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material de estudo sobre ceramica
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VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Universidade Federal de Santa CatarinaPrograma de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGMAT
Karoline Bastos MundstockKaroline Bastos Mundstock
OrientadorOrientador
Prof. Dachamir HotzaProf. Dachamir Hotza
Co-orientadoresCo-orientadores
Prof. Antônio Pedro Prof. Antônio Pedro Novaes de OliveiraNovaes de Oliveira
Prof. Carlos R. RamboProf. Carlos R. Rambo
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Cerâmicas Celulares
Honeycombs Espumas cerâmicas
Células abertas
Células fechadas
Métodos de Processamento
Método da réplica ou esponja polimérica
Método de gelcasting aplicado a espumas
Geração de bolhas dentro da suspensão
Incorporação de aditivos de sacrifício
Reação de sinterização
Controle nas condições de sinterização com o objetivo de alcançar uma parcial densificação
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Método da Réplica
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Pó Cerâmico
Suspensão Cerâmica
Impregnação
Remoção do Excesso de Suspensão
Tratamento Térmico (pirólise e sinterização)
DispersanteLigante
Esponjas Poliméricas
Secagem
Bentonita Metasilicato de sódio
Método da Réplica
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Calandra
Secagem Pirólise e Sinterização
Schwartzwalder e Somers, 1963
Processo da esponja polimérica
Simples e de baixo custo
Características das espumas celulares
- células abertas (100 - 5000 m)
- ampla faixa de porosidade, 65 a 95%
- elevada permeabilidade (k1 ~10-7 a 10-9 m2)
Método da Réplica
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Método Gelcasting
Pó Cerâmico, Monômeros Orgânicos, Dispersantes e Água
Suspensão Cerâmica
Espumação
Polimerização
Secagem e Tratamento Térmico
Surfactante
Remoção do Molde
Iniciador e Catalisador
Método Gelcasting
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Características das espumas celulares
- células abertas (40 - 200 m) com geometria tendendo à esfericidade
- porosidade de até 90%
- elevada permeabilidade (k1 ~10-7 a 10-9 m2)
- paredes das células completamente densas, proporcionando um significativo aumento na resistência mecânica
OBS: Antigamente este processo era pouco utilizado devido a liberação de gases tóxicos, hoje esse problema foi solucionado com o uso de monômeros de baixa toxicidade acrilato de amônio, hidroximetilacrilamida, metacrilamida e metilobisacrilamida
Incorporação de aditivos de sacrifício
Aditivo de sacrifício Suspensão
Molde
secagem
Sinterização
2H2O2(l) 2H2O(l) + O2(g)
CaCO3(s) CaO (s) + O2 (g)
Aditivos de sacrifício:
neutralização
redox
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
serragem
Fibra da cana de áçucar
Compactação por prensagem uniaxial
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Pó Cerâmico
Mistura (12h)
Evaporação do Solvente
Compactação (40MPa) (prensagem uniaxial)
Tratamento Térmico (pirólise e sinterização)
Ligante (2% de polivinil butiral (PVB) ou polivinil álcool
(PVA)
Vantagens:
-Método prático e econômico,
- Permite a fabricação de estruturas celulares a partir de diversos tipos de fibras.
Propriedades Específicas
Elevada porosidade
Elevada área superficial
Elevada permeabilidade
Baixa densidade
Boa resistência mecânica à compressão
Não são tóxicas, nem inflamáveis
Elevada refratariedade
Elevada resistência a
ataques químicos
Baixa condutividade térmica
Estabilidade dimensional sob variações de temperatura e umidade,
Materiais Celulares Materiais Cerâmicos
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Filtros
Membranas
Suportes catalíticos
Substituto do tecido ósseo
Sensores de gás
Isolantes térmicos
Material estrutural leve
Aplicações
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Poros fechados
Isolantes térmicos
Isolantes acústicos
Poros abertos
Alumina (Al2O3)
Mulita (3Al2O3.2SiO2)
Carbeto de silício (SiC)
Zircônia parcialmente estabilizada
Hidroxiapatita e demais tipos de fosfatos de cálcio
Sistemas de compósitos (carbeto de silício-alumina, alumina-zircônia, alumina-mulita e mulita-zircônia)
Vitrocerâmicos (K2O-CaO-P2O5-Al2O3-SiO2-F, SiO2-P2O5-CaO-Na2O)
Materiais Celulares
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Analisando as propriedades dos materiais vitrocerâmicos vimos o grande potencial destes materiais para diversos tipos de aplicaçõesBaixo coeficiente de expansão térmica Elevada resistência à abrasão Boas resistências mecânica e química Elevada resistência ao choque térmico
Propriedades dos Materiais Vitrocerâmicos
Placas de aquecimento de fogões e fornos
Materiais dentários
Componentes de telescópios
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Materiais Vitrocerâmicos
Propriedades finais e o tipo da fase cristalina
- Dependem da composição
do vidro precursor
- Tratamento térmico aplicado
Preparação:
- Tratamento térmico de vidros
Fase vítrea Cristal
Representação da microestrutura de um material vitrocerâmico
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Vidros
É um material inorgânico fundido, que foi resfriado até um estado rígido, sem experimentar cristalização.
