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Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS

PPGEM - EE - UFRGS

CAPÍTULO 2 -

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

INTRODUÇÃO AOS

MATERIAIS CERÂMICOS


2.1 PROCESSAMENTO DE PÓS

2.2 CONFORMAÇÃO

2.3 SECAGEM

2.4 DENSIFICAÇÃO

2.5 ACABAMENTO

2. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO


2.1.1 MATÉRIA-PRIMA

2.1.2 MOAGEM

2.1.3 SEPARAÇÃO SÓLIDO-LíQUIDO

2.1.4 AGLOMERAÇÃO

2.1.5 CALCINAÇÃO

2.1.6 SOL-GEL

2.1.7 SHS

2.1.8 OUTROS PROCESSOS

2.1.9 ADITIVOS

2.1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: PROCESSAMENTO DE PÓS




A – TIPOS DE MATÉRIA-PRIMA

CERÂMICA TRADICIONAL

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

MATÉRIAS-

PRIMAS DE

OCORRÊNCIA

NATURAL



Basicamente ocorrências naturais como:

- argilas (silicato de alumínio hidratado com estrutura lamelar: hidroplasticidade; os

argilominerais: caolinita, haloisita, pirofilita e montmorilonita)

- feldspatos (Na/K/Ca-AlSi3O8)

- sílica

- talco

- asbestos

- wollastonita

- silimanita

PLÁSTICOS E NÃO-PLÁSTICOS

INERTES





PROCESSAMENTO






Ex: PORCELANAS

DIAGRAMAS TRIAXIAIS

Argila

FeldspatoSílica(Alumina) Argila

FundenteCarga






CERÂMICA BRANCA

TRIAXIAL TRADICIONAL

CERÂMICA BRANCA

TRIAXIAL TÉCNICA

2.1.1 MATÉRIA-PRIMA2.1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: PROCESSAMENTO DE PÓS

A – TIPOS DE MATÉRIA-PRIMACERÂMICA TRADICIONAL

PORCELANAS


ARGILAS

DEFINIÇÃO DE ARGILAS:

-Grim: - material terroso de granulometria fina;

- apresenta certa plasticidade quando em contato com a água.

-Amarante: - produtos da alteração intempérica de rochas ígneas, sedimentares e

metamórficas;

- são constituídas de minerais primários (que se encontram presentes nas

rochas, e apenas se alteraram sua composição) e/ou minerais secundários

(produzidos pela ação de agentes químicos sobre os minerais primários).

-Ceramistas: - sedimento com tamanho de partícula inferior a 4m, constituída em grande

parte por argilominerais;

- pode conter impurezas;

- desenvolve plasticidade com a adição de uma quantidade conveniente de

água, perdendo-a após a secagem;

- após queima a uma temperatura superior a 1000°C, adquire alta resistência.




FORMAÇÃO DE ARGILAS:

- intempéries

- história da argila




FORMAÇÃO DE ARGILAS:

- compostas por materiais plásticos e não-

plásticos;

- argilas de granulometria muito fina,

extremamente plásticas,

processamento dificultado,

pois precisam de uma

considerável quantidade de

água para desenvolver

completamente a plasticidade.

não-plásticos: modificam o

comportamento das argilas na

queima. Podem atuar como:

- formadores de fases cristalinas,

- formadores de fases líquidas

(fundentes)

- inertes




Estrutura da caolinita em deslizamento

PRODUTOS DE ARGILAS:

- Matéria-prima barata;

- Adicionando-se água na argila:

Facilidade de cisalhamento

(deslizamento)

Possibilidade de extrusão e colagem

Forças de van der

Waals (fracas)




Argilas = argilominerais + impurezas

pertencem ao grupo dos filossilicatos: - compostos bidimensionais do

silício-oxigênio tetraédrico e

- compostos bidimensionais do

alumínio- ou magnésio-

oxigênio-hidroxila octaédrico

folhas tetraédrica ou octaédrica são sobrepostas em diferentes modos.

ESTRUTURA DOS SILICATOS ESTRUTURA DAS ARGILAS




Estrutura da folha tetraedral

Arranjo tetraedral do Si e O

Esquema em perspectiva

de ligação tetraedral

Projeção do tetraedro no

plano da folha

Visão superior da folha tetraedral

Estrutura da folha octaedral

Arranjo octaedral do Si e O Esquema em perspectiva

de ligação octaedral

Projeção do octaedro no plano da folha

Visão de topo da folha octaedral






Estrutura da argila tipo caolinita

Representação

esquemática em duas

dimensões da estrutura

da folha de silicato




Representação esquemática da posição do

sódio no vidro de sílica

Cinco estruturas dos íons silicato formando

tetraedros





Caolinita Al2(Si2O5)(OH)4

Haloisita Al2(Si2O5)(OH)4.H2O

Pirofilita Al2(Si2O5)2(OH)2

Montmorilonita (Al1,67Na0,33)(Si2O5)2(OH)2

(Al1,67Mg0,33)(Si2O5)2(OH)2

Mica Al2K(Si1,5Al0,5O5)2(OH)2

Ilita Al2-xMgxK1-x-y(Si1,5-yAl0,+y5O5)2(OH)2

FÓRMULA QUÍMICA IDEAL DE ARGILOMINERAIS




ESTRUTURA DAS ARGILAS: ARGILOMINERAISTipo de camada Grupo Subgrupo Exemplos da espécie

1:1 Caolim - serpentina

(X~0)

Serpentinas Crisotila, antigorita, amesita, lizardita

Caolins Caolinita, dickita, nacrita

2:1 Pirofilita - talco

(X~0)

Talcos Talco

Pirofilitas Pirofilita

Esmectita

(X~0,2 - 0,6)

Montmorilonitas Montmorilonita, beidelita, nontronita

Saponitas Saponita, sauconita, hectorita

Vermiculita

(X~0,6 - 0,9)

Vermiculitas dioctaédricas Vermiculitas dioctaédrica

Vermiculitas trioctaédricas Vermiculita trioctaédrica

Mica

(X~1,0)

Micas dioctaédricas Muscovita, paragonita, ilita, glauconita

Micas trioctaédricas flogopita, biotita, lepidolita

Brittle mica

(X~2,0)

Brittle Micas dioctaédricas Margarita

Brittle Micas trioctaédricas Clintonita

(2:1:1) Clorita

(X variável)

Clorita dioctaédrica Donbassita

Clorita trioctaédrica

2:1 Paligorsquita e sepiolita

(argilas fibrosas)

(X variável)

Di e trioctaédricas paligorsquitas Cookeita, sudoita e paligorsquita

Sepiolitas sepiolita, xylotila

X = mudança da camada pela fórmula unitária




ESTRUTURA DAS ARGILAS ESTRUTURA DOS SILICATOS

Arranjo atômico na célula unitária de um mineral de

camada 1:1 (esquemático).

Arranjo atômico na célula unitária de um mineral de

camada 2:1 (esquemático).




FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PRODUTOS DE ARGILAS:

IND

ÚS

TR

IA2.1.1 MATÉRIA-PRIMA




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




CERÂMICA AVANÇADA

MATÉRIAS-

PRIMAS DE

ALTA PUREZA


Basicamente matéria-prima de alta pureza (rígida composição química), muitos não

ocorrendo na natureza:

- SiC

- ZrO2

- MgO

- Al2O3

- BeO

- MgAl2O3

- PbFe12O19

- ZnFe2O4

- Y8Fe10O24

CERÂMICA AVANÇADA





ALUMINA

Apresenta-se sob diversas formas:

-Alumina : hexagonal, extremamente duro

- outras aluminas , ...

Bauxitas, principal fonte de alumina (processo Bayer modificado ou eletrofusão

em fornos de arco elétrico)

Principais matérias-primas aluminas fundidas e sinterizadas


A – TIPOS DE MATÉRIA-PRIMACERÂMICA AVANÇADA


OBTENÇÃO DA ALUMINA:

RETIDO




Polimorfismo: pseudopolimorfismo da Al2O3

OBTENÇÃO DA ALUMINA:




Defeito máximo 0,4 m(luz vísivel: 0,4 a 0,8 m)tamanho médio de partícula: 0,3 m

Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida

porosidade: 3% porosidade: 0,3%

APLICAÇÃO DA ALUMINA:




-AS CARACTERÍSTICAS DA MATÉRIA-PRIMA TÊM UMA INFLUÊNCIA

SIGNIFICATIVA NAS PROPRIEDADES FINAIS:

critérios:

-composição química (pureza)

-composição mineralógica (minerais presentes)

-tamanho de partícula (distribuição de tamanho)

-reatividade/morfologia (área superficial)

-polimorfismos

estas características (propriedades) devem ser controladas!

