Cerâmicas porosas à base de nitreto de silício vêm sendo amplamente estudadas por possibilitarem a obtenção de corpos que aliam porosidade e resistência mecânica. Isto se deve, principalmente ao característico mecanismo de reforço in-situ que o material apresenta, obtido com o crescimento anisotrópico de grãos de Si3N4. Neste estudo foram obtidos corpos de Si3N4 com diferentes porosidades (percentual, distribuição de tamanhos, etc.), por três técnicas diferentes: gel-casting de espumas com diferentes gelificantes (albumina, ágar e gelatina), gel-casting com amido e fase sacrificial com amido. As técnicas de obtenção de cerâmicas porosas por gel-casting de espuma, utilizando ágar, gelatina ou albumina como agentes gelificantes gerou muitos resultados, produzindo alterações em termos de estrutura de poros desenvolvida (ampla faixa de porosidade e de tamanho de poros), mas devido às dificuldades encontradas para um rígido controle do processamento (estabilização e reprodutibilidade da estrutura de bolhas) e consequentemente dos corpos obtidos, o tema foi desenvolvido apenas parcialmente. Com a utilização da técnica gel-casting com amido, as amostras produzidas apresentaram maior reprodutibilidade, sendo que a porosidade obtida variou de acordo com o amido empregado: com a utilização do amido de arroz obteve-se a menor porosidade (entre 17,4% e 20,8%), enquanto com o amido de batata atingiu-se a maior porosidade (entre 23% e 36%) e com o amido de milho, chegou-se a valores intermediários de porosidade (entre 18,9% e 28,1%). As amostras obtidas foram sinterizadas a 1800 °C e caracterizadas quanto à porosidade aparente, microestrutura e resistência mecânica por ensaio de compressão, podendo-se relacionar a porosidade e o tipo iv de amido adicionado com a resistência mecânica. Utilizando-se a técnica da fase sacrificial, adicionou-se à matriz de nitreto de silício diferentes tipos de amido (de arroz, de milho ou de batata), em diferentes percentuais (20, 30 e 40 % em volume), sendo as amostras obtidas sinterizadas sob diferentes temperaturas e tempos. Estas amostras foram caracterizadas de modo semelhante às descritas anteriormente, podendo-se relacionar a porosidade e tratamento térmico com a resistência mecânica. Os resultados obtidos com as amostras com o amido usando as duas técnicas foram comparados, permitindo-se concluir que as amostras obtidas por gel-casting apresentam maior resistência mecânica quando comparadas a amostras com porosidade semelhante, produzidas por fase sacrificial. / Porous silicon nitride based-ceramics have been widely studied by the combination of mechanical strength and porosity. This is due mainly by the characteristic mechanism of in-situ reinforcement obtained with the anisotropic grain growth of Si3N4. In this study were obtained bodies of Si3N4 with different porosities (amount, pore size distribution, etc.) using three different techniques: gel-casting foams with different gelling agents (albumin, gelatin and agar), gelcasting with starch as gelling agent, and sacrificial phase with starch as fugitive additive. The techniques of obtaining porous ceramics by gel-casting foams, using agar, gelatin or albumin as gelling agent had interesting results and is versatile in terms of the structure of pore developed (broad range of porosity and pore size), but due to difficulties in the processing control (stabilization and reproducibility of the bubbles structure) and thus in the characteristics of the obtained bodies, the issue was only partially developed. With the use of gel-casting technique with starch, the samples produced showed higher reproducibility, and the porosity obtained varied with the starch employed: with the use of rice starch was obtained the lowest porosity (between 17.4% and 20.8%), while with potato starch was reached higher porosity (between 23% and 36%) and with corn starch reached to intermediate values of porosity (between 18.9% and 28.1%). The samples were sintered at 1800 ° C and characterized by apparent porosity measurement, microstructure and mechanical strength by compression test, relating the porosity and type of starch with mechanical strength. Another method used to produce porous silicon nitride was the technique of sacrificial phase with different types of starch (rice, maize or potato) added to the matrix of silicon nitride in different amounts (20, 30 and 40% in volume). The samples obtained were sintered under different temperatures and times, and the obtained samples were characterized in a similar manner to those described above. It was possible to relate to porosity vi and heat treatment with mechanical strength. The results obtained with the samples produced with the starch using the two techniques were compared allowing concluding that the samples obtained by gel-casting have greater strength when compared to samples with similar porosity produced by sacrificial phase.

