MATERIAIS CERÂMICOS

Cerâmica vem da palavra grega keramus que

significa coisa queimada

Minerais de composição inconstante e pureza duvidosa

são expostos a um tratamento térmico não-mensurável,

que dura o suficiente para permitir que reações

desconhecidas ocorram de modo incompleto, formando

produtos heterogêneos e não-estequiométricos,

conhecidos com o nome de materiais cerâmicos.

Definição Tradicional

“Cerâmica pode ser definida como sendo um sólido formado com aplicação de

calor ou calor+pressão contendo:

• pelo menos 1 metal e 1 não metal

• pelo menos 2 elementos sólidos não metálicos

• pelo menos 2 elementos sólidos não metálicos e 1

As Cerâmicas compreendem todos os materiais

inorgânicos, não-metálicos, obtidos geralmente após

tratamento térmico em temperaturas elevadas.

Pré-História: vasos de barro, sem asa, que tinham cor de argila natural ou

eram escurecidas por óxidos de ferro.

5000 A.C.: artefatos de argila (earthenware), louça de barro (pottery)

2000 (3500 A.C.?) : torno de oleiro (roda de madeira movida por um pedal)

Permite fazer vasos perfeitos, de superfície lisa e espessura uniforme, num

tempo relativamente breve.

202 A.C.: porcelana na China

Séc. 18: porcelana (Alemanha), colagem, extrusão, forno túnel

Séc. 19: mecanização, microscopia ótica, cones pirométricos

Séc. 20: raios X, microscopia eletrônica, materiais sintéticos, automatização

Vénus de Willendorf,

Exército de Terracota Guerreiros de Xian Exército do Imperador Qin

221 a 207 AC China

259-210 a.CEncontrado em 1974

Porcelanas – surgiram na China durante a dinastia Han (221 A.C. e 220 D.C.

Características: Brancura, translucidez e dureza

Século XIII – Europa (trazida por Marco Polo)

Somente no século XVIII, a Europa consegue fabricar uma porcelana semelhante a porcelana chinesa

No Brasil

• Ilha de Marajó• 400 a 1400 D.C.• Os índios de Marajó faziam peças utilitárias e decorativas. Confeccionavam vasilhas, potes, urnas funerárias, apitos, chocalhos machados, bonecas de criança, cachimbos, estatuetas, porta-veneno para as flechas, tangas (tapa-sexo usado para cobrir as genitália das moças) –talvez as únicas, não só na América mas em todo o mundo, feitas de cerâmica.• Os objetos eram zoomorfizados (representação de animais) ou antropomorfizados (forma semelhante ao homem ou parte dele), mastambém poderiam misturar as duas formas-zooantropomorfos.

• Visando aumentar a resistência do barro eram agregadas outras substâncias-minerais ou vegetais: cinzas de cascas de árvores e de ossos, pó de pedra e concha e o cauixi-uma esponja silicosa que recobre a raiz de árvores, permanentemente submersas.

Conhecida desde a pré-história

Encontrada em toda a parte no mundo

Argilas - é um material natural, de textura terrosa, de granulação fina, constituída

essencialmente de argilominerais, podendo conter outros minerais que não são argilominerais

(quartzo, mica, pirita, hematita, etc), matéria orgânica e outras impurezas.

Os argilominerais são os minerais característicos das argilas; quimicamente são

silicatos de alumínio ou magnésio hidratados, contendo em certos tipos outros elementos

como ferro, potássio, lítio e outros.

Graças aos argilominerais, as argilas na presença de água desenvolvem uma série

de propriedades tais como: plasticidade, resistência mecânica a úmido, retração linear

de secagem, compactação, tixotropia e viscosidade de suspensões aquosas que

explicam sua grande variedade de aplicações tecnológicas.

Os principais grupos de argilominerais são caulinita, ilita e esmectitas ou

montmorilonita.

O Silício e o Oxigénio formam cerca de 75% da crosta terrestre, sendo materiais de ocorrência comum na natureza e de baixo custo !

Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos (formam óxidos, nitretos, carbetos, boretos, …)

Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades

Os elétrons de valência são “transferidos” entre átomos produzindo íons

A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua

A ligação é forte, por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto.

