proc mat ceramicos

INTRODUÇÃO AO PROCESSO DE OBTENÇÃO INTRODUÇÃO AO PROCESSO DE OBTENÇÃO

DOS MATERIAIS CERÂMICOSDOS MATERIAIS CERÂMICOS

Profa. Ms. Helainne T. Girão

II Semana da Química da II Semana da Química da Faculdade de Educação de Faculdade de Educação de Crateús – FAEC - UECECrateús – FAEC - UECE

26 a 30 de Agosto de 2013

Universidade Estadual do Ceará

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Indrodução

O que é Cerâmica?

Cerâmica vem do grego “keramikos (κεραμικός)” que significa “material queimado”, indicando a necessidade de tratamento térmico para adequar as propriedades

Introdução

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Numa definição simplificada, materiais cerâmicos são compostos de elementos metálicos e não metálicos, com exceção do carbono.

Muitos materiais cerâmicos têm elevado ponto de fusão e apresentam dificuldade de conformação passando pelo estado líquido.

Classificação

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Cerâmicas Tradicionais

Barro, Argila, Porcelana, Ladrilhos, Tijolos,etc...

Cerâmicas Avançadas

Utilizadas em inúmeras aplicações tecnológicas tais como encapsulamento de chips, isolamento térmico do ônibus espacial, revestimento de peças, Biomateriais, etc.

Classificação

5

Classificação

6

Convencionais

Estruturais

Vidros

Louças

Cimentos

Avançadas

Eletrônicos

Ópticos

Biomateriais

Características Gerais

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o Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços.

o Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e

polímeros.

o São menos densas que a maioria dos metais e suas

ligas.

o Os materiais usados na produção das cerâmicas são

abundantes e mais baratos.

Propriedades dos Materiais

Característica de um material expressa em termo de resposta medida por um estímulo específico na qual é imposto.

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Propriedades dos Materiais

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Propriedades dos Materiais1. Propriedades Ópticas

1. Ópticas :

Usa como estimulo a radiação eletromagnética ou luminosa, ocasionando índice de refração e refletividade;

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Propriedades dos Materiais 1. Propriedades Ópticas

Descreve a maneira com que um material se comporta quando exposto a luz. Assim, um material pode ser:

o Transparenteo Translúcidoo Opaco

Propriedades dos Materiais 1. Propriedades Ópticas

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Propriedades dos Materiais 1. Propriedades Ópticas

13

Propriedades dos Materiais1. Propriedades Ópticas

Dois mecanismos importantes da interação da luz com a partícula em um sólido são:

o Polarizaçãoo Transição de elétrons entre diferentes níveis de

energia.

Propriedades dos Materiais1. Propriedades Ópticas

PolarizaçãoDistorção de uma nuvem de elétrons de um átomo por um campo elétrico. Alinhamento de dipolos.

Absorção de energia (deformação elástica), resultando em aquecimento

Propagação de ondas eletromagnéticas (radiação eletromagnética)

Propriedades dos Materiais1. Propriedades Ópticas

Fotocondutividade Responsável pelas cores que observamos nos materiais

Banda de valência

Banda de condução

Luz visível Faixa de energia 1,8 a 3,1eV

Propriedades dos Materiais1.Propriedades Óticas –Aplicação

o Transparência – Janelas, lentes, artigos de

laboratório etc.

o Conversão de luz em eletricidade – Laser, eletrônica

(LED’s).

o Luminescência – Lâmpadas elétricas e telas de TV.

o Reflexão – Fibras óticas (telefonia, TV a cabo etc).

Propriedades dos Materiais2. Propriedades Elétricas

2. Elétricas:

O campo elétrico é estimulo para a condutividade elétrica e a constante dielétrica.

A taxa de aplicação e duração da aplicação do campo Elétrico depende da espessura e geometria da amostra.

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Propriedades dos Materiais:2. Propriedades Elétricas

As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser:

o isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2)

o semicondutores: SiC, B4C

o supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11

Propriedades dos Materiais2. Propriedades Elétricas

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Piezeletricidade

Quando determinado material é induzido a polarização e um campo elétrico é estabelecido através de uma amostra pela aplicação de forças externas.

