Cerâmica avançada: perspectivas de aplicação e desafios tecnológicos atuais e futuros
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Cerâmica avançada: perspectivas de aplicação e desafios tecnológicos atuais e futuros

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Cerâmica avançada: perspectivas de aplicação e desafios tecnológicos atuais e futuros / Advanced ceramic: application perspectives and current and future technological challenges

Cerâmica avançada: perspectivas de aplicação e desafios tecnológicos atuais e futuros / Advanced ceramic: application perspectives and current and future technological challenges
Palestrantes: Prof. Dr. Oscar R. K. Montedo e Prof. Dr. Agenor de Noni Jr. – Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC / Brasil

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Cerâmica avançada: perspectivas de aplicação e desafios tecnológicos atuais e futuros Presentation Transcript

  • 1. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM SENAI/SC – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial7° WORKSHOP INTERNACIONAL SENAI - MATERIAIS EM CRICIÚMA Perspectivas de Emprego de Cerâmica Avançada para os Desafios Tecnológicos Atuais e Futuros Prof. Dr. Agenor De Noni Junior Prof. Dr. Oscar R. K. Montedo Criciúma (SC), agosto/2012
  • 2. Universidade do Extremo Sul Catarinense – INTRODUÇÃO 1. UNESC Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM INOVAÇÃO É UM ASSUNTO NOVO? Guerras, revoluções industriais, corrida espacial sempre exigiram iniciativas e esforços no sentido da inovação. 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)
  • 3. Universidade do Extremo Sul Catarinense – INTRODUÇÃO 1. UNESC Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM INOVAR É UMA PRIORIDADE ESTRATÉGICA INOVAR NÃO É UM PROGRAMA DE CERTIFICAÇÃO Últimos avanços da ciência e tecnologia PRODUTOIDEIA P&D Produção Marketing COMERCIA L Necessidades da sociedade e do mercado Fonte: Prof.Martin Wartenberg. University of California, 2012
  • 4. Universidade do Extremo Sul Catarinense – INTRODUÇÃO 1. UNESC Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMMaior barreira nas empresas: Não saber como lidar com o risco de ‘insucesso’Solução: Aumentar o nível de relação de confiança entre as pessoas SHARE Governo Empresa Universidade
  • 5. Universidade do Extremo NACIONAL DE C,T&I - MCTI 2.Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia UNESC ESTRATÉGIA Sul Catarinense – – UNACET Unidade Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMDesafiosRedução da defasagem científica e tecnológica que ainda separa o Brasildas 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
  • 6. Universidade do Extremo NACIONAL DE C,T&I - MCTI 2.Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia UNESC ESTRATÉGIA Sul Catarinense – – UNACET Unidade Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMEixos de Sustentação da ENCTIPromoção 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
  • 7. Universidade do Extremo NACIONAL DE C,T&I - MCTI 2.Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia UNESC ESTRATÉGIA Sul Catarinense – – UNACET Unidade Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMProgramas Prioritários para os Setores Portadores de FuturoTICs – 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
  • 8. 3. CERÂMICA AVANÇADACerâmica Avançada ou de engenharia são materiais com solicitaçõesmaiores e desempenho destacado, obtidos a partir de matérias-primas maispuras. Feitas de óxidos, carbetos, nitretos, boretos, oxinitretos, etc.Características incomparáveis das Cerâmicas Avançadas: resistência atemperaturas elevadas e à maioria dos corrosivos químicos.Limitação que impede sua disseminação: fragilidade (baixa tenacidade).
  • 9. 3. CERÂMICA AVANÇADAAlgumas novas cerâmicas avançadas de alto desempenho possuem elementosde terras raras (Lantânio, Cério, Neodímio, Praseodímio, etc.) como um doscomponentes.Novas perspectivas estão sendo criadas a partir do entendimento do efeitodestes elementos (terras raras) na origem das propriedades mecânicas dascerâmicas avançadas.Isto deve tornar possível no futuro fazerconfigurações precisas (do material cerâmico),que poderão abrir uma nova fronteira para aaplicação das cerâmicas avançadas e melhorar odesempenho desses materiais em uma amplagama de aplicações.
