Cerâmica, Volume: 50, Issue: 316, Published: 2004
  • Editorial

  • Ceramic materials for fuel cells

    Florio, D. Z. de; Fonseca, F. C.; Muccillo, E. N. S.; Muccillo, R.

    Abstract in Portuguese:

    A partir da definição de células a combustível, é feita uma introdução sucinta dos tipos de células e dos materiais cerâmicos que são empregados em projeto e fabricação destes dispositivos geradores de energia elétrica. Tomando por base a ampla literatura científica disponível em publicações periódicas internacionais indexadas e arbitradas, bem como patentes, são relatados com detalhes os materiais cerâmicos com comportamento elétrico adequado para uso como eletrólitos, anodos, catodos, interconectores e selantes, que são os componentes básicos de células a combustível de óxidos sólidos. Por fim, é feita uma avaliação do estado da arte na pesquisa e desenvolvimento de materiais cerâmicos para uso em células a combustível de óxidos sólidos.

    Abstract in English:

    Basic definitions of fuel cells and a brief introduction of different types of fuel cells are given. A review of the most important ceramic materials being considered for the design and fabrication of devices for producing electrical energy is presented. Ceramic materials with suitable electrical behavior to be used as electrolytes, anodes, cathodes, interconnectors, and sealants of solid oxide fuel cells are reported with details, taking into account the large number of available indexed and refereed scientific publications and patents. Finally, an evaluation of the state of the art of the research and development of ceramic materials for solid oxide fuel cells is presented.
  • Porcelain microstructure and technical properties

    Bragança, S. R.; Bergmann, C. P.

    Abstract in Portuguese:

    A microestrutura de uma porcelana tradicional, queimada a diferentes temperaturas, foi analisada e relacionada com suas propriedades técnicas. Investigou-se por ceramografia a morfologia de fases, determinando-se a presença de quartzo, mulita primária e mulita secundária. Este estudo foi apoiado por análise de microssonda EDX e difratometria de raios X. As propriedades dos corpos-de-prova sinterizados mostram-se fortemente influenciadas pela fase vítrea e pelas fases cristalinas presentes, estas últimas preponderantes na definição da resistência mecânica final e tenacidade das peças.

    Abstract in English:

    The microstructure of traditional porcelain sintered at different temperatures was analyzed and related to technical parameters. The morphology of the phases was investigated. Quartz, primary mullite and secondary mullite were found. The results were supported with experimental data using EDX and X-ray diffraction analysis. The properties of the sintered samples show to be strongly affected by vitreous phases, and this determine the quality of the ceramic pieces. The best sintering temperature was also a consequence of vitreous phase properties, like porosity. The crystalline phases were found responsible for the achieved strength .
  • Waste preparing of zinc battery for use in mortar and concrete materials of portland cement

    Coimbra, M. A.; Libardi, W.; Morelli, M. R.

    Abstract in Portuguese:

    O objetivo deste trabalho foi recuperar um resíduo proveniente de pilhas do tipo zinco-carvão para ser utilizado como aditivo em argamassas e concretos, dando assim, uma solução para as pilhas e ao mesmo tempo ajudando a resolver a questão ambiental incluindo-as na indústria brasileira de reciclagem. Desse modo, foi possível caracterizar e avaliar as possibilidades de utilização desse rejeito. Foram coletadas pilhas para serem caracterizadas através de diferentes análises, assim como, densidade real e área específica (BET). Também se utilizou a técnica de difração de raios X, pH e microscopia eletrônica de varredura em conjunto com espectroscopia dispersiva de energia por raios X.

    Abstract in English:

    The aim of this work was to recover one waste from zinc battery by use like additive in mortar and concrete materials and this way, promoting both battery and environment solutions. Hence, the morphological, chemical and mineralogical characterizations were made focusing its use in the recycling Brazilian industry. Moreover, the tests performed in a true density and specific surface area (BET), X-ray diffraction, pH and scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy (EDS).
  • Ceramic glaze obtaining and selection applying Taguchi experimental design

    Lira, C.; Alarcon, O. E.