Cerâmicas porosas à base de nitreto de silício vêm sendo amplamente estudadas por possibilitarem a obtenção de corpos que aliam porosidade e resistência mecânica. Isto se deve, principalmente ao característico mecanismo de reforço in-situ que o material apresenta, obtido com o crescimento anisotrópico de grãos de Si3N4. Neste estudo foram obtidos corpos de Si3N4 com diferentes porosidades (percentual, distribuição de tamanhos, etc.), por três técnicas diferentes: gel-casting de espumas com diferentes gelificantes (albumina, ágar e gelatina), gel-casting com amido e fase sacrificial com amido. As técnicas de obtenção de cerâmicas porosas por gel-casting de espuma, utilizando ágar, gelatina ou albumina como agentes gelificantes gerou muitos resultados, produzindo alterações em termos de estrutura de poros desenvolvida (ampla faixa de porosidade e de tamanho de poros), mas devido às dificuldades encontradas para um rígido controle do processamento (estabilização e reprodutibilidade da estrutura de bolhas) e consequentemente dos corpos obtidos, o tema foi desenvolvido apenas parcialmente. Com a utilização da técnica gel-casting com amido, as amostras produzidas apresentaram maior reprodutibilidade, sendo que a porosidade obtida variou de acordo com o amido empregado: com a utilização do amido de arroz obteve-se a menor porosidade (entre 17,4% e 20,8%), enquanto com o amido de batata atingiu-se a maior porosidade (entre 23% e 36%) e com o amido de milho, chegou-se a valores intermediários de porosidade (entre 18,9% e 28,1%). As amostras obtidas foram sinterizadas a 1800 °C e caracterizadas quanto à porosidade aparente, microestrutura e resistência mecânica por ensaio de compressão, podendo-se relacionar a porosidade e o tipo iv de amido adicionado com a resistência mecânica. Utilizando-se a técnica da fase sacrificial, adicionou-se à matriz de nitreto de silício diferentes tipos de amido (de arroz, de milho ou de batata), em diferentes percentuais (20, 30 e 40 % em volume), sendo as amostras obtidas sinterizadas sob diferentes temperaturas e tempos. Estas amostras foram caracterizadas de modo semelhante às descritas anteriormente, podendo-se relacionar a porosidade e tratamento térmico com a resistência mecânica. Os resultados obtidos com as amostras com o amido usando as duas técnicas foram comparados, permitindo-se concluir que as amostras obtidas por gel-casting apresentam maior resistência mecânica quando comparadas a amostras com porosidade semelhante, produzidas por fase sacrificial. / Porous silicon nitride based-ceramics have been widely studied by the combination of mechanical strength and porosity. This is due mainly by the characteristic mechanism of in-situ reinforcement obtained with the anisotropic grain growth of Si3N4. In this study were obtained bodies of Si3N4 with different porosities (amount, pore size distribution, etc.) using three different techniques: gel-casting foams with different gelling agents (albumin, gelatin and agar), gelcasting with starch as gelling agent, and sacrificial phase with starch as fugitive additive. The techniques of obtaining porous ceramics by gel-casting foams, using agar, gelatin or albumin as gelling agent had interesting results and is versatile in terms of the structure of pore developed (broad range of porosity and pore size), but due to difficulties in the processing control (stabilization and reproducibility of the bubbles structure) and thus in the characteristics of the obtained bodies, the issue was only partially developed. With the use of gel-casting technique with starch, the samples produced showed higher reproducibility, and the porosity obtained varied with the starch employed: with the use of rice starch was obtained the lowest porosity (between 17.4% and 20.8%), while with potato starch was reached higher porosity (between 23% and 36%) and with corn starch reached to intermediate values of porosity (between 18.9% and 28.1%). The samples were sintered at 1800 ° C and characterized by apparent porosity measurement, microstructure and mechanical strength by compression test, relating the porosity and type of starch with mechanical strength. Another method used to produce porous silicon nitride was the technique of sacrificial phase with different types of starch (rice, maize or potato) added to the matrix of silicon nitride in different amounts (20, 30 and 40% in volume). The samples obtained were sintered under different temperatures and times, and the obtained samples were characterized in a similar manner to those described above. It was possible to relate to porosity vi and heat treatment with mechanical strength. The results obtained with the samples produced with the starch using the two techniques were compared allowing concluding that the samples obtained by gel-casting have greater strength when compared to samples with similar porosity produced by sacrificial phase.

Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPGCEM da Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC, como requisito à obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais. / A indústria de papel e celulose é geradora de diversos resíduos, os quais, conforme consta na literatura, podem ser aplicados em variados setores da economia, substituindo matérias-primas comercias. A lama de cal é um resíduo rico em carbonato de cálcio e a areia rica em sílica. Mediante isso, esses resíduos apresentam potencial de substituição de materiais como o carbonato de cálcio e o quartzo, usualmente empregados na produção de materiais cerâmicos. Neste trabalho é realizado um estudo para obtenção de cerâmicas porosas a partir da valorização desses resíduos, utilizando fibras poliméricas para aumento da permeabilidade. A possibilidade de valorização dos resíduos foi confirmada através de caracterizações físicas e químicas, as quais evidenciaram fases de calcita e quartzo e presença majoritária de CaO e SiO2, respectivamente. Também foram avaliados conforme sua toxidade através da NBR 10004, sendo classificados como resíduos não perigosos e inertes (classe II-B). Elaborou-se uma formulação substituindo algumas matérias-primas por resíduos, baseada no trabalho de Simão et al. (2015). A partir disso, realizou-se um planejamento experimental onde variou-se três teores de fibras (12, 20 e 28%) e três temperaturas de queima (1100, 1130 e 1160 ºC). Os corpos de prova obtidos foram caracterizados mediante ensaios de porosidade, permeabilidade, resistência mecânica à compressão e aspectos microestruturais. As cerâmicas porosas confeccionadas apresentaram porosidade total de 39 – 53%, coeficientes de permeabilidade de [...], resistência à compressão de 15 – 52 MPa e tamanho médio de poros de 2,0 a 7,5 μm. Notou-se aumento da permeabilidade com o aumento da temperatura, enquanto que a porosidade ficou praticamente invariável nas condições experimentadas. Esse aumento da permeabilidade está relacionado à diminuição da rugosidade das paredes dos poros e da tortuosidade do meio. Mas, o maior aumento da permeabilidade deu-se com o aumento do teor de fibras, devido a interligação dos poros. A utilização das fibras poliméricas aumentou a permeabilidade em aproximadamente 100x em relação ao trabalho de Simão et al. (2015). Foram classificadas como cerâmicas para microfiltração, abrangendo filtração de água e gases quentes (aerossóis). A formulação com teor de 28 vol% de fibras e sinterizada a 1160 ºC apresentou melhor relação porosidade/permeabilidade/resistência mecânica.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:12:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5570.pdf: 6467937 bytes, checksum: 7dffc79e4f24854919120a91ef3e53ba (MD5) Previous issue date: 2013-02-28 / Universidade Federal de Sao Carlos / Refractory insulating is used to reduce thermal losses in industrial processes by decreasing the energy transfer rate between regions with distinct temperatures, therefore, increasing the energy efficiency of various industrial processes. Such efficiency optimization trend is not a recent phenomenon, instead, it has been intensified with the constant rise of the energy costs. The thermal insulation capacity of processes operating at high temperatures presents a direct correlation with energy costs, which can be reduced if the insulating performance is enhanced. The present work evaluated the refractory insulating microstructure effect on the material s thermal insulation capacity by indentifying their most suitable microstructural features. Moreover, the work aimed to select and analyze processing routes that could result the required microstructures by pointing out the main variables of ceramic foams generated by aqueous suspensions. Such foams must remain stable during the curing step, inhibiting the bubble coarsening. The liquid foams stability was studied in depth and theoretical models that aim to predict the geometrical and stability/foamability restrictions of the three-phase system (gas-liquid-particles) were generated. The thermal stability of porous microstructures was also analyzed, as they must also remain stable at high temperatures, without any significative porosity reduction and dimensional change of the body. In order to avoid these drawbacks, some routes to control the pore densification rate as a function of their sizes and of the grain boundaries chemical composition were evaluated. At last, this work led to a detailed and advanced knowledge of ceramic foams technology and suggested innovative ways to enhance the thermal insulation efficiency of such materials. / Isolantes refratarios sao utilizados com o objetivo de reduzir as perdas termicas em processos industriais, por meio da diminuicao da taxa de transferencia de energia entre regioes de um sistema cujas temperaturas sao distintas, aumentando assim a eficiencia energetica de diversos processos industriais. Esta tendencia de otimizar o uso da energia nao e um fenomeno recente, mas vem se intensificando a medida que os custos de sua utilizacao tem aumentado. A capacidade de isolamento termico de processos que operam em elevadas temperaturas tem influencia direta sobre os gastos energeticos, os quais podem ser reduzidos caso o desempenho dos isolantes seja aprimorado. O presente trabalho procurou avaliar a influencia da microestrutura de isolantes refratarios na capacidade de isolamento termico, identificando quais sao aquelas mais adequadas. Alem disso, buscou-se avaliar e identificar rotas de processamento que possam produzir as microestruturas desejadas por meio do estudo das principais variaveis na fabricacao de espumas obtidas a partir de suspensoes aquosas ceramicas. Alem da porosidade desejada, tais estruturas devem permanecer estaveis durante a etapa de cura, sem permitir a ocorrencia de crescimento de bolhas. A estabilidade dessas espumas liquidas foi estudada em profundidade e modelos teoricos que buscam predizer as restricoes geometricas e de estabilidade/espumabilidade deste sistema trifasico (gas-liquido-particulas) foram gerados. A estabilidade termica de microestruturas porosas tambem foi pesquisada, pois estas devem operar continuamente em temperaturas elevadas sem que haja reducao significativa da porosidade. Para evitar este fenomeno foram avaliadas rotas para controlar a taxa de eliminacao dos poros em funcao do tamanho destes e da composicao quimica dos contornos de grao da microestrutura. A partir deste trabalho e possivel oferecer um conhecimento mais detalhado e aprofundado da tecnologia de producao de espumas ceramicas e propor formas inovadoras de aumentar a eficiencia de isolamento termico destes materiais.

