Mestrado em Engenharia Biomédica Processamento de Materiais Cerâmicos e seu processamento Mestrado em Engenharia Biomédica

Materiais Cerâmicos e Vidros Classificação dos Cerâmicos

Materiais Cerâmicos e Vidros Aplicações dos Cerâmicos Cerâmicos tradicionais Estruturais - Tijolos, tubagens, pavimentos, telhas Refractários - Revestimento de fornos, irradiadores de chama, cadinhos para processamento de metais,.. De utilização doméstica - Pratos, copos, objectos decorativos, louça sanitária Cerâmicos Técnicos (Engenharia, Especiais, Avançados, Finos) - Protecções térmicas exteriores do Space Shuttle - Bicos de injectores de queima - Equipamento à prova de bala - Pastilhas de óxido de urànio - Biomateriais - Alhetas ou pás de turbinas - Ferramentas especiais, fieiras

Materiais Cerâmicos e Vidros Resumo dos cerâmicos mais importantes a nível industrial

Materiais Cerâmicos e Vidros Aplicações Cerâmicos Biomateriais Restauração e reparação de tecidos duros Dentários – Até 1995 implantes mistos cerâmicos / metálicos. Depois desenvolvimento de pontes completamente cerãmicas Porcelanas feldspáticas Silicato de Zr e Y-ZrO2 (Zircónia estabilizada com ítrio).

Materiais Cerâmicos e Vidros Aplicações Cerâmicos Biomateriais Restauração e reparação de tecidos duros Ossos – Colagéneo + hidroxiapatite (fosfato de cálcio) Biocerâmicos – Fosfato tricácico, Hidroxiapatite, Cimentos apatíticos

Materiais Cerâmicos e Vidros Aplicações Cerâmicos Biomateriais Restauração e reparação de tecidos duros Ossos – Colagéneo + hidroxiapatite (fosfato de cálcio) Biocerâmicos – Fosfato tricálcico, Hidroxiapatite, Cimentos apatíticos

Materiais Cerâmicos e Vidros Comparação de propriedades com os materiais metálicos São mais duros e resistentes ao desgaste São os materiais, que quando isentos de defeitos, são os mais resistentes mecanicamente Por exemplo em lâminas de corte requerem afiamento depois de tempos em serviço 1 a duas ordens de grandeza superiores aos metais. São mais resistentes a temperaturas elevadas sofrendo de menores problemas de fluência. As temperaturas máximas de serviço são consideravelmente mais elevadas: Zircónia – 2077 ºC, Alumina – 1949 ºC, Carboneto de silício – 1649 ºC. Não se deformam plasticamente São muito frágeis São isoladores térmicos e eléctricos.

Materiais Cerâmicos e Vidros Curvas de tracção Ductilidade inferior a 0.1% latão Ductilidade de 35% = Tensão na rotura antes de ser atingida a tensão limite elástico

Materiais Cerâmicos e Vidros Rotura – superfícies de fractura A – Rotura´dúctil – metais macios tais como Au, Cu, polímeros e vidros a alta temperatura B – Rotura moderadamente dúctil – a maior parte dos metais C – Rotura frágil

Materiais Cerâmicos e Vidros Rotura – superfícies de fractura Transgranular Intergranular A – Rotura´dúctil – metais macios tais como Au, Cu, polímeros e vidros a alta temperatura B – Rotura moderadamente dúctil – a maior parte dos metais C – Rotura frágil

Materiais Cerâmicos e Vidros Estrutura dos vidros • Unidade de base: • O vidro é amorfo • A estrutura amorfa ocorre pela adição de impurezas (Na+,Mg2+,Ca2+, Al3+) • Impurezas: interferem com a formação da estrutura cristalina. Si0 4 tetraedro 4- Si 4+ O 2 - • O Quartz é cristalino SiO2: (vidro silicato)

Materiais Cerâmicos e Vidros Estrutura dos vidros A composição do vidro determina as suas propriedades Vidro SiO2 Na2O CaO Al2O3 B2O3 other Sílica amorfa >99.5% Pyrex (borosilicato) 81 3.5 2.5 13 Normal (soda-lime) 74 16 5 1 4 MgO Fibra de vidro 55 15 10 O coeficiente de expansão térmica do borosilicato (Pyrex) é cerca de 1/ 3 do do vidro normal

Materiais Cerâmicos e Vidros Estrutura dos vidros • Volume específico (1/r) vs Temperatura (T): Vidro (sólido amorfo) T Volume específico Liquido (desordem) Liquido sobre- arrefecido Crystalino (i.e., ordem) sólido m g • Vidros: --não cristalizam --VE varia suavemente com a T --T de transição vítrea, Tg • Materiais cristalinos: --Cristalizam à temperatura de fusão, Tm --Têm uma variação brusca de VE à Tm

Materiais Cerâmicos e Vidros Estrutura dos vidros • Viscosidade: --relaciona tensão de corte & gradiente de velocidade: --unidades (Pa-s) Gradiente velocidade dv dy t glass • A viscosidade diminui com T - (a amostra flui mais facil) • Impurezas diminuem Tdeform

Materiais Cerâmicos e Vidros Estrutura dos vidros Método de Pilkington para fabricar placas de vidro continuamente. Vidro em fusão a aproximadamente 1000ºC é vertido continuamente para um forno sobre uma camada de estanho liquído. Como o Sn está parado, consegue-se uma superfície perfeitamente plana e com rugosidade à escala atómica O arrefecimento é feito progressivamente até à zona de saída e a espessura da placa dependerá da velocidade com que ela é formada.

