ESTUDO DA MICROESTRUTURA DE CERÂMICAS POROSAS DE … · fabricação de cerâmicas porosas, a alumina tem sido bastante utilizada devido a algumas de sua propriedades, a saber: alta

ESTUDO DA MICROESTRUTURA DE CERÂMICAS POROSAS DE ALUMINA A 1450ºC E 1550ºC

A. G. S. Galdino(1), M. H. Prado da Silva(2), R. E. F. Q. Nogueira(2)

R. Mendeleiev, S/N, FEM – DEF, Cidade Universitária Zeferino Vaz – Barão Geraldo – 13083-970 – Campinas – SP – [email protected]

(1) Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP (2) Universidade Federal do Ceará - UFC

RESUMO

O interesse em cerâmicas porosas vem aumentando à medida que novos

processos vão sendo desenvolvidos e as aplicações decorrentes representam

oportunidades tecnológicas e econômicas substanciais. As cerâmicas porosas vêm

sendo empregadas em várias aplicações: separadores de células de bateria,

queimadores, filtros, sensores de gás, biomateriais, dentre outras. Assim, o objetivo

deste trabalho foi avaliar a microestrutura de cerâmicas porosas de alumina com 3

diferentes granulometrias. As peças porosas foram obtidas pelos métodos da

esponja polimérica e de adição de cera polimérica, e posteriormente sinterizadas a

1450ºC e 1550ºC por duas horas. Os ensaios realizados foram difração de raios – X

(DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados obtidos

mostraram-se satisfatórios com os da literatura, o que permitiu estudos posteriores

sobre as propriedades mecânicas destas, além da comparação entre os dois

métodos.

Palavras-chave: Cerâmicas porosas, alumina, microestrutura, método da esponja

polimérica, método da adição de cera polimérica

INTRODUÇÃO

Materiais porosos têm sido utilizados em várias aplicações, tais como: filtros

para gás quente, membranas para processos químicos, isolantes térmicos, sensores

térmicos, biomateriais, dentre outras (1). Entre as matérias-primas utilizadas para a

Anais do 48º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

28 de junho a 1º de julho de 2004 – Curitiba-PR

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fabricação de cerâmicas porosas, a alumina tem sido bastante utilizada devido a

algumas de sua propriedades, a saber: alta dureza, elevada resistência ao desgaste,

baixo coeficiente de atrito, alta resistência à corrosão ao ar tanto à temperatura

ambiente como em altas temperaturas, a ausência de transformações no estado

sólido, e pelo fato que o material mantém sua resistência mecânica mesmo a altas

temperaturas (1500ºC – 1700ºC) (2).

O estudo da influência da porosidade sobre as propriedades das peças

cerâmicas é de fundamental importância na determinação da aplicação e da

qualidade do produto, uma vez os poros funcionam como caminho para evolução de

trincas (3). A porosidade está quase sempre presente em materiais cerâmicos

sinterizados, onde os poros presentes inicialmente podem mudar de forma,

tornando-se canais ou esferas isoladas, sem necessariamente haver alteração de

tamanho. À medida em que o processo de sinterização ocorre, tanto a forma quanto

o tamanho dos poros são alterados, tornando-se muito menores e mais esféricos (4).

A porosidade (p) é, então, definida como a fração de volume de poros presentes, ou

seja, é a razão entre o volume de vazios e o volume total da peça, como mostrado

na equação (A).

SV

V

VVVp+

= (A)

onde VV é o volume de poros presentes, VS é o volume ocupado apenas pelo sólido

e VV + VS é o volume total do corpo cerâmico (5).

Há vários métodos para se produzir cerâmicas porosas (6), (7), (8). Dois desses

métodos têm sido bastante empregados, a saber: o método da esponja polimérica e

o de adição de ceras. O método da esponja polimérica consiste, resumidamente, na

impregnação de uma esponja polimérica com pasta cerâmica e a estrutura porosa

obtida é uma cerâmica reticulada composta de vazios interconectados rodeados por

uma rede cerâmica (5). O método de adição de ceras consiste na adição de ceras,

naturais ou sintéticas, aos materiais cerâmicos antes do processo de compactação,

com a função de criar poros com a saída dos componentes orgânicos nas primeiras

etapas de queima. A cera também pode ser utilizada como componente majoritário

do ligante quando se deseja uma baixa viscosidade da mistura. Alguns exemplos de



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ceras utilizadas são: cera de abelha, cera de polietileno, entre outros (5). Outros

aditivos orgânicos são utilizados, como amido e casca de amêndoa (8).

O objetivo deste trabalho é caracterizar corpos cerâmicos de alumina porosa,

confeccionados pelos métodos da esponja polimérica e adição de cera polimérica

para alumina com três diferentes granulometrias.

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais

Os materiais utilizados neste trabalho foram três aluminas com diferentes

granulometrias, fornecidas pela empresa Baikowski Mallakoff, do grupo Reynolds (a

saber as aluminas RC-LS, ERC e RC-HPT), além de bicarbonato de sódio P. A. da

Vetec, álcool comercial da Cooperalcool INPM 92,8º, água destilada e cera

polimérica Licowax 520 da Clariant S/A, gentilmente cedidos pelo Laboratório de

Biomateriais do DEMP da Universidade Federal do Ceará. A Tabela I mostra as

características químicas e físicas das aluminas utilizadas, fornecidas pelo fabricante.