  • 10. 3. CERÂMICA AVANÇADAPor exemplo, o nitreto de silício (Si3N4) é um dos materiais maispromissores para a construção das novas gerações de turbinas a gás.Esses enormes motores, projetados paramovimentar usinas geradoras de energiaelétrica, deverão queimar combustível atemperaturas acima de 1.200 °C. Operando aessas temperaturas, as novas turbinas deverãoatingir uma eficiência térmica muito superior àstermelétricas atuais, emitindo uma quantidadede gases poluentes muito menor.
  • 11. 4. APLICAÇÕES: FILTROS Espuma cerâmica a base de Al2O3, 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 Al2O3 para usoem aquários. Realiza a filtragem biológica eeliminação do amoníaco e dos nitritos da água.
  • 12. 4. APLICAÇÕES: TURBINAS Rolamentos de Si3N4. Peças de turbina de Si3N4.
  • 13. 4. APLICAÇÕES: PEÇAS DE MOTORES E FREIOS
  • 14. 4. APLICAÇÕES: PROTEÇÃO BALÍSTICA Peças a base de Al2O3, SiC e B4C para proteção balística humana, de veículos e aeronaves.
  • 15. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 4. APLICAÇÕES: PROTEÇÃO BALÍSTICAUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
  • 16. 4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIAComponentes para válvulas Bicos de nebulizaçãode exaustão de gases feitos de Si3N4. de ZrO2. Parafusos, anéis de vedação e outras peças de SiC para Componentes de aplicações industriais. selagem metal-cerâmica de alta performance.
  • 17. 4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIA Parafusos.Suportes para catalisadores. Proteção contra a corrosão. Rolamentos resistentes ao desgaste para alta temperatura.
  • 18. 4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIA Rotor revestido de placas de alta alumina.Peças para queimadores de WC.
  • 19. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 4. APLICAÇÕES: ELETRÔNICAUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM Substrato paramicroeletrônica de LTCC. Componentes piezoeletrônicos para transdutores eletromecânicos. Substratos para componentes eletrônicos.
  • 20. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 4. APLICAÇÕES: MEDICINAUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMCabeça femoral a base de alta alumina. Componentes de ZrO2, Al2O3 ou espinélio para uso odontológico. Prótese dentária de vitrocerâmico.
  • 21. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 4. APLICAÇÕES: ENERGIA/MEIO AMBIENTEUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM Nanopartículas de Al2O3 (~ 50 nm) podem melhorar significativamente a eficiência de combustão de biocombustíveis e reduzir a emissão de gases poluentes.
  • 22. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 4. APLICAÇÕES: ÓPTICAUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM Protótipo de lente feita de fibra de vidro revestida com cobre, que mede cerca de 10 cm2, foi Fibra óptica. fabricado com mais de 1.000 peças individuais e tem campo de visão de praticamente 180o. Lente para telescópio de vitrocerâmico.
  • 23. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 4. APLICAÇÕES: CÉLULAS A COMBUSTÍVELUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM Novos estudos apontam para o desenvolvimento de eletrólitos sólidos cerâmicos a base de ZrO2, CeO2, apatitas, BiO2.
  • 24. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 4. APLICAÇÕES: VIDA MODERNA Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMPeças de vitrocerâmicos e ZrO2.
  • 25. 5. CARACTERÍSTICAS DAS Catarinense – UNESC Universidade do Extremo Sul CERÂMICAS AVANÇADAS Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM 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
  • 26. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMAl2O3 – Alumina:Obtida a partir da digestão alcalina da bauxita(processo Bayer), seguida por precipitação e calcinação.Al2O3+ 2 OH- + 3 H2O → 2 [Al(OH)4]- (175 oC)2 Al(OH)3 → Al2O3+ 3 H2O (900 a 1050 oC)Alumina eletrofundida: treibacher.com.brProduzida em fornos de arco elétrico (T > 2000 oC) . Se obtém maior tamanho de grão emelhores propriedades refratárias e abrasivas.
  • 27. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMZrO2 – ZircôniaObtida a partir da dissociação do silicato de zircônio ZrSiO4 em forno de plasma.ZrSiO4  ZrO2 (99,5%) + SiO2O grau de pureza necessário para aplicações em engenharia é obtido através dedigestão ácida da zircônia, seguida de calcinação entre 900 e 1000 oC do sulfato dezircônio.ZrO2 (99,5%) + H2SO4  Zr(SO4)2  ZrO2 (99,95%)A transformação martensítica (tetragonal  monoclínica) ocasiona fratura queimpedem o uso. As aplicações industriais requerem o uso de óxidos estabilizantes, queinibem essa transformação (MgO, CaO, CeO2, Y2O3, Nb2O3) .