Materiais Cerâmicos e Vidros Fabricação de vidro com outras formas • Prensagem: Gota Parison molde Prensagem • Sopragem: Parison Molde acabamento Ar comprimido

7000 ‘soldiers’ fabricados em cerâmica

Materiais Cerâmicos e Vidros Fabricação de materiais cerâmicos Como fazer? Os materiais cerâmicos não se podem deformar plásticamente Os materiais cerâmicos têm pontos de fusão muito elevados Solução: Utilizar o fenómeno da difusão no estado sólido para conseguir ligar grãos do material a enformar Passos: 1. Os pós cerâmicos são consolidados por acção simultânea de uma força exterior e, eventualmente, adição de uma substãncia. Obtém-se o denominado “corpo verde”. Neste estágio as amostras são muito frágeis e obrigam a um manuseamento muito cuidado. 2. Para converter o corpo verde num material denso, sem porosidade é preciso promover a ligação química entre os grãos que se faz por difusão no estado sólido. Para tal é necessário submeter as amostras a temperaturas muito elevadas.

Materiais Cerâmicos e Vidros Exemplo de uma argila A argila é uma material abundante na Natureza. Particulas muito finas, eventualmente depois de moídas Quando misturada com a água forma um produto plástico Fácil de enformar Fácil de processar força van der Waals fraca carga neutra Si 4+ Al 3 + - OH O 2- corte Corte Produtos estruturais Tijolos, Telas, tubos Louças

Materiais Cerâmicos e Vidros Enformação (barbotina) Deitar a mistura de água com a argila num molde poroso (ex. gesso). A água é retirada da mistura atávés do molde poroso. A parte restante tem alguma resistência mecânica devido a forças de capilaridade Remover o molde. Retirar uma maior quantidade de água por aquecimento em forno. Increasing shrinkage

Materiais Cerâmicos e Vidros Enformação (por solicitação mecânica) Numa pasta suficientemente plasticizada exercer uma acção mecânica para deformar plasticamente a mistura. Pode ser feito manualmente ou recorrer a meios mecânicos, tais como, manualmente, prensas, extrusoras, injectoras. A peça em verde tem resistência mecânica só assegurada por forças de capilaridade ou pequenas atracções de forças secundárias Ex: Extrusão

Materiais Cerâmicos e Vidros Enformação (por solicitação mecânica) Ex: Prensagem unidireccional Enchimento Prensagem Ejecção Pressões entre 0,1 e 0,5 GPa

Materiais Cerâmicos e Vidros Enformação (por solicitação mecânica) Ex: Prensagem isostática a frio Introdução do pó num molde (camisa ou manga) fechado e sujeito a P. isostática por intermédio de um flúido. Compactação uniforme em todas as direcções Peças complexas e de grandes dimensões com a forma do molde Os pós são introduzidos por gravidade pela parte de cima do molde e comprimidos com P = 20 a 40 GPa. O fluído líquido ou gasoso entra através dos orifícios que se mostram em corte. Flúido Molde para produção de peça isoladora de vela de ignição.

Materiais Cerâmicos e Vidros Enformação (por solicitação mecânica) Ex: Injecção Pós cerâmico + ligante (normalmente misturas de polímeros) (exemplo: mistura proveniente de extrusão) Necessidade de eliminação do ligante e posterior sinterização Redução das dimensões da peça aquando da eliminação do ligante

Materiais Cerâmicos e Vidros Sinterização Egb<Esurface Se é dada energia aos átomos para se movimentarem (aquecimento) haverá difusão ao longo das fronteiras de grão levando ao progressivo desaparecimento dos poros. O processo é baseado na difusão no estado sólido, não num processo de liquefacção. No entanto, em certos casos a sinterização pode ser feita em fase líquida, p.ex. Introduzindo elementos que formam compostos de baixo ponto de fusão, ou adicionando mesmo uma fase de baixo ponto de fusão. Neste caso há uma combinação de dois processos

Materiais Cerâmicos e Vidros Microestrutura Alguns poros permanecem Há fusão entre muitas partículas. A presença de poros pode ser prejudicial para as propriedades mecânicas ao funcionarem como iniciadores de fissuras

Materiais Cerâmicos e Vidros Microestrutura