Abstract Mullite is a refractory material with singular properties, although high temperatures and long sintering times are required to obtain this material with good densification. In this study, aluminum hydroxide and colloidal silica were used to produce mullite through reactive sintering and MgO was employed as a sintering additive. The compositions were prepared with different amounts of MgO and sintered at 1350, 1450, and 1550 °C, and then analyzed using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and measurements of apparent porosity (AP) and flexural strength. The results showed that the raw materials used allowed the mullite formation at relatively low temperatures (1350 °C), regardless of the amount of MgO added but with the increase in MgO content, a spinel phase appeared, resulting in a fraction of residual α-alumina. The MgO addition lowered the densification temperature at around 50 °C. Furthermore, the higher the sintering temperature and the MgO content, the larger and more anisotropic the mullite grains were. At sintering temperatures above 1450 °C, AP was reduced to approximately 10%. The MgO addition and increase in sintering temperature improved the flexural strength of mullite materials.

Resumo Foram efetuadas a preparação e a caracterização de materiais cerâmicos de alumina com gradientes funcionais de porosidade utilizando o método de freeze casting. Foram estudados os efeitos dos parâmetros da rota de processamento na formação dos poros. As características dos poros foram analisadas quanto à morfologia e distribuição na matriz cerâmica. O método de porosimetria de mercúrio foi utilizado para avaliar a porosidade. As propriedades mecânicas, bem como o modo de fratura, foram investigadas em teste de compressão uniaxial. A microscopia eletrônica de varredura foi empregada para analisar a morfologia dos poros e correlacionar a interface formada entre as camadas com a resposta mecânica do material. Os resultados sugeriram que a porosidade obtida em todas as amostras foi semelhante, mesmo variando os parâmetros de processo (diferentes configurações de solidificação de suspensão). Ao avaliar o comportamento mecânico, esses diferentes parâmetros alteraram drasticamente a resistência à compressão e o modo de falha, devido à formação de interfaces entre as camadas de diferentes porosidades, de acordo com a configuração de solidificação. As interfaces modificaram a forma de fratura passando de uma fratura em direção longitudinal para uma na direção das interfaces. A microestrutura dos poros indicou que foram obtidos canais de poros altamente conectados.

Abstract Alumina ceramic materials with graded functional porosity were prepared by the freeze casting method and characterized. The effects of processing route parameters on the pore formation were studied. Pore characteristics were investigated concerning morphology and distribution in the ceramic matrix. The mercury intrusion method was used to evaluate the porosity. Mechanical properties, as well as the fracture mode, were investigated by the uniaxial compression test. Scanning electron microscopy was used to analyze and correlate the created interface between the layers with the mechanical response. The results suggested that the porosity obtained in all samples was similar, even with varying parameters (different suspension solidification configurations). When evaluating the mechanical behavior, these distinct parameters showed drastic differences in compressive strength and failure mode. This was due to the formation of interfaces between the layers of different porosities, according to the solidification configuration. The interfaces modified the fracture mode, changing from a longitudinal-directed to an interface-directed fracture. The pore microstructure and morphology indicated highly connected pore channels.

Resumo As porcelanas são cerâmicas produzidas a partir de matérias-primas naturais (sílica, feldspato e caulim). Em algumas aplicações são adicionadas outras matérias-primas para o aumento da resistência mecânica e dielétrica. Elas são usadas na fabricação de variados produtos, sendo, portanto, muito estudadas e desenvolvidas há muito tempo. Neste trabalho, porcelanas com diferentes composições foram caracterizadas e submetidas à fragmentação por ruptura mecânica em um ensaio de impacto balístico. A ruptura mecânica nos materiais em geral produz uma dissipação de energia formando trincas e superfícies de fratura que tem uma geometria irregular. O principal objetivo deste trabalho foi a caracterização da microestrutura e a caracterização fractal da superfície de fratura de porcelanas. Para comparação, os ensaios de impacto também foram feitos em vidro e acrílico comercial. A avaliação da superfície de fratura e da dimensão fractal de ruptura foi feita pela análise da fração de fragmentos em função da probabilidade global de fratura. Os corpos de prova foram preparados na forma de discos cilíndricos, com espessura e diâmetros fixos. O ensaio de impacto mecânico foi feito sobre o centro dos discos, para os diferentes materiais, mantendo-se as mesmas condições de ensaio. Os resultados do tamanho e massa dos fragmentos foram obtidos em função da energia de impacto e do tipo de material. Desta forma, foi possível obter uma correlação entre as condições de ensaio e a composição do material com o padrão de ruptura fractal. Verificou-se que a porcelana nas composições usadas possuiu uma tenacidade ao impacto que se situou entre aquela do vidro e do acrílico. Finalmente foi feita uma correlação entre as propriedades de resistência mecânica com os padrões de trinca formados. Percebeu-se que o número, a forma das trincas e as ramificações formaram um padrão que foi relacionado com a energia de impacto e o tipo de material.

