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12/03/20141 Matérias Primas Cerâmicas Prof. José Flávio Timoteo Júnior EngMat/UFAM.

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1 12/03/20141 Matérias Primas Cerâmicas Prof. José Flávio Timoteo Júnior EngMat/UFAM

2 Definição: Origem: Grécia: keramos: vaso (raiz: sânscrito: queimar). Gregos usavam o termo para se referir a terra queimada Cerâmicas são materiais não-metálicos inorgânicos. De natureza tipicamente cristalina. São compostos formados entre elementos metálicos e não-metálicos... óxidos (SiO2, Al2O3, Al2(Si2O5)(OH)4 nitretos (Si3N4, BN, AlN) carbetos (SiC, B4C) ou elementos simples... diamante, grafita Alternativamente...

3 Cerâmica: definição tradicional 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.

4 Cerâmica: definição moderna Materiais cerâmicos são compostos sólidos formados pela aplicação de calor, algumas vezes calor e pressão, constituídos por ao menos –um metal (M) e um sólido elementar não- metálico (SENM) ou um não-metal (NM), –dois SENM, ou –um SENM e um não-metal (NM)

5 Metais e não-metais Metais (M): Na, Mg, Ti, Cr, Fe, Ni, Zn, Al... Não-metais (NM): N, O, H, halogênios, gases nobres... Sólidos elementares não-metálicos (SENM): isolantes (B, P, S, C ) ou semicondutores (Si, Ge)

6 Tabela periódica dos elementos Metais Não-Metais

7 Tabela periódica dos elementos Sólidos Elementares Metais Não-Metálicos

8 Exemplos de combinações M + NM: MgO, Al 2 O 3, BaTiO 3, YBa 2 Cu 3 O 7... M + SENM: TiC, ZrB 2... SENM + SENM: SiC, B 4 C SENM + NM: SiO 2, Si 3 N 4

9 História da Cerâmica 3 Períodos Históricos: Período dos Silicatos Industriais: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Período Keramos: Antes de 5000 aC

10 Cerâmica: origem, antiguidade Keramos = coisa queimada (grego) 5000 A.C.: artefatos de argila (earthenware), louça de barro (pottery) 3500 A.C.: torno de oleiro 1000 A.C.: porcelana (China)

11 Idade contemporânea Séc. 18: porcelana (Alemanha), colagem, extrusão, forno túnel Séc. 19: mecanização, microscopia óptica, cones pirométricos (Slide #18) Séc. 20: raios X, microscopia eletrônica, materiais sintéticos, automatização

12 História da Cerâmica Alguns Fatos: Escavações arqueológicas encontram vestígios cerâmicos. Materiais resistentes ao tempo, demonstrando sua existência e uso milenares. Chineses argila que queimava branca (kao-lin). Mistura a fundente porcelana massa de absorção zero. Babilônia: tabuletas de cerâmica usadas para escrita. Murais de revestimento cerâmico esmaltado. Gregos: ânforas de cerâmica para transportar o azeite produzido na oliveiras do mar Egeu. Keramus era um bairro de Atenas. Decoração da cerâmica com cenas do cotidiano: conhecimento de sua história. Cerâmica grega é levada para Roma e Alexandria. Queda do Império Romano invasão árabe. Paixão por azulejos (termo árabe para pedra cintilante). Decoração de palácios e mesquitas com mosaicos coloridos. Norte da África preferência por revestimentos cerâmicos frescos (clima quente), preferência adotada no Brasil. Século VIII: árabes entram na península ibérica e trazem tradição cerâmica. Séculos XV e XVI Renascimento na Europa. Renovação das artes, primeiros centros ceramistas europeus fora de Atenas. Portugal: potência naval. Napoleão invade Portugal corte portuguesa para o Brasil trazem azulejos.

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14 História da Cerâmica Espanha maior produtor de azulejos que Portugal, mas Brasil é maior produtor que Argentina. Isto se deve à presença da corte portuguesa no Brasil, fazendo com que os azulejos portugueses penetrassem no Brasil mais do que os azulejos espanhóis na Argentina. Hoje: antigos azulejos portugueses nas igrejas da Bahia. Uso em fachadas disseminado porque as tintas não resistiam à insolação forte e à maresia das cidades litorâneas por onde a colonização portuguesa se iniciou. Produção cerâmica: de artesanal para fabricação em série (Revolução Industrial). Início do século XX: fornos contínuos (fornos túneis com carrinhos) Industrialização leva a cerâmica a novos setores: das louças de mesa da elite para a higiene das louças sanitárias. Período dos silicatos industriais. Pequenos painéis de azulejos em volta do lavabo foram ampliados para a altura de 1,50 metro e depois até o teto. A linha esmaltada, nos anos 50, dá início à fabricação em série na indústria cerâmica, com linha contínua de fabricação não artesanal que vai desde a matéria prima até o produto acabado. Anos 50: Cerâmicas Técnicas Alumina

