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processos de fabricação, aplicações, tratamento térmico
Tipologia: Trabalhos
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BELÉM/PA
2019
Trabalho apresentado para a disciplina Materiais
de Construção Mecânica, no curso de
bacharelado em Engenharia Naval, da
Universidade Federal do Pará – UFPA.
Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes.
BELÉM/PA
2019
Os materiais cerâmicos são todos os materiais inorgânicos e não metálicos que
consistem em compostos que são formados entre elementos metálicos e não-
metálicos, para os quais as ligações interatômicas ou são totalmente iônicas ou são
predominantemente iônicas com alguma natureza covalente, na maioria das vezes
eles consistem em óxidos, nitretos e carbetos. O termo “cerâmica” vem da palavra
grega keramikos, que significa “matéria prima queimada”, indicando que as
propriedades desejáveis desses materiais são normalmente atingidas através de um
processo de tratamento térmico em altas temperaturas.
As argilas são a matéria-prima principal da cerâmica, e sua definição de acordo
com a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), são compostas por
partículas coloidais de diâmetro inferior a 0,005 mm, com alta plasticidade quando
úmidas e que, quando secas, formam torrões desagregáveis pela pressão dos dedos.
Podem ser definidas quimicamente como silicatos de alumínio hidratado, na sua forma
pura. Além, de serem ingredientes muito baratos, encontrado naturalmente e em
grande abundancia, sem qualquer melhoria na sua qualidade.
Nos últimos cinquenta anos os materiais mais importantes que se enquadram
nessa definição eram conhecidos por “cerâmicas tradicionais”, e eram aqueles para
os quais a matéria prima era argila; os produtos considerados cerâmicas tradicionais
são a louça, a porcelana, os tijolos, as telhas e os azulejos e, ainda, os vidros e as
cerâmicas de alta temperatura. Recentemente, com o aumento da tecnologia ocorreu
um processo significativo em relação a compreensão da natureza fundamental desses
materiais e dos fenômenos que ocorrem neles e que são responsáveis pelas suas
propriedades únicas. Consequentemente, uma nova geração desses materiais foi
desenvolvida com novos conceitos de fabricação e caracterização por meio de
matérias primas sintéticas puras que apresentam qualidades superiores. Assim a
cerâmica ganhou outro tipo além dos tradicionais que foi as “cerâmicas avançadas”
que são utilizadas nas mais diversas áreas: bioquímica: em implantes dentários e
substituição de ossos; eletroeletrônica: em sensores, sonares, supercondutores e
capacitores; mecânica: em ferramentas de corte, membranas; ótica: em fibras óticas,
Na China e no Egito, por exemplo, a utilização da cerâmica remonta a mais de
cinco mil anos. Nas tumbas dos faraós do Antigo Egito, vários vasos de cerâmica
continham vinho, óleos e perfumes para fins religiosos.
No Brasil, a cerâmica tem seus primórdios na Ilha de Marajó. A cerâmica
marajoara aponta à avançada cultura indígena que floresceu na ilha. Estudos
arqueológicos, contudo, indicam a presença de uma cerâmica mais simples, que
indica ter sido criada na região amazônica por volta de cinco mil anos atrás.
Dessa forma, cada civilização e cada cultura desenvolveram formas e
características próprias no uso do barro, de tal modo que o exame da cerâmica é um
dos maiores auxiliares na pesquisa histórica.
Devido suas características especificas que diferenciam a cerâmica de outros
materiais ela possui algumas vantagens como a de ser mais resistente a altas
temperaturas e ambientes agressivos do que os metais e polímeros, mais leve que o
metal, além de causar um impacto ambiental muito menor, ele é um ótimo isolante
térmico dispensando em muitos casos o uso de refrigeração. Depois de analisar todas
essas vantagens porque, por exemplo, não se investi em materiais cerâmicos na
construção de motores de cerâmica ao invés dos metálicos? O grande problema é
que os materiais cerâmicos possuem uma grande desvantagem, pode-se até dizer
que é o seu “Calcanhar de Aquiles”, que é ela não se deforma num choque como um
metal, devido a sua baixa tenacidade e baixa resistência a fratura, ou seja, é inviável,
por exemplo, construir um motor cerâmico que no primeiro choque quebre, porém
estão sendo feitas pesquisas para solucionar essas dificuldades e assim fomentar o
uso da cerâmica nas mais diversas áreas.
Outro ponto muito importante quando relacionado a cerâmica avançada é seu
ponto negativo de ter um preço elevado, pois para atingir as elevadas propriedades a
qual destina, é processada com matérias primas sintéticas e relativamente caras. Os
equipamentos de processo também são mais sofisticados e trabalham em condições
mais críticas, como altas temperaturas (pode-se chegar a temperaturas de processo
de 1850 C ou mais, como para alumina translúcida, nitreto de silício e SiC). Assim,
existe um maior custo envolvido para produção destes materiais, entretanto o valor
agregado deles é muito superior ao da cerâmica tradicional.
