Abstract This study aims to evaluate the influence of the 11.6Li2O-16.8ZrO2-68.2SiO2-3.4Al2O3 (mol%) glass-ceramic addition (LZSA, 7 to 21 vol%) on the erosive wear of alumina in comparison to values of pure alumina obtained from the literature. Thus, composites were prepared from three commercial alumina of different initial particle sizes. Specimens were obtained by uniaxial pressing. Sintering temperatures and holding times were found to be different for each composite. The erosive wear test was carried out in an apparatus based on the standard ASTM G 76-4. The volumetric erosive wear (T vol) was correlated to the initial mean particle size of alumina, LZSA glass-ceramic content, average grain size of sintered alumina (AGS), porosity (P), elastic modulus, fracture toughness, natural defect size, and fracture energy based on a correlation matrix of statistical analyses. The experimental data of Tvol fit very well with P and AGS, individually, in a 3rd degree equation, except for composite AF21. Composite AF21, i.e. 21 vol% LZSA added to 0.5 µm mean particle size alumina (AF, fine alumina) and sintered at 1470 oC for 3 h, showed interesting results of T vol(2.05 × 10-8 m3·kg-1) related to the other investigated compositions, which varied from 1.90-4.37 × 10-8 m3·kg-1, and those existing in literature (0.55 × 10-8 to 10.78 × 10-8 m³·kg-1), mostly when considering the lower sintering temperature (1470 against 1600 oC). Thus, although the AC7 composite had shown the lowest Tvol value (1.90 × 10-8 at 1600 oC/7 h), the composite AF21 can be considered as the best result because of its lower sintering temperature and holding time (2.05 × 10-8 at 1470 oC/4 h). The formation of a viscous liquid phase, which crystallizes during the controlled cooling in the microstructure of the LZSA/alumina-based composites, improves the erosive wear of the alumina.

Resumo Alumina é comumente utilizada em blindagens compostas. Apresenta baixa tenacidade à fratura e esta propriedade está relacionada à resistência a múltiplos disparos. Com o intuito de melhorar a durabilidade em campo uma alternativa seria utilizar cerâmicas multicamadas. Neste estudo foi avaliado o desempenho balístico de estruturas multicamadas à base de alumina/epóxi e o efeito da adição de fibra de vidro como material de reforço. Os resultados foram comparados com placas de alumina individual de mesma espessura total que os sistemas multicamadas. O desempenho balístico dos painéis em mosaico de Al2O3/Al foi avaliado por meio de ensaio balístico DOP (depth of penetration) com projétil 7,62 mm perfurante. Os resultados indicaram que as placas individuais apresentaram melhor desempenho. No caso das estruturas Al2O3/epóxi, a resistência balística diminuiu com a redução da espessura das lâminas de alumina e com o aumento da camada de epóxi. A fibra de vidro não apresentou efeito significativo no desempenho.

Abstract Alumina is commonly used in composite shields. It presents low fracture toughness and this property is related to resistance to multiple shots. In order to improve the lifetime in applications, an alternative would be the use of multilayer ceramics. This study evaluated the ballistic performance of multilayer alumina/epoxy structures and the effect of glass fiber as a reinforcing material. The results were compared to individual alumina plates of the same total thickness as multilayer systems. The ballistic performance of the Al2O3/Al mosaic panels was evaluated using a DOP (depth of penetration) ballistic test with the 7.62 mm armor-piercing projectile. The results indicated that the individual plate showed better performance. In the case of Al2O3/epoxy structures, the ballistic resistance decreased with the reduction of the thickness of the alumina layer and with the increase of the epoxy layer. The glass fiber showed no improvement in ballistic performance.

