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FORMULAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS: DO DESENVOLVIMENTO À

UTILIZAÇÃO DE UM SOFTWARE COM INTERFACE AMIGÁVEL

R. L. Siqueira*; J. H. Alano; O. Peitl; E. D. Zanotto

Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPG-CEM,

Departamento de Engenharia de Materiais – DEMa, Universidade Federal de São

Carlos – UFSCar, Rod. Washington Luís km 235, 13565-905 São Carlos - SP

* [email protected]

RESUMO

No desenvolvimento de um produto cerâmico, deve-se determinar com clareza o

conjunto de propriedades exigidas por ele para, assim, especificar a composição

e a(s) fase(s) que deverão compô-lo. Analisando a tabela periódica é possível

observar a possibilidade de muitas combinações entre os elementos, que podem ser

associados para formar novos componentes cerâmicos e também diversos arranjos

estruturais, quando o desejo é a obtenção de um material cristalino. Entretanto,

antes de se preparar uma nova formulação não é incomum, principalmente em

laboratórios, ser necessário responder às seguintes questões: quais reagentes e em

que quantidades eles devem ser utilizados? Para agilizar esse processo, discutimos

neste trabalho o desenvolvimento de um software para formulação de materiais

cerâmicos utilizando a linguagem de programação Java. O software possui uma

interface amigável, combinando recursos com simplicidade de uso. A intenção é

que a experiência produzida por sua utilização seja prazerosa ao usuário e de fácil

aprendizado.

Palavras-chave: MatChem_Formulation, materiais cerâmicos, formulação, software,

interface amigável.

59º Congresso Brasileiro de Cerâmica17 a 20 de maio de 2015, Barra dos Coqueiros, Aracaju, SE

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INTRODUÇÃO

Com presença garantida no cotidiano da população atualmente, os materiais

cerâmicos se inserem em diversos setores, compreendendo desde a arte cerâmica

até segmentos estratégicos e de alta tecnologia como o aeroespacial, automotivo,

óptico-eletrônico, ambiental, médico, odontológico, entre outros (1-5). Como resultado,

as aplicações dessa classe de materiais têm se tornado cada vez mais específicas,

fazendo das pesquisas nessa área do conhecimento um trabalho de característica

eminentemente interdisciplinar. Dessa forma, o desenvolvimento de novos materiais,

dos quais se tem explorado novas propriedades obtidas mediante diferentes

morfologias, composições químicas e/ou processos de fabricação, tem contribuído

para significativos avanços na fronteira do conhecimento, propiciando assim, o

surgimento de aplicações antes não imaginadas (6).

É oportuno mencionar que ao se desenvolver um novo material, deve-se

ter em mente quais serão as propriedades finais que ele deve possuir para

desempenhar suas funções. Essas propriedades são determinadas pela composição

e microestrutura do material, cuja formação é dependente das matérias-primas e do

processamento a que elas foram submetidas até a obtenção do produto final.

Portanto, o processamento se inicia com a definição de uma formulação. Uma vez

que essa etapa é associada a muitos testes laboratoriais e posteriormente em

escala piloto, até o desenvolvimento de uma formulação adequada para produção

industrial, a utilização de técnicas de planejamento estatístico de experimentos,

buscando minimizar o caráter empírico encontrado nessa etapa do processamento

é muito importante (7-9). Contudo, mesmo lançando mão dessa técnica, um número

definido de experimentos deverá ser realizado. Consequentemente, a escolha de

matérias-primas adequadas e a realização de cálculos estequiométricos para o

preparo das misturas reacionais serão passos inevitáveis. Embora os cálculos

envolvidos não sejam complexos, nessa etapa não pode haver erros e nem

dispêndio desnecessário de tempo para que o processo possa ser otimizado.

Nesse sentido, discutimos neste trabalho o desenvolvimento de um software

para formulação de materiais cerâmicos utilizando a linguagem de programação

Java. Possuindo uma interface amigável, a intenção é que a experiência produzida

por sua utilização seja prazerosa, de fácil manuseio e aprendizado. Por conseguinte,

proporcionando ao usuário tranquilidade e agilidade nas etapas de escolha das


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matérias-primas mais adequadas ao experimento, bem como na definição de suas

respectivas massas que deverão ser pesadas para o preparo das misturas que

serão posteriormente processadas.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para o desenvolvimento do software, foi utilizada a linguagem de programação

Java por representar uma linguagem que permite o desenvolvimento de sistemas

em diferentes sistemas operacionais e arquiteturas de hardware sem a necessidade

de se preocupar com detalhes de infraestrutura. Dessa forma, sendo possível

desempenhar um trabalho de forma produtiva e eficiente. Além disso, é uma

linguagem orientada a objetos, multithread, interpretada, neutra de arquitetura,

portável, robusta, segura e que oferece alto desempenho (10).