O campo dos materiais cerâmicos é muito amplo e diversificado, o que acaba
levando a necessidade de dividi-lo em vários subconjuntos, que variam desde as
matérias primas, tipo de fabricação, modo de utilização e suas propriedades.
Podemos então dividir a gama dos materiais cerâmicos principalmente em: Cerâmica
vermelha, Materiais de revestimento (Placas cerâmicas), Cerâmica branca, Materiais
refratários, isolantes térmicos, fritas e corantes, Abrasivos, vidro cimento e cal,
Cerâmica de alta tecnologia (cerâmica avançada).
A cerâmica vermelha compreende os materiais cerâmicos de cor avermelhada,
muito empregados na construção civil como tijolos (Figura 1), tubos cerâmico, blocos,
telhas, elementos vazados e etc. Lajotas também podem ser classificadas neste grupo
apesar de estarem mais bem representadas como materiais de revestimento, portanto
podemos dividir os materiais de cerâmica vermelha em dois grupos os de massa
porosa: tijolos, telhas e etc. E os semi vitrificados: lajotas, ladrilhos e etc. Quando nos
referimos à matéria prima os materiais de cerâmica vermelha utilizam argila comum
na sua composição, com um tipo de massa denominada como monocomponente, ou
seja, apenas argila, principalmente por ela apresentar um grau de elasticidade que
permite o seu molde quando ainda úmida, que é reduzido quando ela está seca e
perdido quando o material é aquecido, essas características são o principal motivo
para sua utilização como matéria-prima, pois permite que o material seja moldado
quando ainda está úmido e garante a resistência mecânica do material apões sua
queima.
Figura 1 : Fotografia de D&D Moura - comércio de materiais para construção.
A principal finalidade deste grupo dos materiais cerâmicos é suportar elevadas
temperaturas nas condições específicas de cada processo e de operações de
equipamentos industriais, que geralmente envolvem ataques químicos, esforços
mecânicos e variações bruscas na temperatura. Para que suportem estas mudanças
bruscas de temperaturas os materiais refratários devem ser quimicamente,
fisicamente, mecanicamente e dimensionalmente estáveis, para que eles não
trinquem e também devem ter um baixo condutividade térmica para que possa manter
o calor em uma determinada região. Este tipo de matéria é muito utilizado em fornos
e estufas (Figura 3 ).
Figura 3 : Travessa de forno cerâmica- Adaptação de Lfenza.com.
Neste segmento são considerados os materiais isolantes não refratários, que
dependo de sua composição podem ser trabalhados em temperatura bem elevada,
mas não maiores que 1100℃. Além das fibras ou lãs cerâmicas que apesar de
possuírem características semelhantes aos outros materiais do grupo, elas podem
atingir temperaturas maiores, até 2000℃, como as indústrias de metalurgia, química,
siderurgia e etc...
Estes dois produtos são muito importantes para materiais cerâmicos
principalmente para aqueles que necessitam de acabamentos. As fritas ou vidros
fritados é um vidro moído, que são fabricados a partir da fusão da mistura de diversas
matérias primas, e são aplicados na superfície dos materiais cerâmicos após sua
queima, adquirindo o aspecto vítreo, estes acabamentos servem para melhorar a
estética do produto final, impermeabilizar e aumentar a resistência mecânica das
peças cerâmicas. Já os corantes são compostos por óxidos puros ou pigmentos
inorgânicos sintéticos, obtidos a partir da mistura de óxidos e seus componentes, sua
obtenção exige a mistura de matérias primas, moagem e calcinação. Os corantes são
adicionados aos esmaltes (vitrados) ou aos próprios materiais cerâmicos para que
estes apresentem uma cor ou tonalidade específica.
Segundo o SINAESP (Sindicato da Indústria de Abrasivos dos Estados de São
Paulo, Minas Gerais, Rio de Janeiro, Espirito Santo, Paraná, Santa Catarina e
Pernambuco) os materiais abrasivos podem ser divididos em três categorias,
abrasivos em grãos, lixas e abrasivos de ligas. Os grãos abrasivos são obtidos através
de minerais triturados, podem ser utilizados como matéria prima para lixas e abrasivos
de ligas, mas podem ser trabalhados isoladamente em processos de polimento e
lapidação, sendo que são conhecidos por possuírem características como dureza,
tenacidade e friabilidade. Já as lixas (Figura 4 ) são também conhecidas como
abrasivos flexíveis e são constituídos por grãos abrasivos depositados em um costado
flexível (tecido, papel, fibras vulcanizadas) unidos por um adesivo (colas ou resinas).
