UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁSETOR DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

TRABALHO MATERIAIS II

COMPÓSITOS CERÂMICOS

Trabalho da disciplina de Materiais II, do Departamento de Engenharia Mecânica, realizado pelo aluno Leandro Reichembach Pizzatto.

Curitiba 2009

1. INTRODUÇÃO

Com o avanço tecnológico os requisitos exigidos aos materiais comuns também sofreram alterações o que levou ao aparecimento de materiais compósitos capazes de corresponder as novas exigências.

Os compósitos de uma maneira geral, apresentam-se como um atrativo tecnológico crescente, devido à possibilidade na combinação de suas propriedades, sejam nas combinações de materiais, metálicos, poliméricos ou cerâmicos, resultando assim em propriedades superiores as dos materiais individuais. A composição dos materiais é decidida de acordo com a necessidade da estrutura e a relativa importância de várias propriedades e principalmente de acordo com a sua aplicação especifica (1). A maioria dos compósitos foi criada para melhorar combinações de características mecânicas, tais como a rigidez, tenacidade e resistência nas condições ambientes e a altas temperaturas (2).

Um material diz-se compósito quando resulta da combinação de dois ou mais materiais dissimilares, cada qual contribuindo para as propriedades finais (3). A maioria dos compósitos consiste em duas fases, uma delas é chamada matriz que confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam no reforço e mantendo-o na sua posição e a outra é denominada enchimento.

Altas razões de resistência por peso, até cinco vezes maiores que aquelas dos aços de alta resistência podem ser conseguidas. Da mesma forma, podem ser obtidas altas razões de rigidez por peso, até mesmo oito vezes maiores que a dos metais estruturais, por essa razão esses materiais são de extrema utilidade para aplicações onde o peso é um fator importante (3). A aplicação de materiais compósitos vai desde simples artigos utilizados no nosso dia a dia até aplicações para indústrias de ponta como é o caso da indústria aeronáutica e aeroespacial. Antigas civilizações já utilizavam compósitos (palha + barro) na produção de tijolos.

A classificação desses materiais pode ser organizada de acordo com o esquema abaixo:

Figura 1 – Classificação dos materiais compósitos quanto à matriz.

O foco principal desse trabalho são os compósitos de matriz cerâmica. Como as características dos compósitos dependem da composição dos mesmos, é importante identificar os materiais cerâmicos, suas propriedades e aplicações.

COMPÓSITOS

MATRIZ POLIMÉRICA

MATRIZ CERÂMICA

MATRIZ METÁLICA

2. MATERIAS CERÂMICOS

A história da cerâmica retorna à pré-história, quando logo após o homem começar a usar o fogo, ele aprendeu que o calor fixava a forma dos materiais terrosos e tendia a torná-los estáveis na água. Antigos produtores de tijolos cerâmicos queimados aprenderam sua arte pela experiência sem ter conhecimento real do processo que a finalizava. Eles aprenderam rapidamente que as argilas não tinham as mesmas propriedades e somente certas argilas eram usadas para certos produtos.

O processo cerâmico é uma antiga arte, mas pode ser considerada uma nova ciência aplicada. A história do processo cerâmico indica períodos de rápido desenvolvimento intercalados com longos períodos de desenvolvimento lento. A segunda metade do século XX foi um período de intenso desenvolvimento. A transição do processo cerâmico para a ciência aplicada foi resultado natural de um aumento da capacidade de refino, desenvolvimento e caracterização dos materiais cerâmicos, melhores equipamentos, e progresso no entendimento de processos cerâmicos fundamentais. Embora os materiais cerâmicos venham sendo usados e pesquisados por séculos, o entendimento científico e controle da sinterização tiveram desenvolvimento somente durante os últimos 50 a 60 anos.