Abstract The ceramic porcelains are produced from natural raw materials (silica, feldspar and kaolin). In some applications, other materials are added to increase the mechanical and dielectric strength. They are used in the manufacture of several products. Therefore, they are very studied and have been developed for long time. In the work herein porcelains with different compositions were characterized and submitted to fragmentation by mechanical rupture in a ballistic impact test. Generally, the mechanical disruption in the materials produces a power dissipation forming cracks and fracture surfaces having an irregular geometry. The main objective of the work herein was to characterize the microstructure and the fractal fracture surface in porcelains. For comparison, the impact tests were also performed on commercial glass and acrylic. The evaluation of the fracture surface and the fractal dimension of rupture were performed by analyzing the fraction of the fragments as a function of the probability of fracture. The samples were prepared in the form of cylindrical disks with fixed thickness and diameter values. Mechanical impact test was applied on the center of the disks for different materials, maintaining the same test conditions. The results of the size and mass of the fragments were obtained as a function of the impact energy and kind of material. Thus, it was possible to obtain a correlation between the test conditions and the composition of the material and the fractal cracking pattern. It has been found that the compositions used in porcelain presented a fracture toughness which was between the one of the glass and of the acrylic. A correlation between strength properties and the patterns of formed crack was verified. It was noticed that the number, the shape of cracks and the branches formed a pattern that was associated with the impact energy and material type.

O lodo gerado nas estações de tratamento de esgoto tem se tornado um problema crescente sendo considerado como resíduo. Este trabalho estudou a viabilidade da incorporação do lodo de estação de tratamento de esgoto (ETE) em massa cerâmica para produção de blocos. Para isso, amostras de lodo foram coletadas na ETE Verde da SANEPAR no Município de Ponta Grossa, PR e de argila da Cerâmica S. Gerônimo no município de Prudentópolis, PR. O lodo na ETE Verde foi submetido a um processo de higienização, o qual reduz significativamente a concentração de patógenos no resíduo. O processo utilizado foi a caleação, que promove a estabilização, desinfecção química e térmica através da adição e mistura da cal ao lodo numa porcentagem de 30% a 50% da massa seca de lodo. Para a caracterização do lodo e da argila foram realizadas análises de difração de raios X, análise térmica diferencial e termogravimétrica, fluorescência de raios X e distribuição granulométrica. Foram estudadas composições com adições de 5 a 50% em massa do lodo na massa cerâmica. Após a mistura do lodo com as argilas, as amostras foram conformadas por prensagem uniaxial e sinterizadas a 900 ºC, 1000 ºC e 1100 ºC. As amostras sinterizadas foram caracterizadas por medidas de absorção de água, porosidade aparente, resistência mecânica, difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura. Os resultados mostraram que a adição do lodo até 25% da massa da argila atende a todos os parâmetros preconizados pelas normas vigentes para fabricação dos blocos cerâmicos.

The sludge generated in sewage treatment plants has become a growing problem and it is considered waste. This work aims to verify the feasibility of incorporating the sludge from sewage treatment plants (STP) in the ceramic slurry for the production of bricks. In order to do so, sludge samples were collected at the ETE Verde SANEPAR (a sewage treatment plant) in the city of Ponta Grossa, PR, Brazil, and clay samples at S. Gerônimo Ceramics in Prudentópolis, PR, Brazil. The sludge at the ETE Verde undergoes a cleaning process, significantly reducing the concentration of pathogens in the waste. The process used is 'liming', which promotes stabilization, thermal and chemical disinfection through the addition and mixing of lime into the sludge in a percentage from 30% to 50% of the dry weight of the sludge. For the characterization of sludge and clay, X-ray diffraction, differential thermal and thermogravimetric analysis, X-ray fluorescence and particle size distribution were carried out. The compositions studied were made with additions from 5 to 50% per weight of the sludge in the ceramic slurry. After the mixing of the sludge with the clay, the samples were processed by uniaxial pressing and sintered at temperatures of 900 °C, 1000 °C e 1100 °C. The sintered samples were characterized by measurements of apparent density, water absorption, apparent porosity, mechanical strength, X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The results showed that the addition of sludge up to 20% of the slurry of the clay meets all parameters recommended by current standards for production of bricks.