    Abstract in Portuguese:

    Para a obtenção de esmaltes com características adequadas a sua aplicação, é necessário definir, além da composição da frita base, a formulação da suspensão de esmalte e as condições de aplicação e queima. A influência de fatores como os aditivos utilizados e a temperatura de queima sobre as características do esmalte são muitas vezes desconhecidos. Este trabalho apresenta o método utilizado na condução dos testes de aplicação de esmaltes e os resultados obtidos para as características das superfícies esmaltadas. Foi analisada a influência de parâmetros da formulação do esmalte e temperatura de queima sobre as características de porosidade e dureza da superfície obtida. A utilização de um arranjo ortogonal de Taguchi auxiliou na escolha dos fatores e parâmetros dos testes de aplicação, definiu a seqüência de experimentos realizados e as propriedades medidas. As características avaliadas foram: a porosidade, a dureza ao risco, a dureza Mohs, a dureza Vickers e as características visuais. Após a realização dos experimentos foi possível identificar a formulação e os parâmetros que conferiram os melhores resultados quanto à aplicação pretendida para o esmalte.

    Abstract in English:

    Ceramic glaze with suitable characteristics can be obtained through selection of frit composition, glaze formulation and suitable application and firing parameters. However, most of time, the influence of factors like additives and firing temperature over glaze properties are unknown. This work presents the experimental design used for glaze application tests and resulting glazed surface characteristics. The influence of glaze formulation and firing temperature parameters over porosity and surface hardness was analyzed. A Taguchi orthogonal array provided support on conducting application tests and on analysis of glaze properties. The properties that were analyzed were: porosity, scratch hardness, Mohs hardness, Vickers hardness and visual characteristics. After this analysis the most suitable parameters for glaze obtaining were selected.
  • Preparation of mullite from topaz

    Monteiro, R. R.; Sabioni, A. C. S.; Costa, G.M. da

    Abstract in Portuguese:

    Mulita é o único composto termodinamicamente estável no sistema binário Al2O3 - SiO2, na faixa 70,5 a 74,0% em peso de Al2O3. Mulita metaestável na faixa de 74 a 83,6% de Al2O3, entretanto, pode ser obtida. Devido às suas excelentes propriedades físicas e mecânicas a altas temperaturas, como alto ponto de fusão, baixa expansão térmica, boa resistência à fratura e ao choque térmico, alta resistência à fluência, estabilidade térmica, baixa densidade e baixa constante dielétrica, tem tido um uso cada vez maior em corpos cerâmicos. O mineral mulita, porém, é raro e quase inexistente na natureza. Para atender a um mercado crescente, mulitas sintéticas são produzidas, por meio de misturas de pós de Al2O3 e SiO2 em escala molecular, usando técnica sol-gel, ou por meio da calcinação de minerais que contenham sílica e alumina em suas estruturas, os chamados alumino-silicatos. Normalmente estes minerais contêm impurezas e, muitas vezes, produzem uma mulita acompanhada de uma fase vítrea. Neste trabalho é feito o estudo alternativo para se obter uma mulita pura e de baixo custo por meio da calcinação do topázio Al2SiO4[Fx (OH)1-x]2. Topázio incolor e imperial foram utilizados para a produção de mulita. O topázio incolor não tem valor gemológico nem comercial e é abundante na natureza. Para o topázio imperial foram usados refugos provenientes de sua extração. O rendimento da calcinação foi alto, cerca de 80%, obtido a uma temperatura não muito alta, em torno de 1300 ºC, produzindo uma mulita muito pura e sem fase vítrea. A microestrutura da mulita obtida foi do tipo agulhas (whiskers de mulita) e apresentou alta porosidade. Essa microestrutura e porosidade são duas propriedades intrínsecas que estão associadas à decomposição do topázio. Este estudo mostrou que o topázio é uma fonte alternativa para a produção de mulita de baixo custo e de alta qualidade.

