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Refratários microporosos moldáveis no sistema Al2O3-MgO-CaO para isolamento térmico acima de 1200ºC

Processo: 18/19773-3
Linha de fomento:Bolsas no Exterior - Pesquisa
Vigência (Início): 01 de agosto de 2019
Vigência (Término): 31 de julho de 2020
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia de Materiais e Metalúrgica - Materiais Não-metálicos
Pesquisador responsável:Rafael Salomão
Beneficiário:Rafael Salomão
Anfitrião: Ana Maria Bastos Costa Segadaes
Instituição-sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
Local de pesquisa : Universidade de Aveiro (UA), Portugal  
Assunto(s):Refratários   Aluminato de cálcio   Isolamento térmico

Resumo

Cerâmicas porosas encontram grande campo de aplicação em processos que envolvam geração, troca ou manutenção de calor em altas temperaturas, como nas indústrias siderúrgica, petroquímica e de cimento. Esse bom desempenho se explica pelo fato desses materiais combinarem a baixa condutividade térmica das estruturas porosas com a elevada refratariedade e inércia químicas dos materiais cerâmicos. Considerando seu uso em aplicações de isolamento térmico acima de 1000°C por longos períodos, dois pontos que ainda necessitam de aprimoramento são a) a baixa resistência termomecânica e tenacidade (devido à elevada porosidade) e b) a dificuldade em manter os elevados níveis de porosidade por longos períodos em alta temperatura. A combinação de óxido de alumínio (alfa-Al2O3) e hidróxido de alumínio (Al(OH)3) tem grande potencial para minimizar esses aspectos, pois enquanto o Al2O3 pode formar uma matriz densa de alta resistência, os domínios de Al(OH)3 geraram regiões ricas em microporos. A estrutura final pode apresentar níveis de porosidade acima de 70 %, mesmo após sinterização em elevadas temperaturas (1500ºC), com resistência à compressão superior a 40 MPa e baixa condutividade térmica (0.1 W/(m.K) a 1200ºC). Para fins de comparação, tijolos isolantes aluminosos convencionais possuem níveis de condutividade da ordem de 3-4 W/(m.K) a 800ºC e resistência à compressão de 5-10 MPa. Neste Projeto, dois pontos serão explorados. 1) Inicialmente, pretende-se aprimorar a manutenção da elevada porosidade e capacidade de isolamento térmico em alta temperatura utilizando matrizes cerâmicas e agentes porogênicos com maior resistência à densificação durante a sinterização que a Al2O3 pura. Os compostos aluminato de magnésio ou espinélio (MgAl2O4) e hexaluminato de cálcio (CaAl12O19 ou CA6) são os principais candidato a essa aplicação por combinarem dificuldade intrínseca em produzir estruturas densas e alta refratariedade (respectivamente, 2122ºC e 1833ºC). Soluções sólidas cerâmicas como estes compostos, em altas temperaturas, apresentam forte tendência a crescimento de grão em detrimento da densificação, por sua estrutura complexa e cristais com hábito de crescimento altamente assimétrico. Além disso, quando gerados in situ a partir de Al2O3 e CaO ou MgO, sua menor densidade em relação à Al2O3 faz com que essas reações sejam processos expansivos que dificultam ainda mais a densificação. São candidatos a matérias primas para este estudo as matrizes de Al2O3 e MgAl2O4 e CaAl12O19 pré-formados, os porogênicos Al(OH)3, Mg(OH)2, MgCO3, Mg6Al2(CO3)(OH)16.4H2O, CaCO3 e Ca(OH)2 e os ligantes hidráulicos cimento de aluminato de cálcio e alumina hidratável. 2) O segundo ponto diz respeito à utilização de técnicas de processamento por suspensões aquosas para produzir estruturas porosas monolíticas. Comparada com métodos baseados em prensagem, a moldagem de suspensões com uso de ligante hidráulico permite obter rapidamente estruturas de maior volume, alta porosidade inicial e com grande liberdade de geometria. No entanto, há diversos desafios relacionados à preparação de codispersões estáveis e de alta fluidez e trabalhabilidade quando mais de um tipo de partícula cerâmica é considerado. Entre eles, destacam-se a necessidade de equilibrar níveis e sinais de potencial Zeta, interações entre íons, contra-íons e dispersantes e sensibilidade ao pH e temperatura do meio. Serão testados diversos dispersantes à base de poli(carboxilato-éter), poli(etilenoglicol) e poli(acrilato de amônio) e empregadas técnicas de caracterização reológica para aprimorar o processamento. Após a caracterização física, térmica e morfológica das estruturas porosas produzidas, os resultados obtidos serão comparados com isolantes comerciais tradicionais.

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