Influência do tamanho médio de partículas da matriz (Al2O3) nas propriedades físicas de cerâmicas porosas no sistema Al2O3/Al(OH)3

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Materiais

Autores

Oliveira, D.N. (UNIFESSPA) ; Gusmão, E. (UNIFESSPA) ; Braga, E.P.P. (UNIFESSPA) ; Souza, A.D.V. (UNIFESSPA)

Resumo

Cerâmicas porosas têm obtido destaque nas últimas décadas, especialmente, por possuírem propriedades térmicas e catalíticas únicas, além de serem proficientes como isolantes térmicos. Apesar do bom desempenho, elas apresentam baixa resistência termomecânica e redução de porosidade causada pela sinterização e crescimento de grãos, o que representa uma grande limitação de uso em isolamento térmico. Entretanto, combinando-se adequadamente as matérias-primas e o processamento, tais como o método de compactação, a resistência termomecânica e a manutenção da porosidade podem ser melhoradas. Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar a influência do tamanho médio da matriz de alumina no desenvolvimento microestrutural e propriedades físicas de cerâmicas porosas no sistema Al2O3/Al(OH)3.

Palavras chaves

Cerâmica; Porosa; Alumina

Introdução

As cerâmicas porosas têm obtido destaque nas últimas décadas, especialmente, por apresentarem propriedades térmicas e catalíticas únicas, além de serem proficientes como isolantes térmicos (Schneider, H; 2008). Em suas aplicações como isolantes térmicos em altas temperaturas, sua utilização é importante, pois combina a alta refratariedade da fase densa com a baixa condutividade térmica da fase porosa. Apesar desse bom desempenho, as cerâmicas porosas apresentam baixa resistência termomecânica, devido à elevada porosidade, além da redução de porosidade causada pelos fenômenos de sinterização e crescimento de grãos (KINGERY, 1976). Diversos trabalhos demonstram que combinando-se adequadamente as matérias- primas e as técnicas de processamento, esses aspectos negativos podem ser minimizados (Sousa, 2015). Com base na literatura, a resistência termomecânica pode ser melhorada através do aumento da eficiência de empacotamento das partículas, do aprimoramento dos métodos de processamento ou ainda pelo uso de aditivos para controlar a sinterização (OSTROWSKI, 1999). Já a manutenção da porosidade pode ser conseguida com o aumento da fração inicial de poros, com rampas de aquecimento e sinterização controladas ou com a introdução de compostos que minimizem o crescimento de grão e a densificação (BRAULIO, 2009). Dentre os materiais utilizados na produção de cerâmicas porosas, a alumina apresenta excelentes resultados, devido sua inércia química (Dong, Y, 2008). No presente trabalho, foram utilizadas partículas finas e grossas de Al(OH)3 como agente porogênico nas cerâmicas de alumina. Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar a influência do tamanho médio da matriz de alumina no desenvolvimento microestrutural e propriedades físicas de cerâmicas porosas no sistema Al2O3/Al(OH)3.

Material e métodos

Composições contendo 45% vol. de alumina calcinada fina (A1000SG) ou grossa (A2G) e 45% vol. de hidróxido de alumínio grosso (Al(OH)3-C30) foram homogeneizadas em um moinho de esferas por 2 h utilizando como meio de moagem álcool isopropílico e esferas de Zircônia. Em seguida, a suspensão foi seca em estufa e logo em seguida adicionou-se 10% do ligante hidráulico alumina hidratável. Posteriormente a composição foi compactada na forma de barras de 6 x 20 x 60 mm sob compressão uniaxial de 40 MPa. As amostras prensadas foram tratadas termicamente em 1100, 1300 e 1500 °C (taxa de 5°C/min, patamar de 2°C horas a 400°C e 3 horas na temperatura final. Finalmente, as amostras verdes e após cada tratamento térmico foram caracterizadas em relação a porosidade total geométrica (PTG, %), através do método geométrico, o módulo elástico (E) foi medido pela técnica de ressonância de barras (equipamento Sonelastic, ATCP, Brasil) de acordo com a norma ASTM C 1198-91 e a microestrutura foi avaliada por meio de microscopia eletrônica de varredura nas superfícies de fratura das amostras, no equipamento JEOL JSM-7500F.