Porcelanas compostas de caulim-quartzo-feldspato são denominadas porcelanas triaxiais. O uso de alumina como substituito para o quartzo em porcelanas tem sido desenvolvido há algum tempo. Os resultados mostram uma significativa melhoria nas priopriedades mecânicas, mas a alumina apresenta alto custo. Foi investigada a possibilidade de utilizar materiais alternativos como fonte de alumina a custos menores. Neste artigo, as seguintes matérias primas alternativas foram utilizadas como fonte de alumina: bauxita refratária, hidróxido de alumínio primário, e hidróxido de alumínio reprecipitado. Composições com quartzo e alumina comerciais foram também formuladas para melhor entendimento dos efeitos de adição desses materiais. As matérias primas foram moídas, secas, e caracterizadas por análise de distribuição de tamanho de partículas, difração de raios X e fluorescência de raios X. As composições foram formuladas substituindo as diferentes fontes de alumina na formulação da porcelana. As composições foram conformadas por compactação e sinterizadas a diferentes temperaturas (1150-1400 ºC). Os resultados mostraram que é viável o uso de bauxita e de hidróxido de alumínio como fonte alternativa de Al2O>3. As impurezas na bauxita refratária contribuíram para diminuir os valores de resistência à flexão encontrados em composições com bauxita refratária como fonte de alumina. As composições com hidróxido de alumina reprecipitado mostraram alta resistência mecânica a baixas temperaturas de sinterização, enquanto que composições com hidróxido de alumínio obtidos pelo processo Bayer alcançaram bons resultados de resistência mecânica em ampla faixa de temperaturas.

Porcelains composed of kaolin-quartz-feldspar are called triaxial porcelains. The use of alumina as a substitute for quartz in porcelains has been developed for some time. The results show a significant improvement in their mechanical properties, but alumina has a high cost. The possibility of using alternative materials as a source of alumina with lower cost was investigated. In this work, alternative raw materials were used as a source of alumina: refractory bauxite, primary aluminum hydroxide, reprecipitated aluminum hydroxide. Compositions with commercial alumina and quartz were also formulated to better understand the effects of adding these alternative materials. The raw materials were milled, dried, and characterized by analysis of the particle size distribution, X-ray diffraction, and X-ray fluorescence. The compositions were formulated by replacing the different sources of alumina in the formulation of porcelain. The compositions studied were shaped by pressing and sintered at different temperatures (1150-1400 ºC). The results showed that the use of bauxite and aluminum hydroxide as an alternative source of Al2O3 is viable. The impurities contained in refractory bauxite contributed to the lower values of flexural strength found in compositions having refractory bauxite as a source of alumina. The compositions with reprecipitated aluminum hydroxide showed a high mechanical resistance at low sintering temperatures, while compositions with aluminum hydroxide obtained by the Bayer process achieved good results of mechanical strength in a wide temperature range.

A alumina é um material muito estudado devido às suas excelentes características refratárias e propriedades mecânicas. A fase α, mais estável, tem uma temperatura de formação de ~1200 °C. Devido à sua elevada temperatura de formação, muitas pesquisas vêm buscando sua redução através da adição de sementes (seeds) da fase α em processos químicos de síntese. Este trabalho teve como objetivo sintetizar pós de α-alumina pelo método Pechini com adição de sementes e comparar a calcinação ao ar e com um fluxo passante de O2, verificando sua influência nas características dos pós obtidos. Tais pós foram caracterizados por difração de raios X, espectroscopia no infravermelho e microscopia eletrônica de varredura. Os resultados foram comparados com os dos mesmos pós calcinados ao ar. A adição de sementes favoreceu a diminuição da temperatura de transformação em fase α, sendo que esta já é identificada a 1000 ºC. A presença de oxigênio na atmosfera de calcinação também favoreceu a formação de fase α a 900 ºC, temperatura inferior à dos pós calcinados ao ar.