Os abrasivos em ligas são constituídos por uma mistura que contém um material
aglomerante e grãos abrasivos, o elemento aglomerante pode ser de origem mineral
formando assim ligas “vitrificadas” quando aquecidos em altas temperaturas ou de
ligas frias quando não são levados ao forno, ou de origem orgânica ou resinas
sintéticas produzindo ligas “resinoides” ou “orgânicas”.
Figura 4 : Lixa abrasiva adaptação de MontVerde.
Figura 5 : Cerâmica de alta tecnologia usada em motores de jatos.
Os materiais cerâmicos possuem algumas características intrínsecas a eles, as
quais são de fundamental importância para compreender os esses materiais na sua
totalidade.
Os materiais cerâmicos podem ser divididos em bioinertes e bioativos, apesar
de nenhum material ser totalmente inerte dentro do corpo humano já que apesar de
tudo eles provocam uma reação mesmo que seja a mais mínima possível no corpo do
hospedeiro. Os materiais cerâmicos são muito utilizados em equipamentos e
dispositivos médicos principalmente auxiliando nos processos de próteses dentarias
(Figura 7) e de artroplastias, que é quando uma artéria entupida, danificada ou
comprometida por alguma doença precisa ser substituída por uma prótese. A
cerâmica industrial apresenta uma importante solução para estes problemas
principalmente por características inerentes: seu desgaste mínimo ao longo de sua
utilização e sua excelente biocompatibilidade, por se tratar de um material inerente a
cerâmica apresenta alta compatibilidade com tecidos superiores e não causam
reações alérgicas por não produzirem reações ao corpo graças as suas fortes ligações
químicas. Os materiais cerâmicos bioinertes apresentam uma resposta mínima na
interface, resultando na não ligação ou rejeição do tecido seus principais
representantes são alumina (α-Al2O3), zircônia (ZrO2) e dióxido de titânio (TiO2). Já
a cerâmica bioativa é um termo mais correto e aceito, são aqueles materiais que
induzem a atividade biológica, podendo ser uma atividade induzida para uma
determinada função ou benefício seus principais representantes são hidroxiapatita
[Ca10(PO4)6(OH)2], o fosfato tricálcico [Ca3(PO4)2] e os biovidros. Uma das
desvantagens na utilização de materiais biocerâmicos é a diminuição da resistência,
o que restringiria a sua aplicabilidade apenas a regiões com pouca tensão sem o
requerimento de sustentação, uma forma de contornar essa situação é a utilização de
metais revestidos por cerâmicas com a técnica plasma spray (Figura 7).
Figura 6 : Prótese dentária de cerâmica - Adaptado de Laboratórios Jalson prótese dentária.
Figura 7 : Técnica plasma
Materiais cerâmicos se destacam também principalmente pela sua grande
resistência ao desgaste, fato que se torna muito mais visível quando falamos a
respeito da resistência a manchas, resistência a corrosão e resistência aos ataques
químicos, o que torna esses materiais conhecidos por manter suas características em
condições normais.
Todo material cerâmico apresenta porosidade em sua composição, este fator
está intimamente ligado com a sua impermeabilidade, pois quanto menor a porosidade
do material menor será a sua capacidade de absorver água, ou seja, mais
impermeável ele é, fato esse que acaba melhorando outras características técnicas
do material, principalmente sua resistência mecânica. Os materiais cerâmicos
atualmente estão divididos em cinco categorias de acordo com a sua taxa de absorção
de água. Os porcelanatos são os materiais com maior impermeabilidade, portanto
absorvem menos água que os demais, possuem um teor de absorção de 0% a 0,5%
sendo classificados como materiais BI a (Figura 8 ), e apresentam uma boa resistência
mecânica. Os Grês classificados como BI b são considerados ainda como uma baixa
absorção de água e seu grau de absorção está entre 0,5% e 3% o que lhes garante
ainda uma boa resistência mecânica. Os semi-grês possuam uma absorção média e,
portanto, uma resistência mecânica média, seu grau de absorção está entre 3% e 6%,
classificados como BII a. Os materiais semi-porosos apresentam uma alta taxa de
absorção entre 6% e 10% o que lhes conferi uma baixa resistência mecânica,
classificados como BII b. Os materiais porosos são os que apresentam a menor
impermeabilidade, sendo aqueles que possuem uma taxa de absorção de água acima
de 10% o que lhes confere uma baixa resistência mecânica, classificados com BIII.
Figura 8 : Adaptação de Saint-Gobain
Os materiais cerâmicos são amplamente utilizados em atividades que
requerem altas temperaturas por isso suas características térmicas como: calor
especifico, condutividade e expansão são muito importantes. Este material apresenta
vantagens em altas temperaturas quando comparados com materiais metálicos, por
exemplo, apresentando um alto ponto de fusão, baixa condutividade térmica e baixa
reatividade em altas temperaturas, e por isso é amplamente usado na indústria. A
condutividade térmica está relacionada com a facilidade que o material tem em
transferir calor. Os três principais mecanismos que transportam o calor são: a
transmissão por elétrons, a transmissão por fônons e a transmissão por radiação.