15 A Igreja e Convento de São Francisco é uma das mais ricas do Brasil e considerada o mais belo exemplar do barroco português no mundo. O templo tem o interior todo recoberto em ouro e jacarandá. O Barroco está presente na fachada e nos painéis de azulejos portugueses, que reproduzem o nascimento de São Francisco e sua trajetória de renúncia aos bens materiais. Também está no interior, formado por talha de madeira e ornamentado com todos os símbolos do barroco: folhas de acanto, pelicanos, flores, anjos, sereias, dentre outros.

16 História da Cerâmica Anos 70: forno de rolos monoestrato (sem material portante), utilizado para a produção de cerâmica do tipo monoqueima grés prensada. Consumo de pisos cresce mais que de azulejos. São desenvolvidos pisos para tráfego pesado. Pisos avançam do uso residencial para o uso comercial. 1985: Espanha assume liderança mundial no setor de azulejos porosos por monoqueima (monoporosa). Parcerias entre universidades e indústrias surge grande centro de pesquisa (AICE). 1990: Itália dedicação ao grés-porcelanato (baixa porosidade, < 1%) em mercado não ocupado pelos espanhóis 1993: Brasil surge o CCB (Centro Cerâmico do Brasil) - Instituto da Qualidade do Revestimento Cerâmico, fundado pela ANFACER - Associação Nacional dos Fabricantes de Cerâmica para Revestimento, que inicia os seus ensaios em 1994 e começa a certificar as empresas em Novo enfoque dos tempos modernos: design, com a criação de centros como o Centro de Tecnologia Cerâmica, em Criciúma. Design internacional deve se somar à tecnologia e à competitividade Promoção de feiras internacionais, ação internacional conjunta, assistência técnica e ao uso de gás natural como os grandes desafios que se apresentam como requisitos de sobrevivência no mercado.

17 Período Keramos: Antes de 5000 aC até ~1900 Atividade artesanal Primeira máquina (antes de 3500 aC): torno (potter´s wheel) (foto) Fornos rudimentares Tecnologia baseada no empirismo Destaque: porcelana chinesa branca, altamente translúcida (reproduzida no Ocidente após 1710 com alquimista alemão Fredrich Bottger e físico Conde de Tschirnhaus) Descoberta da matéria-prima: argila resistente à chama e materiais fundentes. Primeiro maquinário moderno: 1800 – (revolução industrial e vapor) mecanização da mistura, prensagem e moagem. Final do Séc. XIX: avanços: separação das fases SiO2 por MO SiC em forno elétrico Cones pirométricos (foto) História da Cerâmica

18 Torno (potter´s wheel) Ferramentas de torno Ferramentas de acabamento

19 Cones Pirométricos Inventado por Hermann Seger Permite saber a temperatura de queima Feito com material cerâmico e tem a forma de uma pirâmide triangular alongada, medindo aproximadamente 7 cm de altura Funcionamento: quando o forno atinge uma temperatura prefixada, o cone inclina-se completamente tocando com a ponta na prateleira Deve ser colocado em pontos que permita ser observado pelo ceramista através do visor na porta do forno Possuem números que indicam a temperatura. Ex: Cone 013=869 C; Cone 7=1215 C.

20 Período dos Silicatos Industriais ( ) Melhor industrialização (mecanização e uso de termopares) Refinamento da matéria-prima e uso de aditivos Desenvolvimento de técnicas de análise estrutural: Difração de raios-X Microscopia eletrônica Produção de compostos para refratários (aciaria), vidros, cimentos e componentes eletrônicos História da Cerâmica

21 Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Avanço na síntese, caraterização e fabricação de produtos cerâmicos Consolidação da Ciência de Materiais: Tríade Microestrutura/Processamento/Propriedades História da Cerâmica MicroestruturaProcessamentoPropriedades Produto

22 Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Avanços significativos em instrumentação: Uso rotineiro do MEV em controle de qualidade Técnicas de análise química (ppms) Distribuição de tamanhos de partícula < 1 m Equipamentos para testes Monitoramento computadorizado (balanças, fabricação e queima) Desenvolvimento de novos produtos: cerâmicas técnicas História da Cerâmica