Com o objetivo de reduzir o consumo energético, tem crescido o uso de cerâmicas porosas refratárias como isolantes térmicos para altas temperaturas. Entre as técnicas comumente empregadas na produção desses materiais, destaca-se aquela baseada na geração de poros por meio de transformação de fases. Esse método, que não libera voláteis tóxicos, apresenta uma importante limitação em relação ao uso prolongado em altas temperaturas: os compostos de transição formados após a desidroxilação tendem a acelerar a sinterização, reduzindo a porosidade. É bastante conhecido o fenômeno de que, durante a sinterização em temperaturas elevadas, peças de alumina com alta porosidade, sofrem a eliminação progressiva dos poros presentes. Por essa razão, compostos que dificultam a densificação das peças porosas têm sido adicionados para manter a porosidade originada pela decomposição do hidróxido de alumínio. O objetivo desse trabalho foi obter cerâmicas porosas moldáveis a partir de alumina, hidróxido de alumínio e diversas fontes de sílica (mulita eletrofundida, quartzo e microssílica), utilizando a técnica de decomposição de hidróxidos com o intuito de se formar mulita, composto capaz de diminuir a taxa de densificação em altas temperaturas e com aplicações na indústria petroquímica e do alumínio. As amostras foram sinterizadas entre 1100ºC e 1500ºC e os resultados mostraram que houve aumento da resistência mecânica com a elevação do teor de mulita eletrofundida, quartzo e microssílica incorporada ao sistema. Além disso, o sistema mulita eletrofundida para a composição 0,4-SMT apresentou uma PT = 53,58%, módulo elástico e resistência a compressão (E = 13,03 GPa e σR = 16,83 MPa). O sistema com a adição de quartzo, a amostra 0,2-SQZ, teve pequenas mudanças nos níveis de porosidade (PTG = 59,50%) e não apresentou um elevado aumento do módulo elástico e da resistência a compressão (E = 6,51 GPa e σR = 13,91 MPa) e o sistema contendo microssílica a composição 0,2-SMS apresentou os melhores resultados, tendo um ganho de propriedades mecânicas em temperaturas a 1100ºC e a 1500ºC manteve a porosidade (PTG = 56,23%), reduziu o tamanho médio de poros e apresentou também ótimas propriedades mecânicas (E= 15,39 GPa e σR = 36,79 MPa) proporcionando sua atuação como isolante térmico. / Refractory porous ceramics have largely been used as thermal insulators for high temperatures aiming to reduce energy consumption. The generation of pores through phase transformation (such as Al(OH)3 dehydroxilation) is one of the most interesting techniques employed to produce such materials. This method, which does not release toxic volatile, imposes an important limitation on the prolonged use at high temperatures. The transition compounds formed after the dehydroxylation tend to accelerate sintering and reduce porosity. It is well known that during sintering at high temperatures (above 1100ºC), parts of alumina with high porosity amounts undergo gradual pores\' elimination. Therefore, compounds that hinder densification of porous pieces have been added to these compositions in order to maintain the porosity generated by the decomposition of aluminum hydroxide. This thesis addresses the production of castables porous ceramics from alumina, aluminum hydroxide and different sources of silica (electrofuse mullite, quartz and microsilica), employed for the in situ formation of mullite, a compound that reduces the rate of densification at high temperatures. The applications include petrochemical and aluminum industries. Samples were sintered between 1100ºC and 1500ºC and the results of the systems which contained electrofused mullite, quartz and microsilica showed less intense porosity levels reduction. The system with addition of electrofused mullite showed PTG = 53,58%,E = 13,03 GPa and σR = 16,83 MPa. The system containing quartz, presented a lower change of porosity (PTG = 59,50%) and the system containing microsilica provided the best results and an increment in the mechanical properties at temperatures between 1100°C and 1500°C. This last system also kept porosity (PTG = 56,23%), and reduced the average pore size. Its good mechanical properties (E = 15,39 GPa and σR = 36,79 MPa) proved it can be used as a thermal insulator.