Propriedades dos Materiais2. Propriedades Elétricas

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Outras Características Elétricas dos Materiais:

Ferroeletricidade– Definição: Materiais dielétricos

com polarização espontânea, isto é, polarização na ausência de campo.

– Ex. BaTiO3 (Perovskita)

– OBS: Acima de 127ºC, torna-se cúbica

Tc

Propriedades dos Materiais2. Propriedades Elétricas

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Cerâmicas 60 Hz 1 MHzCerâmicas a base de Titanatos - 15 – 10000

Mica - 5,4 - 8,7

Sílica Fundida 4,0 3,8

Porcelana 6,0 6,0

Polietileno 2,3 2,3

Nylon 6,0 6,0

Hidroxiapatite - 5,8 (filme)

Propriedades dos Materiais3. Propriedades Magnéticas

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Magnetismo– Fenômeno, segundo a qual os materiais impõe uma

força ou influência atrativa ou repulsiva sobre outros materiais.

Dipolos Magnéticos– As forças magnéticas são geradas pelos

movimentos de partículas carregadas eletricamente.

Propriedades dos Materiais 3. Propriedades Magnéticas

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Propriedades dos Materiais3. Propriedades Magnéticas

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As propriedades magnéticas macroscópicas dos materiais são uma consequência dos momentos magnéticos que estão associados aos e- individuais.

Momento magnético líquido de um átomo é a soma dos momentos magnéticos de cada um dos seus elétrons constituintes.

OBS: Átomos que possuem camadas eletrônicas totalmente preenchidas não são capazes de serem magnetizados permanentemente . (Ex.: gases inertes como He, Ne, Ar, etc..

3. Propriedades Magnéticas :Tipos de Magnetismo

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Diamagnetismo:

Forma muito fraca de magnetismo que é não permanente e que persiste somente enquanto um campo externo está sendo aplicado.;

Paramagnetismo: Uma forma relativamente fraca de magnetismo que resulta do alinhamento independente dos dipolos atômicos.

3. Propriedades Magnéticas :Tipos de Magnetismo

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Ferromagnetismo:

Materiais metálicos possuem momento magnético permanente na ausência de campo externo, manifestando magnetizações muito grandes e permanentes.

H = 0

OBS: Materiais dia e paramagnéticos são considerados não-magnéticos, pois exibem magnetização só quando se encontram em presença de campo externo.

Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas

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Representa em termos de Capacidade Calorífica e condutividade Térmica;

Entende-se como a resposta de um material à aplicação de calor.

Calor

T α

Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas

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oAs mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:

o Capacidade calorífica ( ⇑ )

o Coeficiente de expansão térmica ( ⇓ )

o Condutividade térmicaátomos

Ligação Química

Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas

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Capacidade Calorífica

Propriedade que serve como indicativo da habilidade de um determinado material tem para absorver na sua vizinhança.

dT

dQC = Energia exigida para produzir

uma variação de temperatura

Cal / mol.K ou J / mol.K

OBS: Por unidade de massa representa o calor específico (J / Kg.K)

Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas

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o Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços.

o Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e

polímeros.

o São menos densas que a maioria dos metais e suas

ligas.

o Os materiais usados na produção das cerâmicas são

abundantes e mais baratos.

Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas

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Material Capacidade calorífica (J/Kg.K)

Coeficiente linear de expansão térmica ((°C)-1x10-

6)

Condutividade térmica (W/m.K)

Alumínio 900 23,6 247

Cobre 386 16,5 398

Alumina (Al2O3) 775 8,8 30,1

Sílica fundida (SiO2) 740 0,5 2,0

Vidro de cal de soda 840 9,0 1,7

Polietileno 2100 60-220 0,38

Poliestireno 1360 50-85 0,13

Propriedades dos Materiais4. Propriedades Térmicas - Aplicação

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Uma interessante aplicação, que leva em conta as propriedades térmicas das cerâmicas, é o seu uso na indústria aeroespacial.

Revestimento exterior

com fibra amorfas de

sílica de alta pureza.

Espessura: 1,27-8,89cm

Temperatura °C* Temperaturas de subida

Propriedade dos Materiais5. Propriedades Mecânicas

Descreve a maneira como um material responde a

aplicação de força, carga e impacto.