Segundo a Associação Brasileira de Cerâmica (ABC, 2002), cerâmica compreende todos os materiais de emprego em engenharia (materiais de construção de engenharia) ou produtos químicos inorgânicos, excetuados os metais e suas ligas, que são utilizáveis pelo tratamento em altas temperaturas. A maioria dos materiais cerâmicos consiste em compostos formados entre elementos metálicos e não-metálicos, para os quais as ligações atômicas são totalmente iônicas ou predominantemente iônicas com alguma natureza covalente.

O termo cerâmico vem do grego keramikos, que significa matéria prima queimada, indicando que a otimização das propriedades desses materiais é normalmente atingida através de um processamento em alta temperatura, conhecido por ignição. Podem ser classificados da seguinte maneira:

Figura 2 – Classificação geral dos materiais cerâmicos.

Materiais Cerâmicos

Vidros Argilas Refratários Abrasivos Cimentos Avançadas

Vidros VidrosCerâmicos

Estruturais Porcelana

Fireclay Sílica Básica Especial

2.1 Propriedades

Propriedades tais como a facilidade de conformação, baixo custo e densidade, resistência à corrosão e a temperaturas elevadas e dureza extremamente alta, fizeram com que os materiais cerâmicos tradicionais conquistassem posições de relevo em diferentes setores industriais e artísticos. Algumas destas propriedades como a resistência à corrosão e a temperaturas elevadas, cedo fascinaram muitos industriais, no sentido de produzirem peças técnicas nestes materiais, os cerâmicos de Engenharia. Contudo, todos os esforços desenvolvidos sempre depararam com o mesmo problema, a grande disposição desses materiais à fratura catastrófica, rompendo de maneira frágil.

Já foram realizados estudos para aumentar a tenacidade desses materiais com sucesso, porém ainda não conseguiram chegar a valores suficientemente altos.

O comportamento tensão-deformação desses materiais não é realizado por ensaios de tração tradicionais, pois é extremamente difícil fixá-los sem que ocorra o rompimento. Portanto, na maioria das vezes, é realizado um ensaio de flexão transversal, mais adequado para tais casos, onde um corpo de prova na forma de uma barra é flexionado até a sua fratura, utilizando um carregamento de três pontos. No ponto de carregamento, a parte superior do corpo de prova é colocada em um estado de compressão, enquanto a superfície inferior encontra-se em tração. (2)

A resistência à fratura por tração dos materiais cerâmicos é muito menor que a de compressão devido à microtrincas que amplificam as tensões de tração, o que não ocorre quando o corpo é comprimido.

Apesar de sua fragilidade esses materiais possuem inúmeras aplicações como será apontado a seguir.

2.2 Aplicações

É quase impossível abrir os olhos sem ver um produto cerâmico ou um produto que depende do engenheiro ou do cientista cerâmico para sua existência. Quando pessoas em geral falam sobre cerâmicas, usualmente estão referindo-se a artefatos de cerâmica tais como pratos, vasos, objetos de arte, etc. Evidentemente tais produtos são cerâmicas, mas eles fornecem uma idéia pouco precisa sobre a dimensão e o universo da indústria de cerâmica nos dias atuais.

Alguns produtos são cerâmicos em sua origem: tijolo, telhas, azulejo, utensílios de mesa (louças, talheres), vasos de flores, porcelanas de banheiro. Além disso, o vidro, em suas milhares de permutações, é também um produto cerâmico, desde as lentes de óculos até as janelas de um arranha-céu, cabos de fibra ótica que trazem a imagem à nossa televisão.

Cerâmicas têm propriedades elétricas como isolantes de alta-voltagem, em resistores e capacitores, como a memória em computadores, velas na combustão interna de motores e, mais recentemente, em aplicações de supercondutores de alta temperatura. Resistência ao calor é uma das características mais atrativas nos materiais cerâmicos, por essa razão telhas de cerâmica fornecem blindagem ao aquecimento nos ônibus espaciais de hoje. Uma classe inteira de cerâmicas resistentes ao calor, chamadas de

refratários torna possível a construção de alto-fornos siderúrgicos e usinas nucleares que são o coração da indústria moderna.