Tabela I – Características químicas e físicas dos pós de Al2O3TEOR DE IMPUREZAS

Pó Pureza (%)

Densidade após

queima (g/cm3)

Área Superficial

(m2/g) Na2O SiO2 Fe2O3 CaO MgO

RC – LS 99,75 3,85* 3,3 0,060 0,050 0,013 0,040 0,002ERC 99,8 3,92** 7,5 0,050 0,035 0,015 0,035 0,002

RC – HPT 99,97 3,83** 3,5 – 4,5 N/D N/D N/D N/D N/D * - Sinterizado a 1620ºC, por uma hora. ** - Sinterizado a 1510ºC, por duas horas.

Métodos

Para a confecção de corpos de prova pelo método da esponja polimérica,

utilizou-se o método descrito por Saggio-Woyansky (6). O fluxograma deste método

está descrito em trabalho desenvolvido por Galdino et al. (9). O bicarbonato de sódio,

o álcool e a água foram utilizados para preparar a lama; o bicarbonato de sódio foi

utilizado como agente reológico e o álcool foi utilizado como ligante, na proporção de



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40% em volume, juntamente com 60% de água em volume. Os corpos de prova com

dimensões de 20x17x17 mm3 foram pré-sinterizados a 550ºC para retirada da

esponja polimérica, em rampa de aquecimento de 0,5ºC/min e em seguida

sinterizados a 1450ºC e 1550ºC, em rampa de aquecimento de 5ºC/min,

permanecendo em tais temperaturas por duas horas contínuas. Para a retirada da

esponja polimérica utilizou-se um forno EDG de 1300ºC e um forno Maitec de

1600ºC para a sinterização dos corpos de prova. O resfriamento aconteceu

naturalmente durante a noite até a temperatura ambiente.

Para a confecção de corpos de prova pelo método da adição de cera

polimérica, as aluminas foram peneiradas em peneira ABNT com 710 µm de

abertura e posteriormente misturadas com a cera. Não houve adição de bicarbonato

de sódio em tais corpos de prova. Os corpos cerâmicos com dimensões de 12 mm

de diâmetro e 10 mm de altura foram confeccionados por prensagem uniaxial

(pressão de 40 MPa). Estes possuíam 70% em volume de alumina e 30% em

volume de cera. Em seguida, foram aquecidos até 550ºC em rampa de aquecimento

de 0,5ºC/min para eliminação da cera polimérica e sinterizados a 1450ºC e 1550ºC a

5ºC/min, onde permaneceram em tais temperaturas por duas horas contínuas. O

resfriamento aconteceu naturalmente durante a noite até a temperatura ambiente.

Os fornos utilizados foram os mesmos utilizados para o método da esponja

polimérica.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As Figuras 1 e 2 mostram os difratogramas de raios – x dos corpos de prova

confeccionados pelos métodos da esponja polimérica e adição de cera polimérica

respectivamente.



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Figura 1 – Difratogramas de análise de raios – x das amostras (A) RC-LS; (B) ERC

e (C) RC-HPT a 1450ºC (método da esponja polimérica).

Figura 2 – Difratogramas de análise de raios – x das amostras (A) RC-LS; (B) ERC

e (C) RC-HPT a 1550ºC (método de adição de cera polimérica).

Para ambos os métodos, os resultados de difração de raios – x foram idênticos.

Pode-se perceber, então, que há a presença dos principais picos da alumina. Na

amostra RC-LS, houve redução na intensidade dos principais picos do óxido de

sódio; nas amostras ERC e RC-HPT, alguns picos do óxido de sódio não

apareceram após aumento de 100ºC na temperatura de sinterização. Para o óxido

de cálcio, não houve presença de algum pico na amostra RC-LS. Para as amostras

ERC e RC-HPT, pode-se perceber a presença de um pico a 1450ºC; esse pico não

aparece a 1550ºC. Para o óxido de silício, a amostra RC-LS mostra um pico com

maior intensidade a 1550ºC que a 1450ºC. As amostras ERC e RC-HPT, há três



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picos a 1450ºC; a 1550ºC, aparece apenas um pico deste óxido. Pode-se verificar

também que não há presença de bicarbonato de sódio em nenhuma amostra

confeccionada pelo método da esponja polimérica (onde o bicarbonato de sódio foi

utilizado como agente reológico), o que mostra não haver interferência desse

composto químico nas amostras. Esses resultados sugerem que não houve

interferência do método de produção de corpos cerâmicos porosos na estrutura final

das amostras. Portanto, a eliminação dos agentes porogênicos durante as etapas de

queima e sinterização é efetiva e não altera a composição química / estrutura final

dos corpos de prova.

As Figuras 3 a 5 mostram as micrografias, em microscopia eletrônica de

varredura (MEV), dos corpos de prova confeccionados pelo método da esponja

polimérica, enquanto que as Figuras 6 a 8 mostram as micrografias dos corpos de

prova confeccionados pelo método da adição de cera polimérica.