Os materiais cerâmicos são:o Duroso Resistentes ao desgasteo Resistentes à corrosãoo Frágeis (não sofrem deformação plástica)

Propriedade dos Materiais 5. Propriedades Mecânicas –Aplicação

o Componentes de motores de automóveis.

o Ferramentas de corte.

o Blindagem de veículos militares.

o Estruturas de aeronaves.

o Construções civis.

o Abrasivos para polimentos.

Processamento dos materiais

O processamento de materiais cerâmicos à base de argila é feito a partir da compactação de pós ou partículas e aquecimento à temperaturas apropriadas.

Principais etapas:

Preparação da matéria-primaTamanho e pureza controlados

Moldagem (conformação) Hidroplástica ou fundição por suspensão

Secagem Eliminação de água ou ligantes

Sinterização Tratamento térmico

Processamento dos materiais

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Processamento de Materiais

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Processamento dos materiais

Prensagem do pó

Fabricação de argilosos, não-argilosos.

Cerâmicas eletrônicas. Cerâmicas

magnéticas.

Compactação através de pressão.

Grau de compactação X espaço vazio

(partículas)

Fundição em fita

Produção de substratos para circuito integrados e capacitores. Lâminas delgadas são produzidas através de fundição.

Processamento - Prensagem do Pó

Três procedimentos básicos

Uniaxial

Compactação do pó em molde metálico. Pressão aplicada em

uma única direção

Isostático

Material pulverizado contido em envelope de

borracha.Pressão feita por fluido

aplicado isostaticamente.

Prensagem a quente

Conformação e sinterização ao mesmo

tempo.Temperatura e pressão

uniaxial.

Processamento – Fundição em Fita

A mistura passa por uma lâmina, a qual regula a espessura do filme, sendo derramada numa esteira rolante. O filme é seco em um forno e as lâminas são posteriormente separadas.

Técnicas de Caracterizações

Ópticas;

Térmicas; Mecanicas; Elétricas;

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Seleção de Materiais

Propriedades Físicas, Químicas e Mecânicas;

Resistência;

Módulo Elasticidade, Torsão ou Flexão (↓ Carga- Elastômeros);

Fadiga (suportar esforços sem provocar trincas - poliuretano, poliestér e metais em geral);

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Exemplos de caracterizações das amostras.

44

Hidroxiapatita

Ca10(PO4)6(OH)2

Gráfico HAP eHAP Comercial

Exemplos de caracterizações das amostras.

45 Micrografias de HAP

Exemplos de caracterizações das amostras.

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Intensidade (u.a.)

Energia (Kev)

Exemplos de caracterizações das amostras.

47

Exemplos de caracterizações das amostras.

Espectroscopia

Raman –

caracterização

Óptica

Bi4Ti3O12

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Exemplos de caracterizações das amostras.

Espectroscopia

Raman –

caracterização

Óptica

Bi4Ti3O12

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Sites interessantes

http://www.materiais.ufc.br/ - Eng. de Materiais www.fisica.ufc.br/ http://www.ppgeti.ufc.br/ - Eng. De Teleinformática www.deq.ufc.br/deq/deq_ppgeq_programa.php - Eng. Química www.pgquim.ufc.br – Química www.ppgo.ufc.br – Odontologia www.bioquimica.ufc.br – Bioquímica www.ppgb.ufc.br – Boitecnologia www.labomar.ufc.br – Ciencias Marinhas Tropicais – Labomar www.fitotecnia.ufc.br – Agronomia: Fitotecnia www.solos.ufc.br – Agronomia: Solos e Nutrição de Plantas

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Bibliografia

http://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-051j-materials-for-biomedical-applications-spring-2006/lecture-notes/lecture1.pdf

http://www.uweb.engr.washington.edu/research/tutorials/introbiomat.html Ferreira Junior, L. D, Desenvolvimento e Aplicações de

biocerâmicas, Apresentação no Power Point, UFC, Fortaleza, 2007. Luiz Henrique Catalani, Introdução à ciência dos biomateriais, Apresentação em PDF, USP, São Paulo. Silva, C.C, Introdução aos Biomateriais, Apresentação no Power Point, UFC, Fortaleza, 2007. http://www.scielo.br/pdf/po/v15n1/24189.pdf A

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