  • 28. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMSiC – Carbeto de SilícioObtido pela redução térmica da sílica em presença de coqueC + SiO2 → SiO + COSiO2 + CO → SiO + CO22C + SiO → SiC + COEssa reação ocorre em forno de grafite T > 1700 oC (Processo Acheson)Si3N4 – Nitreto de SilícioObtidos pela redução carbotérmica da sílica em atmosfera de nitrogênio3 SiO2(s) + 6 C(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s) + 6 CO(g)Essa reação ocorre entre 1400 e 1450 oC
  • 29. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMExemplo de Processo de Conformação de Cerâmica AvançadaTravitzky, N. Windsheimer, H. Fey, T. Greil, P. Preceramic Paper-Derievd Ceramics. J.Am.Cer.Soc.(2008).
  • 30. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMExemplo de Processo de Conformação de Cerâmica AvançadaTravitzky, N. Windsheimer, H. Fey, T. Greil, P. Preceramic Paper-Derievd Ceramics. J.Am.Cer.Soc.(2008).
  • 31. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 6. OBTENÇÃO E PROCESSAMENTO Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMExemplo de Processo de Conformação de Cerâmica AvançadaTravitzky, N. Windsheimer, H. Fey, T. Greil, P. Preceramic Paper-Derievd Ceramics. J.Am.Cer.Soc.(2008).
  • 32. 7. CERÂMICA AVANÇADA  CERÂMICA Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET ARTÍSTICAPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
  • 33. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 7. CERÂMICA AVANÇADA  CERÂMICA TRADICIONAL Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMO 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?
  • 34. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 7. CERÂMICA AVANÇADA  CERÂMICA TRADICIONAL Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM Microestrutura x Propriedades x Desempenho de PORCELANATO Quartzo Quartzo C1 Q Resfriamento Resfriamento Lento Rápido VA M+VC C4 72 C4 C5 70 90 C7 68 C7 66 64 86 P 82 78 74 62 70 C2 C3Caulim C6 Feldspato Caulim C6 Feldspato
  • 35. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 8. VITROCERÂMICOSUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM“Vitrocerâmicos são sólidos policristalinos contendo fase vítrea residual, preparados pela fusão de vidros, os quais são conformados em produtos sujeitos a cristalização controlada”
  • 36. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 8. VITROCERÂMICOS Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMAlgumas Propriedades: alta tenacidade altas resistências à flexão, à abrasão e ao risco ampla faixa de coeficientes de expansão térmica, podendo mesmoalcançar 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 tamanhodos cristais
  • 37. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 8. VITROCERÂMICOSUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
  • 38. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 8. VITROCERÂMICOS Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMTecnologia de Fabricação1) Componentes monolíticos de vidro – tecnologia do vidro2) Tecnologia do pó – tecnologia cerâmica• Fusão e obtenção de fritas• Pulverização• Conformação• Tratamento térmico (sinterização e cristalização) Sinterização Cristalização
  • 39. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 8. VITROCERÂMICOSUnidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACETPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
  • 40. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 9. PERSPECTIVAS Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMCentro de Gestão e Estudos Estratégicos – CGEEMateriais Avançados – 2010-2022 Cerâmicas Avançadas para Defesa Nacional e Segurança Pública • B4C e SiC para blindagem balística • Vidros especiais para blindagem balística • Compósitos cerâmica (Al2O3) – 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, Ta2O5 e HfO2 (elevada constante dielétrica)
  • 41. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC 9. PERSPECTIVAS Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEMCentro de Gestão e Estudos Estratégicos – CGEEMateriais Avançados – 2010-2022 Cerâmicas Avançadas para Uso Magnético (Armazenamento de Dados) • Nanoestruturas magnéticas de Fe em Al2O3 • Nanopartículas de Fe3O4 e BaFe12O19 com tamanhos típicos de 10 nm Cerâmicas Avançadas para Uso Aeroespacial • Compósitos C/SiC e SiC/SiC • B4C e HfC
  • 42. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM SENAI/SC – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial7° WORKSHOP INTERNACIONAL SENAI - MATERIAIS EM CRICIÚMA MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO CONTATO agenordenoni@unesc.net okm@unesc.net +55 48 3431 2775 www.unesc.net/ppgcem