As matérias-primas utilizadas na sua fabricação são: Vitrificantes ou formadores de rede: SiO2, B2O3, P2O5.
Fundentes ou modificadores de rede: Na2O, CaO, K2O, PbO, Li2O
Estabilizantes:Al2O3, ZnO
Componentes secundários: ZrO2, TiO2 (opacificantes e corantes)
ESPUMA VÍTREA/VITROCERÂMICA
PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARES
PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Preparação do vidro:
Matérias-primas (CaCO3, Na2CO3, SiO2 e (NH4)2HPO4)
Moagem e homogeneização 1h
Fusão 1450oC
Moagem
Caracterização
Classificação tamanho de partícula
ESPUMA VÍTREA/VITROCERÂMICA
PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARES
PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Preparação da Espuma Vítrea/vitrocerâmica:
vidroAgente espumante
(2, 3, 4 e 5%)Ligante PVA 5%
Preparação de uma pasta
Compactação
Secagem
Queima
Caracterização
(passante em peneira de 45µm, 75 µm e 106 µm)
L/P=0,38
Variação da temperatura.
ESPUMA VÍTREA/VITROCERÂMICA
PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Propriedades e Caracterização
Fluorescência de Raios-X Análise Térmica Simultânea TG-ATD Difração de raios-X Microscopia Eletrônica de Varredura Análise por Energia Dispersiva de Raios-X Determinação do diâmetro dos poros Expansão Volumétrica
As propriedades das espumas vitrocerâmicas são controladas pela:composição do vidro precursor, tamanho de partícula do vidro precursor,tipo de agente espumante,pressão de compactação,pelo tratamento térmico aplicado,
ESPUMA VÍTREA/VITROCERÂMICA
PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Resultados Fluorescência de Raios-X
ESPUMA VÍTREA/VITROCERÂMICA
PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Amostras Óxidos constituintes (% massa)
SiO2 P2O5 CaO Na2O Al2O3 Zr Fe2O3 K2O SO3 Sr
Bio E 54,73 7,96 14 20,9 1,62 0,32 0,18 0,15 0,08 0,06
Bio F 54,14 7,87 16,06 17,79 2,61 1,09 0,17 0,14 0,08 0,06
Bio G 54,42 7,78 17,98 15,63 2,64 1,03 0,21 0,17 0,07 0,07
• A presença de Sr (Estrôncio) pode ser confundida com a presença de Zr (Zircônio) já que possuem espectros semelhantes.
• A presença de Al2O3 e Zr é devida, à contaminação do biovidro durante o processo de fusão, pelos cadinhos de ZAS cuja composição.
• Quando aumentamos a quantidade de CaCO3 a quantidade de Al2O3 e Zr como contaminante devido a eletronegatividade do Ca2+ que é maior que a do Na+
• Quando a temperatura em que o vidro é fundida aumenta a viscosidade diminuindo podendo apresentar fervura facilitando reações com o cadinho.
Análise por Difração de Raios-X dos vidros:
ESPUMA VÍTREA/VITROCERÂMICA
PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
10 20 30 40 50 60 70
inte
nsid
ade
2
Bio E800 Bio E900 Bio E1000
10 20 30 40 50 60 70
inte
nsid
ade
2
Bio F800 Bio F900 Bio F1000
Todos os vitrocerâmicos preparados são constituídos pela fase Na6Ca3Si6O18 (cartão 77-2189) e pela fase NaCaPO4 (cartão 76-1456).
O [CaO] e [Na2O], não alterou o tipo de fase cristalina formada.
Análise por Difração de Raios-X dos vidros:
ESPUMA VÍTREA/VITROCERÂMICA
PROCESSAMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Como o (Ca++) é duplamente carregado tem efeito menos destrutivo sobre a rede,
≡Si-O-Si≡ + CaO ≡Si-O-Ca++-O-Si≡
≡Si-O-Si≡ + Na2O ≡Si-O-Na+ + Na+ -O-Si≡
O [CaO] viscosidade e conseqüentemente um temperatura de cristalização (Tc) e temperatura de fusão dos biovidros.
Análise de Dilatação Térmica dos vidros:
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO
Com o [CaO], ou seja, Ca2+, e [Na2O], (Na+), ocorre uma do coeficiente de dilatação térmica devido ao efeito menos destrutivo do Ca2+ na estrutura do vidro.
OBRIGADA PELA ATENÇÃO!
Agradecimentos
VIDROS E VITROCERÂMICOS CELULARESPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO