Introdução à Ciência dos Materiais: Materiais Cerâmicos - PMT 2100, Slides de Ciência dos materiais

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia 2º semestre de 2005

MATERIAIS CERÂMICOS

PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005

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Roteiro da Aula

• Materiais Cerâmicos : principais propriedades e produtos
• Estrutura
  • Materiais cristalinos e amorfos
  • Defeitos
• Classificação dos Materiais Cerâmicos
• Vidros
  • Características e processamento
  • Têmpera
• Materiais Cerâmicos Cristalinos
  • Conformação
  • Secagem
  • Queima
  • Microestrutura
• Cerâmicas de Alto Desempenho.

Estrutura dos Materiais Cerâmicos^4

• Em geral, a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa que a dos metais, uma vez que eles são compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de átomo ocupa posições determinadas no reticulado cristalino.

Cerâmicas Cristalinas Vidros (Cerâmicas Não-Cristalinas)

Exemplo : Titanato de Bário (BaTiO 3 ) Material Piezoelétrico Estrutura tipo AmBnXp

5 Estrutura dos Materiais Cerâmicos - Defeitos

Defeito de Frenkel

Defeito de Schottky

Lacuna aniônica

Lacuna catiônica

Cátion intersticial

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7 Vidros

• Principal tipo de vidro : vidro de sílica
  • Sólido não cristalino
    • que apresenta apenas ordenação atômica de curto alcance.
• Composição Química
  • Principal óxido: SiO 2 ; outros óxidos: CaO, Na 2 O, K 2 O e Al 2 O 3.
• Material muito comum na vida cotidiana
  • Exemplos: embalagens, janelas, lentes, fibra de vidro.
• Os produtos de vidro são conformados (moldados) a quente, quando o

material está “fundido” (apresentando-se como um material de elevada

viscosidade, que pode ser deformado plasticamente sem se romper).

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tipo de composição (% em massa) vidro (^) SiO 2 Na 2 O CaO Al 2 O 3 B 2 O 3 outros

características e aplicações

sílica fundida

99,5 alta temperatura de fusão, baixo coeficiente de expansão térmica (resistente ao choque térmico) 96% de sílica (Vycor)

96 4 resistente ao choque térmico e ao ataque químico - material de laboratório

borosilicatos (Pyrex)

81 3,5 2,5 13,0 resistente ao choque térmico e ao ataque químico - artigos de cozinha embalagem 74 16 5 1 4 MgO baixo ponto de fusão, facilmente moldado, durável fibra de vidro

55 16 15 14 4 MgO facilmente transformado em fibras- compositos polímeros - fibras de vidro vidro óptico (flint)

54 1 37PbO 8 K 2 O

facilmente fabricado, resistente ao choque térmico, artigos de cozinha

Tipos de vidros

10 Volume específico em função da temperatura

Volume específico

Temperatura

Tg

sólido amorfo

Tm

líquido

cristalização

sólido cristalino

líquido super resfriado

Tg ⇒ temperatura de transição vítrea

Tm ⇒ temperatura de fusão cristalina

Conformação de Produtos de Vidro^11

• Ponto de deformação (Strain Point)
  • abaixo desta temperatura o vidro fica frágil: viscosidade ≈ 3x10^14 P.
• Ponto de recozimento (Annealing Point) - as tensões residuais podem ser eliminadas em até 15 min: viscosidade ≈ 1013 P.
• Ponto de amolecimento (Softening Point) - Máxima temperatura para evitar alterações dimensionais significativas: viscosidade ≈ 4x10^7 P.
• Ponto de trabalho (Working Point)
  • O vidro pode ser facilmente deformado: viscosidade ≈ 104 P.
• Abaixo de uma viscosidade de ≈100 P
  • O vidro pode ser considerado um líquido. Viscosidade em função da temperatura para diferentes tipos de vidro.

Liquid behaviour

13 Tratamento térmico dos vidros - Têmpera

Exemplo de têmpera de um

pára-brisas de automóvel.

Distribuição de tensões residuais na seção transversal de uma chapa de vidro temperada em decorrência das diferentes velocidades de resfriamento da superfície e o núcleo

Região próxima à superfície COMPRESSÃO

Região interna da placa TRAÇÃO

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Processos de Fabricação^14 de Materiais Cerâmicos Cristalinos

• Preparação da matéria prima em pó.
• Mistura do pó com um líquido (geralmente água) para formar um

material conformável : suspensão de alta fluidez (“barbotina”) ou

massa plástica.

• Conformação da mistura (existem diferentes processos).
• Secagem das peças conformadas.
• Queima das peças após secagem.
• Acabamento final (quando necessário).

Muitos materiais cerâmicos têm elevado ponto de fusão e apresentam dificuldade de conformação passando pelo estado líquido. A plasticidade necessária para sua moldagem é conseguida antes da queima, por meio de mistura das matérias primas em pó com um líquido.

PROCESSAMENTO

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16 Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de Conformação

• Prensagem simples: pisos e azulejos
• Prensagem isostática: vela do carro
• Extrusão: tubos e capilares, tijolos baianos
• Injeção:pequenas peças com formas complexas e rotor de turbinas
• Colagem de barbotina: sanitários, pias, vasos, artesanato
• Torneamento: xícaras e pratos

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Fabricação de Materiais Cerâmicos^17 Métodos de Conformação

Prensagem Uniaxial

Extrusão

Torneamento

Prensagem Isostática

Colagem com barbotina

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19 Fabricação de materiais cerâmicos particulados

Queima das peças após secagem

Na queima ocorrem os seguintes fenômenos:

• Eliminação do material orgânico (dispersantes, ligantes, material orgânico

nas argilas)

• decomposição e formação de novas fases de acordo com o diagrama de

fases (formação de alumina, mulita e vidro a partir das argilas)

• Sinterização (eliminação da porosidade e densificação)

As peças são queimadas geralmente entre 900oC e 1400oC. Esta temperatura

depende da composição da peça e das propriedades desejadas. Durante a

queima ocorre um aumento da densidade e da resistência mecânica devido à

combinação de diversos fatores, mencionados abaixo.

Sinterização durante a queima^20

• O potencial para a sinterização é a diminuição da quantidade de superfície por unidade de volume.
• O transporte de massa ocorre por difusão.

Formação do “pescoço”

Representação esquemática de etapas do processo de sinterização

Produto Cerâmico (alumina sinterizada)

2 μm