A formação de espinélio de aluminato de magnésio (\'MG\'\'AL IND.2\'\'O IND.4\'; espinélio), através da combinação de óxido de alumínio (\'AL IND.2\'\'O IND.3\'; alumina) com geradores de poros à base de óxido de Magnésio (\'MG\'\'O\'; magnésia) ou hidróxido de magnésio (\'MG\'(\'OH)IND.2\'; HM), resulta em estruturas de elevada porosidade (acima de 50%) e com baixa tendência a densificar mesmo em temperaturas elevadas (1500-1650°C). Devido a isso, esse sistema tem grande potencial de aplicação tecnológica para isolamento térmico e filtração em altas temperaturas. Considerando sua utilização em larga escala como isolante térmico verifica-se a necessidade de desenvolvimento de novas rotas de síntese mais eficazes. A reação de hidroxilação do \'MG\'\'O\' pode ser controlada, utilizando como matéria-prima tanto a magnésia sínter como com a magnésia caustica, desta forma, a expansão de peças de cerâmicas porosas feitas a base de \'MG\'\'O\' também podem ser controladas. Deste modo, neste trabalho pretende-se investigar uma nova rota para a obtenção de espinélio utilizando o \'MG\'\'O\' como ligante hidráulico e incorporar poros, in situ, utilizando-se da decomposição do HM em uma matriz de alumina. Os resultados mostraram que a área superficial específica (ASE) da magnésia influencia fortemente nas propriedades mecânicas do material moldado, comprovando que para as ASEs maiores a magnésia é viável como ligante hidráulico, sendo 0,6 MPa para o modulo de ruptura por compressão diametral, o melhor resultado deste trabalho, enquanto o sistema à base de cimento de aluminato de cálcio (CAC) teve 0,5 MPa de módulo de ruptura, e o sistema à base de \'alfa\'-Bond teve 0,3 MPa de módulo, ambos sistemas de ligantes hidráulicos conhecidos na literatura. A grande diferença no módulo de ruptura por compressão diametral mostrou que o tempo de cura e a ASE da magnésia influenciaram-no fortemente.Enquanto, as amostras com alta ASE de magnésia, em torno de ~60 \'M POT.2\'/g, tiveram 0,6 MPa de módulo de ruptura, as amostras com baixa ASE, ~1 \'M POT.2\'/g, não tiveram alteração no módulo de ruptura. Verificou-se também um aumento gradual no módulo de ruptura segundo a ASE, para um valor intermediário de ASE, ~30 \'M POT.2\'/g, o módulo foi de 0,4 MPa, valor ainda comparável a outros sistemas que se utilizam ligantes hidráulicos. Observou-se que a expansão das amostras durante a cura foi influenciada pela sua ASE, quanto maior a ASE, maior a expansão. Os resultados de PTG e do módulo de ruptura combinados com as imagens de MEV e os difratogramas, das amostras calcinadas, mostraram a influência da temperatura e da ASE na formação da cerâmica porosa por essa rota, sendo a temperatura uma variável de controle já conhecida, observada no diagrama de equilíbrio de fases. Entretanto, a influência da ASE do \'MG\'\'O\' para o controle da formação do espinélio é desconhecido da literatura / Magnesium aluminate spinel (\'MG\'\'AL IND.2\'\'O IND.4\'; spinel) formation by the combination of aluminum oxide (\'AL IND.2\'\'O IND.3\'; alumina) with magnesium oxide (\'MG\'\'O\', magnesium) or magnesium hydroxide (\'MG\'(\'OH) IND.2\'; HM), results in structures of high porosity (above 50%) and with low tendency to densify even at elevated temperatures (1500-1650°C). Due to this, this system has great potential of technological application for thermal insulation and filtration in high temperatures. Considering its large scale use as thermal insulation, it is necessary to develop new and more efficient routes of synthesis. The hydroxylation reaction of \'MG\'\'O\' can be controlled using both sinter magnesia and caustic magnesia as a feedstock, so the expansion of porous ceramic pieces made with \'MG\'\'O\'can also be controlled. Thus, in this work we intend to investigate a new route to obtain spinel using \'MG\'\'O\' as a hydraulic binder and to incorporate pores, in situ, using the decomposition of HM in an alumina matrix. The results showed that the specific surface area (ASE) of the magnesia strongly influences the mechanical properties of the molded material, proving that for the larger ASEs the magnesia is viable as a hydraulic binder, being 0.6 MPa for the diametral compression rupture modulus, the best result of this work, while the calcium aluminate cement (CAC) system had 0.5 MPa of modulus of rupture, and the \'alfa\'-Bond based system had 0.3 MPa of modulus, both systems of hydraulic binders known in the literature. The large difference in the diametral compression rupture modulus showed that the curing time and the ASE of the magnesia strongly influenced it. While high ASE magnesia samples, around ~60 \'M POT.2\'/g, had 0.6 MPa of modulus of rupture, samples with low ASE, ~1 \'M POT.2\'/g, had no change in modulus of rupture. There was also a gradual increase in the ASE burst modulus, for an ASE intermediate value ~30 \'M POT.2\'/g, the modulus was 0.4 MPa,a value still comparable to other systems using hydraulic binders. It was observed that the expansion of the samples during curing was influenced by their ASE, the higher the ASE, the greater the expansion. The results of PTG and the rupture modulus combined with SEM images and the diffractograms of the calcined samples showed the influence of temperature and ASE on the formation of the porous ceramic by this route, the temperature being a known control variable, observed in the phase equilibrium diagram. However, the influence of \'Mg\'\'O\' ASE on the control of spinel formation is unknown in the literature

Orientador: Rafael Salomão / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2011.

