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ESTUDO DA MICROESTRUTURA DE CERÂMICAS POROSAS DE ALUMINA A 1450ºC E 1550ºC
A. G. S. Galdino(1), M. H. Prado da Silva(2), R. E. F. Q. Nogueira(2)
R. Mendeleiev, S/N, FEM – DEF, Cidade Universitária Zeferino Vaz – Barão Geraldo – 13083-970 – Campinas – SP – [email protected]
(1) Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP (2) Universidade Federal do Ceará - UFC
RESUMO
O interesse em cerâmicas porosas vem aumentando à medida que novos
processos vão sendo desenvolvidos e as aplicações decorrentes representam
oportunidades tecnológicas e econômicas substanciais. As cerâmicas porosas vêm
sendo empregadas em várias aplicações: separadores de células de bateria,
queimadores, filtros, sensores de gás, biomateriais, dentre outras. Assim, o objetivo
deste trabalho foi avaliar a microestrutura de cerâmicas porosas de alumina com 3
diferentes granulometrias. As peças porosas foram obtidas pelos métodos da
esponja polimérica e de adição de cera polimérica, e posteriormente sinterizadas a
1450ºC e 1550ºC por duas horas. Os ensaios realizados foram difração de raios – X
(DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados obtidos
mostraram-se satisfatórios com os da literatura, o que permitiu estudos posteriores
sobre as propriedades mecânicas destas, além da comparação entre os dois
métodos.
Palavras-chave: Cerâmicas porosas, alumina, microestrutura, método da esponja
polimérica, método da adição de cera polimérica
INTRODUÇÃO
Materiais porosos têm sido utilizados em várias aplicações, tais como: filtros
para gás quente, membranas para processos químicos, isolantes térmicos, sensores
térmicos, biomateriais, dentre outras (1). Entre as matérias-primas utilizadas para a
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fabricação de cerâmicas porosas, a alumina tem sido bastante utilizada devido a
algumas de sua propriedades, a saber: alta dureza, elevada resistência ao desgaste,
baixo coeficiente de atrito, alta resistência à corrosão ao ar tanto à temperatura
ambiente como em altas temperaturas, a ausência de transformações no estado
sólido, e pelo fato que o material mantém sua resistência mecânica mesmo a altas
temperaturas (1500ºC – 1700ºC) (2).
O estudo da influência da porosidade sobre as propriedades das peças
cerâmicas é de fundamental importância na determinação da aplicação e da
qualidade do produto, uma vez os poros funcionam como caminho para evolução de
trincas (3). A porosidade está quase sempre presente em materiais cerâmicos
sinterizados, onde os poros presentes inicialmente podem mudar de forma,
tornando-se canais ou esferas isoladas, sem necessariamente haver alteração de
tamanho. À medida em que o processo de sinterização ocorre, tanto a forma quanto
o tamanho dos poros são alterados, tornando-se muito menores e mais esféricos (4).
A porosidade (p) é, então, definida como a fração de volume de poros presentes, ou
seja, é a razão entre o volume de vazios e o volume total da peça, como mostrado
na equação (A).
SV
V
VVVp+
= (A)
onde VV é o volume de poros presentes, VS é o volume ocupado apenas pelo sólido
e VV + VS é o volume total do corpo cerâmico (5).
Há vários métodos para se produzir cerâmicas porosas (6), (7), (8). Dois desses
métodos têm sido bastante empregados, a saber: o método da esponja polimérica e
o de adição de ceras. O método da esponja polimérica consiste, resumidamente, na
impregnação de uma esponja polimérica com pasta cerâmica e a estrutura porosa
obtida é uma cerâmica reticulada composta de vazios interconectados rodeados por
uma rede cerâmica (5). O método de adição de ceras consiste na adição de ceras,
naturais ou sintéticas, aos materiais cerâmicos antes do processo de compactação,
com a função de criar poros com a saída dos componentes orgânicos nas primeiras
etapas de queima. A cera também pode ser utilizada como componente majoritário
do ligante quando se deseja uma baixa viscosidade da mistura. Alguns exemplos de
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ceras utilizadas são: cera de abelha, cera de polietileno, entre outros (5). Outros
aditivos orgânicos são utilizados, como amido e casca de amêndoa (8).
O objetivo deste trabalho é caracterizar corpos cerâmicos de alumina porosa,
confeccionados pelos métodos da esponja polimérica e adição de cera polimérica
para alumina com três diferentes granulometrias.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
Os materiais utilizados neste trabalho foram três aluminas com diferentes
granulometrias, fornecidas pela empresa Baikowski Mallakoff, do grupo Reynolds (a
saber as aluminas RC-LS, ERC e RC-HPT), além de bicarbonato de sódio P. A. da
Vetec, álcool comercial da Cooperalcool INPM 92,8º, água destilada e cera
polimérica Licowax 520 da Clariant S/A, gentilmente cedidos pelo Laboratório de
Biomateriais do DEMP da Universidade Federal do Ceará. A Tabela I mostra as
características químicas e físicas das aluminas utilizadas, fornecidas pelo fabricante.