Resultado e discussão

A Fig. 1 mostra os efeitos do tamanho de partícula de Al2O3 na PT e E das estruturas contendo 45% ACF ou ACG, 45% de Al(OH)3 e 10% de alumina hidratável verdes e sinterizadas de 1100 a 1500 °C. As amostras verdes, contendo ACF, apresentaram menores níveis de PTG enquanto o E foi igual ao das amostras contendo ACG. A menor PT relaciona-se com a eficiência do empacotamento. Já o E entre os dois sistemas não difere, pois as partículas estão ligadas fracamente em ambos os casos. Em 1100 °C, os sistemas com ACF e ACG apresentaram acréscimo de PT em relação às amostras verdes, ao mesmo tempo em que se observa uma pequena diminuição nos valores de E (Fig. 1A-B). Este se associa à desidroxilação do Al(OH)3 e à formação das aluminas de transição com alta concentração de defeitos em suas superfícies. Ambos os sistemas apresentaram a mesma PT e E, já que o teor Al(OH)3 é o mesmo e o processo de sinterização está no seu estágio inicial. Ao aumentar a temperatura para 1300 °C, as amostras com ACF começaram a perder PT e ganhar resistência mecânica, enquanto as amostras contendo ACG continuam aumentando seu nível de porosidade total. Esse efeito é explicado devido as partículas de ACG possuírem menores ASE e menores reatividades, portanto, nessa temperatura, mecanismos de sinterização estão em seus estágios iniciais, com pouca formação de pescoços entre as partículas. Além disso, seu E é reduzido porque os hidratos que conferiam resistência mecânica nas amostras verdes já passaram pelo processo de decomposição. Em 1500 °C, as amostras contendo ACF ou ACG apresentaram um decaimento na PT e aumento de E (Fig.1A-B), no entanto nas amostras com ACF esse decréscimo foi mais efetivo, porque as partículas de ACF apresentam ASE e reatividades maiores, favorecendo a sinterização.

A) Porosidade total geométrica (PTG) e B) Módulo elástico (E) das amostras contendo 45% de Al(OH)3 verde e tratado termicamente de 1100 °C a 1500°C.

Conclusões

Em temperaturas acima de 1100 ºC verificou-se que a redução de porosidade, a taxa de sinterização e o ganho de rigidez ocorreram de forma mais intensa no sistema contendo ACF. Esse comportamento está associado ao fato das partículas de alumina calcinada fina possuirem elevada área superficial específica e reatividade. Esses efeitos são especialmente prejudiciais para aplicações que envolvam a exposição prologada em altas temperaturas, como no caso de indústrias siderúrgicas e de cimento.

Agradecimentos

À Unifesspa e ao Plano Nacional de Assistência Estudantil (Pnaes) pela bolsa de iniciação científica concedida e ao grupo de pesquisa Simmac-EESC-USP pelo suporte téc

Referências

BRAULIO, M.A.L.; (2009). From macro to nanomagnesia: designing the in situ spinel expansion. Journal of the American Ceramic Society, n. 91, v. 9, p. 3090-3093.
DONG, Y. et al. Phase evolution and sintering characteritics of porous mulite ceramics produced from the flyash-Al (OH)3 coating powders. Journol of Alloys and compounds, v.460,n 1, p. 651-657, 2008.
KINGERY, W. D.; et al. Introduction to ceramics. 2ª ed. New York: Wiley Interscience, 1976. p. 788-1016.
OSTROWSKI, T.; et al. (1999). Evolution of Mechanical properties of porous alumina during free sintering and hot pressing. Journal of the American Ceramic Society, v. 82, n.11, p. 3080-3086.
SCHNEIDER,H; et al. Structure and properties of mulite – A revew. J. Eur. Ceram. Soc., v.28,n 28, p.329, 2008
SOUSA, L. L.; et al. (2015). Development ofdensification-resistant castableporousstructures from in situ mullite. Ceramics International, v. 41, n. 0, p. 9443-9454.