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Matérias Primas
Cerâmicas
Prof. José Flávio Timoteo Júnior
EngMat/UFAM
31-05-2017
1
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...
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.
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 nãometálico (SENM) ou um não-metal (NM),
– dois SENM, ou
– um SENM e um não-metal (NM)
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)
Tabela periódica dos elementos
IA
VIII B
1
H
Metais
II A
Não-Metais
III B IV B
VB
VI B
VII B
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Tabela periódica dos elementos
IA
1
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Metais
II A
Sólidos Elementares
Não-Metálicos
III B IV B
VB
VI B
VII B
VIII B
2
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Fm
101
Md
102
No
103
Lw
Exemplos de combinações
• M + NM: MgO, Al2O3, BaTiO3,
YBa2Cu3O7...
• M + SENM: TiC, ZrB2...
• SENM + SENM: SiC, B4C
• SENM + NM: SiO2, Si3N4
História da Cerâmica
3 Períodos Históricos:
Período Keramos: Antes de 5000 aC
Período dos Silicatos Industriais: 1900 - 1940
Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: 1940 -
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)
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
Alguns Fatos:
História da Cerâmica
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.
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
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.
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 1995.
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.
História da Cerâmica
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)
Torno (potter´s wheel)
Ferramentas de torno
Ferramentas de acabamento
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.
História da Cerâmica
Período dos Silicatos Industriais (1900 - 1940)
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
Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: 1940 Avanço na síntese, caraterização e fabricação de produtos cerâmicos
Consolidação da Ciência de Materiais: Tríade
Microestrutura/Processamento/Propriedades
Microestrutura
Processamento
Produto
Propriedades
História da Cerâmica
Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: 1940 -
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
Produtos Cerâmicos
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: Classificação
Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha
Produtos: Tijolos e blocos / telhas / tubos / lajotas / vasos
Matéria-prima: local, próxima à planta
argilas com alto teor de ferro e matéria orgânica
Continua…
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha
Principais produtos:
Matéria-prima:
Tijolos de alvenaria
Argilas plásticas caulinito-ilíticas ou em
camadas mistas com matéria orgânica,
óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio.
Tijolos furados
Lajes cerâmicas
Tijolos prensados
Telhas
Origem:
Margens de rios, lagos ou várzeas
Queima:
Entre 900 e 1000 C
Continua…
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha
Principais produtos:
Matéria-prima:
Ladrilhos de piso,
prensados (com ou
sem vidrado) nas
cores Vermelho,
Amarelo, Verde e
Pérola
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.
Continua…
Produtos Cerâmicos: Classificação ao tipo de produto
Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha
Principais produtos:
Matéria-prima:
Manilhas vidradas
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.
Produtos Cerâmicos: Classificação ao tipo de produto
Grupos 2 e 3: Funções Estéticas (Quadro Resumo)
Funções
Estéticas
Classes
Aplicações
Exemplos
cerâmica de mesa
pratos, xícaras, vasos
louça, porcelana
cerâmica de
revestimento
pisos, azulejos
grés, porcelanato
cerâmica sanitária
vasos sanitários, pias
louça, porcelana
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 2: Cerâmica Branca
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…
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 2: Cerâmica Branca
Principais produtos:
Matéria-prima (queimam com cor clara):
Porcelana elétrica
Argilas plásticas + caulim + feldspato +
quartzo.
Queima:
Entre 1200 e 1300 C
Continua…
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 2: Cerâmica Branca
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
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 3: Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico
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”.
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 3: Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico
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.
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 3: Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico
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 1.050 C em forno túnel durante 12 horas.
Produto é classificado, embalado e embarcado para o revendedor.