    Abstract in English:

    Mullite is the unique intermediate compound thermodynamically stable in the binary system Al2O3 - SiO2, in the weight range from 70.5 to 74.0% of Al2O3. However mullite metastable in the range from 74 to 83.6% of Al2O3 can be obtained. Due to its excellent physical and mechanical properties at high temperatures such as high melting point, low thermal expansion, good resistance to fracture and to thermal shock, high creep resistance, thermal stability, low density and low dielectric constant, it has become widely used in ceramic bodies. However, the mineral mullite is rare and almost nonexistent in the nature. To better assist to a growing market, synthetic mullites are produced, by mixtures of powders of Al2O3 and SiO2 in molecular scale, by using sol-gel technique, or by the calcination of minerals that contains silica and alumina in their structures, so called alumino silicates. Usually these minerals contain impurities, and as consequence, they produce mullite accompanied by a glassy phase. In this work showed that the topaz is another alternative to obtaining a pure and cheap mullite through the calcination of the topaz Al2SiO4 [Fx(OH)1-x]2 . Colorless topaz and imperial topaz were used for the mullite production. The colorless topaz doesn't have commercial or gemological value, it is quite abundant. For the imperial topaz it was used drosses of its extraction. The yield in the calcination was high, around 80%, and it was obtained at a temperature not very high, around 1300ºC, producing a very pure mullite without glassy phase. The microstructure of the obtained mullite was of needle type (mulitte whiskers) and high porosity. These two features are intrinsic properties that are associated to the topaz decomposition. This study showed that the topaz may be an inexpensive source for obtaining mullite of high quality.
  • Characterization of waterworks waste (sludge) aiming its use in red ceramic

    Oliveira, E. M. S.; Machado, S. Q.; Holanda, J. N. F.

    Abstract in Portuguese:

    O presente trabalho teve como objetivo avaliar o resíduo (lodo) gerado por Estação de Tratamento de Águas (ETA) da região de Campos dos Goytacazes-RJ. Com essa meta foram estudadas as características mineralógica e físico-químicas do resíduo de ETA, visando seu aproveitamento como matéria-prima na indústria de cerâmica vermelha. Consta do estudo uma série de ensaios de caracterização tais como análise química, difração de raios X, análise termogravimétrica e térmica diferencial, análise morfológica, granulometria, capacidade de troca catiônica e propriedades plásticas. Os resultados obtidos indicam claramente que o resíduo de ETA pode ser usado como constituinte de massa argilosa para fabricação de cerâmica vermelha.

    Abstract in English:

    The aim of this work was to evaluate the waste (sludge) from waterworks of the Campos dos Goytacazes-RJ region. With this in view, the mineralogical and physical-chemical characteristics of the waste materials were studied for their use as raw materials in the red ceramic industry. As part of the study, a series of characterization tests, such as chemical analysis, X-ray diffraction, thermal analysis, morphological analysis, particle size analysis, cation exchange capacity and plasticity were carried out. The results indicate clearly that the ETA waste has potential to be used as raw material for the manufacture of red ceramics.
  • Microsilica addition and the drying of refractory castables

    Anjos, R. D. dos; Ismael, M. R.; Ramal Jr, F. T.; Pandolfelli, V. C.

    Abstract in Portuguese:

    A microssílica é o material superfino (<1µm) mais amplamente utilizado em concretos refratários, pois melhora significativamente seu empacotamento durante a moldagem, sua fluidez e resistência mecânica a verde. Em elevadas temperaturas também são observadas diversas vantagens, tais como aumento na resistência à corrosão e resistência ao choque térmico, características advindas principalmente da fase mulita, que se forma devido à reação entre alumina e microssílica nas condições de trabalho. Entretanto, estudos referentes ao efeito da adição desse material na etapa de secagem, especificamente no comportamento de explosão, ainda são escassos na literatura. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo principal relacionar o teor de microssílica e a variação da temperatura de cura com algumas propriedades dos concretos refratários. Os resultados mostraram que houve aumento da resistência mecânica e redução de permeabilidade com a elevação do teor de microssílica incorporada ao concreto, modificando conseqüentemente o comportamento de explosão. Além disso, tais variáveis também sofreram significativa influência da temperatura utilizada na cura dos concretos.