23 Concepção de produtos cerâmicos depende de vários aspectos: Materiais: Tipo e qualidade da matéria-prima Processo: Tecnologia envolvida e produtividade Controle de qualidade: tolerâncias, qualidade aparente Mercado: Economia e Resposta do consumidor Produtos Cerâmicos

24 Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha Produtos Cerâmicos: Classificação Produtos: Tijolos e blocos / telhas / tubos / lajotas / vasos Matéria-prima: local, próxima à planta argilas com alto teor de ferro e matéria orgânica Continua…

25 Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha Produtos Cerâmicos: Classificação Principais produtos: Tijolos de alvenaria Tijolos furados Lajes cerâmicas Tijolos prensados Telhas Continua… Matéria-prima: Argilas plásticas caulinito-ilíticas ou em camadas mistas com matéria orgânica, óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio. Origem: Margens de rios, lagos ou várzeas Queima: Entre 900 e 1000 C

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27 Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha Produtos Cerâmicos: Classificação Principais produtos: Ladrilhos de piso, prensados (com ou sem vidrado) nas cores Vermelho, Amarelo, Verde e Pérola Continua… Matéria-prima: Argilas plásticas caulinito-ilíticas ou em camadas mistas ricas em ferro metais alcalino-terrosos. Vitrificam a 1050 C Argilas sedimentares ou folhelhos argilosos coloridos: taguás (SP) e massapê (BA). Argilas plásticas refratárias e pigmentos. Queima: Entre 1050 – 1350 C TAGUÁ – Argila plástica com alto teor de óxido de ferro. O termo é originário do Tupi, TA-WA, que significa argila amarela.

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29 Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha Produtos Cerâmicos: Classificação ao tipo de produto Principais produtos: Manilhas vidradas Matéria-prima: Argilas plásticas semi-refratárias. Vidrado de NaCl ou sintético. Queima: Entre 1000 e 1100 C VIDRADO OU GLAZURA OU ESMALTE– Camada vítrea sobre o produto cerâmico. É uma suspensão em água de materiais insolúveis finos, que se aplica às cerâmicas como recobrimento. A altas temperaturas, fundem e formam uma camada vítrea. Composição: 1. Um vidrante (fritas) 2. Um fundente (feldspato). 3. Óxido de alumínio – possibilita que as combinações da sílica com o fundente sejam mais estáveis e viscosas.

30 Grupos 2 e 3: Funções Estéticas (Quadro Resumo) Produtos Cerâmicos: Classificação ao tipo de produto

31 Grupo 2: Cerâmica Branca Produtos Cerâmicos: Classificação Principais produtos: Louça sanitária / porcelana de mesa / porcelana elétrica / porcelana de laboratório Matéria-prima: Argilas + materiais fundentes (feldspato) + quartzo Queima branca: Pureza da matéria-prima e controle de temperatura (fundente) Continua…

32 Grupo 2: Cerâmica Branca Produtos Cerâmicos: Classificação Continua… Principais produtos: Porcelana elétrica Matéria-prima (queimam com cor clara): Argilas plásticas + caulim + feldspato + quartzo. Queima: Entre 1200 e 1300 C

33 Grupo 2: Cerâmica Branca Produtos Cerâmicos: Classificação Principais produtos: Louça doméstica Louça Sanitária Porcelana doméstica Porcelana de laboratório Matéria-prima: argilas plásticas de queima clara, caulim, areia quartzítica, feldspato, talco, silicatos de baixo ponto de fusão, calcita, dolomita, pigmentos inorgânicos Queima: Entre 1000 e 1045 C

34 Grupo 3: Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico Produtos Cerâmicos: Classificação Classificação: Revestimento interno e revestimento externo Principais produtos: Cerâmica porosa e grês* Placas cerâmicas (pisos e azulejos (monopoross) / ladrilhos / pastilhas Matéria-prima: Caulim + quartzo + feldspato + argila plástica de queima clara Obs.: Formato regular permite alto grau de automação *GRES – Nome de origem francesa, aplicado à cerâmica queimada a uma temperatura normalmente superior aos 1200 C, cuja pasta é vitrificada junto com o esmalte. Massa altamente refratária. Também conhecida pelo termo inglês stoneware barro – pedra.