Alumina is a largely studied material due to its excellent refractory characteristics and mechanical properties. The α-phase, the most stable one, has a formation temperature of about 1200 ºC. Due to this high temperature, many researchers have been trying to decrease this temperature by addition of seeds of α-phase in chemical processes of synthesis. This work had the purpose to synthesize powders of α-alumina by the Pechini method with seeding and to compare calcination under air and with a O2 flow, thus verifying its influence on the characteristics of the obtained powders. The powders were characterized by X-ray diffraction, infrared spectroscopy and scanning electron microscopy. The results were compared with those of the same powders calcined under air. The seeding favored a decrease in the temperature of phase transformation to α-phase, since it is identified in the powders calcined at 1000 ºC. The presence of oxygen in the calcination atmosphere also led to the formation of the α-phase at 900 ºC, temperature lower than those of the powders calcined under air.

É conhecido que os mecanismos de aquecimento e os pós precursores definem as características microestruturais das cerâmicas. Especialmente, o crescimento anormal de cerâmicas de alumina pura desenvolvidos durante o método de sinterização convencional sugere que esse material é um candidato potencial para ser tratado no processo de sinterização em microondas. Cerâmicas de alumina produzidas com pós comercial (A1K) e quimicamente sintetizado foram sinterizados em fornos convencional e por microondas. Dois métodos foram empregados para preparar quimicamente os pós nanométricos: método de Pechini e por emulsificação em ácido oleico. As cerâmicas sinterizadas em microondas foram caracterizadas por densidade aparente e por microscopia eletrônica de varredura, e comparados com as amostras sinterizadas em forno convencional. Aluminas sinterizadas em microondas apresentaram uma granulometria fina, não relacionada com os pós precursores. Essa característica foi obtida para um tempo de queima menor do que o obtido em fornos resistivos. Contudo, uma alta densificação foi observada apenas em cerâmicas A1K (3,95 g/cm³) sinterizadas durante uma hora em microondas.

It is well known that the heating mechanism and powder precursor define the microstructural characteristics of ceramics. Especially abnormal grain growth of pure alumina ceramics developed during conventional sintering method suggests that this material is a potential candidate to be treated in microwave sintering process. Alumina ceramics produced with commercial (A1K) and chemically synthesized powders were sintered in conventional and microwave furnaces. Two methods were employed to prepare the chemically synthesized nanosized powders: Pechini method and emulsification with oleic acid. The microwave sintered samples were characterized by apparent density and scanning electron microscopy and compared with the samples sintered in a conventional furnace. Alumina ceramics sintered in the microwave furnace had fine grained microstructure, not related with the starting powders. This characteristic was achieved in a sintering time shorter than those produced in the conventional furnace. However, satisfactory densification was observed only to A1K ceramics (3.95 g/cm³) sintered during one hour in microwave furnace.

A microestrutura e o módulo de ruptura de porcelanas aluminosas foram analisados com o aumento da temperatura de sinterização. Foi determinado que quando o teor de alumina é elevado o processo de rearranjo das partículas durante a sinterização é inibido devido à formação do esqueleto de partículas de alumina as quais são insolúveis na fase líquida. O módulo de ruptura aumenta com a quantidade de fase cristalina sendo que as partículas de alumina contribuem de forma mais efetiva para este aumento do que os cristais de mulita.

The microstructure and bending strength of aluminous porcelains were analyzed at rising sintering temperatures. It was found that, in the presence of high alumina content, the particle rearrangement process during sintering is inhibited by the formation of a skeleton of alumina particles that are insoluble in the liquid phase. The bending strength increases along with the amount of crystalline phase, with the alumina particles contributing more effectively to this increase than the mullite crystals.

Porcelanas são cerâmicas multifásicas produzidas a partir de matérias-primas naturais. O desenvolvimento da microestrutura dessas cerâmicas é dependente da composição, das características das matérias-primas e do processamento cerâmico. Devido à complexidade da porcelana, várias aspectos relacionados com a evolução da microestrutura e os seus efeitos nas propriedades não são ainda bem entendidos, apesar do grande número de publicações sobre este assunto. A parte I deste artigo é uma revisão da literatura sobre porcelanas aluminosas e enfoca o efeito das composições nas propriedades elétricas e mecânicas, como também a influência de alguns aditivos no desenvolvimento da microestrutura.

Porcelains are multiphase ceramics produced from natural raw materials. The microstructural development of these ceramics depends on their composition, on the characteristics of the raw materials, and on the ceramic processing. Due to the complexity of porcelains, several aspects of the microstructural evolution and its effects on the properties of porcelains are as yet little understood, despite the large number of reports published on the subject. Part I of this article is a literature review on aluminous porcelains, focusing on the effect of their compositions on their electrical and mechanical properties, as well as the influence of some additives on their microstructural development.