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

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 Industrial
7° 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
PRODUTO
IDEIA 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 – 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
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 – PPGCEM
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

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 – PPGCEM
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

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 – PPGCEM
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

8. 3. CERÂMICA AVANÇADA
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.
Características incomparáveis das Cerâmicas Avançadas: resistência a
temperaturas elevadas e à maioria dos corrosivos químicos.
Limitação que impede sua disseminação: fragilidade (baixa tenacidade).

9. 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.

10. 3. CERÂMICA AVANÇADA
Por exemplo, o nitreto de silício (Si3N4) 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.

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 uso
em aquários. Realiza a filtragem biológica e
eliminação 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 BALÍSTICA
Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM

16. 4. APLICAÇÕES: INDÚSTRIA
Componentes para válvulas Bicos de nebulização
de 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: ELETRÔNICA
Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
Substrato para
microeletrônica de LTCC.
Componentes piezoeletrônicos para
transdutores eletromecânicos.
Substratos para
componentes eletrônicos.

20. Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC
4. APLICAÇÕES: MEDICINA
Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM
Cabeça 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 AMBIENTE
Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET
Programa 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: ÓPTICA
Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET
Programa 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 COMBUSTÍVEL
Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET
Programa 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 – PPGCEM
Peças 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 – PPGCEM
Al2O3 – 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.br
Produzida em fornos de arco elétrico (T > 2000 oC) . Se obtém maior tamanho de grão e
melhores 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 – PPGCEM
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%) + H2SO4  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, 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 – PPGCEM
SiC – Carbeto de Silício
Obtido pela redução térmica da sílica em presença de coque
C + SiO2 → SiO + CO
SiO2 + CO → SiO + CO2
2C + SiO → SiC + CO
Essa reação ocorre em forno de grafite T > 1700 oC (Processo Acheson)
Si3N4 – Nitreto de Silício
Obtidos pela redução carbotérmica da sílica em atmosfera de nitrogênio
3 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 – 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).

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 – 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).

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 – 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).

32. 7. CERÂMICA AVANÇADA  CERÂMICA
Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC

Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologia – UNACET
ARTÍSTICA
Programa 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 – PPGCEM
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?

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 C3
Caulim C6 Feldspato Caulim C6 Feldspato

35. 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 – 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 – PPGCEM
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

37. 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 – 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 – PPGCEM
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

39. 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 – 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 – PPGCEM
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos – CGEE
Materiais 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 – PPGCEM
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos – CGEE
Materiais 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 Industrial
7° 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