Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais / Made available in DSpace on 2012-10-23T15:05:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1
244979.pdf: 5545649 bytes, checksum: 72c9dd038ad5e0eb4be28582a14998bc (MD5) / O porcelanato é formado por uma mistura de argilominerais, quartzo e feldspatos. Corresponde à classe de revestimento com melhor desempenho técnico. É constituído basicamente por 50-65% de fase vítrea, 10-25% de quartzo, <10% de mulita, 0-10% feldspatos não fundidos, 3-7% de porosidade fechada.
A produção de porcelanato normalmente se faz por conformação por prensagem, a partir de matériasprimas finamente moídas, homogeneizadas por via úmida e granuladas por atomização. A queima ocorre em ciclos rápidos entre 40 e 60 min, com temperaturas máximas entre 1180 e 1220ºC. A etapa de resfriamento do ciclo de queima é realizada o mais rapidamente possível e com escasso controle. A única precaução tomada é reduzir a velocidade de resfriamento durante a transformação alotrópica do quartzo.
Normalmente associa-se o desenvolvimento das propriedades mecânicas do porcelanato com os mecanismos de reforço atribuídos às porcelanas, mas dificilmente relacionando quais fatores que apresentam maior relevância. No presente trabalho, o desenvolvimento das propriedades mecânicas do porcelanato foi estudado com base na avaliação do desenvolvimento das tensões residuais macroscópicas e microscópicas. Diferentes magnitudes de tensões macroscópicas foram desenvolvidas por distintas velocidades de resfriamentos e alterando-se a composição de partida (caulinita, quartzo e albita). Os efeitos provocados pelas tensões microscópicas foram analisados alterando-se a composição de partida e
o tamanho de partícula do quartzo. As tensões residuais macroscópicas foram medidas pelo método de relaxação de deformações por corte incremental e as tensões microscópicas por difração de raios X. A
resistência mecânica e a tenacidade à fratura, método SENB, foram medidas por flexão em três pontos de apoio em máquina universal de ensaios mecânicos. Os resultados demonstraram que o porcelanato
desenvolve têmpera quando submetido a resfriamento rápido. Esse processo é controlado pelas mesmas variáveis da têmpera em vidros planos, constituindo dessa forma um importante mecanismo de reforço
microestrutural. Paralelamente à têmpera ocorre um processo de deterioração da microestrutura que foi quantificado matematicamente através de uma equação proposta, que associa a deterioração com o
crescimento do tamanho do defeito natural de Griffith. Essa deterioração mostrou ser o principal fator que distingue as propriedades mecânicas de diferentes composições. As maiores resistências mecânicas foram obtidas para aquelas misturas que associam tensão macroscópica juntamente com o efeito de reforço provocado pelas partículas de quartzo e proteção microestrutural,, contra essa deterioração, através da interconexão dos cristais de mulita. As diferenças observadas nas tensões sobre as partículas de quartzo estão relacionadas com variações na natureza da interface (sílica amorfa ou mulita/vidro de caulinita ou vidro de albita), e não podem ser associadas indistintamente com o aumento da energia de fratura sem
levar em consideração os efeitos deletérios que as fases de baixo coeficiente de expansão térmica causam à matriz vítrea. A metodologia proposta para a determinação da tensão residual microscópica sobre as
partículas de quartzo, juntamente com a análise dilatométrica, comprovaram que o quartzo nas composições de porcelanato está parcialmente desconectado e que este fenômeno é controlado pelo comportamento anisotrópico da célula unitária. Desse modo, o quartzo apresenta dois diâmetros críticos a partir dos quais as partículas se desprendem parcial ou totalmente da matriz.
The porcelain tile is composed by clay minerals, quartz and feldspars. It is the best ceramic tile considering the technical properties. Basically it is constituted by 50-60% glassy phase, 10-25% quartz, <10% mullite, 0-10% non-fused feldspar and 3-7% of close porosity. Manufacturing is normally done by dry pressing from fine wet grid raw materials which are spray-dried. Sintering is carried out by fast firing, i.e., 40-60 min, and maximum temperature between 1180 and 1220ºC. Cooling stage is done as fast as possible, with a lack of specific control. Only a little decrease is done on the cooling rate during the quartz allotropic transition. The mechanism of developing mechanical properties of porcelain tile is normally associated with that of technical porcelain, but it is not so evident what the most relevant mechanism is. In the present work, the mechanical properties of porcelain tile was evaluated based on the developing of macroscopic and microscopic residual stress. Different levels of macroscopic residual stress were produced by changing the cooling rate and the initial composition (kaolinite, quartz, albite).
The effect of microscopic residual stress was evaluated by changing the initial composition and the particle size of quartz. The macroscopic residual stress was measured by deformation-relaxation method with incremental cuts and the microscopic residual stress by x-ray diffraction. The mechanical strength and fracture toughness, SENB method, was measured by three points bending using a universal test machine. The results show that porcelain tile develops tempering when submitted to fast cooling rate. This process is controlled by the same factors of those in float glass, them it can be considered a kind of reinforcing mechanism. As the tempering occurs, a microstructural deterioration also occurs, which was quantified by a proposed model based on an increasing of the Griffith flaw size. This deterioration is the most important mechanism that differs the mechanical properties all the studied composition. The high strength was obtained for those compositions with macroscopic residual stress, matrix reinforced by
quartz particles, but with no deterioration during fast cooling. The deterioration was least for those microstructures where interconnected mullite crystal was observed. The observed changing in microscopic residual stress on the quartz particles was related with changes in the interface nature (amorphous silica, mullite/ kaolinite glass or albite glass) and can not be directly associated with matrix reinforced by increasing the fracture energies without considering the deleterious effect of those low thermal expansion phases. The proposed methodology for determination of microscopic residual stress under quartz particle together with dilatometric experiments, could confirm that the quartz particles in porcelain tile are partially disconnected. This phenomenon is controlled by anisotropic behavior of the quartz unit cell. In this way, the quartz presents two critical diameters and the particles can be completely or partially disconnected.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/90776 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Noni Junior, Agenor de |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Hotza, Dachamir |
| Publisher | Frolianópolis |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 125 f.| il., grafs., tabs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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