Tabela I – Características químicas e físicas dos pós de Al2O3TEOR DE IMPUREZAS
Pó Pureza (%)
Densidade após
queima (g/cm3)
Área Superficial
(m2/g) Na2O SiO2 Fe2O3 CaO MgO
RC – LS 99,75 3,85* 3,3 0,060 0,050 0,013 0,040 0,002ERC 99,8 3,92** 7,5 0,050 0,035 0,015 0,035 0,002
RC – HPT 99,97 3,83** 3,5 – 4,5 N/D N/D N/D N/D N/D * - Sinterizado a 1620ºC, por uma hora. ** - Sinterizado a 1510ºC, por duas horas.
Métodos
Para a confecção de corpos de prova pelo método da esponja polimérica,
utilizou-se o método descrito por Saggio-Woyansky (6). O fluxograma deste método
está descrito em trabalho desenvolvido por Galdino et al. (9). O bicarbonato de sódio,
o álcool e a água foram utilizados para preparar a lama; o bicarbonato de sódio foi
utilizado como agente reológico e o álcool foi utilizado como ligante, na proporção de
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40% em volume, juntamente com 60% de água em volume. Os corpos de prova com
dimensões de 20x17x17 mm3 foram pré-sinterizados a 550ºC para retirada da
esponja polimérica, em rampa de aquecimento de 0,5ºC/min e em seguida
sinterizados a 1450ºC e 1550ºC, em rampa de aquecimento de 5ºC/min,
permanecendo em tais temperaturas por duas horas contínuas. Para a retirada da
esponja polimérica utilizou-se um forno EDG de 1300ºC e um forno Maitec de
1600ºC para a sinterização dos corpos de prova. O resfriamento aconteceu
naturalmente durante a noite até a temperatura ambiente.
Para a confecção de corpos de prova pelo método da adição de cera
polimérica, as aluminas foram peneiradas em peneira ABNT com 710 µm de
abertura e posteriormente misturadas com a cera. Não houve adição de bicarbonato
de sódio em tais corpos de prova. Os corpos cerâmicos com dimensões de 12 mm
de diâmetro e 10 mm de altura foram confeccionados por prensagem uniaxial
(pressão de 40 MPa). Estes possuíam 70% em volume de alumina e 30% em
volume de cera. Em seguida, foram aquecidos até 550ºC em rampa de aquecimento
de 0,5ºC/min para eliminação da cera polimérica e sinterizados a 1450ºC e 1550ºC a
5ºC/min, onde permaneceram em tais temperaturas por duas horas contínuas. O
resfriamento aconteceu naturalmente durante a noite até a temperatura ambiente.
Os fornos utilizados foram os mesmos utilizados para o método da esponja
polimérica.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As Figuras 1 e 2 mostram os difratogramas de raios – x dos corpos de prova
confeccionados pelos métodos da esponja polimérica e adição de cera polimérica
respectivamente.
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Figura 1 – Difratogramas de análise de raios – x das amostras (A) RC-LS; (B) ERC
e (C) RC-HPT a 1450ºC (método da esponja polimérica).
Figura 2 – Difratogramas de análise de raios – x das amostras (A) RC-LS; (B) ERC
e (C) RC-HPT a 1550ºC (método de adição de cera polimérica).
Para ambos os métodos, os resultados de difração de raios – x foram idênticos.
Pode-se perceber, então, que há a presença dos principais picos da alumina. Na
amostra RC-LS, houve redução na intensidade dos principais picos do óxido de
sódio; nas amostras ERC e RC-HPT, alguns picos do óxido de sódio não
apareceram após aumento de 100ºC na temperatura de sinterização. Para o óxido
de cálcio, não houve presença de algum pico na amostra RC-LS. Para as amostras
ERC e RC-HPT, pode-se perceber a presença de um pico a 1450ºC; esse pico não
aparece a 1550ºC. Para o óxido de silício, a amostra RC-LS mostra um pico com
maior intensidade a 1550ºC que a 1450ºC. As amostras ERC e RC-HPT, há três
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picos a 1450ºC; a 1550ºC, aparece apenas um pico deste óxido. Pode-se verificar
também que não há presença de bicarbonato de sódio em nenhuma amostra
confeccionada pelo método da esponja polimérica (onde o bicarbonato de sódio foi
utilizado como agente reológico), o que mostra não haver interferência desse
composto químico nas amostras. Esses resultados sugerem que não houve
interferência do método de produção de corpos cerâmicos porosos na estrutura final
das amostras. Portanto, a eliminação dos agentes porogênicos durante as etapas de
queima e sinterização é efetiva e não altera a composição química / estrutura final
dos corpos de prova.
As Figuras 3 a 5 mostram as micrografias, em microscopia eletrônica de
varredura (MEV), dos corpos de prova confeccionados pelo método da esponja
polimérica, enquanto que as Figuras 6 a 8 mostram as micrografias dos corpos de
prova confeccionados pelo método da adição de cera polimérica.
Figura 3 – Microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova das aluminas
(a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1450ºC (método da esponja polimérica).
