cerâmica avançada: perspectivas de aplicação e desafios tecnológicos atuais e futuros
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Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESCUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
Perspectivas de Emprego de Cerâmica Avançada para os Desafios
Tecnológicos Atuais e Futuros
7° WORKSHOP INTERNACIONAL SENAI -
MATERIAIS EM CRICIÚMA
Prof. Dr. Agenor De Noni
Junior
Prof. Dr. Oscar R. K. Montedo
Criciúma (SC), agosto/2012
SENAI/SC –
Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESCUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
O QUE HÁ
DE NOVO NO ASSUNTO?
É
um dos maiores desafios da atualidade: INOVAR E COMERCIALIZAR
No passado os maiores desafios foram: Customização (2000)Produtividade (1990)
Aumentar a qualidade (1970/80)Copiar e fazer mais barato (1950/60)
INOVAÇÃO É
UM ASSUNTO NOVO?
Guerras, revoluções industriais, corrida espacial sempre exigiram iniciativas e esforços
no sentido da inovação.
1. INTRODUÇÃO
Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESCUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
INOVAR É
UMA PRIORIDADE ESTRATÉGICA
INOVAR NÃO É
UM PROGRAMA DE CERTIFICAÇÃO
P&D Produção Marketing
Últimos avanços da ciência e tecnologia
Necessidades da sociedade e do mercado
IDEIAPRODUTOCOMERCIA
L
Fonte: Prof.Martin Wartenberg. University
of
California, 2012
1. INTRODUÇÃO
Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESCUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
Maior barreira nas empresas: Não saber como lidar com o risco de ‘insucesso’
Solução: Aumentar o nível de relação de confiança entre as pessoas
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Empresa Universidade
Governo
1. INTRODUÇÃO
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2. ESTRATÉGIA NACIONAL DE C,T&I - MCTI
Desafios
Redução da defasagem científica e tecnológica que ainda separa o Brasil das nações mais desenvolvidas
Expansão e consolidação da liderança brasileira
na economia do conhecimento da Natureza
Ampliação das bases para a sustentabilidade
ambiental e o desenvolvimento de uma economia de baixo carbono
Consolidação do novo padrão de inserção internacional do Brasil
Superação da pobreza
e redução das desigualdades sociais e regionais
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Eixos de Sustentação da ENCTI
Promoção da inovação
nas empresas
Novo padrão de financiamento público para o desenvolvimento científico e tecnológico
Fortalecimento da pesquisa e da infraestrutura
científica e tecnológica
Formação e capacitação dos recursos humanos
2. ESTRATÉGIA NACIONAL DE C,T&I - MCTI
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Programas Prioritários para os Setores Portadores de Futuro
TICs
–
Tecnologias da Informação e Comunicação
Fármacos e Complexo Industrial da Saúde
Petróleo e Gás
Complexo Industrial da Defesa
Aeroespacial
Nuclear
Fronteiras para a inovação (Biotecnologia e Nanotecnologia)
Fomento da economia verde
C,T&I para o Desenvolvimento Social
2. ESTRATÉGIA NACIONAL DE C,T&I - MCTI
Características incomparáveis das Cerâmicas Avançadas: resistência a temperaturas elevadas
e à
maioria dos corrosivos químicos.
Limitação que impede sua disseminação: fragilidade
(baixa tenacidade).
Cerâmica Avançada ou de engenharia são materiais com solicitações maiores e desempenho destacado, obtidos a partir de matérias-primas mais puras. Feitas de óxidos, carbetos, nitretos, boretos, oxinitretos, etc.
3. CERÂMICA AVANÇADA
Algumas novas cerâmicas avançadas de alto desempenho possuem elementos de terras raras (Lantânio, Cério, Neodímio, Praseodímio, etc.) como um dos componentes.
Novas perspectivas estão sendo criadas a partir do entendimento do efeito destes elementos (terras raras) na origem das propriedades mecânicas das cerâmicas avançadas.
Isto deve tornar possível no futuro fazer configurações precisas (do material cerâmico), que poderão abrir uma nova fronteira para a aplicação das cerâmicas avançadas e melhorar o desempenho desses materiais em uma ampla gama de aplicações.
3. CERÂMICA AVANÇADA
Por exemplo, o nitreto
de silício (Si3
N4
) é
um dos materiais mais promissores para a construção das novas gerações de turbinas a gás.
Esses enormes motores, projetados para movimentar usinas geradoras de energia elétrica, deverão queimar combustível a temperaturas acima de 1.200 °C. Operando a essas temperaturas, as novas turbinas deverão atingir uma eficiência térmica muito superior às termelétricas atuais, emitindo uma quantidade de gases poluentes muito menor.
3. CERÂMICA AVANÇADA
Espuma cerâmica a base de Al2
O3
, ZrO2
ou SiC para filtragem de metais ferrosos e não
ferrosos, filtragem de gases em altas temperaturas, catalisadores e outras aplicações.