Como conseqüência da ligação ser predominantemente iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas por íons carregados eletricamente (CÁTIONS E ÂNIONS)

Ligações iônicas e Covalentes

Ligações Iônicas

Energia potencial total de um par de íons em função da distância radial entre os íons

FA= -A/r2 - forca de atração FR= B/rn - forca de repulsão

A, B e n são valores que dependem do sistema iônico em questão

R – distância radial entre os íons

Ligações Covalentes

• direcionais• compartilhamento de elétrons

Óxidos

EXEMPLOS:

ÓXIDO SIMPLES:- Alumina (Al2O3), - Magnésia (MgO)- Zircônia (ZrO2)- Sílica (SiO2)

ÓXIDO MISTOS: - misturas de alumina, magnésia e sílica

CARBETOS-Carbeto de Tungstênio, carbeto de silício (conhecido como carborundum), carbeto de

titânio.

BORETOS:-Boretos de hafnio, tântalo, tório, titânio, zircônioNITRETOS DE BORO E SILÍCIO:-Os nitretos de boro tem dureza equivalente ao diamante e resiste sem oxidação até1926°C

FOSFATOS

• Hidroxiapatita

SILICATOS• argilas – caulinita - Al2(Si2O5)(OH)4

CLASSIFICAÇÃO

Tipos Seqüência de processamento

Cerâmica pó forma calor

Vidro pó calor forma

Argamassa calor pó forma

Classificação

Incluem os cerâmicos à base de Silicatos, Óxidos, Carbonetos e Nitretos

Classificação dos materiais cerâmicos

Cristalinos Amorfos Vitro cerâmicos

Em geral mesma composição dos cristalinos, diferindo no processamento

Obtidos a partir da cristalização controlada de materiais amorfos

Policristal

Sílica vítrea

Vycor Vidro plano

Vidro de janela

Vidro de garrafa

Pirex Vidro cristal

SiO2 100 94 72,7 72 74 81 67

Al2O3 0,5 0,6 1 2 0,4B2O3 5 12SO3 0,5 0,7CaO 13 10 5,4MgO 2,5 3,7BaO

PbO 17Na2O 1 13,2 14 15,3 4,5 6K2O 0,6 9,6

ZnO

As2O5

Composição típica de alguns vidros

Composição (% em peso)

SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO Outros

Sílica refractária 96 4

Tijolo refractário 50-70 45-25 5

Mulite refractária 28 72 ----

Porcelana eléctrica 61 32 6 1

Porcelana steatite 64 5 30 1

Cimento Portland 25 9 64 2

Cerâmicas Cristalinas

Nome comum Comp. UtilizaçãoAlumina, alumina refratária Al2O3 Isolamento térmico e elétricoMagnésia, magnésia refratária MgO Resistência ao desgaste

Spinel MgO.Al2O3 IdemÓxido de Cromo Cr2O3 Revestimentos para resist. ao desgasteDióxido de urânio UO2 Combustível em reactores nuclearesZircônia (parcial.) estabilizada ZrO2

Isolamento térmico (estab. com 10%CaO)

Titanato de Bário BaTiO3 Componentes eletrônicosFerrite de Níquel NiFe2O4 Componentes “magnéticos”

CLASSIFICAÇÃO

ConvencionaisEstruturaisVidrosLouçasCimentos

AvançadasEletrônicosÓpticosBiomateriais

As cerâmicas avançadas são baseadas em matérias-primas de

elevado grau de pureza

Cerâmica Matérias-primas

Estrutura Proprie-dades

Processa-mento

Aplicações

Tradicional(silicatos)

naturais,mineraisindustriais(<98%pureza)

não-uniforme,porosa

mecânica,estética

olaria,colagem,prensagem,extrusão,queima

construção,produtosdomésticos

Avançada(alto de-sempenho,alta tecno-logia)

produtosquímicosindustriais(>98%pureza)

homogênea,menos porosa

elétrica,magnética,nuclear, ótica,mecânica,térmica,química,biológica

prensagemisostática,moldagempor injeção,sinterização,ligação porreação

eletrônica,estrutural,química,refratários

Térmica Elétrica Magnética Ótica Nuclear Química Biológica Mecânica Estética

Classificação - Aplicações

Funções Classes Aplicações Exemplos

cerâmica de mesa pratos, xícaras, vasos louça, porcelana

Estéticas cerâmica derevestimento

pisos, azulejos grés, porcelanato

cerâmica sanitária vasos sanitários, pias louça, porcelana

Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços;

Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e polímeros;

São menos densas que a maioria dos metais e suas ligas;

Os materiais usados na produção das cerâmicas são abundantes e

mais baratos;

A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica.

