Materiais Cerâmicos

UNIVERSIDADE XXXXXXX

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

MATERIAIS CERÂMICOS

XXXXX XXXXXX

XXXX EXXXXXXXXO XXXXXX

XXXXX XXXXX

XXXXXX XXXXXXI XXXXXX

PROFESSOR: XXXXX XXXXX XXXXXX

Introdução à Engenharia Mecânica

Joinville - SC

2015

INTRODUÇÃO

Este trabalho relata alguns pontos sobre os materiais cerâmicos. Nele estará prescrito de onde se originou, suas aplicações, propriedades e suas características.

Do ponto de vista químico, esse material tem vários componentes em sua composição, mas em sua originalidade, é um material sólido formado pela aplicação de calor.

O objetivo deste trabalho é examinar mais profundamente a síntese, o processamento e as aplicações dos materiais cerâmicos, que são utilizados pelo homem por milhares de anos.

1 MATERIAIS CERÂMICOS

O termo ‘cerâmica’ vem do grego keramos, que se referia originalmente a vasilhames de argila queimada. Nasceu no período mesolítico, há cerca de cinco a dez mil anos. Nessa época, o homem primitivo usava suas mãos para misturar, conformar e decorar artigos feitos a partir de matérias-primas argilosas. O primeiro instrumento de conformação foi provavelmente o trono, para fabricação de vasos de argila, desenvolvido na Mesopotâmia entre 4000 e 3000 a.C.

Num sentido mais amplo, entende-se por cerâmica tanto um produto quanto um processamento ou uma indústria. Assim, um tijolo ou um isolador elétrico é cerâmica, bem como uma olaria ou uma oficina onde se produzem artefatos cerâmicos.

Segundo a definição clássica, cerâmica é a ‘arte e ciência de fazer e usar artigos sólidos que têm como seu componente essencial materiais inorgânicos e não metálicos’. De um modo mais simples, pode-se definir materiais cerâmicos, não pelo que são, mas pelo que não são. Assim, são cerâmicos a maioria dos materiais sólidos que não são metais, polímeros ou derivados de plantas ou animais.

Do ponto de vista químico, ‘materiais cerâmicos’ são compostos sólidos formados pela aplicação de calor, algumas vezes calor e pressão, constituídos por ao menos um elemento metálico e um não metálico, ou dois não metais.

Os materiais cerâmicos podem ser divididos em tradicionais e avançados:

1. Cerâmica tradicional: é aquela utilizada em revestimentos diversos, que vão desde azulejos até vasos para cultivo. Tijolos também são produzidos a partir desta cerâmica, assim como qualquer outro objeto que não requer uma maior sofisticação.
2. Cerâmica avançada: são materiais de engenharia, obtidos a partir de uma matéria prima mais purificada, que pode ser a mesma que dá origem à cerâmica tradicional, mas está em um estado maior de pureza. Utiliza-se esse tipo de cerâmica, por exemplo, em tijolos refratários para churrasqueiras e alguns fornos.

Figura 1 – Pastilhas de corte usadas em serviços de usinagem são exemplos de cerâmicas avançadas

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Fonte: Disponível em: < http://hrtools.com.br/>. Acesso em: 21 ago. 2015.

Figura 2 – O tijolo é um exemplo de material cerâmico tradicional

[pic 2]

Fonte: Disponível em: < http://www.bonde.com.br/>. Acesso em: 21 ago. 2015.

1. Aplicações das Cerâmicas

Existem vários modos de se classificar cerâmicas; um deles consiste em defini-las, conforme sua classe de compostos químicos, em óxidos, carbetos, nitretos, sulfetos, fluoretos etc. Outro modo é classificar as cerâmicas por suas propriedades principais.

As cerâmicas são utilizadas em muitos componentes tecnológicos, como refratários, velas de ignição, dielétricos de capacitores, sensores, abrasivos, meios magnéticos de gravação etc. O ônibus espacial, por exemplo, emprega cerca de 25.000 pastilhas de cerâmica reutilizáveis, leves e muito porosas, que protegem a estrutura de alumínio contra o calor gerado durante a reentrada na atmosfera terrestre.

As cerâmicas também aparecem na natureza como óxidos e em materiais naturais; o corpo humano, por exemplo, tem uma incrível habilidade de produzir hidroxiatita, que é uma cerâmica encontrada nos ossos e dentes.