Resumo Bentonita é um tipo de argila composta principalmente de montmorilonita. Possui excelentes propriedades de adsorção e como principais características a alta capacidade de troca catiônica, capacidade de inchamento, grande área superficial e baixa condutividade hidráulica. A bentonita é utilizada como matéria-prima em mais de 40 aplicações industriais. O processo de liofilização consiste na secagem de um produto, passando pela etapa de sublimação, para remoção da água contida utilizando baixa pressão e impedindo qualquer atividade biológica e reações químicas. Ele é eficiente em características como contração do produto, perda de voláteis, decomposição térmica, ações enzimáticas e desnaturação de proteínas, se comparado com outros meios de desidratação, ou seja, mantém a integridade do produto. Neste trabalho, foi avaliado o comportamento e realizada a caracterização de bentonita sódica mais ativa e sódica menos ativa, antes e após o processo de liofilização. Considerou-se como mais ativa a bentonita que apresentou maior capacidade de troca catiônica - CTC relacionada aos íons sódio (Na+). Foram feitas análises químicas e mineralógicas, de capacidade de troca catiônica, análise microbiológica, FTIR e capacidade de inchamento. Observou-se um incremento de aproximadamente 32% na capacidade de inchamento da bentonita mais ativa após a liofilização.

Abstract Bentonite is a type of clay composed mainly of montmorillonite, shows excellent properties of adsorption and, as main features, high cation exchange capacity, swelling capacity, large surface area and low hydraulic conductivity. Bentonite is used as a raw material in over 40 industrial applications. The lyophilization process is a drying process of a product through a sublimation step for removing water using low pressure. This process prevents any biological activity and chemical reactions. The lyophilization process is effective in product shrinkage, loss of volatiles, thermal decomposition, enzymatic activities and protein denaturation as compared to other drying means, as it maintains the integrity of the product. This study evaluated the behavior and characterized the more and less active sodium bentonites, before and after the lyophilization process. It was considered as more active the bentonite that presented more cation exchange capacity related to sodium ions (Na+). Chemical and mineralogical analyzes, cation exchange capacity, microbiological analysis, FTIR and swelling capacity were evaluated. An increment on swelling capacity of the more active freeze-dried bentonite of approximately 32% in comparison to the standard was observed.

Resumo O engobe cerâmico é uma camada intermediária entre o substrato e o esmalte de um revestimento cerâmico. É composto basicamente de material plástico, argilas, e material não plástico, feldspato e frita. Argilas claras, de boa plasticidade e fundência são utilizadas na formulação de engobes cerâmicos, tipicamente ballclay. Contudo, estas argilas possuem em suas composições diferentes minerais acessórios que podem prejudicar a opacidade e a alvura. O emprego de caulim lavado, com menor teor de minerais acessórios, tende a desenvolver maior opacidade e alvura. Além disso, sua ativação mecânica poderia aumentar a plasticidade, possibilitando a substituição da ballclay. O objetivo deste trabalho foi estudar o efeito da utilização de caulim ativado mecanicamente em substituição a ballclay em um engobe empregado na produção de revestimentos cerâmicos. Amostras de caulim foram ativadas por moagem de alta energia (1 e 4 h, a 500 rpm) e caracterizadas por meio de medidas de área de superfície específica, tamanho de partícula, cristalografia, espectrometria no infravermelho e calorimetria de varredura. Corpos de prova a verde de quatro formulações de engobe cerâmico foram submetidos aos ensaios de resistência mecânica à compressão diametral e densidade aparente. Os corpos de prova foram queimados em forno de laboratório e caracterizados, por meio da determinação de absorção de água, densidade aparente, densidade relativa e espectrofotometria de reflectância. Também foram realizadas análise cristalográfica com refinamento Rietveld e análise microestrutural em microscópio eletrônico de varredura. A moagem de alta energia tornou o caulim mais amorfo e aumentou a área de superfície específica de 4,6 para 46,1 m2/g. A utilização do caulim ativado mecanicamente em substituição a ballclay no engobe cerâmico aumentou a resistência mecânica, o teor de fases cristalinas e a alvura.