Com o objetivo de reduzir o consumo energético, tem crescido o uso de cerâmicas porosas refratárias como isolantes térmicos para altas temperaturas. Entre as técnicas comumente empregadas na produção desses materiais, destaca-se aquela baseada na geração de poros por meio de transformação de fases. Esse método, que não libera voláteis tóxicos, apresenta uma importante limitação em relação ao uso prolongado em altas temperaturas: os compostos de transição formados após a desidroxilação tendem a acelerar a sinterização, reduzindo a porosidade. É bastante conhecido o fenômeno de que, durante a sinterização em temperaturas elevadas, peças de alumina com alta porosidade, sofrem a eliminação progressiva dos poros presentes. Por essa razão, compostos que dificultam a densificação das peças porosas têm sido adicionados para manter a porosidade originada pela decomposição do hidróxido de alumínio. O objetivo desse trabalho foi obter cerâmicas porosas moldáveis a partir de alumina, hidróxido de alumínio e diversas fontes de sílica (mulita eletrofundida, quartzo e microssílica), utilizando a técnica de decomposição de hidróxidos com o intuito de se formar mulita, composto capaz de diminuir a taxa de densificação em altas temperaturas e com aplicações na indústria petroquímica e do alumínio. As amostras foram sinterizadas entre 1100ºC e 1500ºC e os resultados mostraram que houve aumento da resistência mecânica com a elevação do teor de mulita eletrofundida, quartzo e microssílica incorporada ao sistema. Além disso, o sistema mulita eletrofundida para a composição 0,4-SMT apresentou uma PT = 53,58%, módulo elástico e resistência a compressão (E = 13,03 GPa e σR = 16,83 MPa). O sistema com a adição de quartzo, a amostra 0,2-SQZ, teve pequenas mudanças nos níveis de porosidade (PTG = 59,50%) e não apresentou um elevado aumento do módulo elástico e da resistência a compressão (E = 6,51 GPa e σR = 13,91 MPa) e o sistema contendo microssílica a composição 0,2-SMS apresentou os melhores resultados, tendo um ganho de propriedades mecânicas em temperaturas a 1100ºC e a 1500ºC manteve a porosidade (PTG = 56,23%), reduziu o tamanho médio de poros e apresentou também ótimas propriedades mecânicas (E= 15,39 GPa e σR = 36,79 MPa) proporcionando sua atuação como isolante térmico. / Refractory porous ceramics have largely been used as thermal insulators for high temperatures aiming to reduce energy consumption. The generation of pores through phase transformation (such as Al(OH)3 dehydroxilation) is one of the most interesting techniques employed to produce such materials. This method, which does not release toxic volatile, imposes an important limitation on the prolonged use at high temperatures. The transition compounds formed after the dehydroxylation tend to accelerate sintering and reduce porosity. It is well known that during sintering at high temperatures (above 1100ºC), parts of alumina with high porosity amounts undergo gradual pores\' elimination. Therefore, compounds that hinder densification of porous pieces have been added to these compositions in order to maintain the porosity generated by the decomposition of aluminum hydroxide. This thesis addresses the production of castables porous ceramics from alumina, aluminum hydroxide and different sources of silica (electrofuse mullite, quartz and microsilica), employed for the in situ formation of mullite, a compound that reduces the rate of densification at high temperatures. The applications include petrochemical and aluminum industries. Samples were sintered between 1100ºC and 1500ºC and the results of the systems which contained electrofused mullite, quartz and microsilica showed less intense porosity levels reduction. The system with addition of electrofused mullite showed PTG = 53,58%,E = 13,03 GPa and σR = 16,83 MPa. The system containing quartz, presented a lower change of porosity (PTG = 59,50%) and the system containing microsilica provided the best results and an increment in the mechanical properties at temperatures between 1100°C and 1500°C. This last system also kept porosity (PTG = 56,23%), and reduced the average pore size. Its good mechanical properties (E = 15,39 GPa and σR = 36,79 MPa) proved it can be used as a thermal insulator.