Figura 4 – Microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova das aluminas
(a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1550ºC (método da esponja polimérica).
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Figura 5 – Microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova das aluminas
(a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1450ºC (método da cera polimérica).
Figura 6 – Microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova das aluminas
(a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1550ºC (método da cera polimérica).
Para as amostras confeccionadas pelo método da esponja polimérica, pode-se
observar que a amostra RC-LS (Figura 3a) não foi bem sinterizada a 1450ºC,
enquanto que a 1550ºC (Figura 4a) há indícios de uma melhor sinterização, embora
a temperatura para uma boa sinterização de aluminas em geral seja igual ou
superior a 1550ºC. Essa observação é evidenciada pela observação de baixa
densificação e pela presença de partículas de alumina individualizadas nas
temperaturas de sinterização mais baixas. Para a amostra ERC (Figura 3b), a
1450ºC o corpo cerâmico não está bem sinterizado. A 1550ºC (Figura 4b), há uma
melhor sinterização com relação à amostra RC-LS a mesma temperatura. Para a
amostra RC-HPT (Figura 3c), a 1450ºC o corpo cerâmico não está sinterizado e, a
1550ºC (Figura 4c), esta amostra apresentou-se melhor sinterizada que as demais
amostras à mesma temperatura.
Para as amostras confeccionadas pelo método da adição de cera polimérica
(Figuras 5 e 6), pode-se observar que o comportamento de sinterização das três
amostras foi semelhante ao daquelas confeccionadas pelo método da esponja
polimérica.
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CONCLUSÕES
Foi comprovado que os métodos da esponja polimérica e de adição de cera
polimérica proporcionam boa distribuição e morfologia de poros, embora não seja
possível, em ambos, controlar a quantidade de poros abertos e fechados. Em termos
comparativos, as micrografias mostram que as amostras obtidas pelo método de
adição de cera polimérica apresentaram menor porosidade do que as do método da
esponja polimérica. Entretanto, em termos de homogeneidade, as amostras obtidas
pelo método da esponja polimérica mostraram-se mais homogêneas quando
comparadas às produzidas pelo método da adição de cera polimérica.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer à Capes pela bolsa de fomento, ao Dema
da Universidade Federal de Campina Grande por gentilmente ter cedido o forno
Maitec de 1600ºC e ao Demp da Universidade Federal do Ceará pela utilização do
difratômetro de raios – x e microscópio eletrônico de varredura.
REFERÊNCIAS
(1) X. Ding, J. Zhang, R. Wang, C. Feng, Formation of Porous Alumina with Oriented
Pores, Journal of the European Ceramic Society 22 (2002) 411 – 414.
(2) E. Dörre, H. Hübner, Alumina: Processing, properties and applications, Springer
Verlag, Berlin Heidelberg (1984), p. 75.
(3) R. W. Rice, Porosity of Ceramics, Marcel Dekker, Inc., New York (1998) p. 31 –
36.
(4) J. E. Shields, Ceramics and Glasses, Engineered Material Handbook, The
Materials Information Society, Vol. 4 (1991) 580 – 584.
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(5) A. G. S. Galdino, Caracterização Mecânica e Microestrutural de Cerâmicas
Porosas Obtidas a Partir de Diferentes Aluminas, Dissertação de Mestrado,
Universidade Federal do Ceará (2003), p. 23.
(6) J. Saggio-Woyansky, C. E.Scott, Processing of Porous Ceramics, American
Ceramic Society Bulletin 71 (1992), 1674 – 1682.
(7) P. A. Brumati, Utilização de Ceras Naturais no Processo de Moldagem de
Cerâmicas por Injeção, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa
Catarina, 1995.
(8) M. H. Prado da Silva, A. F. Lemos, J. M. F. Ferreira, M. A. Lopes, J. D. Santos,
Production of Porous Biomaterials Based on Glass Reinforced Hydroxyapatite
Composites, Key Engineering Materials 230 (2002), p. 483.
(9) A. G. S. Galdino, M. H. Prado da Silva, R. E. F. Q. Nogueira, Anais do 47º
Congresso Brasileiro de Cerâmica, João Pessoa, PB, p. 2261 – 2269.
STUDY OF ALUMINA POROUS CERAMICS MICROSTRUCTURE AT 1450ºC AND 1550ºC
The interest on porous ceramics have been increasing as soon as new
processes have been developed and their applications represent technological and
economical substantial opportunities. Those materials have been employed in many
applications, such as battery cells, burners, filters, gas sensors, etc.. This research
aimed to evaluate the microstructure of porous ceramics of 3 aluminas with different
granulometry, made by the polymeric sponge method and with addition of polymeric
wax and then sintered at 1450ºC e 1550ºC for two hours. Samples were
characterized by X – Ray diffraction and SEM. ). Results proved satisfactory with
literature, which provided posterior research about mechanical properties and
comparison between both methods.
KEY-WORDS: Porous ceramics, alumina, microstructure, polymeric sponge method,
addition of polymeric wax method
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