Tratamentos químicos superficiais poderiam proporcionar filtragem seletiva.
Cerâmica porosa em cilindros de Al2
O3
para uso em aquários. Realiza a filtragem biológica e eliminação do amoníaco e dos nitritos da água.
4. APLICAÇÕES: FILTROS
Peças de turbina de Si3
N4
.
Rolamentos de Si3
N4
.
4. APLICAÇÕES: TURBINAS
4. APLICAÇÕES: PEÇAS DE MOTORES E FREIOS
Peças a base de Al2
O3
, SiC
e
B4
C para proteção balística humana, de veículos e
aeronaves.
4. APLICAÇÕES: PROTEÇÃO BALÍSTICA
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4. APLICAÇÕES: PROTEÇÃO BALÍSTICA
Componentes para válvulas de exaustão de gases feitos
de ZrO2
.
Parafusos, anéis de vedação e outras peças de SiC
para
aplicações industriais.Componentes de selagem metal-cerâmica
de alta performance.
Bicos de nebulização
de Si3
N4
.
4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIA
Suportes para catalisadores.
Proteção contra a corrosão.
Rolamentos resistentes ao desgaste para alta
temperatura.
Parafusos.
4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIA
Peças para queimadores
de
WC.
Rotor revestido de placas de alta alumina.
4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIA
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Substrato para microeletrônica de LTCC.
Componentes piezoeletrônicos
para
transdutores eletromecânicos.
Substratos para componentes eletrônicos.
4. APLICAÇÕES: ELETRÔNICA
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Cabeça femoral a base de alta alumina.
Componentes de ZrO2
, Al2
O3
ou espinélio
para
uso odontológico.
Prótese dentária de vitrocerâmico.
4. APLICAÇÕES: MEDICINA
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Nanopartículas
de Al2
O3
(~ 50 nm) podem melhorar significativamente a eficiência de combustão de biocombustíveis
e reduzir a
emissão de gases poluentes.
4. APLICAÇÕES: ENERGIA/MEIO AMBIENTE
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Protótipo de lente feita de fibra de vidro revestida com cobre, que
mede cerca de 10 cm2, foi fabricado com mais de 1.000 peças individuais e tem campo de visão
de praticamente 180o.
Fibra óptica.
Lente para telescópio de vitrocerâmico.
4. APLICAÇÕES: ÓPTICA
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Novos estudos apontam para o desenvolvimento de eletrólitos sólidos cerâmicos a base de ZrO2
,CeO2
, apatitas, BiO2
.
4. APLICAÇÕES: CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
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Peças de vitrocerâmicos
e ZrO2
.
4. APLICAÇÕES: VIDA MODERNA
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5. CARACTERÍSTICAS DAS CERÂMICAS AVANÇADAS
1.
Uso de matérias-primas sintéticas de elevada pureza
2.
Rigoroso controle de distribuição de tamanho de partículas
3.
Processos de conformação de formas complexas
4.
Rigoroso controle dimensional e densidade aparente
5.
Sinterização em temperaturas mais elevadas e controle rigoroso
6.
Controle rigoroso controle sobre os gases da atmosfera do forno
7.
Profundo conhecimento sobre a relação:
microestrutura x propriedades x desempenho
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Al2
O3
– Alumina:
Obtida a partir da digestão alcalina da bauxita (processo Bayer), seguida por precipitação e calcinação.
Al2
O3
+ 2 OH-
+ 3 H2
O → 2 [Al(OH)4
]-
(175 oC)
2 Al(OH)3
→ Al2
O3
+ 3 H2
O (900 a 1050 oC)
Alumina eletrofundida:
Produzida em fornos de arco elétrico (T > 2000 oC) . Se obtém maior tamanho de grão e melhores propriedades refratárias e abrasivas.
treibacher.com.br
6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO
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ZrO2
–
Zircônia
Obtida a partir da dissociação do silicato de zircônio ZrSiO4
em forno de plasma.
ZrSiO4
ZrO2
(99,5%) + SiO2
O grau de pureza necessário para aplicações em engenharia é
obtido através de
digestão ácida da zircônia, seguida de calcinação entre 900 e 1000 oC
do sulfato de
zircônio.
ZrO2 (99,5%)
+ H2
SO4
Zr(SO4
)2 ZrO2 (99,95%)
A transformação martensítica
(tetragonal monoclínica) ocasiona fratura que
impedem o uso. As aplicações industriais requerem o uso de óxidos estabilizantes, que inibem essa transformação (MgO, CaO, CeO2
, Y2
O3
, Nb2
O3
) .