Abstract Ceramic engobe is an intermediate layer between the substrate and the glaze of a ceramic tile. It is basically composed by plastic material, clays, and non-plastic material, feldspar and frit. Light-colored clays with good plasticity and low-fire temperature are used in ceramic engobe formulations, typically ball clays. However, these clays contain different accessory minerals, which can adversely affect the opacity and the whiteness. The use of washed kaolin, with a lower content of accessory minerals, tends to lead to higher opacity and whiteness. In addition, its mechanical activation can increase the plasticity, allowing its use as a replacement for ball clay. The aim of this study was to investigate the effect of the use of mechanically-activated kaolin to replace ball clay in an engobe employed in the production of ceramic tiles. Samples of kaolin were activated by high energy mill (1 and 4 h, at 500 rpm) and characterized by surface area and particle size measurements, crystallography, infrared spectroscopy and differential scanning calorimetry. Cylindrical specimens of four ceramic engobe formulations were submitted to splitting tensile strength and bulk density tests. The specimens were fired in a laboratory kiln and characterized through the determination of water absorption, bulk density, relative density and by reflectance spectrophotometry. Crystallographic analysis with Rietveld refinement and microstructural analysis by scanning electron microscopy were also carried out. After the high energy milling, the kaolin had less crystallinity and the specific surface area increased from 4.6 to 46.1 m2/g. The use of mechanically-activated kaolin as a replacement for ball clay in a ceramic engobe increased the mechanical strength, crystalline phase content and whiteness.

Resumo Compósitos de matriz cerâmica têm sido desenvolvidos nas últimas décadas como um meio eficiente de melhoria da tenacidade à fratura. Compósitos cerâmicos multicamadas se destacam por seu relativo baixo custo e facilidade de obtenção. Estes compósitos são confeccionados com camadas alternadas de dois materiais cerâmicos e têm como mecanismo de tenacificação o desvio de trajetória de trincas em propagação, camada após camada, no compósito. Neste trabalho foram estudadas composições à base de alumina e vitrocerâmico LZSA (Li2O-ZrO2-SiO2-Al2O3) para compor as camadas a fim de se obter compósito multicamada com interfaces fortes. Assim, tensões residuais compressivas nas camadas finas à base de LZSA intercaladas às camadas à base de Al2O3, sob leve tensão residual de tração, foram esperadas obter. As composições foram definidas por planejamento experimental fatorial, gerando corpos de prova por prensagem, os quais foram sinterizados e caracterizados quanto ao coeficiente de expansão térmica e módulo de elasticidade. Três composições (% em massa) à base de alumina (CA1: 100% Al2O3; CA2: 90% Al2O3 e 10% ZrO2; CA-PC: 90% Al2O3, 5% ZrO2 e 5% SiC whisker ) e três composições à base de LZSA (CF6: 70% LZSA, 10% Al2O3 e 20% SiC whisker ; CF8: 50% LZSA, 10% Al2O3, 20% TiO2 e 20% SiC whisker ; CF-PC: 75% LZSA, 5% Al2O3, 10% TiO2 e 10% SiC whisker ) foram selecionadas. Estas composições foram projetadas para gerar tensões residuais de compressão nas camadas à base de LZSA (até -32,35 MPa) e de tração nas camadas à base de Al2O3 (mínimo de 0,27 MPa). A técnica de tape casting foi empregada para produzir folhas das composições selecionadas, utilizando-se quantidades de ligantes e plastificantes indicadas na literatura. As composições foram então processadas por tape casting, obtendo-se folhas cerâmicas homogêneas, flexíveis e com resistência a verde suficiente para o manuseio. A espessura das folhas das composições de alumina variou de 130 a 210 μm e as folhas das composições de LZSA entre 180 e 230 μm.

