seminário físico-química 2 _Sistema ZrO2 - CaO

Sistema ZrO2 - CaO Seminário de Físico-Química II

Conhecendo os componentes •

ZrO2

–

chamada de zircônia ou dióxido de zircônio O Zr metálico: metal duro  estrutura cristalina hexagonal  resistente à corrosão  principalmente utilizado no revestimento de reatores nucleares 

Conhecendo os componentes O ZrO2 (dióxido de zircônio): é encontrado na natureza cristalizado no sistema monoclínico, no mineral baddeleyíta.

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a gema cúbica é produzida em laboratório como imitação do diamante, e ainda não foi encontrada na natureza. 

 Brilhante de zircônia cúbica

Conhecendo os componentes 

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O ZrO2 impuro é utilizado:

em utensílios de laboratório resistentes a mudanças bruscas de temperatura; revestimentos de fornos; material refratário em cerâmicas e vidros; importante na indústria bélica.

 Material bélico

Conhecendo os componentes •

CaO

–

chamada de cálcia ou óxido de cálcio O Ca metálico:

metal mole  estrutura cristalina cúbica de face centrada  metal mais abundante no corpo humano (1200g em adultos) 

Cálcio em atmosfera de argônio

 Estrutura cúbica

Conhecendo os componentes O CaO (óxido de cálcio): sólido branco  higroscópico  ponto de ebulição: 2850°C  ponto de fusão: 2572°C  densidade: 3,5 g/cm3 

 Estrutura cúbica

Cálcia em pó

Conhecendo os componentes  A •

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CaO é utilizada:

na indústria de construção civil em argamassas e pintura; indústria cerâmica, siderúrgica (obtenção do ferro); indústria farmacêutica como agente branqueador e desodorizador; na agricultura em produção de hidróxido de cálcio no controle da acidez dos solos.  Pintura com CaO no combate à erosão

Estruturas cristalinas

monoclínica

tetragonal 

cúbica

hexagonal 

Regra das fases Um diagrama de fase mostra de um relance as propriedades da substância: ponto de fusão, ponto de ebulição, pontos de transição e pontos triplos.



As linhas que aparecem no diagrama de fase dividem-no em três regiões denominadas sólida, líquida e gás.



Regra das fases A coexistência de duas fases em equilíbrio implica que:



(T, p) =

(T, p)

Devido a esta relação, necessitamos de apenas uma das variáveis intensivas, a temperatura ou a pressão, para a descrição do estado do sistema.



Regra das fases 

Regra das fases de J. Willard Gibbs :

F=C–P+2

Onde C é o número de componentes e P é o número de fases.

Diagrama de fases ZrO2 CaO

MgO

 Y 2O3  Principais aditivos estabilizadores

Diagrama de fases ZrO2 - CaO  Zircônia pura (ZrO 2 )

monoclínica (1170°C)

Cúbica (2370°C – 2680°C)

tetragonal (1170°C – 2370°C)

Diagrama de fases ZrO2 - CaO Tipos de cerâmicas de zircônia:  zircônia

tetragonal policristalina (TZP);

 zircônia

totalmente estabilizada (FSZ), geralmente fase cúbica;

 zircônia

parcialmente estabilizada (PSZ), que pode conter duas ou três fases polimórficas.

 Diagrama de equilíbrio ZrO 2 - CaO

Diagrama de fases ZrO2 - CaO  Regiões de interesse: 

Primeira: uma solução sólida com estrutura tetragonal (até ~ 5,5% mol CaO),

sendo termodinamicamente estável entre ~ 1200 ºC e ~ 2300 ºC.



Segunda: campo de fases misto cúbico + tetragonal (se estende ~ 6 a

~ 12,5% mol CaO), para temperaturas superiores a 1140 ºC.



Terceira: compreende a fase cúbica termodinamicamente estável em composições

acima de 12,5% mol de CaO, a temperaturas superiores a 1140 ºC.

Diagrama de fases ZrO2 - CaO  Aspectos importantes extensos campos de estabilidade das fases tetragonal + cúbica, e cúbica. 

cerâmicas parcialmente ou totalmente estabilizadas podem ser obtidas em amplas faixas de composição. 

o extenso campo de fase tetragonal permite a preparação de cerâmicas de zircônia tetragonal policristalina (TZP) dopada com cálcia. 

Diagrama de fases ZrO2 - CaO Variando o teor de CaO e as condições de  processamento e dos tratamentos térmicos é possível obter  a zircônia:  parcialmente estabilizada (Ca-PSZ); 

ou totalmente estabilizada na

fase cúbica (Ca-FSZ); 

ou a tetragonal policristalina

contendo cálcia (Ca-TZP) .

Diagrama de fases ZrO2 - CaO A  zircônia totalmente estabilizada com cálcia (Ca-FSZ) tem sido muito estudada porque é a que apresenta maior condutividade iônica para este tipo de estabilizante.



A  zircônia tetragonal policristalina com cálcia (Ca-TZP) foi muito pouco estudada. Isto está relacionado com a dificuldade de sua obtenção.



Diagrama de fases ZrO2 - CaO  Influência das dimensões das  partículas na estabilização das estruturas 

o tamanho mínimo de grãos necessário para reter a

estrutura tetragonal na zircônia, denominado tamanho crítico, depende do tipo e do teor do dopante.

Cerâmicas sinterizadas de zircônia contendo 4% mol cálcia, o tamanho crítico é 150 nm.

Aplicações Cerâmicas de zircônia (ZrO2) apresentam elevada resistência química e refratariedade e podem apresentar elevadas propriedades mecânicas e condutividade iônica.



 Indústrias: química, petroquímica, metalúrgica e mecânica. Cerâmicas de zircônia

Aplicações como elementos estruturais componentes de bombas;  válvulas mecânicas; Componentes variados  cutelaria;  matrizes de conformação de metais;  próteses ortopédicas e dentárias (biomaterial);  refratários  eletrólitos sólidos em sensores de oxigênio;  baterias e  células a combustível. 

Aplicações tecnológicas  A zircônia dopada com cálcia é o material preferido para a confecção de tubos que são amplamente utilizados em:



células eletroquímicas;



bocais para escoamento de metais fundidos.

Referências bibliográficas  Preparação,

sinterização e espectroscopia de impedância da  zircônia parcialmente estabilizada com cálcia.

http://www.scielo.br/pdf/ce/v52n323/32091.pdf   Zircônia

parcialmente estabilizada de baixo custo produzida por meio de mistura de pós com aditivos do sistema MgO-Y2O3-CaO.

http://www.scielo.br/pdf/ce/v53n326/03.pdf 

Seminário apresentado por: 

Fabiano dos Santos Silva

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Jean César Rodrigues

Letícia Janegitz Pereira

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Mariana Saad Sansão