A combinação de óxido de alumínio (Al2O3) com hidróxido de alumínio (Al(OH)3) resulta numa maneira interessante de produzir cerâmicas porosas com baixa condutividade térmica, alta área superficial específica, elevada refratariedade e estabilidade química, com custos competitivos. Devido a essas características, esse sistema tem grande potencial de aplicação tecnológica em catalisadores, isolantes térmicos e filtros para altas temperaturas. Apesar do bom desempenho, essas cerâmicas ainda apresentam limitações tais como a baixa resistência termomecânica, devido à elevada porosidade (principalmente, naqueles materiais com fração volumétrica de poros acima de 50%) e redução de porosidade causada pelos fenômenos de sinterização e crescimento de grãos que se intensificam acima de 1100°C. Por esse motivo, investigações adicionais são necessárias a fim de minimizar esses aspectos negativos. Este trabalho teve como objetivo desenvolver estruturas porosas moldáveis (porosidade acima de 50%) de alta alumina, com adequada resistência mecânica (acima de 10 MPa em compressão) e que fossem resistentes à densificação, para uso em temperaturas acima de 1100°C. Inicialmente foi realizado um estudo sobre a decomposição térmica (temperatura variando de 300°C a 1500°C) de três tipos de hidróxidos de alumínio com diferentes granulometrias (1, 10 e 100 µm) a fim de avaliar seus potencias como agentes porogênicos. Em seguida, por meio de ensaios reológicos, determinou-se as condições ideais de dispersão e mistura das partículas de alumina calcinada, hidróxido de alumínio e alumina hidratável. Em uma segunda etapa do trabalho, suspensões aquosas de alumina calcinada (D50: 1 µm ou 2,5 µm) consolidadas com alumina hidratável foram preparadas com diferentes proporções (0 - 67,5% vol.) de Al(OH)3 (D50: 1 µm ). Para os tipos de Al(OH)3 com partículas maiores foram preparadas somente as composições contendo 22,5% vol. de alumina calcinada (2,5 µm), 67,5% de hidróxido de alumínio e 10% vol. de alumina hidratável. As amostras foram submetidas a tratamentos térmicos em 1100°C, 1300°C e 1500°C durante 3 h. O comportamento durante a sinterização foi acompanhado por meio de dilatometria e as estruturas verdes/secas e sinterizadas foram caracterizadas em relação à porosidade total e tamanho médio dos poros, resistência à compressão e módulo elástico. A evolução da microestrutura foi avaliada usando microscopia eletrônica de varredura. Comprovou-se a ação porogênica do Al(OH)3 em matrizes de alumina calcinada. Essa ação depende de diversos fatores como teor adicionado, temperatura máxima de sinterização e da relação entre as granulometrias da matriz e do Al(OH)3. Variando-se esses parâmetros, estruturas com elevada porosidade (acima de 50%) e resistência à ruptura por compressão (acima de 10 MPa) foram obtidas. Foi observado que a alumina hidratável, utilizada como ligante, desempenha papel de grande importância no desenvolvimento da microestrutura desses materiais, particularmente em temperaturas abaixo de 1000°C. / The combination of aluminum oxide (Al2O3) and aluminum hydroxide (Al(OH)3) results in an interesting way of producing porous ceramics of low thermal conductivity, high specific surface area, high refractoriness, and chemical stability at competitive costs. Consequently, such a system shows great potential for technological applications in catalysts, thermal insulators and filters for high temperatures. Despite the good performance of those ceramics, they still have limitations, as low thermomechanical strength, due to high porosity (especially materials whose volume fraction of pores exceeds 50%) and reduced porosity caused by the sintering phenomena and grain growth intensified above 1100°C. Therefore, further research is required for the minimization of such negative aspects. This thesis addresses the development of moldable porous structures (porosity higher than 50%) of high alumina with proper mechanical strength (above 10 MPa in compression) and densification resistance, for use at temperatures above 1100°C. First, a study on the thermal decomposition (temperatures ranging from 300°C to 1500°C) of three types of aluminum hydroxides of different granulometries (1, 10 e 100 µm) was conducted for the evaluation of their potential as porogenic agents. Rheological measurements enabled the determination of the optimal conditions for the dispersion and mixing of the calcined alumina particles, hydratable alumina and aluminum hydroxide. In a second stage of the study, aqueous suspensions of calcined alumina (D50: 1 µm ou 2.5 µm) consolidated with hydratable alumina were prepared with different proportions (0 - 67.5 vol.%) of Al(OH)3 (D50: 1 µm ). However, for Al(OH)3 with larger particles, were only prepared compositions with 22.5 vol.% of calcined alumina (2.5 µm), 67.5 vol.% of aluminum hydroxide, and 10 vol.% of hydratable alumina. The samples were heat treated at 1100, 1300 and 1500°C for 3 h. The behavior during sintering was studied by dilatometry and the green/dried and sintered structures were characterized regarding the total porosity and average pore size, compressive strength and elastic modulus. The evolution of the microstructure was evaluated by scanning electron microscopy. The porogenic action of Al(OH)3 on a calcined alumina matrix was proved and showed to depend on several factors, as content added, maximum sintering temperature and relationship between the grain size of the matrix and Al(OH)3. Variations in those parameters yielded structures of high porosity (higher than 50%) and resistance to compression fracture (above 10 MPa). The hydratable alumina used as a binder played a major role in the development of the microstructure of such materials, particularly at temperatures below 1000°C.

