fundamentos materiais ceramicos

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MATERIAIS CERÂMICOS

• Disciplina Fundamentos de Materiais Cerâmicos I

Profa Camila S. Xavier
ASSER Escola Superior de Tecnologia e Educação
de Porto Ferreira Curso Engenharia de Materiais
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Materiais Cerâmicos
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Materiais CerâmicosProcessamento das Cerâmicas
Processamento é feito pela compactação de pós ou
partículas e aquecidos a temperaturas
apropriadas. Preparação do material
matéria-prima deve ter tamanho de partícula
controlada Moldagem pode ser feito a seco ou a
úmido Secagem produto conformado é submetido à
secagem para eliminação de água e/ou
ligantes Sinterização produto conformado é
submetido a tratamento térmico para densificação
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Materiais CerâmicosCerâmicas Tradicionais
As matérias-primas são constituídas basicamente
de ARGILAS Al2O3.SiO2.H2O com outros óxidos
(TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O) SÍLICA
SiO2 FELDSPATO K2O.Al2O3.6SiO2 Produtos
estruturais como tijolos e pisos tem os três
componentes. Cerâmicas brancas como as
porcelanas e peças sanitárias também tem os três
componentes, mas o teor de feldspato é controlado.
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Materiais CerâmicosCerâmicas Avançadas
As matérias-primas são constituídas basicamente
de ÓXIDOS Al2O3 CARBETOS SiC NITRETOS
Si3N4 Al2O3 desenvolvida como material
refratário. SiC é muito duro, tem alta
resistência a oxidação e é usado como reforço em
compósitos com metais ou cerâmicos. Si3N4
dentre os materiais cerâmicos é o que exibe
melhor conjunto de propriedades e é usado em
componentes de motores.
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Materiais CerâmicosProdutos à base de Argilas

• Uma das matérias-primas cerâmicas mais amplamente
  utilizadas é a argila.
• Ingrediente barato, encontrado naturalmente e em
  grande abundância, é usado frequentemente na
  forma como é extraído, sem qualquer melhoria na
  sua qualidade.
• Podem ser conformados facilmente. Quando
  misturados nas proporções corretas, a argila e a
  água formam uma massa plástica que é muito
  suscetível a modelagem.

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Materiais CerâmicosProdutos à base de Argilas

• A peça modelada é então secada para remover parte
  da umidade, e após a isso, ela é cozida a uma
  temperatura elevada para melhorar a sua
  resistência mecânica.
• A maioria dos produtos a base de argila se
  enquadra dentro de duas classificações
• os produtos estruturais à base de argila (tijolos
  de construção, azulejos, tubulações de esgoto
  integridade estrutural importante).
• louças brancas (se tornam brancos após um
  cozimento a uma temperatura elevada porcelanas,
  louças de barro, louças para mesa, louça
  vitrificada, louças sanitárias).

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Materiais CerâmicosProdutos à base de Argilas

• Além da argila, muitos desses produtos contêm
  também ingredientes não-plásticos que influenciam
  
• tanto as alterações que ocorrem durante os
  processos de secagem e cozimento,
• como as características da peça acabada.

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Materiais CerâmicosProdutos à base de Argilas

• CARACTERÍSTICAS
• Os minerais argilosos desempenham DOIS papéis
  muito importantes nos corpos cerâmicos
• Quando a água é adicionada, eles se tornam muito
  plásticos, uma condição conhecida por
  hidroplasticidade. Essa propriedade é muito
  importante durante as operações de conformação.
• A argila se funde ou se derrete ao longo de uma
  faixa de temperaturas
• dessa forma uma peça cerâmica densa e resistente
  pode ser produzida no cozimento sem que ocorra
  sua fusão completa, de maneira tal que a sua
  forma desejada seja mantida.
• Essa faixa de temperatura de fusão, obviamente,
  depende da composição da argila.

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Materiais CerâmicosProdutos à base de Argilas

• CARACTERÍSTICAS
• As argilas são aluminossilicatos, sendo compostas
  por alumina (Al2O3) e sílica (SiO2), as quais
  contêm água quimicamente ligada.
• Impurezas presentes mais comuns compostos
  (geralmente óxidos) à base de bário, cálcio,
  sódio, potássio e ferro, e também alguns
  materiais orgânicos.