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 4: Cerâmica Refratária ou Refratários Cerâmicos
Classificação: (de acordo com a natureza da matéria-prima)
Naturais
Sintéticos
Continua…
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 4: Cerâmica Refratária (Naturais)
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…
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 4: Cerâmica Refratária (Sintéticas)
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
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 5: Abrasivos
Abrasivos Naturais: areia , bauxita, argilas calcinadas, diatomita
Abrasivos Sintéticos: alumina fundida , carbetos metálicos sinterizados , óxidos
metálicos sinterizados , nitratos e boretos
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 6: Vidros
Grupo 7: Cimento / Argamassa
Tipos
Seqüência de processamento
Cerâmica
pó  forma  calor
Vidro
pó  calor  forma
Argamassa
calor  pó  forma
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas
Cerâmica
Matériasprimas
Estrutura
Tradicional
(silicatos)
naturais,
minerais
industriais
(<98%
pureza)
Avançada
(alto desempenho,
alta tecnologia)
produtos
químicos
industriais
(>98%
pureza)
Propriedades
Processamento
Aplicações
não-uniforme, mecânica,
porosa
estética
olaria,
colagem,
prensagem,
extrusão,
queima
construção,
produtos
domésticos
homogênea,
elétrica,
menos porosa magnética,
nuclear, ótica,
mecânica,
térmica,
química,
biológica
prensagem
isostática,
moldagem
por injeção,
sinterização,
ligação por
reação
eletrônica,
estrutural,
química,
refratários
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Aplicações
 Térmica
 Elétrica
 Magnética
 Ótica
 Nuclear
 Química
 Biológica
 Mecânica
 Estética
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Térmicas
Funções
Térmicas
Classes
Aplicações
Exemplos
condutividade
trocadores de calor
para pacotes
eletrônicos
AlN
isolamento
revestimentos
isolantes para fornos
de alta temperatura
fibras de SiO2, Al2O3,
ZrO2
refratariedade
revestimentos
isolantes para fornos
de alta temperatura
(metais fundidos,
escórias)
SiO2, Al2O3, ZrO2
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Elétricas
Funções
Elétricas
Classes
Aplicações
Exemplos
condutividade
elementos de
aquecimento para
fornos
SiC, ZrO2, MoSi2
ferroeletricidade
capacitores
BaTiO3, SrTiO3
isolamento
substratos de circuitos
eletrônicos
Al2O3, AlN
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Magnéticas
Funções
Magnéticas e
supercondutoras
Classes
Aplicações
Exemplos
magnetos duros
ímãs de ferrite
(Ba,Sr)O·6Fe2O3
magnetos moles
núcleos de
transformadores
(Zn,M)·6Fe2O3, com
M=Mn,Co, Mg
supercondutividade
fios e magnetômetros
YBa2Cu3O7
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Óticas
Funções
Óticas
Classes
Aplicações
Exemplos
translucência
materiais para
lâmpadas de Na
Al2O3, MgO
transparência
cabos de fibra
ótica
SiO2
transparência ao
infravermelho
janelas para laser
infravermelho
CaF2, SrF2, NaCl
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Nucleares
Funções
Nucleares
Classes
Aplicações
Exemplos
fissão
combustível
UO3, UC
fissão
moderadores de
nêutrons
C, BeO
fissão, fusão
revestimentos em
reatores
C, SiC
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções químicas
Funções
Químicas
Classes
Aplicações
Exemplos
catálise
suporte de catalisador
Mg2Al4Si5O15
condutividade
sensitiva a gases
sensores de gases
ZnO, ZrO2, SnO2,
Fe2O3
separação
filtros
SiO2, Al2O3
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções biológicas
Funções
Biológicas
* Hidroxiapatita
Classes
Aplicações
Exemplos
biocompatibilidade
cimentos
CaHPO4·2H2O *
biocompatibilidade
próteses estruturais
Al2O3
Produtos Cerâmicos: Classificação
Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas:Funções mecânicas
Funções
Mecânicas
Classes
Aplicações
Exemplos
dureza
ferramentas de corte
Al2O3, Si3N4, ZrO2, TiC
refratariedade
estrutural
estatores e lâminas de
turbina
Al2O3, Si3N4, MgO, SiC
resistência a desgaste, mancais
abrasão
Al2O3, Si3N4, ZrO2, SiC