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Estrutura e Propriedades dos Materiais

MATERIAIS CERÂMICOS

Prof. Rubens Caram

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MATERIAIS DE CERÂMICOS

CERÂMICAS SURGIRAM DO PRIMEIRO EXERCÍCIO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS DO HOMEM, HÁ MAIS DE 9.000 ANOS

A PALAVRA “CERÂMICA” SE ORIGINA DA PALAVRA GREGA “KERAMIKOS”: MATERIAL QUEIMADO

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MATERIAIS DE CERÂMICOS

MATERIAIS CERÂMICOS: COMPOSTOS QUÍMICOS E SOLUÇÕES ENVOLVENDO ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS

VARIEDADE DE PROPRIEDADES MECÂNICAS E FÍSICAS PERMITE APLICAÇÕES EM CAMPOS DISTINTOS: TIJOLOS, LOUÇAS, REFRATÁRIOS, MATERIAIS MAGNÉTICOS, DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS, FIBRAS, ABRASIVOS, COMPONENTES AEROESPACIAIS

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CARACTERÍSTICAS DAS CERÂMICAS

RESISTÊNCIA MECÂNICA AUMENTA QUANDO O PRODUTO É AQUECIDO EM ALTAS TEMPERATURAS: REAÇÕES TERMOQUÍMICAS

ALTA DUREZA

ALTA FRAGILIDADE

ESTRUTURA CRISTALINA COMPLEXA

ELEVADO PONTO DE FUSÃO

BOM ISOLANTE TÉRMICO E ELÉTRICO

MATÉRIA PRIMA DE CUSTO RELATIVAMENTE BAIXO

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COMPORTAMENTO MECÂNICO

EFEITO DE TENSÕES EM METAIS E EM CERÂMICAS

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COMPORTAMENTO TÉRMICO

ÔNIBUS ESPACIAL: NA REENTRADAS, SUPERFÍCIE ATINGE TEMPERATURAS SUPERIORES A 1.000 oC.

PROTEÇÃO TÉRMICA É FEITA COM PLACAS CERÂMICAS DE FIBRAS DE QUARTZO. EFICIÊNCIA TÉRMICA DESSAS PLACAS: 10 s APÓS SUA RETIRADA DE UM FORNO A 1260 oC É POSSÍVEL TOCÁ-LAS COM AS MÃOS.

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NATUREZA DAS CERÂMICAS

MATERIAIS CERÂMICOS SÃO SUBSTÂNCIAS INORGÂNICAS, NÃO-METÁLICAS CONSTITUÍDAS DE ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS VARIAM EM FUNÇÃO DE SUAS LIGAÇÕES QUÍMICAS

EM GERAL, MATERIAIS CERÂMICOS USADOS INDUSTRIALMENTE SE DIVIDEM EM DOIS GRUPOS:

CERÂMICAS TRADICIONAIS

CERÂMICAS AVANÇADAS

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EVOLUÇÃO DAS CERÂMICAS

ATÉ A METADE DO SÉCULO XX, OS MATERIAIS CERÂMICOS ENVOLVIAM APENAS PRODUTOS TRADICIONAIS, COMO TIJOLOS, AZULEJOS, LOUÇA, VIDROS E REFRATÁRIOS

COMPREENSÃO DA NATUREZA INTERNA DESSES MATERIAIS, ALIADA A NOVOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO PERMITIU APLICAÇÕES EM INDÚSTRIAS AVANÇADAS: AEROESPACIAL, DE COMUNICAÇÕES, ELETRÔNICA, MÉDICA

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APLICAÇÕES DE MATERIAIS CERÂMICOS

CER

ÂM

ICA

S TR

AD

ICIO

NA

IS

CER

ÂM

ICA

S A

VAN

ÇA

DA

S

TIJOLOSTELHASLOUÇAS

AZULEJOSVIDROS

JOIAS ARTIFICIAIS

PEDRAS SINTÉTICASDIAMANTEARTIFICIAL

COMPONENTES PARA SISTEMAS

NUCLEARESSUPERCONDUTORES

OSSOS ARTIFICIAIS

DENTESARTICULAÇÕES

SENSORESSEMICONDUTORES

CIRCUITOS INTEGRADOS

OSCILADORESCAPACITORES

BATERIAIS

FIBRAS ÓPTICASMONITORESLÂMPADAS

MATERIAIS PARA POLIMENTOMATERIAIS ABRASIVOS

MATERIAIS PARA CORTE E

USINAGEM

TECNOLOGIA

MOTORES DE AUTOS

TURBINAS A GÁSTURBO-

COMPRESSORES

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APLICAÇÕES DE MATERIAIS CERÂMICOS