Para desenvolver os algoritmos necessários para a realização dos cálculos

estequiométricos, foi utilizado como base a relação existente entre as frações de

massa dos componentes do sistema pretendido e a massa das matérias-primas

selecionadas para fornecer ao sistema cada constituinte individualmente, conforme

as expressões:

� = ��

�� × � × 100 (A)

sendo,

� = ��

�� =

�� (�� )

�� (��) (B)

em que P corresponde a porcentagem em massa do componente de interesse,

m1 a massa do composto a ser pesado (matéria-prima), m2 a massa de amostra

considerada para o experimento e F o fator gravimétrico (11). Experimentalmente,

sabemos que nem sempre a massa da matéria-prima selecionada para suprir o

sistema com certo componente será diretamente a massa do componente tal como

ele deve ser expresso. Torna-se então necessário calcular o fator gravimétrico, que

é a relação entre a massa molar do componente de interesse e a massa molar da

matéria-prima que será utilizada, levando em conta os coeficientes de ajuste do


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componente na matéria-prima para que o número de átomos envolvidos permaneça

balanceado.

APRESENTAÇÃO DO SOFTWARE

Denominado MatChem_Formulation, o software aqui desenvolvido combina

recursos com facilidade de uso. Não havendo necessidade de instalação, o software

funciona diretamente a partir de um arquivo executável com suporte multiplataforma,

ou seja, pode ser utilizado em diferentes sistemas operacionais, como o Windows,

Linux e Mac OS. Um de seus principais destaques é a interface amigável e intuitiva,

o que facilita o uso imediato mesmo para usuários com pouca experiência em

informática. A tela inicial do software MatChem_Formulation (versão beta) com o

menu de ferramentas padrão é mostrado na Figura 1.

Figura 1: Tela inicial do software MatChem_Formulation (beta).

No Quadro 1 consta a descrição geral de cada ícone contido na barra de

ferramentas padrão e uma lista de atalhos de teclado (também conhecidos como

teclas de acesso) para o uso dos recursos disponibilizados pelo software. Os atalhos

de teclado são combinações de duas ou mais teclas para executar uma tarefa que

normalmente exigiria um mouse ou outro dispositivo apontador. Assim, pelo ícone

Iniciar ou por meio do comando Ctrl + Q é possível retornar a tela inicial mostrada na


3631

Figura 1 ou finalizar as atividades com o fechamento do software. No ícone Ajuda, o

usuário terá acesso a informações sobre o software, desenvolvedores e contato para

dúvidas e/ou sugestões. Uma vez que o software será disponibilizado gratuitamente,

a interação com o usuário será de fundamental importância, já que ele poderá

apontar facilmente seus aspectos positivos, negativos e o que precisa ser

modificado para que o aplicativo possa ser continuamente melhorado.

Quadro 1: Descrição dos itens contidos na barra de ferramentas padrão. Ícones Descrição Atalho

Fechamento do aplicativo Ctrl + Q

Acesso a área de trabalho F3

Consulta e cadastro de novas matérias-primas F4

Informações sobre o software, desenvolvedores

e contato para dúvidas e/ou sugestões F5

Ao acionar o ícone Formulação na barra de ferramentas, o usuário terá acesso

a área de trabalho (ver Figura 2). A área de trabalho do software é simples, intuitiva

e, ao mesmo tempo, oferece alguns recursos extras, tais como a possibilidade de se

determinar a quantidade de produto a ser preparado, ajuste de pureza das matérias-

primas selecionadas e conversão do percentual em massa de cada componente do

sistema pretendido para mol e vice-versa.

Figura 2: Visão geral da área de trabalho do software MatChem_Formulation (beta).