Abstract Ceramic matrix composites have been developed in recent decades as an efficient way of improving the fracture toughness of ceramic materials. Multilayered ceramic composites have been highlighted by their relatively low cost and easy production. These composites are made of stacked layers of two different ceramic materials and present as toughening mechanism the crack path deviation layer by layer in the composite. In this work, compositions based on alumina and LZSA glass-ceramic (Li2O-ZrO2-SiO2-Al2O3) were studied to compose the layers in order to obtain multilayer composite with strong interfaces. Thus, compressive residual stresses in thin LZSA-based layers interspersed with Al2O3-based layers, under low tensile residual stress, were expected to obtain. The compositions were defined by factorial design, generating specimens by pressing that were sintered and characterized by determination of the coefficient of thermal expansion and modulus of elasticity. Three Al2O3-based compositions, in wt% (CA1: 100% Al2O3; CA2: 90% Al2O3 and 10% ZrO2; CA-PC: 90% Al2O3, 5% ZrO2 and 5% SiCwhisker) and three LZSA-based compositions (CF6: 70% LZSA, 10% Al2O3 and 20% SiCwhisker; CF8: 50% LZSA, 10% Al2O3, 20% TiO2 and 20% SiCwhisker; CF-PC: 75% LZSA, 5% Al2O3, 10% TiO2 and 10% SiCwhisker) were selected. Such compositions were designed to generate residual compressive stress in the LZSA-based layers (up to -32.35 MPa) and residual tensile stress on the Al2O3-based layers (at least 0.27 MPa). The tape casting technique was used to produce sheets of the selected compositions, using amounts of binders and plasticizers reported in the literature. The compositions were then prepared by tape casting obtaining homogenous, flexible ceramic sheets showing enough green strength to be handled. The alumina-based sheets thickness ranged between 130 and 210 μm, while LZSA-based sheets varied between 180 and 230 μm.

AbstractSingle-cycle firing is currently the most widespread method used for the production of ceramic tile. The productivity is directly related to the performance of the constituent materials of the ceramic piece during thermal cycling. Numerical tools which allow the prediction of the material behavior may be of great help in the optimization of this stage. This study addressed the mathematical modeling of the temperature profile within a ceramic tile, together with the sintering kinetics, to simulate the effect of the thermal cycle on the final size. On the laboratory scale, 80 mm x 20 mm specimens with thicknesses of 2.3 mm and 7.8 mm were prepared in order to determine the kinetic constants and validate the model. The application was carried out on an industrial scale, with 450 mm x 450 mm pieces that were 8.0 mm thick. These results show that the model was capable of predicting the experimental results satisfactorily.

Materiais cerâmicos possuem interesse técnico e comercial devido ao seu desempenho químico, mecânico e térmico, cumprindo diversos requisitos de engenharia. O óxido de alumínio (alumina) é um dos principais representantes desta classe de materiais devido, por exemplo, a sua elevada tenacidade, dureza e densidade, podendo ser aplicado na produção de peças de alta tecnologia. Uma destas aplicações envolve o emprego como material de proteção contra o desgaste abrasivo e erosivo. As propriedades em relação ao desgaste de um material cerâmico podem ser melhoradas não só levando-se em conta as características do material utilizado, mas também se deve ao processo de fabricação que define a sua microestrutura final. Inúmeros trabalhos relacionados à influência da microestrutura em suas propriedades têm sido publicados. Assim, este trabalho tem como objetivo apresentar uma revisão sobre a influência da microestrutura na resistência ao desgaste erosivo de cerâmicas a base de alumina. Quatro fatores que interferem no desgaste erosivo da alumina foram identificados: i) efeito da utilização de dopantes sobre a difusividade no contorno de grão; ii) efeito da rota de fabricação; iii) influência dos mecanismos de sinterização; e iv) influência do tamanho de grão da alumina. Os resultados experimentais relacionados aos tópicos acima são descritos e permitem uma compreensão clara sobre o desgaste erosivo de aluminas.