Cerâmicas estão por toda parte - nos carros que dirigimos, nos edifícios que moramos e nas calçadas que pisamos. Elas são usadas até mesmo por dentistas em próteses, coroas, cimento e implantes dentários. Filtros de cerâmica feitos de porcelana porosa podem isolar micróbios e bactérias do leite e água potável, separar poeira de gases e remover partículas sólidas de líquidos.

Cerâmicas são essenciais para a indústria de construção, para a indústria petroquímica, para gerar eletricidade, para as comunicações, exploração espacial, medicina, sanitarismo. Cerâmicas semicondutoras tornaram possíveis os rádios transistorizados e a televisão portátil que revolucionaram o modo de pensar sobre educação e diversão. Escudos de cerâmica, os quais são leves e resistentes ao impacto, têm sido confeccionados para proteger aviões, veículos militares e soldados.

Componentes eletrônicos individuais e circuitos integrados complexos com multicomponentes têm sido fabricados de cerâmicas. Cerâmicas mono-cristais têm importantes aplicações mecânicas, elétricas e óticas. Cerâmicas incluem itens tão delicados que podem ser quebrados por um leve toque, tão resistentes que podem proteger nosso próprio corpo e tão duradouros que permanecem depois de milhares de anos revelando-nos a história dos nossos mais remotos ancestrais.

3 COMPÓSITOS CERÂMICOS

Os compósitos cerâmicos têm sido alvo de intensos estudos nos últimos anos. Esses apresentam um grande atrativo tecnológico devido à possibilidade de combinação das boas propriedades encontradas tanto nos materiais metálicos (tenacidade, ductibilidade) quanto nos materiais cerâmicos (dureza, resistência ao desgaste, fluência) (7).

Ao longo das últimas décadas estudos a cerca de compósitos cerâmicos apresentaram um grande crescimento tecnológico no que se refere aos materiais e técnicas de processamento, promovendo o desenvolvimento de vários métodos de conformação e sinterização, dentre os quais, podemos destacar o desenvolvimento de compósitos de alta dureza e resistência à abrasão que podem ser empregados na indústria metalúrgica/mecânica. Todavia, os altos custos oriundos das grandes pressões e temperaturas envolvidas no processo, tornam necessário o estudo de novas técnicas que permitam produzir materiais a pressões e temperaturas mais baixas, bem como a obtenção de formas mais estáveis e variadas (8).

Os compósitos de matriz cerâmica constituem uma classe específica de compósitos onde a fase predominante, que incorpora e envolve em escala microestrutural as demais fases, é constituída de material cerâmico. Podem ser divididos em dois grupos: microcompósitos e nanocompósitos. Nos microcompósitos, a segunda fase possui tamanho micrométrico e pode se apresentar na forma de partículas, plaquetas, whiskers ou fibras dispersas na matriz. A distribuição da fase nanométrica nos nanocompósitos pode ser intergranular, intragranular, intra/intergranular e nano/nanocompósito.

As figuras a seguir apresentam os tipos de compósitos descritos, de acordo com o tipo de reforço.

Figura 3 - Ilustração esquemática do tipo de reforço dos microcompósitos cerâmicos (4).

Figura 4 - Classificação dos nanocompósitos quanto a posição da segunda fase (4).

Para a escolha dos constituintes de um compósito cerâmico é primordial que cada constituinte mantenha sua integridade durante o processamento e uso. Materiais que reajam quimicamente, que sejam solúveis uns nos outros, ou formem eutético com baixo ponto de fusão não podem ser combinados. Deve-se observar que as incompatibilidades podem ser minimizadas durante o processamento, mas podem se manifestar durante a aplicação do compósito em temperaturas elevadas. A Tabela a seguir apresenta materiais compósitos desenvolvidos nos últimos anos (5).

Tabela 1 - Materiais aplicados em cada arranjo microestrutural de compósitos de matriz cerâmica.

