Desenvolvimento e caracterização de cerâmicos estruturais porosos obtidos por processamento coloidal misto

Abstract

A obtenção de produtos cerâmicos com a microestrutura adequada às exigências impostas pela sua aplicação é um objectivo que se aplica também aos cerâmicos porosos estruturais. Este trabalho descreve o estudo de uma técnica alternativa de processamento para a produção de cerâmicos porosos estruturais, cujas características permitirão que, com facilidade, se realize a engenharia estrutural do produto final. Esta técnica envolve a manipulação de suspensões aquosas coaguladas de modo a comportarem, de uma forma estável, partículas orgânicas seleccionadas que originarão os poros com o tamanho e a distribuição pretendidos no corpo cerâmico sinterizado. É ainda apresentada uma caracterização dos cerâmicos porosos obtidos por este processo. Considerando que as etapas de processamento são a mistura homogénea dos pós precursores em suspensão, a consolidação das partículas por filtração sob pressão baixa, a secagem, a sinterização e a caracterização dos produtos finais, procedeu-se à divisão da tese nos seguintes capítulos principais: Comportamento dos pós em suspensão; Reologia das suspensões coaguladas; Consolidação de pós por filtração sob pressão; Estrutura dos consolidados obtidos por filtração sob pressão e dos corpos cerâmicos sinterizados; Conclusões gerais e sugestões para trabalho futuro. Em cada um destes capítulos (com excepção do último), faz-se uma revisão da literatura relevante, seguida da apresentação do procedimento experimental, dos resultados obtidos e da respectiva discussão e, por último, das conclusões parciais. Uma vez que o tema de cada capítulo não se esgota no seu final, mas antes serve de suporte aos seguintes, aborda-se o efeito das propriedades aí estudadas nas etapas posteriores do processo ou, o que é o mesmo, nos capítulos posteriores da tese. Assim, e depois de caracterizar fisicamente os pós precursores através de técnicas que fazem uso da luz laser, do BET, e da difracção de raios-X, fez-se uso da técnica de microlectroforese para estudar o efeito do pH do meio na mobilidade electroforética das partículas cerâmicas em suspensão. Avaliou-se ainda a alteração deste com- portamento quando parte das partículas cerâmicas são substituídas por partículas orgânicas. Ou seja, estudou-se, para além do efeito do pH, o efeito do tamanho e da natureza das partículas em suspensão. Seguiu-se a caracterização da estrutura das suspensões de cerâmicos e das misturas compósitas de cerâmicos e orgânicos, através dos parâmetros reológicos retirados da equação de Herschel-Bulkley. Além do tamanho e distribuição de tamanhos, estudou-se igualmente o efeito do pH e da concentração de electrólito, no comportamento reológico exibido pelas suspensões, definindo-se para cada composição de sólidos, a concentração crítica de coagulação. Com base nos resultados obtidos, propôs-se um tipo de estrutura responsável pela resposta característica das suspensões coaguladas com e sem partículas orgânicas. A consolidação das suspensões de pós cerâmicos e das misturas compósitas de cerâmicos e orgânicos foi realizada por filtração sob pressão. Com os ensaios realizados estudou-se o efeito do tamanho, da distribuição de tamanhos e da natureza das partículas, do tipo de mistura (mono ou bimodal) e do estado da suspensão, sobre o afastamento ao comportamento parabólico. Verificou-se que o estado coagulado caracterizado por um tipo de estrutura dito de percolação deformável era o principal responsável pelo desvio ao comportamento parabólico, o qual era bastante reduzido quando a concentração de sólidos em suspensão era ≥ 20v%. Por último verificou-se a importância do teor e do tamanho das inclusões orgânicas na densidade de empacotamento alcançada pelos consolidados secos e na porosidade do corpo final. Interpretaram-se os resultados obtidos com base na teoria de Furnas e nas alterações nela introduzidas por Zok, Lam e Lange. Verificou-se que os resultados obtidos para as misturas compósitas com inclusões volumosas eram bem interpretados pelo modelo de Zok e que existia uma boa concordância entre a porosidade do corpo final e o teor de inclusões na mistura de pós precursores. Mediu-se por fim a permeabilidade ao azoto dos corpos porosos produzidos. Os resultados obtidos mostraram uma fraca sensibilidade ao teor inicial de partículas orgânicas finas, mas sugerem nitidamente a possibilidade de se fazer a engenharia da estrutura porosa com a permeabilidade pretendida, no caso de partículas orgânicas volumosas.

The need to produce ceramic materials with the microstructure dictated by the demands of the future application also applies to porous structural ceramics. This work describes the studies carried out to investigate an alternative processing route to produce porous structural ceramics, whose characteristics will enable the manufacture of a final product with an engineered structure. This technique involves the manipulation of aqueous coagulated suspensions in order to accommodate, in a stable manner, selected organic particles which will give rise to pores with the desired size and distribution in the sintered ceramic body. A characterisation of the porous ceramics produced is also presented. Given that the processing steps include the homogeneous mixture of the precursor powders in suspension, particle consolidation by low pressure filtration, drying, sintering and characterisation of the final products, this thesis is divided in the following major chapters: Powder behaviour in suspension; Rheology of coagulated suspensions; Powder consolidation by pressure filtration; Structure of consolidated bodies produced by pressure filtration and sintered ceramic bodies; Final conclusions and suggestions for further work. In every chapter but the last, a literature survey is presented, followed by the description of the experimental procedure, the obtained results and their discussion and, in the end, the partial conclusions. Given that the subject covered in each chapter does not end there but rather supports the following chapters, a summary is given of the implications of the discussed properties in the next process steps, which is to say, the next chapters. Thus, once the precursor powders were characterised by laser light techniques, BET and X-ray diffraction, microelectrophoresis was used to study the pH effect on the electrophoretic mobility of the suspended ceramic particles. The changes in this behaviour, due to partial replacement of the ceramic particles by organic particles, were also studied. In other words, and besides pH, the effect of size and nature of the suspended particles was investigated. Then, the structure of the suspensions containing ceramic particles and mixtures of ceramic and organic particles was characterised, through the rheological parameters extracted from the Herschel-Bulkley equation. The rheological behaviour of the suspensions was studied as a function of particle size and size distribution, pH and electrolyte content, which enabled the definition, for each solids composition, of a critical coagulation content. Based on the results gathered for the coagulated suspensions, both with and without organic particles, the suspension structure is proposed, capable of explaining the observed behaviour. Consolidation of suspensions containing ceramic particles and mixtures of ceramic and organic particles was carried out by pressure filtration. The effect of particle size, size distribution and nature, mixture type (mono- or bimodal) and suspension condition on the departure from the parabolic behaviour was investigated. It was found that the coagulated state characterised by the so-called deformable percolation structure was responsible for the departure from the parabolic behaviour, which was minimal when the suspension solids content was ≥ 20 v%. Finally, the significance of the organic inclusions content and size and its bearing on the packing density reached in the dried consolidated bodies and the final porosity of the sintered bodies were assessed. The obtained results were discussed in the light of Furnas' theory and the refinements introduced therein by Zok, Lam and Lange. It was found that the results for the composite mixtures containing large inclusions were in good agreement with Zok's model and that the final porosity in the sintered body related well with the inclusion content in the precursor powder mixture. The nitrogen permeability of the porous bodies produced was also determined. The permeability results showed little sensitivity to the starting fine organic particles content, but provided a clear indication that a tailored porous structure with the desired permeability can be engineered in the case of large organic inclusions.