 Aplicações:
 Elemento de aquecimento;
 Abrasivo para corte;
 Reforço em compósitos cerâmicos (Al2O3/SiC);
 Eletrônica (semicondutor);
Elemento resistivo Disco de corte Selo mecânico
Espuma
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Carbeto de Silício
Prof. D. Thomazini63
Carbeto de Silício
 Estrutura cristalina
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Nitreto de Silício
 Material artificial;
 -Si3N4
 -Si3N4
 Ferramentas de corte de alta velocidade;
Cantilever de AFM Ferramentas de corte
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Carbeto de Boro (B4C)
 Material artificial;
 Produzido pela carboredução do B2O3 em forno elétrico;
 Um dos materiais mais duros (diamante, BN, B4C);
 Estrutura romboedral ( =  =   90°).
 Aplicações:
 Revestimento de tanques;
 Coletes a prova de bala;
 Meio de moagem;
 Atomizadores.
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Comparativo
Material K
()

()
KIC
()
R
(MPa)
Custo (US$/
kg)
Al2O3 39 7,4 4,2-5,9 282-551 28,65
ZrO2 2,0-3,3 9,6 7,0-12,0 800-1500 50,00
SiC 80 4,6 4,8-6,1 230-825 100,00
Si3N4 29 2,7 4,1-6,0 700-1000 100,00
Aço 1020 51,9 11,7 54,0 395 0,85-1,45
K: condutividade térmica;
: coeficiente de expansão térmica
KIC: tenacidade a fratura;
R: tensão de ruptura
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Titânia
 Fases RUTILO e ANATASE
 Fonte: Rochas ígneas (granito) e metamórficas (Gnaisse), 
areia;
 Reação da ilminita (FeTiO3)
Calcinação à 1000°C  TiO2
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Não-óxidos
 Não ocorrem na natureza:
 Combinação entre metal e não-metal em altas temperaturas;
 Redução carbotermal  não-metal
 SiC:Abrasives, harsh-environment electronic packing
 TiC: Bearings, cutting tools
 AlN: Electronic packaging, crucibles
 Si3N4: Future gas-turbine and diesel engine components
 ZrB2: Crucibles and thermowell tubes (steel)
 WC: Abrasives, cutting tools
 C: Graphite: solid lubricant; diamond: abrasive
Prof. D. Thomazini69
Bibliografia
 Alcoa, 
http://www.alcoa.com/brazil/pt/custom_page/mercados_alumina_processo_resumo.asp, 
acesso em 09 de maio de 2010.
 Brazil Feldspar Production, in http://www.indexmundi.com/minerals/?country=br&product=
feldspar&graph=production , acesso em 08 de maio de 2010
 R. R. Monteiro , A. C. S. Sabioni, G. M. da Costa, Preparação de mulita a partir do mineral 
topázio, Cerâmica, 50 (2004) 318-323.
 Zirconia, http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=133
Prof. D. Thomazini70
http://www.alcoa.com/brazil/pt/custom_page/mercados_alumina_processo_resumo.asp
http://www.indexmundi.com/minerals/?country=br&product=feldspar&graph=production
http://www.indexmundi.com/minerals/?country=br&product=feldspar&graph=production
http://www.indexmundi.com/minerals/?country=br&product=feldspar&graph=productionhttp://www.indexmundi.com/minerals/?country=br&product=feldspar&graph=production
http://www.indexmundi.com/minerals/?country=br&product=feldspar&graph=production
http://www.indexmundi.com/minerals/?country=br&product=feldspar&graph=production
http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=133
	Slide 1
	Objetivos
	Tipos de matérias-primas
	Classificação dos materiais cerâmicos
	Matérias Primas Naturais
	Matérias Primas Naturais
	Slide 7
	Slide 8
	Rochas Ígneas
	Rochas Ígneas
	Rochas Metamórficas
	Rochas Sedimentares
	Formação das Rochas
	Sílica
	Silicatos
	Silicato
	Tipos de Silicatos
	Silicatos
	Silicato / Vidros
	Silicatos Simples
	Silicatos
	Silicatos em camadas
	Argilas
	Caulinita
	Caulinita_clipboard0
	Montmorilonita
	Bentonita
	Argilas
	Argilas
	Cerâmica Vermelha
	Cerâmica Branca
	Cerâmica de Revestimento
	Vidrados (ou fritas)
	Corantes
	Tipos de Silicatos
	Tipos de Silicatos - Argilo-mineral
	Silicato – Argilas e Caulim
	Silicato - Feldspato
	Silicato - Mica
	Silicato - Mica
	Silicato - Mulita
	Silicato - Mulita
	Silicato - Mulita
	Matérias Primas Sintéticas
	Óxidos
	Cerâmicas Estruturais
	Alumina
	Alumina – Processo Bayer
	Alumina
	Alumina
	Alumina
	Alumina
	Alumina
	Magnésia
	Zircônia
	Zircônia
	Zircônia
	Diagrama de fase (ZrO2 – CaO)
	Zircônia - Aplicações
	Zircônia - Estrutura
	Zircônia - Tenacificador
	Carbeto de Silício
	Carbeto de Silício
	Carbeto de Silício
	Nitreto de Silício
	Carbeto de Boro (B4C)
	Comparativo
	Titânia
	Não-óxidos
	Bibliografia