I II


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Para facilitar a explicação de funcionamento do software, na Figura 2 são

destacadas duas regiões da área de trabalho. A primeira (I), compreendendo as

Etapas 1, 2 e 3, e a segunda (II) as Etapas 4, 5 e 6. As imagens ampliadas dessas

regiões são mostradas nas Figuras 3 e 4, respectivamente. Seguindo os passos

sugeridos, inicialmente o usuário deverá determinar o número de componentes do

sistema pretendido, tendo como opção um número máximo de 10 componentes.

Considerando um sistema formado por óxidos, como por exemplo o sistema Li2O–

ZrO2–SiO2 (LZS), entende-se como componente cada um dos óxidos individuais que

constituem o sistema. No caso, sendo o componente 1 = Li2O, o componente 2 =

ZrO2 e o componente 3 = SiO2.

Figura 3: Visão ampliada da área de trabalho (destaque para as Etapas 1, 2 e 3).

Com a escolha do número de componentes, será habilitado nas demais Etapas

um número correspondente de campos para inserção de dados. Por exemplo, se o

sistema pretendido possuir 2 componentes, como mostra a Figura 3, estarão

habilitados na Etapa 3 apenas 2 campos para que seja fornecido o percentual

correspondente a cada um deles no sistema. Como previamente mencionado, o

usuário terá a liberdade de inserir os percentuais de cada componente expressos

aba para seleção

campos

habilitados

inserir % do componente 1

inserir % do componente 2

selecionar % em massa ou mol


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em massa ou em mol. Caso haja interesse de conversão de uma forma para outra,

de modo informativo, bastará que o botão Converter seja acionado. Como na Figura

3 o modo de entrada ilustrado é % em mol, consequentemente o resultado gerado

será % em massa como indicado no subtítulo da seção.

Após a definição dos componentes e de seus respectivos percentuais no

sistema, na Etapa 4 é preciso definir qual a quantidade de produto será produzida. O

software foi desenvolvido para simular desde a preparação de gramas até toneladas

de material, apesar de ser comum em laboratórios de pesquisa apenas a preparação

de pequenas quantidades.

Figura 4: Visão ampliada da área de trabalho (destaque para as Etapas 4, 5 e 6).

Na Etapa 5 são selecionadas as matérias-primas que irão suprir cada

componente do sistema de acordo com suas respectivas frações percentuais. Até

aqui, trabalhamos com as matérias-primas admitindo que fossem puras (100% de

pureza). Na prática, isso ocorre apenas na produção de certos medicamentos ou em

análises químicas muito especiais (11). Normalmente, trabalhamos com substâncias

que apresentam certa porcentagem de impurezas. Para equacionar essa questão,

quantidade de

produto desejado

matéria-prima para suprir o componente 1

matéria-prima para suprir o componente 2

relatório de dados


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na Etapa 6 é disponibilizada uma função de ajuste para que possa ser inserido o

grau de pureza das matérias-primas selecionadas.

Após a realização das Etapas de 1 a 6, ao acionar o botão Calcular será

gerado como resultado a massa das matérias-primas selecionadas que deverão ser

pesadas para a obtenção do produto de interesse. Conforme a indicação feita na

Figura 4, na última seção do software será lançado um relatório sumarizando todos

os passos adotados pelo usuário. Com isso, ele será capaz de fazer uma verificação

para identificar possíveis erros e executar as correções necessárias. É importante

mencionar que as Etapas de 1 a 6 são apenas um guia para que o usuário possa

alimentar o sistema e obter a resposta desejada. Assim, outras sequências poderão

ser utilizadas conforme a experiência adquirida por ele.

Para finalizar, outro recurso interessante do software é o seu Banco de dados

disponível na barra de ferramentas padrão. Por meio dele é possível consultar

e cadastrar novas matérias-primas, visto que o banco de dados é aberto,

possibilitando que o usuário construa sua própria base. Na Figura 5 é mostrado o

banco de dados disponibilizado para cadastramento de novas matérias primas.

Figura 5: Visão geral do banco de dados do software MatChem_Formulation (beta).