Figura 3 – Microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova das aluminas

(a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1450ºC (método da esponja polimérica).


(a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1550ºC (método da esponja polimérica).



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(a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1450ºC (método da cera polimérica).


(a) RC-LS, (b) ERC e (c) RC-HPT a 1550ºC (método da cera polimérica).

Para as amostras confeccionadas pelo método da esponja polimérica, pode-se

observar que a amostra RC-LS (Figura 3a) não foi bem sinterizada a 1450ºC,

enquanto que a 1550ºC (Figura 4a) há indícios de uma melhor sinterização, embora

a temperatura para uma boa sinterização de aluminas em geral seja igual ou

superior a 1550ºC. Essa observação é evidenciada pela observação de baixa

densificação e pela presença de partículas de alumina individualizadas nas

temperaturas de sinterização mais baixas. Para a amostra ERC (Figura 3b), a

1450ºC o corpo cerâmico não está bem sinterizado. A 1550ºC (Figura 4b), há uma

melhor sinterização com relação à amostra RC-LS a mesma temperatura. Para a

amostra RC-HPT (Figura 3c), a 1450ºC o corpo cerâmico não está sinterizado e, a

1550ºC (Figura 4c), esta amostra apresentou-se melhor sinterizada que as demais

amostras à mesma temperatura.

Para as amostras confeccionadas pelo método da adição de cera polimérica

(Figuras 5 e 6), pode-se observar que o comportamento de sinterização das três

amostras foi semelhante ao daquelas confeccionadas pelo método da esponja

polimérica.



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CONCLUSÕES

Foi comprovado que os métodos da esponja polimérica e de adição de cera

polimérica proporcionam boa distribuição e morfologia de poros, embora não seja

possível, em ambos, controlar a quantidade de poros abertos e fechados. Em termos

comparativos, as micrografias mostram que as amostras obtidas pelo método de

adição de cera polimérica apresentaram menor porosidade do que as do método da

esponja polimérica. Entretanto, em termos de homogeneidade, as amostras obtidas

pelo método da esponja polimérica mostraram-se mais homogêneas quando

comparadas às produzidas pelo método da adição de cera polimérica.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer à Capes pela bolsa de fomento, ao Dema

da Universidade Federal de Campina Grande por gentilmente ter cedido o forno

Maitec de 1600ºC e ao Demp da Universidade Federal do Ceará pela utilização do

difratômetro de raios – x e microscópio eletrônico de varredura.

REFERÊNCIAS

(1) X. Ding, J. Zhang, R. Wang, C. Feng, Formation of Porous Alumina with Oriented

Pores, Journal of the European Ceramic Society 22 (2002) 411 – 414.

(2) E. Dörre, H. Hübner, Alumina: Processing, properties and applications, Springer

Verlag, Berlin Heidelberg (1984), p. 75.

(3) R. W. Rice, Porosity of Ceramics, Marcel Dekker, Inc., New York (1998) p. 31 –

36.

(4) J. E. Shields, Ceramics and Glasses, Engineered Material Handbook, The

Materials Information Society, Vol. 4 (1991) 580 – 584.



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(5) A. G. S. Galdino, Caracterização Mecânica e Microestrutural de Cerâmicas

Porosas Obtidas a Partir de Diferentes Aluminas, Dissertação de Mestrado,

Universidade Federal do Ceará (2003), p. 23.

(6) J. Saggio-Woyansky, C. E.Scott, Processing of Porous Ceramics, American

Ceramic Society Bulletin 71 (1992), 1674 – 1682.

(7) P. A. Brumati, Utilização de Ceras Naturais no Processo de Moldagem de

Cerâmicas por Injeção, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa

Catarina, 1995.

(8) M. H. Prado da Silva, A. F. Lemos, J. M. F. Ferreira, M. A. Lopes, J. D. Santos,

Production of Porous Biomaterials Based on Glass Reinforced Hydroxyapatite

Composites, Key Engineering Materials 230 (2002), p. 483.

(9) A. G. S. Galdino, M. H. Prado da Silva, R. E. F. Q. Nogueira, Anais do 47º

Congresso Brasileiro de Cerâmica, João Pessoa, PB, p. 2261 – 2269.

STUDY OF ALUMINA POROUS CERAMICS MICROSTRUCTURE AT 1450ºC AND 1550ºC

The interest on porous ceramics have been increasing as soon as new

processes have been developed and their applications represent technological and

economical substantial opportunities. Those materials have been employed in many

applications, such as battery cells, burners, filters, gas sensors, etc.. This research

aimed to evaluate the microstructure of porous ceramics of 3 aluminas with different

granulometry, made by the polymeric sponge method and with addition of polymeric

wax and then sintered at 1450ºC e 1550ºC for two hours. Samples were

characterized by X – Ray diffraction and SEM. ). Results proved satisfactory with

literature, which provided posterior research about mechanical properties and

comparison between both methods.

KEY-WORDS: Porous ceramics, alumina, microstructure, polymeric sponge method,

addition of polymeric wax method



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