CER

ÂM

ICA

S TR

AD

ICIO

NA

IS

CER

ÂM

ICA

S A

VAN

ÇA

DA

S

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PROCESSAMENTO DAS CERÂMICAS

PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS É FEITO PELA COMPACTAÇÃO DE PÓS OU PARTÍCULAS E AQUECIDO A TEMPERATURAS APROPRIADAS

PREPARAÇÃO DO MATERIAL: MATÉRIA-PRIMA DEVE TER TAMANHO DE PARTÍCULA CONTROLADO

MOLDAGEM: PODE SER FEITA A SECO, A ÚMIDO OU PLÁSTICA

SECAGEM: PRODUTO CONFORMADO É SUBMETIDO À SECAGEM PARA ELIMINAÇÃO DE ÁGUA OU/E LIGANTES

SINTERIZAÇÃO: PRODUTO CONFORMADO É SUBMETIDO A TRATAMENTO TÉRMICO PARA DENSIFICAÇÃO

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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS

MATÉRIA PRIMA

TRADICIONAIS

AVANÇADAS

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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS

TRADICIONAIS

CONFORMAÇÃO/SINTERIZAÇÃO

AVANÇADAS

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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS

PRODUTOS

TRADICIONAIS

AVANÇADAS

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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS

MICROESTRUTURA

TRADICIONAIS

AVANÇADAS

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CERÂMICAS TRADICIONAIS

SÃO CONSTITUÍDAS BASICAMENTE DE:

ARGILA: Al2O3-SiO2-H2O COM OUTROS ÓXIDOS (TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O)

SÍLICA: SiO2

FELDSPATO: K20-Al2O3-6SiO2

PRODUTOS ESTRUTURAIS COMO TIJOLOS E PISOS TÊM OS TRÊS COMPONENTES

CERÂMICAS BRANCAS COMO AS PORCELANAS E PEÇAS SANITÁRIAS TAMBÉM TÊM OS TRÊS COMPONENTES, MAS O TEOR DE FELDSPATO É CONTROLADO

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CERÂMICAS AVANÇADAS

SÃO CONSTITUÍDAS BASICAMENTE DE:ÓXIDOS: Al2O3

CARBETOS: SiCNITRETOS: Si3N4

Al2O3: DESENVOLVIDA COMO MATERIAL REFRATÁRIO, ATUALMENTE TEM DIVERSOS USOS – VELAS DE IGNIÇÃOSiC: É MUITO DURO, TEM ALTA RESISTÊNCIA À OXIDAÇÃO E É USADO COMO REFORÇO EM COMPÓSITOS COM METAIS OU CERÂMICOS Si3N4: DENTRE OS MATERIAIS CERÂMICOS, É O QUE EXIBE MELHOR CONJUNTO DE PROPRIEDADES E É USADO EM COMPONENTES DE MOTORESZrO2: ZIRCÔNIA PURA É POLIMÓRFICA E SE TRANSFORMA DE TETRAGONAL PARA MONOCLÍNICA EM 1170 OC, CAUSANDO EXPANSÃO DE VOLUME E TRINCAS. COMBINANDO ZrO2 COM Y2O3

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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS

110 – 10.000CUSTO

11 – 1.000RESISTÊNCIA

MICROSCOPIA ÓPTICA

MICROSCOPIA ELETRÔNICA

ANÁLISE

COM FASE VÍTREASEM FASE VÍTREASINTERIZAÇÃO

POUCO CONTROLADA

ALTAMENTE CONTROLADA

CONFORMAÇÃO

POUCO CONTROLADO

ALTAMENTECONTROLADO

TIPO DE PÓ

0,5 – 1.000 µm1,0 µmPARTÍCULAS

NATURALSINTÉTICAMATÉRIA PRIMA

TRADICIONAISAVANÇADASCARACTERÍSTICA

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LIGAÇÕES QUÍMICAS EM CERÂMICAS