35 Grupo 3: Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico Produtos Cerâmicos: Classificação Revestimento cerâmico é um produto constituído de um biscoito poroso (suporte) coberto por uma camada de vidrado (acabamento). A outra face é a sua superfície de aderência, destinada ao assentamento, chamada de tardoz. Características que favorecem seu uso em ambientes que podem ser molhados e devem ser higiênicos, em casas, apartamentos, fachadas, hospitais: -facilidade de limpeza, devida à sua superfície impermeável e lisa; - impermeabilidade, que impede a proliferação de fungos e bactérias, proporcionando uma perfeita higiene; - resistência à ação de ácidos normais de uso diário, sem danos ao vidrado; - resistência aos raios ultra-violetas, não desbotando quando expostos ao sol; - resistência contra riscos e desgaste por outros materiais, devida à dureza do vidrado (segundo tabela PEI, que indica ambientes em que os produtos podem ser aplicados de acordo com sua resistência); - resistência ao calor de fogões e chaminés, não alimentando o fogo e não se decompondo em materiais ou gases perigosos; - durabilidade ilimitada, não sendo necessário substituí-los por envelhecimento; - beleza, devida às composições de decoração que possibilita.

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37 Grupo 3: Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico Produtos Cerâmicos: Classificação Principais matérias-primas da composição do biscoito: Calcáreo (CaCO3), caulim, argila, filito (fundente), talco, feldspato (fundente) e quartzo. Materiais fornecem plasticidade, coesão e resistência ao produto final. Materiais são pesados em balanças para compor a mistura ideal da fórmula (massa) Mistura em moinhos de bolas, juntamente com água barbotina (se for via úmida) Granulação em atomizador contra jato de ar quente Massa granulada é prensada em formato retangular biscoito cru No processo de monoqueima peças são decoradas e esmaltadas ainda cruas. No processo de biqueima peças prensadas cruas são empilhadas em vagonetes e levados para o forno de queima. O biscoito cru é queimado ~ 1500 C por 36 horas (queima lenta). A seguir, o biscoito vai para a linha de esmaltação, transportado por meio de correias, recebendo a decoração através de serigrafia e o esmalte. O esmalte é obtido pela moagem de fritas (vidro próprio para esse fim, acrescidas de outros materiais minerais e corantes). A moagem é efetuada em tambores revestidos com porcelana, com bolas de porcelana, para evitar impurezas resultantes do desgaste. Vidrado é queimado a C em forno túnel durante 12 horas. Produto é classificado, embalado e embarcado para o revendedor.

38 Grupo 4: Cerâmica Refratária ou Refratários Cerâmicos Produtos Cerâmicos: Classificação Classificação: (de acordo com a natureza da matéria-prima) Naturais Sintéticos Continua…

39 Grupo 4: Cerâmica Refratária (Naturais) Produtos Cerâmicos: Classificação Sílico-aluminosos: Argilas refratárias com < 38,5% Al2O3 (cru) ou < 46% Al2O3 após queima a 1000 C Aluminosos: Argilas refratárias com > 38,5% Al2O3 (cru) ou > 46% Al2O3 após queima de Sílica: quartzitos de fácil conversão em cristobalita com > 93% SiO2 e baixo teor de ferro e metais alcalinos e alcalino-terrosos Silicosos: quartzitos impuros ou argilas silicosas com até 15% Al2O3 após queima a 1000 C de Magnesita: magnesita natural - MgCO3, MgO de água do mar de Cromita: cromita: FeO.Cr2O3 de Cromita - magnesita: misturas de magnesita e cromitas naturais de Zirconita: silicato de zircônio natural de areias residuais - subproduto das areias monazíticas e ilmeníticas de Grafita: grafita + argila; coque + alcatrão de Dolomita: dolomita (MgCa)(CO3)2 Continua…

40 Grupo 4: Cerâmica Refratária (Sintéticas) Produtos Cerâmicos: Classificação Alumina Fundida: bauxita fundida + argila Carbeto de Silício: quartzo + coque Zircônia: minérios ou sais de zircônio Magnésia: sais de magnésio de água do mar Silicato de cálcio (até 850 ºC): sílica + hidróxido de cálcio, diatomito, amiantos e carbonato de magnésio

41 Grupo 5: Abrasivos Produtos Cerâmicos: Classificação Abrasivos Naturais: areia, bauxita, argilas calcinadas, diatomita Abrasivos Sintéticos: alumina fundida, carbetos metálicos sinterizados, óxidos metálicos sinterizados, nitratos e boretos

42 Grupo 6: Vidros Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 7: Cimento / Argamassa TiposSeqüência de processamento Cerâmica pó forma calor Vidro pó calor forma Argamassa calor pó forma

43 Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas

44 Térmica Elétrica Magnética Ótica Nuclear Química Biológica Mecânica Estética Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Aplicações

45 Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Térmicas

46 Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Elétricas

47 Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Magnéticas

48 Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Óticas

49 Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Nucleares

50 Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções químicas

51 Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções biológicas * Hidroxiapatita

52 Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas:Funções mecânicas

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