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Materiais CerâmicosProdutos à base de Argilas

• CARACTERÍSTICAS

• Possuem uma ampla faixa de características
  físicas, composições químicas e estruturas.
• As estruturas cristalinas são relativamente
  complicadas, e prevalece uma estrutura em camadas.

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Materiais CerâmicosProdutos à base de Argilas

• CARACTERÍSTICAS

• Os minerais argilosos mais comuns (de interesse)
  possuem estrutura da caulinita.
• Na argila caulinita, quando a água é adicionada,
  as moléculas de água se posicionam entre essas
  lâminas em camadas e formam uma película fina ao
  redor das partículas de argila.

• As partículas ficam, dessa forma, livres para se
  moverem umas sobre as outras, o que é responsável
  pela plasticidade resultante da mistura
  água-argila.

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Materiais CerâmicosComposições dos Produtos à
base de Argilas

• Além da argila, muitos desses produtos (em
  particular as louças brancas) também contêm
  alguns ingredientes não-plásticos
• os mineras não-argilosos incluem o sílex, ou
  quartzo finamente moído, e um fundente, tal como
  o feldspato.
• O quartzo é usado principalmente como material de
  enchimento, ou carga.
• Barato e quimicamente não-reativo.
• Pouca alteração durante o Trat. Térmico a alta T
  (possui elevada Tfusão)
• quando fundido, no entanto, pode formar vidro.

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Materiais CerâmicosComposições dos Produtos à
base de Argilas

• O fundente, quando misturado com a argila, forma
  um vidro com ponto de fusão relativamente baixo.
• As proporções de argila, quartzo e fundente
  influenciam as alterações durante a secagem e o
  cozimento, e também as características da peça
  acabada.
• Porcelana típica pode conter 50 de argila, 25
  de quartzo e 25 de feldspato (fundente).

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Classificação dos Materiais Cerâmicos Baseada na
Aplicação
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Estrutura dos Materiais Cerâmicos
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Vidros
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Propriedades dos Vidros
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(No Transcript)
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Conformação de Produtos de Vidros
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Conformação de Produtos de Vidros

• O vidro é produzido pelo aquecimento das
  matérias-primas até uma temperatura elevada,
  acima da qual ocorre a fusão.
• A maioria dos vidros comerciais é do tipo
  sílica-soda-cal.
• Para a maioria das aplicações, especialmente
  quando a transparência ótica é um fator
  importante, torna-se essencial que o vidro
  produzido seja homogêneo e esteja isento de poros.

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Conformação de Produtos de Vidros

• A homogeneidade é atingida através da fusão e da
  mistura completa dos ingredientes brutos.
• A porosidade resulta de pequenas bolhas de gás
  que são produzidas
• essas devem ser absorvidas pelo material fundido
• ou de outra maneira eliminadas, o que exige um
  ajuste apropriado da viscosidade do material
  fundido.

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Conformação de Produtos de Vidros

• Quatro diferentes métodos de conformação são
  usados para fabricar produtos à base de vidro
  (prensagem, insuflação (sopro), estiramento
  (laminação) e conformação das fibras)
• Prensagem é usada na fabricação de peças com
  paredes relativamente espessas, tais como pratos
  e louças.
• A peça de vidro é conformada pela aplicação de
  pressão em um molde de ferro fundido revestido
  com grafita, que possui a forma desejada
• o molde é normalmente aquecido para assegurar uma
  superfície uniforme.

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Conformação de Produtos de Vidros

• Quatro diferentes métodos de conformação são
  usados para fabricar produtos à base de vidro
  (prensagem, insuflação, estiramento e conformação
  das fibras)
• Insuflação (sopro) Embora em alguns casos seja
  feita manualmente (especialmente no caso de
  objetos de arte), o processo foi completamente
  automatizado.
• Usado para a produção de jarras, garrafas e
  lâmpadas de vidro.
• As várias etapas envolvidas são mostradas
  na figura a seguir

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Conformação de Produtos de Vidros

• A partir de um tarugo de vidro, um parison, ou
  forma temporária, é moldado por prensagem
  mecânica em um molde.

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Conformação de Produtos de Vidros

• Essa peça é inserida dentro de um molde de
  acabamento ou de insuflação, e então é forçada a
  se conformar com os contornos do molde pela
  pressão que é criada por uma injeção de ar.