    Abstract in English:

    Microsilica is the most used superfine material (<1µm) in the refractory castables, because it improves its flow, packing density and green mechanical strength. At high temperatures many other advantages are observed, such as the superior corrosion and thermal shock resistances, due to the mullite phase formed by the reaction between alumina and microsilica in the working conditions. Nevertheless, papers relating to the effect of microsílica addition during drying stage are scarce, specifically concerning the explosion behavior. Therefore, the purpose of this work was to establish the relationship between microsílica content and curing temperature variation with some refractory castables' properties. The results showed that higher contents of microsilica on the refractory castables composition promote higher mechanical strength and a reduction of permeability, modifying the castable explosion behavior. The properties evaluated were also effected by the curing temperature applied.
  • Assessment of industrial wastes in mortar layers deposited on stainless steel sheets of sinks

    Gemelli, E.; Lourenci, S.; Folgueras, M. V.; Camargo, N. H. Almeida

    Abstract in Portuguese:

    O objetivo desse trabalho foi estudar as propriedades de argamassas alternativas usadas para reforço de chapas metálicas de pias de cozinha. O desempenho dessas argamassas foi comparado com aquele de uma argamassa básica feita de cimento, areia e água, denominada argamassa padrão (SM). Uma dessas argamassas, denominada argamassa alternativa 2 (AM2), composta de cimento, resíduo, poliuretano, fibras de polipropileno e água, foi desenvolvida recentemente para substituir a atual, chamada argamassa alternativa 1 (AM1), composta de cimento, areia, poliestireno, fibras de polipropileno e água. Essas argamassas foram produzidas e envelhecidas em um quarto à temperatura atmosférica por 7, 14, 28, 60 e 90 dias com ou sem secagem inicial em estufa. Após 90 dias de cura a tensão de resistência à flexão das argamassas SM, AM1 e AM2 foi, respectivamente, de 5,21, 3,84 e 1,42 MPa. Nas argamassas SM e AM1 foram encontradas as fases C-S-H, Ca(OH)2, SiO2, AFm e AFt (monossulfato/etringita). A argamassa AM2 apresentou, além das fases mencionadas acima, CaCO3. Este composto é proveniente do resíduo têxtil que é composto essencialmente de CaCO3 e Ca(OH)2. A diminuição da resistência à flexão da argamassa AM1, comparada com a argamassa SM, é provocada pela presença de poliestireno enquanto que a diminuição da resistência mecânica da argamassa AM2 é devido à presença de poliuretano e resíduo têxtil. Contudo, a resistência mecânica à flexão da argamassa A2 se mantém acima do mínimo exigido pela aplicação industrial (1 MPa).

    Abstract in English:

    This work deals with the properties of alternative mortars destined to strengthen metal sheets of sinks. The performance of these mortars was compared to that of a basic mortar made of cement, sand, and water, named standard mortar (SM). One of these mortars, named alternative mortar 2 (AM2), and composed of cement, textile residue, polyurethane, polypropylene fibers and water, was developed recently to replace the current one, named alternative mortar 1 (AM1), composed of cement, sand, polystyrene, polypropylene fibers and water. These mortars were manufactured and aged in a room in atmospheric environment for 7, 14, 28, 60 and 90 days, either with or without initial drying in a furnace. After cure of 90 days the flexion strength stress of the SM, AM1 and AM2 mortars was 5.21, 3.84, and 1.42 MPa, respectively. The SM and AM1 mortars were constituted of C-S-H phases, Ca(OH)2, SiO2, AFm and AFt (monossulphate/ettringite) phases. The AM2 mortar presented, apart from the compounds mentioned above, CaCO3. This compound is from the textile residue that is composed essentially of CaCO3 and Ca(OH)2. The reduction in flexion strength of AM1 mortar, compared to SM mortar, is caused by the polystyrene whereas the lowering mechanical strength of the AM2 is due to both polyurethane and textile residue. Even so, its mechanical strength is acceptable because the flexion strength stress required for the industrial application is 1.0 MPa.
  • Optimization of the packing density of alumina powder distributions using statistical techniques

    Silva, A. P.; Segadães, A. M.; Devezas, T. C.