6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO
Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESCUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
SiC
–
Carbeto
de Silício
Obtido pela redução térmica da sílica em presença de coque
C + SiO2
→ SiO + COSiO2
+ CO → SiO + CO22C + SiO → SiC + CO
Essa reação ocorre em forno de grafite T > 1700 oC
(Processo Acheson)
Si3
N4 –
Nitreto
de Silício
Obtidos pela redução carbotérmica
da sílica em atmosfera de nitrogênio
3 SiO2
(s) + 6 C(s) + 2 N2
(g) → Si3
N4
(s) + 6 CO(g)
Essa reação ocorre entre 1400 e 1450 oC
6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO
Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESCUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
Exemplo de Processo de Conformação de Cerâmica Avançada
Travitzky, N. Windsheimer, H. Fey, T. Greil, P. Preceramic
Paper-Derievd
Ceramics. J.Am.Cer.Soc. (2008).
6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO
Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESCUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
Exemplo de Processo de Conformação de Cerâmica Avançada
Travitzky, N. Windsheimer, H. Fey, T. Greil, P. Preceramic
Paper-Derievd
Ceramics. J.Am.Cer.Soc. (2008).
6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO
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Exemplo de Processo de Conformação de Cerâmica Avançada
Travitzky, N. Windsheimer, H. Fey, T. Greil, P. Preceramic
Paper-Derievd
Ceramics. J.Am.Cer.Soc. (2008).
6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO
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7. CERÂMICA AVANÇADA
CERÂMICA ARTÍSTICA
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O que se pode incorporar à
Cerâmica Tradicional a partir da Cerâmica Avançada?
1.
Uso de matérias-primas sintéticas de elevada pureza?
2.
Rigoroso controle de distribuição de tamanho de partícula?
3.
Processos de conformação de formas complexas?
4.
Rigoroso controle de densidade aparente?
5.
Sinterização em temperaturas mais elevadas e controle rigoroso?
6.
Controle rigoroso controle sobre os gases da atmosfera do forno?
7.
Profundo conhecimento sobre a relação:
microestrutura x propriedades x desempenho?
7. CERÂMICA AVANÇADA
CERÂMICA TRADICIONAL
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Microestrutura x Propriedades x Desempenho de PORCELANATO
6264
6668
70
72
C1
C2 C3
C4 C5
C6
C7
Quartzo
Caulim Feldspato
ResfriamentoLento
C4
C7
C6
90
8682 78 7470
Quartzo
Caulim Feldspato
ResfriamentoRápido
M+VC
Q
P
VA
7. CERÂMICA AVANÇADA
CERÂMICA TRADICIONAL
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“Vitrocerâmicos
são sólidos policristalinos contendo fase vítrea residual,
preparados pela fusão de vidros, os quais são conformados em produtos sujeitos a
cristalização controlada”
8. VITROCERÂMICOS
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Algumas Propriedades:
alta tenacidade
altas resistências à
flexão, à
abrasão e ao risco
ampla faixa de coeficientes de expansão térmica, podendo mesmo alcançar valores negativos, conferindo resistência ao choque térmico
alta resistividade elétrica
alta resistência química (dependendo fortemente da composição química)
podem ser facilmente coloridos
podem ser opacos ou até
mesmo transparentes, dependendo do tamanho dos cristais
8. VITROCERÂMICOS
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8. VITROCERÂMICOS
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Tecnologia de Fabricação
1) Componentes monolíticos de vidro –
tecnologia do vidro
2) Tecnologia do pó
–
tecnologia cerâmica
• Fusão e obtenção de fritas
• Pulverização
• Conformação
• Tratamento térmico (sinterização e cristalização)
Sinterização Cristalização
8. VITROCERÂMICOS
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8. VITROCERÂMICOS
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9. PERSPECTIVAS
Cerâmicas Avançadas para Defesa Nacional e Segurança
Pública• B4
C e SiC
para blindagem balística
• Vidros especiais para blindagem balística•
Compósitos cerâmica (Al2
O3
) –
polímero de aramida
ou PE de ultra alta massa
molar
Cerâmicas Avançadas para Fotônica
(Semicondutores)• Silício• Fosfeto
de índio (InP), arseneto
de gálio (GaAs) e nitreto
de gálio (GaN)
• ZrO2
, TiO2
, Ta2
O5
e HfO2
(elevada constante dielétrica)
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos –
CGEE
Materiais Avançados –
2010-2022
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Centro de Gestão e Estudos Estratégicos –
CGEE
Materiais Avançados –
2010-2022
Cerâmicas Avançadas para Uso Magnético (Armazenamento de Dados)• Nanoestruturas
magnéticas
de
Fe
em Al2
O3
• Nanopartículas
de Fe3
O4
e BaFe12
O19
com tamanhos típicos de 10 nm
Cerâmicas Avançadas para Uso Aeroespacial• Compósitos C/SiC
e SiC/SiC
• B4
C e HfC
9. PERSPECTIVAS
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MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO
CONTATOagenordenoni@unesc.net
okm@unesc.net+55 48 3431 2775
www.unesc.net/ppgcem
7° WORKSHOP INTERNACIONAL SENAI -
MATERIAIS EM CRICIÚMA
SENAI/SC –
Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
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