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Conformação de Produtos de Vidros

• Estiramento (laminação) é usado para conformar
  longas peças de vidro, como lâminas, barras,
  tubos e fibras, as quais possuem uma seção reta
  constante.

• Um processo segundo o qual são formadas lâminas
  de vidro está ilustrado na figura elas podem ser
  fabricadas por laminação a quente.

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Conformação de Produtos de Vidros

• Estiramento (laminação)
• O grau de planificação e o acabamento da
  superfície podem ser melhorados de maneira
  significativa

• Uma maneira é pela flutuação em um banho de
  estanho fundido a uma temperatura elevada
• A peça é resfriada lentamente e depois tratada
  termicamente por recozimento.

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Conformação de Produtos de Vidros

• Conformação das fibras Fibras de vidro contínuas
  são conformadas segundo uma operação de
  estiramento que é um tanto sofisticada.
• O vidro fundido é colocado em uma câmara de
  aquecimento de platina.
• As fibras são conformadas pelo estiramento do
  vidro derretido através de muitos orifícios
  pequenos na base da câmara.
• A viscosidade do vidro, que é crítica, é
  controlada pelas temperaturas da câmara e dos
  orifícios.

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Processos de Fabricação de Materiais Cerâmicos
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Técnicas de Fabricação de Materiais Cerâmicos
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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
PRENSAGEM DO PÓ

• Processo rápido
• Massa pulverizada contendo pequena quantidade de
  água (ou outro elemento aglutinante) é
  compactada na forma desejada mediante pressão.
• O grau de compactação é maximizado e a fração de
  espaço vazio é minimizada pelo uso de partículas
  maiores e mais finas misturadas em proporções
  apropriadas.

• Não existe qualquer deformação plástica das
  partículas durante o processo de compactação,
  como nos metais.
• Uma das funções do elemento aglutinante é a de
  lubrificar as partículas pulverizadas, à medida
  que elas se movem umas contra as outras durante o
  processo de compactação.
• Três procedimentos básicos de prensagem de pós
  Uniaxial, Isostático (ou hidrostático) e
  Prensagem a quente.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
PRENSAGEM DO PÓ PRENSAGEM UNIAXIAL

• Pó compactado em um molde metálico através de uma
  pressão que é aplicada ao longo de uma única
  direção.
• A peça conformada assume a configuração do molde
  e do cursor da prensa através do qual a pressão
  que é aplicada.
• Restrito a formas relativamente simples.
• Contudo apresenta altas taxas de produção e o
  processo é barato.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação

• PRENSAGEM DO PÓ
• PRENSAGEM UNIAXIAL
• Cavidade do molde é preenchida com pó.
• O pó é compactado por meio de uma pressão
  aplicada sobre a parte superior do molde.
• A peça compactada é ejetada pela ação de elevação
  do punção inferior.
• A sapata de enchimento empurra a peça compactada
  para fora do molde, e a etapa de enchimento é
  repetida.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação

• PRENSAGEM DO PÓ PRENSAGEM ISOSTÁTICA
• Material pulverizado está contido em um envelope
  de borracha.
• A pressão é aplicada por um fluido,
  isostaticamente (possui a mesma magnitude de
  pressão em todas as direções).
• São possíveis formas mais complicadas do que em
  uma situação de prensagem uniaxial.
• Entretanto, na prensagem isostática, consome mais
  tempo e é de execução mais cara.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
PRENSAGEM DO PÓ PRENSAGEM A QUENTE

• Prensagem do pó e tratamento térmico são
  realizados
• simultaneamente.
• O agregado pulverizado é compactado a uma
  temperatura
• elevada.
• É usado para materiais que não formam uma fase
  líquida exceto
• quando submetidos a T muito elevadas e
  impraticáveis de serem aplicadas.
• Utilizada quando são desejadas densidades
  elevadas sem que haja crescimento apreciável no
  contorno de grão.
• Técnica de fabricação cara e possui limitações.
• Onerosa em termos de tempo (molde e matriz devem
  ser aquecidos e resfriados a cada ciclo), molde
  caro e de vida útil curta.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
Conformação de composições à base de argila

• CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA
• Minerais à base de argila, misturados com água se
  tornam altamente plásticos e flexíveis e podem
  ser moldados sem ocorrerem trincas
• Entretanto possuem limite de escoamento
  extremamente baixos.
• A consistência (razão água-argila) da massa
  hidroplástica deve dar um limite de escoamento
  suficiente para permitir que a peça conformada
  mantenha sua forma durante manuseio e secagem.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
Conformação de composições à base de argila

• Técnica de conformação hidroplástica mais comum
• Extrusão massa cerâmica plástica rígida é
  forçada (geralmente por meio de rosca sem fim
  acionada por motor ar removido por câmara de
  vácuo para melhorar densidade da peça) através de
  um orifício de uma matriz que possui a geometria
  da seção reta desejada (semelhante extrusão de
  metais).
• Fabrico Tijolos, tubos, blocos cerâmicos e
  azulejos.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
Conformação de composições à base de argila

• Conformação Hidroplástica
• Extrusão

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
Conformação de composições à base de argila
Conformação Hidroplástica

• Telhas Extrusão Compressão Prensa para
  telhas

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
Conformação Hidroplástica
Pratos Extrusão Corte Torneamento

• Tubos obtidos por
• Extrusão

• Corte Torneamento

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
Conformação de composições à base de argila

• COLAGEM DE BARBOTINA (Fundição por Suspensão)
  usado em geral no processamento de cerâmica
  tradicional.
• Barbotina suspensão de argila e/ou outros
  minerais não-plásticos em água.
• Quando derramada dentro de um molde poroso
• (feito em geral de gesso-de-paris), a água da
• suspensão é absorvida no interior do molde,
• deixando para trás uma sólida camada sobre a
• parede do molde cuja espessura irá depender
• do tempo.

Moldes de Gesso
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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
Conformação de composições à base de argila

• COLAGEM DE BARBOTINA (Fundição por Suspensão)
• O processo pode ser continuado até que a
  totalidade da cavidade do molde se torne sólida
  (fundição sólida) (a).
• Ou ele pode ser interrompido quando a camada
  sólida atingir a espessura desejada, pela
  inversão do molde e o derramamento da suspensão
  em excesso (fundição com dreno) (b).
• Na medida que a peça seca e se contrai em volume
  ela se separa do molde, que pode ser desmontado e
  a peça removida.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
Conformação de composições à base de argila
COLAGEM DE BARBOTINA (Fundição por Suspensão)
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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
Conformação de composições à base de argila
COLAGEM DE BARBOTINA (Fundição por Suspensão)
fabricação de louças
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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
TAPE CASTING (FUNDIÇÃO EM FITA) É usado na
produção de lençóis flexíveis de cerâmica que é
vazada em um suporte (metal/papel/vidro/polímero)
uniformemente através de espalhamento, que depois
é seco e finalmente cozido.
Diagrama esquemático mostrando o processo tape
casting usando um lâmina.
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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
TAPE CASTING (FUNDIÇÃO EM FITA)

• Substratos cerâmicos para componentes eletrônicos
  e circuitos integrados.
• Uma mistura cerâmica é espalhada (juntamente com
  um ligante) em uma superfície móvel de teflon,
  celofane, acetato de celulose até uma espessura
  controlada por uma lâmina. A fita é flexível pela
  presença do ligante podendo ser enrolada em
  bobinas antes de ir para a sinterização

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
TAPE CASTING (FUNDIÇÃO EM FITA)

• Essas lâminas são preparadas a partir de
  suspensões (parecidas com as vistas).
• Suspensão consiste em uma suspensão de partículas
  cerâmicas em um líquido orgânico que contém
  elementos aglutinantes e agentes plasticizantes,
• incorporados para introduzir resistência e
  flexibilidade à fita fundida.
• Pode ser necessária a desaeração em vácuo para
  remover bolhas de ar ou de vapor de solvente que
  tenham sido aprisionadas no material as quais
  podem atuar como sítios iniciadores de trincas na
  peça acabada.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
TAPE CASTING (FUNDIÇÃO EM FITA)