Mulita é um aluminosilicato com aplicações em sistemas de altas temperaturas como filtração de gases, elemento estrutural, suporte catalítico e isolante térmico. Na natureza, a mulita é pouco abundante e por este motivo é sintetizada via reação do estado sólido entre precursores contendo alumina e sílica. Nesta tese foi estudado o efeito de diferentes tipos de sílicas amorfas sintéticas (sílica precipitada, microssílica, sílica da casca de arroz e sílica da cinza da casca de arroz). Resultados obtidos demonstraram que quanto maior for a porosidade interna das partículas maior é o ganho em módulo de ruptura em flexão. No caso da microssílica, a presença de contaminantes foi determinante para obter a formação de fase vítrea viscosa, obtendo um material com baixa porosidade e elevado módulo elástico e de ruptura em flexão. Com o objetivo de aumentar a porosidade das estruturas de mulita, utilizou-se sílica com elevado tamanho médio de partículas (> 5 μm) e com (> 99%). Os resultados demonstraram que a porosidade obteve valor entre 20 a 30%, com ganho em módulo de ruptura em flexão (72 MPa). Apesar dessa baixa porosidade, a vantagem é que estes poros são revestidos pela sílica o que confere controle da microestrutura e estabilidade frente a sinterização, além de ser reprodutível. Diferentes proporções molares de sílica foram estudadas (de 3A-0S até 3A-2S), dois diferentes tamanhos de partículas de alumina calcinada, uma fina e outra grossa. Os resultados mostraram que utilizando alumina grossa é possível obter uma porosidade maior contudo com menores propriedades mecânicas. Diferentemente dos resultados mostrados em outros trabalhos, verificou-se que uma pequena quantidade de sílica (0,25% em mol ou 3A-0,25S), já prejudica a densificação da alumina, tal efeito foi explicado pelo concentração de fase viscosa nos contornos de grão que dificulta a densificação das partículas de alumina. Utilizando hidróxido de alumínio, e fazendo a sua pré-sinterização foi possível obter estruturas de mulita com porosidade de 55%, e com módulo de ruptura em flexão de 16 MPa e com retração linear térmica de 5%, desta forma, aliou alta porosidade com boas propriedades mecânicas, sem necessidade de uso de agentes porogênicos ou geradores de vapores tóxicos, e tecnologicamente formou um produto com grande potencial para uso em isolamento térmico primário. / Mullite is an aluminosilicate with applications in high-temperature systems such as gas filtration, structural element, catalytic support and thermal insulation. In nature, mullite is not abundant and is therefore synthesized via the solid-state reaction between precursors containing alumina and silica. In this thesis, the effect of different types of synthetic amorphous silicas (precipitated silica, microsilica, silica from rice husk and silica from rice husk ash) was studied. Results obtained showed that the larger the internal porosity of the particles, the greater the gain in modulus of rupture in flexion. In the case of the microsilica, the presence of contaminants was determinant to obtain the formation of viscous glassy phase, obtaining a material with low porosity and high elastic modulus and rupture in flexion. In order to increase the porosity of the mullite structures, high particle size (> 5 μm) and (> 99%) silica were used. The results showed that the porosity obtained a value between 20 to 30%, with the gain in modulus of rupture in flexion (72 MPa). In spite of this low porosity, the advantage is that these pores are coated by silica, which gives control of the microstructure and stability to sintering, in addition to being reproducible. Different molar ratios of silica were studied (from 3A-0S to 3A-2S), two different particle sizes of calcined alumina, one fine and one coarse. The results showed that using coarse alumina it is possible to obtain a higher porosity with lower mechanical properties. Differently, from the results shown in other works, it was verified that a small amount of silica (0.25 mol% or 3A-0.25 S), already affects the densification of alumina, this effect was explained by the concentration of viscous phase in the contours of grain which hinders the densification of the alumina particles. Using aluminum hydroxide, it was possible to obtain mullite structures with 55% porosity and with a modulus of rupture in flexion of 16 MPa and linear thermal retraction of 5%, thus allying high porosity with good mechanical properties, no need for porogenic agents or toxic vapors, and technologically formed a product with great potential for use in primary thermal insulation.