As cerâmicas também são utilizadas como revestimento, como os vidrados, que são revestimentos aplicados em corpos cerâmicos, e os esmaltes cerâmicos, que são aplicados à materiais metálicos.

Os materiais cerâmicos podem ainda ser agrupados em três classes:

1. Materiais cerâmicos ‘usuais’, os quais são produzidos por uma sucessão de operações de moagens/mistura de pós, conformação e sinterização ou queima (pó-forma-calor).
2. Vidros, obtidos a partir de uma mistura de pós, que sofrem fusão sobre a ação do calor, e posteriormente são moldados em forma final (pó-calor-forma).
3. Argamassas (cimento, gesso, cal), obtidas geralmente através de um processo térmico, seguido de uma cominuição em partículas de tamanho desejado, as quais são submetidas a uma reação ou pega hidráulica e adquirem assim sua forma final (calor-pó-forma).

 

 Outras aplicações para os materiais cerâmicos são:

1. A alumina (Al2O3) é        utilizada como refratário de fornos de fusão de metais e em outras aplicações sujeitas a altas temperaturas, e onde uma alta resistência mecânica também seja necessária. Uma aplicação clássica de alumina é em isolantes de velas de ignição.
2. O diamante (C) é o material natural mais puro que existe e também é uma cerâmica. Diamantes industriais são utilizados como abrasivos para desbaste e polimento.
3. A sílica (SiO2) é provavelmente o material cerâmico de uso mais amplo e que constitui a base de muitos vidros e vidro-cerâmicas. Os materiais com base em sílica são muito usados em isolamentos térmicos, como refratários ou abrasivos; em fibras para reforços de materiais compósitos; em vidraria de laboratórios, etc. Pós com finas partículas de sílica são usados na composição de pneus, em pigmentos de tintas e em muitas outras situações. 
4. O carbeto de silício (SiC) apresenta ótima resistência à oxidação mesmo em temperaturas superiores à temperatura de fusão do aço, sendo, por isso, utilizado em equipamentos de siderurgia. O SiC é frequentemente empregado para descobrir metais com filmes finos, em compósitos carbono-carbono e mesmo em outras cerâmicas para proteção das temperaturas extremas. O SiC também é utilizado como abrasivo de esmeril, como endurecedor na forma de partículas e fibras para reforço de compósitos com matriz metálica ou de cerâmica.
5. O nitreto de silício (Si3N4) tem propriedades similares as do carbeto de silício, embora sua resistência à oxidação e à alta temperatura. Tanto o nitreto de silício quanto o carbeto de silício são prováveis materiais a serem selecionados para fabricação de componentes automotivos e de turbinas a gás.
6. O dióxido de titânio, ou titânia (TiO2), é usado em cerâmicas eletrônicas como barium titanate (BaTiO3). Grande quantidade de titânia, porém, é empregada como pigmento de cor branca de tintas. Partículas finas de TiO2 também tem sido adicionadas a protetores solares para proteger contra os raios ultravioleta do sol.
7.  A zircônia (ZrO2), ou óxido de zircônio, também é utilizada na fabricação de cerâmicas. Sensores de gás oxigênio dos automóveis que servem para medir o teor de oxigênio dissolvido no aço líquido são fabricados tendo a zircônio como composto principal.

1. Propriedades das Cerâmicas

Tabela 1 - Características físicas e mecânicas de algumas cerâmicas avançadas.

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Fonte: Disponível em: <http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo11084/>. Acesso em: 21 ago. 2015.

1.3 Síntese e Processamento de Pós Cerâmicos

Os materiais cerâmicos fundem em altas temperaturas e são frágeis quando submetidos a esforços de tração. Como exceção, os vidros inorgânicos de composição eutética, que têm baixas temperaturas de fusão, permitem a fabricação de peças e componentes por solidificação. No entanto, em geral, os processos de conformação por fusão/solidificação seguidos de processamento termomecânico, muito empregado em metais e termoplásticos, não são adequados para as cerâmicas, em especial as poli cristalinas. Nesse caso, formatos úteis são obtidos pelo processamento dos pós cerâmicos, sendo o pó constituído de partículas finas.