No software consta um banco de dados pré-cadastrado, mas, como

mencionado, ele poderá ser complementado conforme a necessidade do usuário. Ao

inserir nova

matéria-prima

inserir a massa molar da nova matéria-prima


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inserir a fórmula molecular e massa molar de uma nova matéria-prima, em seus

respectivos campos, basta acionar o botão Cadastrar para que os dados sejam

incluídos no banco de dados. Ainda são disponibilizadas as funções Editar e

Remover, caso haja necessidade de alteração dos dados cadastrados.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O desenvolvimento do software MatChem_Formulation exigiu empenho em um

compromisso a longo prazo. Até onde sabemos, ele é diferente de softwares

existentes. Com uma abordagem única, ele é capaz de atender satisfatoriamente

às necessidades do dia a dia de laboratórios de pesquisa, proporcionando ao

usuário tranquilidade e agilidade nas etapas de escolha das matérias-primas, bem

como na definição de suas respectivas massas a serem pesadas para preparação

das misturas reacionais que serão posteriormente processadas.

Para finalizar, o software será disponibilizado gratuitamente e o recebimento

de críticas e/ou sugestões serão de grande valia para que possamos melhorar e

expandir suas funcionalidades a um maior número de usúarios.

MATERIAL SUPLEMENTAR

O arquivo contendo o software MatChem_Formulation e as instruções de uso

(~7 MB) estão disponíveis na internet para download. Acessando o endereço abaixo

todo o material poderá ser adquirido gratuitamente:

http://goo.gl/tW1cPV

AGRADECIMENTOS

À FAPESP (Processo 2013/07793-6 ‒ CeRTEV), CAPES e CNPq pelo auxílio

financeiro e bolsa de estudo concedida a R.L. Siqueira.

REFERÊNCIAS

1. ROSSO, M. Ceramic and metal matrix composites: routes and properties. Journal

of Materials Processing Technology, v. 175, n. 1-3, p. 364-375, 2006.


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2. GARBERS-CRAIG, A.M. Presidential address: how cool are refractory materials?

The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, v. 108,

n. 09, p. 491-506, 2008.

3. CHEVALIER, J.; GREMILLARD, L. Ceramics for medical applications: a picture for

the next 20 years. Journal of the European Ceramic Society, v 29, n. 7, p. 1245-

1255, 2009.

4. WANG, S.F.; ZHANG, J.; LUO, D.W.; GU, F.; TANG, D.Y.; Dong, Z.L.; TAN,

G.E.B.; QUE, W.X.; Zhang, T.S.; LI, S.; Kong, L.B. Transparent ceramics:

processing, materials and applications. Progress in Solid State Chemistry, v. 41,

n. 1-2, p. 20-54, 2013.

5. MAURO, J.C.; ZANOTTO, E.D. Two centuries of glass research: historical trends,

current status, and grand challenges for the future. International Journal of Applied

Glass Science, v. 5, n. 3, p. 313-327, 2014.

6. RICHERSON, D.W. The magic of ceramics, 2. ed. New Jersey: Wiley-American

Ceramic Society, 2012.

7. ZAUBERAS, R.T.; BOSCHI, A.O. Avaliação de uma metodologia para a

formulação de massas para produtos cerâmicos – Parte I. Cerâmica Industrial, v. 9,

n. 5-6, p. 25-28, 2004.

8. ZAUBERAS, R.T.; BOSCHI, A.O. Avaliação de uma metodologia para a

formulação de massas para produtos cerâmicos – Parte II. Cerâmica Industrial,

v. 10, n. 1, p. 15-22, 2005.

9. ZAUBERAS, R.T.; GOMES, P.L.S.; DINIZ, C.A.R.; BOSCHI, A.O. Planejamento

estatístico de experimentos aplicado ao desenvolvimento de formulações para

revestimentos cerâmicos. Cerâmica, v. 50, n. 313, p. 33-37, 2004.

10. COELHO, P. Programação em Java, 4. ed. Lisboa: FCA, 2014.

11. HARRIS, D.C. Análise química quantitativa, 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005.


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FORMULATION OF CERAMIC MATERIALS: NEW SOFTWARE WITH

FRIENDLY USER INTERFACE

ABSTRACT

In the development of ceramic products it is necessary to clearly determine the

desired set of properties, so its composition and possible phases can be specified. A

large number of element combinations to form new ceramic components is available

from all the useful elements of the periodic table. However, before preparing a new

formulation it is not uncommon to address the following questions: which chemicals

should be used? How much? To facilitate this process, a new software for the

formulation of ceramic materials, using the Java programming language, is discussed

here. The software has a friendly user interface, combining several useful resources

with simplicity of use. Our intention is that the software is not only useful, but the

experience produced by its use is pleasant to the user.

Keywords: MatChem_Formulation, ceramic materials, formulation, software, user

interface.


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