    Abstract in Portuguese:

    Fatores como a distribuição granulométrica e a morfologia condicionam as propriedades físicas de sistemas particulados (e.g. misturas de pós, pastas, concretos refratários), entre as quais a densidade de empacotamento. Podem ser encontrados, na literatura, vários modelos para a otimização da distribuição de tamanhos de partículas que maximiza o empacotamento, todos desenvolvidos para sistemas de esferas perfeitas (e.g. Furnas, Andreasen, Alfred). Neste trabalho, pós de alumina comercial (reativa e tabular) foram separados em nove frações granulométricas e, recorrendo a dois procedimentos distintos, construíram-se seis sistemas ternários diferentes e complementares de tamanhos de partículas. Usando a metodologia das superfícies de resposta e técnicas de análise estatística afins (programa de cálculo Statistica) obteve-se, em ambos os casos, a distribuição granulométrica que maximiza a densidade de empacotamento. Por comparação com as distribuições granulométricas teóricas, ficou demonstrada a validade do modelo teórico de Alfred para esferas perfeitas. Os resultados obtidos demonstram, assim, que o efeito prejudicial da não esfericidade das partículas pode ser, na realidade, compensado pela otimização da distribuição granulométrica global.

    Abstract in English:

    Particle size distribution and morphology are among the factors that affect the physical properties of particulate systems (e.g. powder mixtures, pastes, castable refractories). One such property is packing density. There are, in the literature, models that optimise particle size distributions for maximum packing density, all of them derived for spherical particles (e.g. Furnas, Andreasen, Alfred). In this work, commercial alumina powders (reactive and tabular) were divided into nine particle size classes. Following two different approaches, the latter were used to build six different ternary systems of complementary particle sizes. Using the response surface methodology and related statistical techniques (software Statistica), the particle size distribution that maximises the packing density was obtained in both cases and, by comparison with theoretical particle size distributions, the validity of Alfred's theoretical model for perfect spheres was demonstrated. These results clearly show that the harmful effect of the non-spherical shape of real particles can, in fact, be compensated by the optimization of the overall particle size distribution.
  • Filtration of aerosols at high temperatures using a double layer ceramic filter: influence of the particle diameter in the collection efficiency

    Freitas, N. L de; Maniero, M. G.; Coury, J. R.

    Abstract in Portuguese:

    Neste trabalho foram utilizados filtros cerâmicos para filtração de aerossóis, constituídos por dupla camada, onde a primeira camada é formada por um suporte celular de elevada porosidade com diâmetro de poro controlado e a segunda formada por uma película filtrante. A camada suporte foi obtida pela técnica de replicação cerâmica de espuma poliuretânica, por meio da impregnação de uma suspensão aquosa de Al2O3. Foram utilizados suportes de 45 e 75 poros/polegada. A membrana filtrante (Al2O3 e argila) foi a mesma para ambos os suportes, sendo composta por uma massa granular cerâmica de baixa porosidade. Os experimentos de filtração foram realizados em temperaturas de 25 a 700 ºC onde mediu-se a capacidade dos filtros de limpar um aerossol de partículas finas polidispersas (diâmetro mediano de 4,6 µm) e calculou-se a eficiência de coleta para diâmetros de partícula entre 0,4 e 8,5 µm. Os resultados mostraram que a eficiência diminuiu com o aumento da temperatura e aumentou com o diâmetro da partícula.

    Abstract in English:

    In this work, ceramic filters were used for aerosol filtration. The filters were constituted by two layers, where the first layer was formed by of a highly porous ceramic support with controlled pore size and the second layer constituted by a fine membrane. The ceramic support was obtained from polymeric foams utilizing a technique of alumina impregnation. The supports had 45 and 75 pores per inch (ppi). The membrane (a mixture of alumina and clay) was the same for the two supports, with much smaller pore sizes. The filtration experiments were accomplished at temperatures varying from 25 to 700 ºC, where the ability of the filters for cleaning an aerosol constituted by fine particles (median diameter of 4.6 µm) was measured. The collection efficiency was calculated for particle diameters between 0.4 and 8.5 µm. The results showed that the collection efficiency decreased with the increase of the temperature and increased with particle diameter.
  • Evaluation of the cutting performance of different types of diamond grains

    Bianchi, E. C.; Aguiar, P. R. de; Silva, E. J. da; Freitas, C. A. de; Bianchi, A. R. R.