-Além destas, a toxidade, reciclabilidade, disponibilidade e ocusto da matéria-prima são decisivos

B – CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA2.1.1 MATÉRIA-PRIMA



CONSIDERAÇÕES:

- espécie química (óxidos, elementar)

- íons Fe+2, Fe+3

- perda ao fogo

- imprecisão

- reprodutibilidade

- técnica

(%) em peso

SiO2 69,86

Al2O3 13,84

Fe2O3 5,15

K2O 2,60

MgO 1,09

TiO2 0,63

P2O5 0,21

CaO 0,12

FeO 0,80

Na2O 0,12

MnO 0,08

PF 6,31

Total 100,64

Composição química

característica de uma

argila com cor de

queima vermelha.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA




COMPOSIÇÃO QUÍMICA

- FLUORESCÊNCIA DE RAIO-X: elementos maiores, menores,

traços (óxidos, elementar)

- ABSORÇÃO ATÔMICA: química analítica para íons

- RESSONÂNCIA MAGNÉTICA: diferentes íons mesmo

elemento: Ti+2; Ti+4

- TITULOMETRIA: análise quantitativa via úmido




- DIFRAÇÃO DE RAIO-X: minerais (fases presentes)

COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA

Composição

mineralógica

característica de uma

argila com cor de

queima vermelha.



ARGILOMINERAIS


-DTA/TG: reações com a temperatura, perda/ganho de massa, controle da calcinação

inflexão na curva de 200°C a 450°C, banda endotérmica:

- devido à perda de matéria carbonosa e combustão da matéria orgânica, presente na massa cerâmica.

banda exotérmica entre 450 e 620°C,

com um pequeno pico endotérmico:

- provável eliminação da água estrutural,

proveniente do argilomineral ilita, e os

íons OH- da estrutura cristalina da

caolinita (pico endotérmico em 600°C)

- transformação alotrópica do quartzo

em , sem perda de massa

- liberação exotérmica de sulfetos do

argilomineral ilita.

900°C pico endotérmico:

- formação da metacaolinita e do espinélio

da ilita, que sobrepostos podem se anular

(pico verificado a 1000°C).

pico endotérmico até a temperatura de 200°C:

- eliminação de moléculas de água adsorvidas fisicamente.

- extensão do pico depende do tamanho das partículas (quanto mais finas, maior é a quantidade de água adsorvida)

- formulação ilítico-caolinítica (de grande quantidade de finos), a quantidade de água livre adsorvida é elevada.

COMPOSIÇÃO MINERALÓGICAB – CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA2.1.1 MATÉRIA-PRIMA



-DTA/TG: reações com a temperatura, perda/ganho de massa, controle da calcinação

em 600°C perda de massa devido

a desoxidrilação e perda de OH -

da estrutura caolinítica

em 200°C perda de massa brusca, devido a perda de

água da livre, adsorvida pelo material;

em 300°C perda de massa

devido a combustão da matéria

orgânica;





Per

da d

e pe

so

Temperatura

d - Haloisita

d - Haloisita

b - Bentonita

b - Bentonita

c - Ilita

c - Ilita

a - Caolim

a - Caolim

CARACTERIZAÇÃO:

DTA / TG

comparação entre argilas





GRANULOMETRIA




- Mesh # número de aberturas por polegada linear

4 # equivale 4,76 mm

400 equivale 0,037 mm

- fração granulométrica:

-100#

-100# +80#

- análise granulométrica:

-4# +6# 5%

-6# +20# 10%

-20# +100# 25%

....

GRANULOMETRIA




GRANULOMETRIA

PENEIRAMENTO – ABNT NBR 7181




Amostra D10 (m) D50 (m) D90 (m)

Argila 0,71 2,93 12,63

DIFRAÇÃO A LASER: exemplo de uma argila vermelha.

GRANULOMETRIA




Ligada ao grau de desordem no sólido

-área superficial (granulometria)

-temperatura

-defeitos (deformação da rede) e impurezas na rede

-trocas na rede, acompanhando transformação de fase ou decomposição

-radiação

REATIVIDADE




Formas de avaliar o polimorfismo de materiais

-DTA: reações com a temperatura, controle da calcinação

-DILATAÇÃO TÉRMICA: transformações de fases controle da variação

brusca de volume (SiO2)

-DIFRAÇÃO DE RAIOS X: minerais (fases presentes)

POLIMORFISMO




Exemplo de polimorfismo: estruturas do ZrO2

POLIMORFISMO



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