Ceramic materials are of technical and commercial interest due to their chemical, mechanical and thermal performance, leading ceramics to meet many engineering requirements. Alumina (aluminum oxide) is one of the primary representatives of this class of materials because of its high fracture toughness, hardness and density, which enable its use in the production of highly critical parts. One such application involves protection against abrasion and erosion wear. The wear properties of a ceramic can be improved not only by controlling its material characteristics but also by controlling the fabrication process, which defines the material's microstructure. Many studies of the effects of the microstructure on these properties have been published. The objective of this study was to review the effects of the microstructure on the erosive wear resistance of alumina-based ceramics. Four factors that control the erosive wear of alumina were identified: (i) the effects of dopants on the diffusivity of the grain boundaries, (ii) the fabrication route, (iii) the sintering mechanisms and (iv) the alumina grain size. The published experimental results related to these topics are described and provide a clear understanding of the erosive wear of alumina.

A fotocatálise é um processo de oxidação avançada capaz de transformar uma grande variedade de poluentes orgânicos tóxicos em substâncias inofensivas em condições ambientes. Porém, a utilização do dióxido de titânio na fase anatase em produtos cerâmicos é limitada devido à transformação para fase rutilo em temperaturas superiores a 400 °C. As pesquisas apontam caminhos promissores para inibir a formação da fase rutilo através da introdução de dopantes na estrutura do semicondutor. Neste trabalho, foi realizada uma revisão dos principais aspectos encontrados na literatura especializada sobre fotocatálise com dióxido de titânio, em particular a relação entre estrutura química e atividade fotocatalítica.

Photocatalysis has been considered as an advanced oxidation process capable of transforming a large variety of toxic organic pollutants into harmless substances at ambient conditions. However, the use of titanium dioxide as anatase in ceramic products is limited due to transformation to rutile at temperatures higher than 400 ºC. The studies show promising ways for inhibiting the formation of rutile through the introduction of dopants in the semiconductor structure. This work is a review of the main aspects found in specialized literature with photocatalytic titanium dioxide, particularly the relationship between chemical structure and photocatalytic activity.

A produção de revestimentos cerâmicos pelo processo monoqueima é atualmente o mais difundido entre as empresas de cerâmica. O processo de queima está em constante evolução e adaptação à novos parâmetros, devido ao crescimento tecnológico e à diversificação dos produtos cerâmicos. É necessário entender o mecanismos envolvidos na queima de placas cerâmicas utilizando fornos a rolos, principalmente o desempenho térmico do equipamento e características técnicas dos revestimentos cerâmicos. Neste trabalho, um modelo matemático e um procedimento experimental foram aplicados para determinar a cinética de retração. Os parâmetros cinéticos foram determinados experimentalmente, utilizando pó industrial para obter corpos-de-prova de 80 x 20 x 2,3 mm³ queimados em forno elétrico laboratorial a rolo. A energia de ativação, Ea =178041 J/mol, o expoente do tempo "n" que determina o mecanismo de sinterização, n = 0,26285 e fator de freqüência, k0 = 44768 s-1 foram determinados depois de distintas condições de queima em 30, 40 e 50 min de frio a frio e as temperaturas entre 1000 a 1150 °C (com passos de 30 °C).

The firing process is the core of the tiles production, currently the single-cycle firing is the most widespread method in ceramic industries. Moreover, the increasing demand of technological improvements and technical diversifications of ceramic products, leads the firing process to continuously adapt to new operative conditions. The physical mechanisms that occur in roller kilns have to be understood, mainly those involving thermal performance of the equipment and technical characteristics of the ceramic tiles. In this work, a mathematical model and an experimental procedure has been applied to determine the shrinkage kinetics. The kinetic parameters have been experimentally determined using industrial powder to obtain test pieces of 80 x 20 x 2.3 mm³ fired in laboratory electrical roller kiln. Activation energy, Ea=178 kJ/mol, parameter "n", n=0.26285 and frequency factor, k0=44768 s-1 were determined after several firing conditions 30, 40 and 50 min cold-to-cold and temperatures from 1000 to 1150 ºC (steps of 30 ºC).