    Abstract in Portuguese:

    Por meio de um trabalho multidisciplinar entre Engenheiros e Dentistas, foram estudados oito diferentes tipos de grãos abrasivos de diamantes para a fabricação de pontas adiamantadas e/ou rebolos de pequeno diâmetro. Verificou-se qual o grão mais adequado para ser empregado nas pontas, as quais são utilizadas em equipamentos que possuem um pequeno torque disponível. Uma metodologia de experimentação para avaliação da capacidade de corte destas ferramentas foi desenvolvida, utilizando-se o vidro como material a ser desgastado. Como resultados, observou-se que a estrutura e a friabilidade do grão de diamante afetam diretamente a capacidade de corte das pontas adiamantadas. Desta forma, o melhor tipo de diamante foi aquele que apresentou, ao mesmo tempo, as melhores condições de remoção de material e o menor preço.

    Abstract in English:

    This paper presents a multi-area research involving Dentists and Engineers, in which eight different types of diamond abrasive grains, which are used in dental burs (small diameter grinding wheels) were tested. The most appropriated grain to be used in burs was evaluated. These burs are used in dental equipment characterized by low torque and low spindle rotation. A test methodology was developed in order to evaluate the cutting capacity of these burs, using glass as a machining material. The results show that it was possible to verify that the grain structure and friability were the properties that affect the cutting capacity. Consequently, the best diamond grain is the one that presented, simultaneously, the best material removal conditions and the lowest price.
  • Ferroelectric ceramic materials as hosts of laser active ions: structural, microstructural and spectroscopic characteristics

    Camargo, A. S. S. de; Botero, É. R.; Nunes, L. A. O.; Lente, M. H.; Santos, I. A.; Andreeta, É. R. M.; Garcia, D.; Eiras, J. A.

    Abstract in Portuguese:

    Cerâmicas ferroelétricas transparentes de titanato zirconato de chumbo modificado com lantânio (PLZT, com La/Zr/Ti=9/65/35) e dopadas com íons terras raras (TR = Nd3+, Er3+, Yb3+, Tm3+ e Ho3+) foram preparadas por prensagem uniaxial a quente com o objetivo de investigar a sua qualificação como materiais laser ativos. Com este propósito foram feitas caracterizações estruturais, microestruturais, elétricas e espectroscópicas. Para a dopagem com 1% em peso de óxido TR2O3, verificou-se uma forte influência do tipo de íon terra rara nas características ferroelétricas e óticas do material hospedeiro. Observou-se ainda que a incorporação de Nd3+ nos sítios de Pb2+/La3+ reduziu a temperatura de transição ferro-paraelétrica e favoreceu significativamente a transparência dos corpos cerâmicos. Medidas de espectroscopia ótica revelaram a potencialidade do PLZT: Nd3+ como um meio ativo para a construção de lasers bombeados por lasers de diodo, na região do infravermelho próximo. Os sistemas PLZT:Er3+ e PLZT:Tm3+ poderão também se tornar materiais interessantes para esse fim.

    Abstract in English:

    In this work, transparent ferroelectric ceramics of lanthanum modified lead zirconate titanate (PLZT, with La/Zr/Ti=9/65/35), doped with rare-earth ions (RE = Nd3+, Er3+, Yb3+ Tm3+ and Ho3+), were processed by hot uniaxial pressing aiming the investigation of their potentiality as near-infrared laser active media. Their structural, microstructural, electric and spectroscopic characterizations were performed. For 1.0 wt.% RE2O3 doping, a strong influence of the rare-earth type was verified in the PLZT ferroelectric and optical characteristics. It was also observed that the Nd3+ substitution for Pb2+/La3+ reduces the ferro-paraelectric phase transition temperature and favors the transparency of the ceramic bodies. Spectroscopic analysis indicates that PLZT:Nd3+ is a potential diode-pumped laser active media in the near infrared region, and with some improvements, PLZT:Er3+ and PLZT:Tm3+ might also become so .
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