Dentro dos óxidos temos: Alumina, Sílica, Mullite [Mulite], Barrium aluminosilicate [alumino-silicato de bário], Lithium aluminosilicate [alumino-silicato de lítio], Calcium aluminosilicate [alumino-silicato de cálcio]. Dentro destas matrizes as mais utilizadas são as de alumina e as de mullite devido à boa estabilidade química e térmica em serviço e também por serem compatíveis com grande parte dos reforços.

Dentro dos monóxidos temos: SiC [carboneto de silício], SiC3N4, Boron carbide [carboneto de boro], AlN [nitreto de alumínio]. Dentro destas matrizes as mais utilizadas são as SiC e AlN quando queremos uma boa condutividade térmica e SiC3N4 quando queremos boa resistência mecânica.

Reforços descontínuos mais usados: Whiskers [filamentos monocristalinos de xxx] e partículas compostas por Si3N4,SiC,AlN, boron

carbide e boron nitride. Já os reforços contínuos que podemos encontrar são (utilizados nos compósitos avançados): Glassmullite, Alumina, Carbon, SiC. Normalmente é depositada por deposição química na fase de vapor ou por processos de impregnação uma proteção no reforço para este não reagir com a matriz.

3.1 Técnicas de Processamento

A preparação de compósitos cerâmicos depende do tipo de reforço utilizado. Para os compósitos formados com longas fibras foram desenvolvidas técnicas especiais. Já os compósitos de matriz cerâmica, reforçadas com particulados, podem ser obtidos com a utilização de técnicas convencionais de processamento de pós, de maneira similar às cerâmicas monolíticas (4).

As técnicas mais utilizadas na obtenção dos compósitos cerâmicos estão ilustradas abaixo, porém uma descrição detalhada desses processos não faz parte do escopo desse trabalho.

Figura 5 – Processo de sinterização para obtenção de compósitos cerâmicos.

Figura 6 - Hot pressing slurry infiltration (Prensagem a quente com infiltração pastosa).

Figura 7 - High Pressure impregnation of Carbon (Impregnação de carbono a alta presão).

Figura 8 – Processo de pultrusão para obtenção de compósitos cerâmicos.

Figura 9 – Processo de oxidação direta para obtenção de compósitos cerâmicos.

Figura 10 – Processo de infiltração de vapor químico para a obtenção de compósitos cerâmicos.

3.2 Propriedades Mecânicas

Nos materiais compósitos as propriedades variam com as direções, ou seja, são anisotrópicos, o que não acontece com os metais em que as propriedades são iguais em todas as direções (isotrópicos) [depende do processamento, mas normalmente, isso não é verdade]. Não só as orientações das fibras e das camadas afeta a resistência do compósito final, logo não se pode esquecer a matriz bem como o material que constitui as fibras

As propriedades dos compósitos com particulados são dependentes não somente das propriedades e frações das fases constituintes, mas também de outras características da microestrutura do compósito. Alguns parâmetros microestruturais que influenciam as propriedades dos compósitos de matriz cerâmica são:

Porosidade: possui forte efeito na resistência à fratura, dureza, módulo de elasticidade e condutividade térmica;

Tamanho de grão da matriz: acima de certo tamanho, os grãos em materiais cerâmicos podem atuar como falhas determinantes da resistência, mais do que os poros. Conseqüentemente, um tamanho de grão pequeno na matriz é considerado desejável;

Tamanho de partícula do reforço: este parâmetro é importante, particularmente nas cerâmicas tenacificadas com zircônia, uma vez que o tamanho da partícula de zircônia afeta a transformação martensítica. No entanto o tamanho do reforço também é importante para outros sistemas, como por exemplo, o compósito alumina-diboreto de titânio.

Propriedades do contorno de grão: a composição e as propriedades dos contornos de grão têm influência nas propriedades mecânicas e físicas do compósito.

