Resumo Resultados das propriedades qualitativas e quantitativas de cerâmica à base de argila são apresentados neste trabalho. Foram utilizados quatro diferentes métodos de conformação e temperaturas de sinterização para entender suas influências nas propriedades finais de um material cerâmico formulado usando argila caulinítica e alumina calcinada. Este material pode ser usado como cerâmica estrutural para diferentes aplicações, e não há relação pré-estabelecida entre o método de conformação e as propriedades sinterizadas finais. Os métodos de conformação utilizados para preparar as amostras foram prensagem uniaxial (processo em batelada que permite a aplicação em amostras secas), extrusão (processo contínuo que requer umidade), colagem (processo que permite moldar produtos cerâmicos complexos) e laminação (processo em batelada que requer umidade). As temperaturas de sinterização foram na faixa de 1100 e 1400 °C. Para comparar como as propriedades se comportam à medida que o método de moldagem e a temperatura de sinterização são alterados, as propriedades de textura, retração, porosimetria, composição de fases e resistência mecânica foram avaliadas e analisadas. Microscopia eletrônica de varredura e microtomografia foram empregadas para analisar e comparar as microestruturas desenvolvidas. As diferenças nas propriedades resultantes são explicadas em termos das fases cristalinas desenvolvidas e da microestrutura.

Abstract The results of qualitative and quantitative properties of clay based ceramic are presented in this work. Four different shaping methods and sintering temperatures were used to understand their influence in the final properties of a ceramic material formulated using kaolinite clay and calcined alumina. This material can be used as a structural ceramic for different applications, and there is no pre-established relation between the forming method and the final sintered properties. Forming methods used to prepare the samples were uniaxial pressing (a batch process that allows application in dry samples), extruding (a continuous process that requires moisture), slip casting (a process that allows to shape complex ceramic ware), and lamination (a batch process that requires moisture). Sintering temperatures were in the range of 1100 and 1400 °C. In order to compare how properties behave as the shaping method and sintering temperature change, textural properties, shrinkage, porosimetry, phase composition and mechanical strength were evaluated and analyzed. Scanning electron microscopy and microtomography were employed for analyzing and comparing the developed microstructures. Differences in the resulting properties are explained in terms of the developed crystalline phases and microstructure.

As transformações de queima de cerâmicas tradicionais (à base de argila) são de interesse tecnológico e arqueológico, e são geralmente reportadas qualitativa ou semi-qualitativamente. Estes tipos de sistemas apresentam uma importante complexidade, especialmente para técnicas de difração de raios X, devido à presença de fases totalmente cristalinas, de baixa cristalinidade e amorfas. Neste artigo apresentamos os resultados de análise de Rietveld qualitativa e quantitativa de difração de raios X de amostras totalmente cristalinas (caulinita, quartzo, cristobalita, feldspato e/ou mulita), de baixa cristalinidade (metacaulinita e/ou pré-mulita tipo espinélio) e evolução de fases vítreas de cerâmica triaxial (argila-quartzo-feldspato) após queima em ampla faixa de temperaturas entre 900 e 1300 ºC. A metodologia empregada para determinar as abundâncias de fases de baixa cristalinidade e amorfas é baseada em uma combinação de método de padrões interno se o uso de modelo nanocristalino no qual a ordem de longo alcance é perdida, respectivamente. Uma caracterização preliminar de sinterização foi feita por evolução de retração, densidade e porosidade em função da temperatura de queima. Análise simultânea termogravimétrica e térmica diferencial (TG-ATD) foi feita para avaliar as temperaturas reais em que ocorrem as transformações químicas. Finalmente, foi feita uma análise quantitativa baseada no método de refinamento de Rietveld dos difratogramas de raios X. A decomposição de caulinita em metacaulinita foi determinada quantitativamente; a formação intermediária (980 ºC) de alumino-silicato tipo espinélio foi também quantificada; a fusão incongruente de feldspato potássico foi observada e quantificada juntamente com a mulitização final e formação de fase amorfa (vítrea). A metodologia usada para analisar os difratogramas de raios X provaram ser adequadas para avaliar quantitativamente as transformações térmicas que ocorrem em um sistema complexo como as cerâmicas triaxiais. As fases determinadas podem ser facilmente correlacionadas com as variáveis de processo e as propriedades dos materiais. Essas correlações podem ser empregadas para caracterização, projeto e controle de processamento de materiais.

The firing transformations of traditional (clay based) ceramics are of technological and archeological interest, and are usually reported qualitatively or semiquantitatively. These kinds of systems present an important complexity, especially for X-ray diffraction techniques, due to the presence of fully crystalline, low crystalline and amorphous phases. In this article we present the results of a qualitative and quantitative X-ray diffraction Rietveld analysis of the fully crystalline (kaolinite, quartz, cristobalite, feldspars and/or mullite), the low crystalline (metakaolinite and/or spinel type pre-mullite) and glassy phases evolution of a triaxial (clay-quartz-feldspar) ceramic fired in a wide temperature range between 900 and 1300 ºC. The employed methodology to determine low crystalline and glassy phase abundances is based in a combination of the internal standard method and the use of a nanocrystalline model where the long-range order is lost, respectively. A preliminary sintering characterization was carried out by contraction, density and porosity evolution with the firing temperature. Simultaneous thermo-gravimetric and differential thermal analysis was carried out to elucidate the actual temperature at which the chemical changes occur. Finally, the quantitative analysis based on the Rietveld refinement of the X-ray diffraction patterns was performed. The kaolinite decomposition into metakaolinite was determined quantitatively; the intermediate (980 ºC) spinel type alumino-silicate formation was also quantified; the incongruent fusion of the potash feldspar was observed and quantified together with the final mullitization and the amorphous (glassy) phase formation.The methodology used to analyze the X-ray diffraction patterns proved to be suitable to evaluate quantitatively the thermal transformations that occur in a complex system like the triaxial ceramics. The evaluated phases can be easily correlated with the processing variables and materials properties. These correlations can be employed for materials characterization, design and processing control.