Alta inércia química

Características das Cerâmicas

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Apresentam baixa resistência ao choque –baixa tenacidade

São duros e frágeis em relação à tração (~17 kgf/mm2)

São resistentes em relação à compressão

O módulo de elasticidade é alto: ~450 MPa (aço: 200 MPa)

Têm alta dureza e alta resistência ao desgaste

COMPORTAMENTO FRÁGIL

• Dificuldade na realização de Ensaio de tração

• São feitos ensaios de flexão

• Dispersão de resultados muito grande

As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser:

• isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2)• semicondutores: SiC, B4C• supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11

Propriedades Elétricas

As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:• capacidade calorífica ( )• coeficiente de expansão térmica ( )• condutividade térmica

Revestimento exterior com fibra amorfas de sílica de alta pureza.Espessura: 1,27-8,89cm

Propriedades Térmicas

Setor Industrial

O setor industrial da cerâmica é bastante diversificado e pode ser dividido nos seguintes segmentos: - cerâmica vermelha, - materiais de revestimento, - materiais refratários, - louça sanitária, - isoladores elétricos de porcelana, - louça de mesa, - cerâmica artística (decorativa e utilitária), - filtros cerâmicos de água para uso doméstico, - cerâmica técnica - isolantes térmicos- matérias-primas sintéticas

Setor cerâmico – corresponde a 1% do PIB brasileiro correspondendo a cerca de 6 bilhões de dólares

Associação Nacional dos Fabricantes de Cerâmicas para Revestimento -ANFACER

Cerâmica Vermelha

• Distribui-se por todo o país, pulverizadas em micro e pequenas empresas, quase sempre de organização simples e familiar;• Raio de ação quanto ao envio de produtos – 250 km, a partir do qual é inviabilizado pelo transporte;

Cerâmica Branca

Compreende materiais constituídos por um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor

• Louça de mesa• Louça sanitária• Isoladores elétricos de lata e baixa tensão• Cerâmica técnica

Porcelana Sanitária

Deca e Grupo Roca detém 75% da produção nacional

Louça de mesa

• Uma das mais tradicionais do país e com boa aceitação no mercado internacional;• Segmento cerâmico mais afetado pela abertura do mercado e pela política cambial até 1999 – inviabilização das exportações e preços dos produtos importados, principalmente os asiáticos, muito baixos fechamento de inúmeras indústrias do setor e diminuição da produção;• Esses produtos sofrem a concorrência de produtos similares e de menor preço, como é o caso do vidro;• Com a mudança da política econômica, o segmento se tornou mais competitivo;• Existem diversas pequenas e micros empresas concentradas nas cidades de Pedreira e de Porto Ferreira (SP) e Campo Largo (PR).

Isoladores elétricos

Materiais refratários

Este grupo compreende uma diversidade de produtos, que têm como finalidade suportar temperaturas elevadas nas condições específicas de processo e de operação dos equipamentos industriais, que em geral envolvem esforços mecânicos, ataques químicos, variações bruscas de temperatura e outras solicitações. Para suportar estas solicitações e em função da natureza das mesmas, foram desenvolvidos inúmeros tipos de produtos, a partir de diferentes matérias-primas ou mistura destas.

Mercado brasileiro de refratários:• Siderúrgico – 67%• Cimento – 13%• Não-ferrosos – 8%• Vidro – 3%• Petroquímica – 1%• Outros – 8%

Tendência mundial de redução de consumo de refratários nas indústrias – refratários de melhor desempenho possibilita consumos menores de refratários

Matérias-primas

Dosagem

Aditivos Aditivos

Reciclo RecicloMoagem/mistura a seco

Moagem/mistura a úmido

Classificação

Granulação Atomização Filtro-prensagem

Mistura/deaeração

Prensagem Conformação plástica Colagem

Secagem Secagem Secagem

Acabamento superficial

Acabamento superficial

Tratamento térmico

Acabamento superficial final