Estes efeitos microestruturais são suficientes para modificar as propriedades esperadas, que são expressas por modelos ou pela regra das misturas aplicada aos materiais compósitos. Quando duas fases são misturadas, muitas das propriedades do compósito apresentam valores intermediários entre as duas fases. Utilizando a regra das misturas é possível fazer uma avaliação das propriedades do compósito considerando-se as propriedades de cada fase em separado.

No caso dos materiais cerâmicos, a característica a ser melhorada é, com certeza, sua baixa tenacidade e alta fragilidade. A tenacidade à fratura das cerâmicas, assim como sua rigidez tem sido melhorada significativamente pelo desenvolvimento dos compósitos de matriz cerâmica (CMC), como podemos comprovar nos gráficos 1 e 2. Essencialmente, essa melhoria nas propriedades de fratura resulta das interações entre as trincas que avançam e as partículas da fase dispersa. A iniciação das trincas ocorre normalmente com a fase matriz, enquanto sua propagação é obstruída ou retardada pelas partículas, fibras ou uísqueres (2).

Com essas características os compósitos de matriz cerâmica possuem importantes aplicações na área da indústria aeroespacial, ferramentas de corte para usinagem de ligas metálicas duras, aplicações médicas e odontológicas e vários outros componente utilizados no dia a dia.

Gráfico 1 – Diferenças de rigidez (K) entre cerâmicos e compósitos cerâmicos.

Gráfico 2 – Curvas Tensão x Deformação das cerâmicas e dos CMC, comprovando o aumento de tenacidade.

4. CONCLUSÃO

Com a evolução da tecnologia mundial em praticamente todas as áreas de aplicação, se fez necessário o desenvolvimento de materiais com novas ou melhores características para atender de forma satisfatória o mercado em ascensão. Os compósitos surgiram justamente com essa finalidade, combinando propriedades de vários materiais para assim atingir características inexistentes em outros materiais. Então, os compósitos cerâmicos foram desenvolvidos para amenizar o problema da grande disposição dos cerâmicos a fraturar de maneira frágil, dificultando a movimentação das microtrincas, aumentando assim a tenacidade. São materiais de extrema importância nos dias atuais, utilizados nas mais diversas áreas, desde aplicações médicas e odontológicas a ferramentas de corte para usinagem de metais de alta dureza e importantes aplicações na indústria aeroespacial, mas que ainda tem muito para contribuir ao ser humano, pois apresenta grande potencial para o desenvolvimento de mais e mais estudos, revelando aplicações que nos dias atuais são inimagináveis.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Belot, V.; Corriu, R. J. P.; Leclerq, D.; Mutin, P. H.; Vioux, A. Thermal redistribuction reactions in crosslinked polysiloxanes. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, v. 30, p. 613-622, 1992.

2. Callister, W. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. LTC, quinta edição, p.359, 2000.

3. Shingley, E. J.; Mischke R. C.; Budynas, G. R. Projeto de Engenharia Mecânica. Bookman, sétima edição. p.110, 2005

4. Niihara,K.,"New Design of Structural Cermics-Ceramics Nanocomposites",J.Am.Ceram.Soc.Jpn.,99, 974-976,1991.

5. Scheider, S.J., "Ceramic Glasses. Engineering Materials Handbook - vol.4, 1s t edition, 1991.

6. Wari, R.P.; Ilschner,B.; "Fracture behaviour of composites based on A^Os-TiC", J.Mater.Sci.,15, 875-885,1980.

7. SCHIAVON, M. A.; YOSHIDA I. V. P.; BRESSIANI, J. C.; ACCHAR, W. Ceramic composites derived from polysiloxane/Al/Nb by AFCOP process. Materials Science Forum, v.498, p.375-380, 2005.

8. GREIL, P. Near net shape manufacturing of polymer derives ceramics. Journal of the European Ceramic Society, v.18, p.1905-1914, 1998.

9. Pesquisa Google: compósitos de matriz cerâmica.