Por apresentarem, em alguns aspectos, propriedades mecânicas inferiores aos
metais, os materiais cerâmicos acabam tendo uma aplicabilidade limitada. Ademais,
a principal desvantagem no que tange este assunto é a disposição a uma fratura de
um modo frágil, com baixa absorção de energia.
Na maioria dos casos, tanto as cerâmicas cristalinas quanto as não cristalinas
sofrem fratura antes de qualquer deformação plástica quando submetidas a aplicação
de uma carga de tração, em temperatura ambiente. É valido ressaltar que o processo
de fratura frágil pode ser caracterizado pela fomentação e propagação de trincas por
meio da seção reta do material em questão, com uma direção perpendicular a carga
que está sendo aplicada. Nas cerâmicas cristalinas, o crescimento da trinca se dá por
meio dos grãos e também, dos planos cristalográficos, que possuem elevada
densidade atômica.
A existência de defeitos muito pequenos e onipresentes nos materiais, que
servem como fatores de concentração de tensão, isto é, locais onde a magnitude de
uma tensão de tração que é aplicada é maximizada, é a explicação para a resistência
a fratura dos materiais cerâmicos ser consideravelmente menor que a sua estimativa
teórica, através da teoria da força das ligações interatômicas. Além disso, esse grau
de maximização dependerá de dois fatores: o comprimento da trinca e o raio de
curvatura da extremidade da trinca, sendo mais elevado em defeitos longos e
pontiagudos.
As microtrincas, os poros internos e a arestas de grãos são considerados
concentradores de tensões que são impossíveis de serem eliminados. Ademais, até
mesmo as trincas de superfície introduzidas pela atmosfera em fibras de vidro
Em cerâmicas frágeis o comportamento tensão-deformação não é, em geral,
avaliado por ensaio de tração. Isso ocorre devido a três fatores: difícil preparo de
amostras que tenham a geometria exigida, é difícil prender e segurar materiais frágeis
sem fraturá-los e também, as cerâmicas falham após uma deformação de apenas
aproximadamente 0,1%. Assim, é exigido que os corpos de prova estejam
perfeitamente alinhados para evitar tensões de dobramento ou flexão, que não são
facilmente calculadas.
Desse modo, é aplicado, na maioria das vezes, ensaio de flexão transversal,
pois é mais adequado para tais casos, no qual um corpo de prova na forma de uma
barra (com seção reta circular ou retangular) é flexionado até sua fratura, utilizando
uma técnica de carregamento em três ou quatro pontos.
No ponto de carregamento, a superfície superior do corpo de prova é colocada
em um estado de compressão, enquanto a superfície inferior encontra-se em tração.
A tensão é calculada a partir da espessura do corpo de prova, do momento fletor e do
momento de inércia (Figura 9). A tensão de tração máxima, pelas expressões de
tensão, existe na superfície inferior do corpo de prova, diretamente abaixo do ponto
de aplicação da carga.
Assim, uma vez que os limites de resistência à tração dos materiais cerâmicos
equivalem aproximadamente 1/10 das suas resistências à compressão e uma vez que
a fratura ocorre na face do corpo de prova que está sendo submetido a tração, o
ensaio de flexão é um substituto razoável para o ensaio de tração.
Figura 9 : Adaptado
CALLISTER, 5ª ed.
Um esquema de carregamento em três pontos para medição do
comportamento tensão-deformação e da resistência à flexão de materiais cerâmicos
frágeis, incluindo expressões para calcular a tensão no caso de seções retas
retangulares e circulares.
A tensão no momento da fratura no ensaio de flexão é conhecida por resistência
à flexão, módulo de ruptura, resistência à fratura ou resistência à dobra e é um
importante parâmetro mecânico para materiais frágeis. Para seção reta retangular e
𝑟𝑓
é igual a, respectivamente:
𝑟𝑓
𝑓
3
𝑟𝑓
𝑓
2
Ff – Representa a carga no momento da Fratura
L – Representa a distância entre os pontos de suporte
Uma vez que durante a flexão, um corpo de prova está sujeito tanto a tensões
compressivas como trativas, a magnitude de sua resistência à flexão é maior do que
𝑟𝑓
dependerá do tamanho do corpo de prova. Com o
aumento do volume do corpo de prova, sob tensão, existe um aumento na severidade
do defeito e, consequentemente, uma diminuição na resistência á flexão.
Figura 10 : Valores característicos para a resistência a flexão de vários materiais cerâmicos – Adaptado
CALLISTER, 5ª ed.