ESTRUTURAS EM CERÂMICAS DEPENDEM DO TIPO DE LIGAÇÃO QUÍMICA PREDOMINANTE

ALTAS DUREZAS E ELEVADAS TEMPERATURAS DE FUSÃO RESULTAM DA NATUREZA DESSAS LIGAÇÕES

CERÂMICAS EXIBEM COMBINAÇÃO DE LIGAÇÕES COM CARÁTER IÔNICO E COVALENTE E O TIPO DE ESTRUTURA CRISTALINA DEPENDE DO QUANTIDADE DESSAS LIGAÇÕES

1.605TiO22.500SiC1.900Si3N42.798MgO1.715SiO22.850WC2.050Al2O33.120TiC2.450B4C4.150HfC

TFUSÃO (oC)COMPOSTOTFUSÃO (oC)COMPOSTO

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CARÁTER DA LIGAÇÃO EM CERÂMICAS

FRAÇÃO DO CARÁTER IÔNICO OU COVALENTE DEPENDE DA DIFERENÇA DE ELETRONEGATIVIDADE DOS ÁTOMOS ENVOLVIDOS

CÁLCULO DO % DO CARÁTER IÔNICO É FEITO DE ACORDO COM A EQUAÇÃO DE PAULING:

XA – ELETRONEGATIVIDADE DO ÁTOMO A

XB – ELETRONEGATIVIDADE DO ÁTOMO B

( )%100.e1IÔNICOCARÁTER%

2BXAX41

−=

−−

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CARÁTER DA LIGAÇÃO EM CERÂMICAS

COMPOSTOS CERÂMICOS DE ALTO % DE CARÁTER IÔNICO EXIBEM ESTRUTURA QUE DEPENDE DO TAMANHO RELATIVO DOS ÍONS E DA NECESSIDADE DE BALANÇO ELETROSTÁTICO

COMPOSTOS CERÂMICOS DE ALTO % DE CARÁTER COVALENTE EXIBEM ESTRUTURA QUE DEPENDE DA DIRECIONALIDADE DAS LIGAÇÕES

89110,7Si-CSiC

70301,2Si-NSi3N4

49511,7Si-OSiO2

37632,0Al-OAl2O3

27732,3Mg-OMgO

%COVALENTE

%IÔNICA

∆ELETRONEG.

ÁTOMOCOMPOSTO

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ESTRUTURAS CRISTALINAS DE CERÂMICAS

ESTRUTURAS BASEIAM-SE NAS ESTRUTURAS CRISTALINAS PRINCIPAIS, ONDE A OCUPAÇÃO DAS CÉLULAS É PARCIAL INTERSTÍCIOS

F.E.=0,74F.E.=0,74F.E.=0,68F.E.=0,52

HCCFCCCCCS

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OCUPAÇÃO DE INTERSTÍCIOS

CÁTION DA LIGAÇÃO LOCALIZA-SE NOS INTERSTÍCIOS DO ARRANJO FORMADO PELOS ÂNIONS

ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS É BASEADA NO NÚMERO DE COORDENAÇÃO DE ÍONS INTERSTICIAIS

≥0,732≥0,414≥0,225≥0,155r/R8643N.C

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RAIOS IÔNICOS

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EXERCÍCIO

DETERMINE A RELAÇÃO IDEAL r/R PARA NÚMERO DE COORDENAÇÃO IGUAL A 3

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EXERCÍCIO

DETERMINE A RELAÇÃO r/R PARA NOS COMPOSTOS IÔNICOS CsCl E NaCl

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ESTRUTURA DO CLORETO DE CÉSIO

O CLORETO DE CÉSIO CONSISTE DE ÍONS Cl- OCUPANDO POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CS ENQUANTO O O Cs+ OCUPA O INTERSTICIO CENTRAL. O N.C. DESSA ESTRUTURA É 8

EXEMPLOS: AgMg, LiMg, AlNi

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EXERCÍCIO

DETERMINE A DENSIDADE E FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA O COMPOSTO CsCl