• A fita real é formada pelo derramamento da
  suspensão sobre uma superfície plana (de aço
  inoxidável, vidro, uma película polimérica ou
  papel)
• Uma lâmina afiada espalha a suspensão na forma de
  uma fita delgada com espessura uniforme.
• Na secagem, os componentes voláteis da suspensão
  são removidos por evaporação
• Esse produto cru consiste de uma fita flexível
  que pode ser cortada ou no interior da qual podem
  ser perfurados orifícios, antes de uma operação
  de cozimento.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de
Conformação
TAPE CASTING (FUNDIÇÃO EM FITA)

• As espessuras das fitas variam normalmente entre
  0,1 e 2 mm.
• É amplamente utilizada na produção de substratos
  cerâmicos usados para a fabricação de circuitos
  integrados e de capacitores com camadas múltiplas.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Secagem das
Peças Conformadas

• A peça cerâmica conformada hidroplasticamente ou
  através de fundição por suspensão retém uma
  porosidade significativa e também possui uma
  resistência insuficiente para maioria das
  aplicações práticas.

• No início da secagem as partículas de argila
  estão virtualmente envolvidas e separadas uma das
  outras por uma fina película de água.
• Com a secagem a separação diminui provocando uma
  contração de volume.
• Torna-se crítico controlar essa remoção de água
  durante a secagem.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Secagem das
Peças Conformadas

• A secagem das regiões internas ocorre pela
  difusão de moléculas de água para a superfície,
  onde ocorre a evaporação.
• Se a taxa de evaporação gt taxa de difusão a
  superfície irá secar (e contrair em volume) mais
  rapidamente que o interior poderão se formar
  defeitos.
• O que FAZER???
• Taxa de evaporação da superfície deve ser
  diminuída para, no máximo, a taxa de difusão da
  água. Ela pode ser controlada pela temperatura,
  umidade e taxa de escoamento do ar.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Secagem das
Peças Conformadas

• O que mais influi na contração de volume???
• Espessura do corpo peças mais espessas
  apresentam contração de volume não-uniforme e
  formação de defeitos mais pronunciada.
• Teor de água no corpo também é crítica. Quanto
  mais água, mais intensa a contração de volume ?
  teor deve ser mantido baixo.
• Tamanho das partículas de argila também
  influencia maior contração de volume com menor
  tamanho da partículas.
• Neste caso... o tamanho de partículas deve ser
  aumentado ou elementos não-plásticos com
  partículas grandes podem ser adicionados à
  argila.
• E APÓS A SECAGEM???

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Queima das
Peças após Secagem
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Fabricação de Materiais Cerâmicos Sinterização
Durante a Queima

• SINTERIZAÇÃO (densificação) processo de ligação
  entre as partículas por difusão de átomos entre
  elas acompanhada de uma remoção de poros e de uma
  diminuição de volume.
• Volume reduz em aproximadamente 50
• Sempre realizada em altas temperaturas para
  acelerar o processo difusional.

• Mecanismo de união
• Calor aumenta a difusão entre as partículas.
• Redução da energia de superfície pela redução da
  área exposta entre as partículas de pó que se
  unem no processo
• Temperatura correta de sinterização para o Si3N4
  1750 ºC
• Quando se utiliza 1650 ºC resta muita porosidade
• Quando se utiliza 1850 ºC há muito crescimento de
  grão.

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Sinterização
Durante a Queima

• Estágios da sinterização
• Primeiro estágio
• Rearranjo leve movimento de rotação das
  partículas adjacentes para aumentar os pontos de
  contato
• Formação do pescoço Difusão nos pontos de
  contato
• Segundo estágio
• Crescimento do pescoço os tamanhos dos pontos de
  contato cresce e a porosidade decresce.
• Crescimento de grão Partículas maiores agora
  chamadas de grão crescem consumindo os grãos
  menores.
• Terceiro estágio
• Sinterização final Remoção final da porosidade
  por difusão de vazios ao longo dos contornos de
  grão

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Fabricação de Materiais Cerâmicos Sinterização
Durante a Queima
Para um pó compacto, mudanças microestruturais
que ocorrem durante a queima. (a) partículas de
pós após a prensagem. (b) coalescência das
partículas e formação de poros como início da
sinterização. (c) mudança do tamanho e forma dos
poros como continuação do processo de
sinterização.
Formação de pescoço entre duas partículas
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Fabricação de Materiais Cerâmicos Sinterização
Durante a Queima