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Estrutura e Propriedades dos Materiais
CERÂMICAS
Materiais Cerâmicos
As Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
DEFINIÇÃO
Materiais Cerâmicos
Cerâmica vem da palavra grega keramus que
significa coisa queimada
Numa definição simplificada, materiais
cerâmicos são compostos de elementos
metálicos e não metálicos, com exceção do
carbono. Podem ser simples ou complexos.
Exemplos: SiO2( sílica), Al2O3 (alumina) ,
Mg3Si4O10(OH)2 (talco)
Estrutura e Propriedades dos Materiais
CLASSIFICAÇÃO
Materiais Cerâmicos
Figura 1: Materiais cerâmicos: um dos três grandes grupos de materiais utilizados em engenharia.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
CLASSIFICAÇÃO
Materiais Cerâmicos
Convencionais
Estruturais
Vidros
Louças
Cimentos
Avançadas
Eletrônicos
Ópticos
Biomateriais
Estrutura e Propriedades dos Materiais
CARACTERÍSTICAS GERAIS
Materiais Cerâmicos
Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços.
Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e
polímeros.
São menos densas que a maioria dos metais e suas
ligas.
Os materiais usados na produção das cerâmicas são
abundantes e mais baratos.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES TÉRMICAS
Materiais Cerâmicos
As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:
capacidade calorífica ( )
coeficiente de expansão térmica ( )
condutividade térmica
átomos
Ligação Química
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES TÉRMICAS
Materiais Cerâmicos
Material
Capacidade
calorífica (J/Kg.K)
Coeficiente linear de expansão térmica ((°C)-1x10-6)
Condutividade térmica (W/m.K)
Alumínio
900
23,6
247
Cobre
386
16,5
398
Alumina (Al2O3)
775
8,8
30,1
Sílica fundida (SiO2)
740
0,5
2,0
Vidro de cal de soda
840
9,0
1,7
Polietileno
2100
60-220
0,38
Poliestireno
1360
50-85
0,13
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES TÉRMICAS -Aplicação
Materiais Cerâmicos
Uma interessante aplicação, que leva em conta as propriedades térmicas das cerâmicas, é o seu uso na indústria aeroespacial.
Temperatura °C * Temperaturas de subida
Revestimento exterior
com fibra amorfas de
sílica de alta pureza.
Espessura: 1,27-8,89cm
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES ÓTICAS
Materiais Cerâmicos
Descreve a maneira com que um material se comporta quando exposto a luz. Assim, um material pode ser:
Transparente
Translúcido
Opaco
Dois mecanismos importantes da interação da luz com a partícula em um sólido são:
Polarização
Transição de elétrons entre diferentes níveis de
energia.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES ÓTICAS
Materiais Cerâmicos
Polarização Distorção de uma nuvem de elétrons de um átomo por um campo elétrico.
Alinhamento de dipolos.
Absorção de energia (deformação elástica),
resultando em aquecimento
Propagação de ondas eletromagnéticas
(radiação eletromagnética)
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES ÓTICAS
Materiais Cerâmicos
Fotocondutividade Responsável pelas cores que observamos nos materiais
Banda de valência
Banda de condução
Luz visível Faixa de energia 1,8 a 3,1eV
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES ÓTICAS –Aplicação
Materiais Cerâmicos
Transparência – Janelas, lentes, artigos de
laboratório etc.
Conversão de luz em eletricidade – Laser,
eletrônica (LED’s).
Luminescência – Lâmpadas elétricas e telas de TV.
Reflexão – Fibras óticas (telefonia, TV a cabo etc).
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Materiais Cerâmicos
Descreve a maneira como um material responde a
aplicação de força, carga e impacto.
Os materiais cerâmicos são:
Duros
Resistentes ao desgaste
Resistentes à corrosão
Frágeis (não sofrem deformação plástica)
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES MECÂNICAS –Aplicação
Materiais Cerâmicos
Componentes de motores de automóveis.
Ferramentas de corte.
Blindagem de veículos militares.
Estruturas de aeronaves.
Construções civis.
Abrasivos para polimentos.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Materiais Cerâmicos
As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser:
isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2)
semicondutores: SiC, B4C
supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROCESSAMENTO
Materiais Cerâmicos
O processamento de materiais cerâmicos à base de argila é feito a partir da compactação de pós ou partículas e aquecimento à temperaturas apropriadas.