Titanato de alumínio (Al2TiO5) é um material de alta refratariedade com excelente resistância ao choque térmico. É, consequentemente, adequado para várias aplicações a altas temperaturas nas quais são requisitos ser isolante térmico e ter alta resistência ao choque térmico. Exemplos são como componentes de motores de combustão interna, revestimento de saídas de exaustão, barreiras metalúrgicas e térmicas. A instabilidade térmica doAl2TiO5a altas temperaturas é outra característica deste material que tem sido estudada e controlada pela incorporação de vários aditivos. A formação de Al2TiO5a partir de óxidos puros apresenta um pico endotérnico na curva de análise térmica diferencial (ATD). A temperatura termodinâmica é 1280 ºC. Mas experimentalmente, como em todas a análise de ATD, esses picos dependem fortemente da taxa de aquecimento: esse aspecto tem sido extensivamente empregado no estudo cinético de processos de transformação e na determinação de mecanismos de reações químicas. Energias de ativação e taxas de nucleação podem ser obtidas desses experimentos. Este trabalho reporta a energia de formação de Al2TiO5preparado a partir de óxidos puros sob atmosfera de ar por meio dos métodos de Kissinger em ATD. Primeiramente foi analisada a distribuição de tamanho de partículas dos pós de partida e dos pós resultantes, juntamente com análise de difração de raios X. As propriedades de formação de Al2TiO5foram separadas em dois grupos correpondendo a baixas e altas taxas de aquecimento, abaixo e acima de 5 K/min. Os valores de energia de ativação foram obtidos após a constante de Avrami (n) evidenciar que o mecanismo de cristalização é fortemente relacionado com a taxa de aquecimento, mesmo na ampla faixa estudada, que inclui as tecnológicas (0,5-40 K/min).

Aluminum titanate (Al2TiO5) is a high refractoriness material with excellent thermal shock resistance. Hence it is suitable for several applications at elevated temperatures where insulation and thermal shock resistance are required. Such as components of internal combustion engines, exhaust port liners, metallurgy, and thermal barriers. The thermal instability of Al2TiO5 at high temperature is another characteristic of this material that has been studied and controlled by the incorporation of several additives. The Al2TiO5 formation from pure oxides presents an endothermic peak in the differential thermal analysis (DTA). The thermodynamic temperature is 1280 ºC. But experimentally, as in every other DTA experiment, these peaks strongly depend on the heating rate: this fact has been extensively employed for the kinetic study of transformation processes and the mechanism determination of chemical reactions. Both activation energies (Ea) and nucleation rates can be obtained from these experiments. The present work reports the formation Ea of Al2TiO5 prepared from pure oxides at air atmosphere by the Kissinger DTA based methods. Previously the particle size distribution of the starting powders together with X-ray diffraction analysis of the starting powders and the resulting materials was carried out. The properties of the Al2TiO5 formation were grouped into two groups corresponding to the low and high heating rates, below and over 5 K/min. Ea values were obtained after the Avrami (n) constant evidenced that the crystallization mechanism is strongly related to the heating rate, even in the wide range studied which includes the technological ones(0.5-40 K/min).

Cerâmicas à base de alumina apresentam importantes aplicações em engenharia por causa de suas boas propriedades físico-químicas; entretanto, seu desempenho pode ser melhorado pela adição de uma segunda fase. Aluminosilicatos tais como andalusita submetida a redução do alumínio e simultânea nitretação ( atmosfera de N2) leva a obtenção de alumina e fases do sistema Si-Al-O-N. Essas fases são de graande interesse em cerâmica estrutural. Misturas preparadas com andalusita e Al° (teor diferente) foram tratadas com N2 até 1550° C, com taxa de aquecimento de 5° /min. Os efeitos térmicos (ATD) e variações de massa (TG, DTG) das reações de nitretação durante aquecimento foram determinados. O mecanismo da reação foi determinado usando as técnicas ATD-ATG-DTG. Os resultados mostram que Si° e AlN são fases intermediárias importantes durante as reações. Os produtos finais foram a-Al2O3 com sialons, principalmente a faseb’ e sialons politipos. As fases finais formadas dependem do teor de Al° e podem ser previstas usando o diagrama de fases do Si-Al-O-N.

Alumina based ceramics have important engineering applications due to their good physicochemical properties but their performance may be enhanced by addition of a second phase. Aluminosilicates as andalusite submitted to aluminium reduction and the simultaneous nitriding (N2 atmosphere) leads to the obtention of alumina and phases of the Si-Al-O-N system. These phases are of great interest for structural ceramics. Mixes prepared with andalusite and Al° (different content) were treated with N2 up to 1550 °C., using a heating rate of 5 °/min. Thermal effects (DTA) and weight changes (TG, DTG) of nitriding reactions during heating were evaluated. The reaction mechanism was determined using DTA-TG-DTG techniques. Results indicate that Si° and AlN are important intermediate phases during reactions. The final products were a-Al2O3 with sialons, mainly b’ phase and polytype sialons. The final formed phases depend on the Al° content and can be predicted using the Si-Al-O-N phase diagram.