Espodumênio brasileiro como matéria-prima para produção de vitrocerâmicas

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2017.Vitrocerâmicas do sistema LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) com boa resistência ao choque térmico foram obtidas com sucesso a partir do uso do concentrado de espodumênio como matéria-prima. O minério brasileiro, portador de Li2O, foi caracterizado por difratometria de raios X, fluorescência de raios X / espetroscopia de absorção atômica e microscopia eletrônica de varredura. O efeito da adição de agente nucleante foi analisado e a combinação TiO2.2ZrO2 foi usada de forma efetiva para promover a cristalização de volume. Três composições (Li2O.Al2O3.nSiO2) foram produzidas com n variando entre 2-4, entre as composições estequiométricas de eucripitita-ß e espodumênio-ß. Duas rotas de processamento foram estudadas a fim de obter vitrocerâmicas monolíticas e sinterizadas, baseadas nas tecnologias de fabricação de vidros e de cerâmicas, respectivamente. A caracterização das temperaturas características dos precursores vitrocerâmicos foi realizada por meio de dilatometria de contato e microscopia de aquecimento. O mecanismo de cristalização e a evolução microestrutural das vitrocerâmicas monolíticas foram investigados pelo cálculo do expoente de Avrami, que indicou nucleação heterogênea com cristalização de volume e crescimento de cristais uni- e bidimensional, confirmados pelas imagens de microscopia óptica. A formação das soluções sólidas de quartzo-ß e espodumênio-ß foram identificadas por difração de raios X, assim como a precipitação do agente nucleante como titanato de zircônio. O potencial de sinterização foi estimado pelo parâmetro SC que demonstrou a forte competição entre os processos de sinterização e cristalização no sistema vitrocerâmico. As vitrocerâmicas sinterizadas foram conformadas por colagem de barbotina e as propriedades reológicas da barbotina produzida com pó do precursor vitrocerâmico foram caracterizadas por viscosimetria rotacional. A densidade relativa dos compactos consolidados não foi elevada e apresentou porosidade de 44 %. As vitrocerâmicas apresentaram valores de a entre -0,370×10-6 °C-1 e 4,501×10-6 °C-1 até 700 °C. As peças sinterizadas resistiram com sucesso a 20 ciclos de choque térmico, com ?T de ~680 °C e a redução do módulo de elasticidade durante o ensaio foi de 0,4 GPa.Abstract : Glass-ceramics in the LAS system (Li2O-Al2O3-SiO2) with good thermal shock resistance were successfully obtained with the use of spodumene concentrate as raw material. The Brazilian Li2O-bearing mineral was characterized by X-ray diffractometry, X-ray fluorescence / atomic absorption spectroscopy and scanning electron microscopy. The effect of nucleating agent addition was examined and the TiO2.2ZrO2 combination was effectively used to promote bulk crystallization. Three compositions (Li2O.Al2O3.nSiO2) were produced with n between 2-4, within the stoichiometric compositions of ß-eucryptite and ß-spodumene. Two processing routes were studied to obtain monolithic and sintered glass ceramics, based on glass and ceramic manufacturing technologies. Characterization of the parent glass characteristic temperatures was performed by contact dilatometry and heating microscopy. The crystallization mechanism and microstructural evolution of the monolithic glass ceramics were investigated, Avrami exponent was determined, indicating heterogeneous nucleation with bulk crystallization and 1- and 2-dimensional crystal growth, confirmed by the optical microscopy. The formation of quartz-ß and ß-spodumene solid solutions were identified by X-ray diffraction, as well as the precipitation of the nucleating agent as zirconium titanate. The sintering potential was estimated by the SC parameter that demonstrated the strong competition between the sintering and crystallization processes in the studied glass ceramic system. The sintered glass ceramics were shaped by slip casting and the rheological properties of the parent glass powder slip were characterized by rotational viscometry. The relative density of the consolidated compacts was low, with 44% porosity. The obtained glass-ceramics presented a between -0.370 × 10-6 ° C-1 and 4.501 × 10-6 °C-1 up to 700 °C. The sintered parts withstood 20 cycles of thermal shock with ?T of ~680 °C with elastic modulus loss of 0.4 GPa throughout the test