Principais etapas:
Preparação da matéria-prima Tamanho e pureza controlados
Moldagem (conformação) Hidroplástica ou fundição por suspensão
Secagem Eliminação de água ou ligantes
Sinterização Tratamento térmico
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROCESSAMENTO DE VIDROS
Materiais Cerâmicos
Aquecimento das matérias-primas
Conformação
Prensagem Fabricação de peças com paredes
espessas Insuflação Pressão através da injeção de ar
Estiramento Conformação de lâminas, tubos, fibras etc.
Tratamento térmico
Recozimento
Têmpera de vidro
Estrutura e Propriedades dos Materiais
OUTROS PROCESSAMENTOS
Materiais Cerâmicos
Prensagem do pó
Fabricação de argilosos, não-
argilosos. Cerâmicas eletrônicas.
Cerâmicas magnéticas.
Compactação através de pressão.
Grau de compactação X espaço
vazio (partículas)
Fundição em fita
Produção de substratos para circuito integrados
e capacitores. Lâminas delgadas são produzidas através de
fundição.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROCESSAMENTO - Prensagem do pó
Materiais Cerâmicos
Três procedimentos básicos
Uniaxial
Compactação do pó em molde metálico. Pressão aplicada em uma única direção
Isostático
Material pulverizado contido
em envelope de borracha.
Pressão feita por fluido aplicado
isostaticamente.
Prensagem a quente
Conformação e sinterização ao mesmo tempo. Temperatura e
pressão uniaxial.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
PROCESSAMENTO – Fundição em fita
Materiais Cerâmicos
A mistura passa por uma lâmina, a qual regula a espessura do filme, sendo derramada numa esteira rolante. O filme é seco em um forno e as lâminas são posteriormente separadas.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Exemplos de aplicações das cerâmicas
Materiais Cerâmicos
Função eletro-eletrônica
Isolante elétrico Al2O3, BeO, SiC substrato
semicondutor SnO2, ZnO, Bi2O3 Sensores de gás
Condutividade elétrica SiC, MoSi2 Gerador de calor
Função térmica
Refratariedade Al2O3, SiC Fornos refratários
Isolamento térmico K2O, SiC, CaO Isolantes térmicos
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Exemplos de aplicações das cerâmicas
Materiais Cerâmicos
Função mecânica
Resistência ao desgaste Al2O3, ZrO2 Polimento e moagem
Usinabilidade Ferramentas de corte
Lubrificação MoSi2 Lubrificante sólido
Função óptica
Transparência Al2O3 Lâmpada de sódio
Condutividade SiO2 Fibra ótica
Al2O3, ZrO2, TiC, WC
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Exemplo fotocondução
Materiais Cerâmicos
Sistema para transmissão de informações, envolvendo um laser para gerar fótons de um sinal elétrico, fibras óticas para transmissão do feixe de fótons e um LED para a conversão dos fótons em sinal elétrico.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Exemplo funcionamento laser
Materiais Cerâmicos
Exemplo de laser de estado sólido bombeado oticamente.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Exemplo célula solar
Materiais Cerâmicos
Exemplo de funcionamento de uma célula solar.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Exemplos propriedades mecânicas
Materiais Cerâmicos
Pistões e camisas
Peças automotivas
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Exemplos propriedades mecânicas
Materiais Cerâmicos
Lixas para polimento
Construção civil
Ferramentas de corte
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Conformação de cerâmicos
Materiais Cerâmicos
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Sinterização de cerâmicos
Materiais Cerâmicos
As partículas se ligam através de
pontos de contato. Grande números
de poros.
Formação de pescoço entre as partículas, o que
torna a peça mais densa.
Final: poros arredondados
com menor espaço entre
eles.
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Conformação de Vidros
Materiais Cerâmicos
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Conformação de Vidros
Materiais Cerâmicos
Estrutura e Propriedades dos Materiais
Têmpera de Vidros
Materiais Cerâmicos
A finalidade da têmpera é estabelecer tensões elevadas de compressão nas zonas superficiais do vidro, e correspondentes altas tensões de tração no centro do mesmo. O vidro é colocado no forno, submetido a uma temperatura de aproximadamente 6000 C até atingir seu ponto ideal. Neste momento, recebe um resfriamento brusco, o que vai gera o estado de tensão citado.