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ESTRUTURA DO SAL-GEMA

SAL-GEMA OU NaCl É A ESTRUTURA MAIS COMUM NAS CERÂMICAS. ESSA ESTRUTURA TEM N.C.=6. OS ÍONS CL- OCUPAM POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC ENQUANTO OS ÍONS Na+ OCUPAM POSIÇÕES INTERSTICIAIS OCTAÉDRICAS

EXEMPLOS: LiF, MnS, MgO

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EXERCÍCIO

DETERMINE A DENSIDADE E FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA O COMPOSTO NaCl

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ESTRUTURA DA BLENDA DE ZINCO

A BLENDA DE ZINCO OU ESFALERITA TEM N.C.=4, ONDE O Zn OU O S OCUPAM POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC ENQUANTO O S OU O Zn OCUPAM INTERSTÍCIOS TETRAÉDRICOS

DE ACORDO COM A EQUAÇÃO DE PAULING, A LIGAÇÃO Zn-S TEM 87% DE CARÁTER COVALENTE

EXEMPLOS: CdS, InAs, InSb, SiC

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EXERCÍCIO

DETERMINE A ESTRUTURA DO FeO

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EXERCÍCIO

DETERMINE A DENSIDADE DO SULFETO DE ZINCO. ASSUMA QUE SUA ESTRUTURA CONSISTE DE ÍONS, ONDE O RAIO IÔNICO DO Zn2+ É 0,060 nm E DO S2- É 0,174 nm

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ESTRUTURA DA FLUORITA

FLUORITA TEM FÓRMULA CaF2 COM ESTRUTURA FORMADA PELO POSICIONAMENTO DOS ÍONS Ca2+ NAS POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC E OS ÍONS F- NOS 8 INTERSTÍCIOS TETRAÉDRICOS

APLICAÇÃO: O UO2 TEM ESTRUTURA DA FLUORITA E É USADO COMO COMBUSTÍVEL NUCLEAR

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EXERCÍCIO

DETERMINE A DENSIDADE DO UO2., QUE TEM A ESTRUTURA DA FLUORITA, ONDE O RAIO IÔNICO DO U4+ É 0,105 nm E DO O2- É 0,132 nm.

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ESTRUTURA DA PEROVSKITA

A PEROVSKITA CONSISTE DO COMPOSTO CaTiO3 ONDE o íon Ca2+ E O O2- FORMAM UMA CÉLULA CFC (Ca2+ NOS VÉRTICES E O2- NAS FACES) O ÍON Ti4+ SE POSICIONA NO INTERSTÍCIO OCTAÉDRICO NO CENTRO DA CÉLULA.

APLICAÇÃO: MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

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ESTRUTURA DO CORUNDUM

O CORUNDUM OU ALUMINA, Al2O3, EXIBE ESTRUTURA ONDE O OXIGÊNIO (O2-)LOCALIZA-SE NAS POSIÇÕES DE UMA CÉLULA HC. EM ALGUNS DOS INTERSTÍCIOS OCTAÉDRICOS DESSA CÉLULA SÃO OCUPADOS PELO ALUMÍNIO (Al3+)

APLICAÇÃO: MATERIAL REFRATÁRIO

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ESTRUTURA DO ESPINÉLIO

DIVERSOS ÓXIDOS EXIBEM ESTRUTURA DO ESPINÉLIO OU MgAl2O4 COM FÓRMULA GERAL AB2O4, ONDE A É UM ÍON METÁLICO COM VALÊNCIA +2, B É UM ÍON METÁLICO DE VALÊNCIA +3.

APLICAÇÕES: MATERIAIS MAGNÉTICOS NÃO-METÁLICOS

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ESTRUTURA DO ESPINÉLIO

LiMn2O4

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ESTRUTURA DO GRAFITE

O GRAFITE É UMA VARIAÇÃO POLIMÓRFICA DO CARBONO E NÃO É UM COMPOSTO DE UM METAL E UM NÃO-METAL. APESAR DISSO ESSE MATERIAL É ALGUMAS VEZES CONSIDERADO COMO UMA CERÂMICA.

APLICAÇÕES: ESTRUTURA EM CAMADAS PERMITE SEU USO COMO LUBRIFICANTE