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Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
INTRODUÇÃO AOS
MATERIAIS CERÂMICOS
PPGEM - EE - UFRGS
CAPÍTULO 3 -
PROPRIEDADES E
ESTRUTURA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3.1 INTRODUÇÃO
3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS
3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3.3.1 Porosidade
3.3.2 Densidade
3.3.3 Permeabilidade dos gases
3.3.4 Capacidade Térmica
3.3.5 Expansão térmica
3.3.6 Condutividade térmica
3.3.7 Mecanismos de condução e bandas de energia
3.3.8 Condutividade elétrica dos materiais iônicos
3.3.9 Condutividade elétrica dos materiais covalentes
3.3.10 Semicondutores – condutividade eletrônica
3.3.11 Supercondutividade elétrtica
3.3.12 Comportamento dielétrico
3.3.13 Diamagnetismo
3.3.14 Paramagnetismo
3.3.15 Ferrimagnetismo
3.3.16 Antiferromagnetismo
3.3.17 Magnetos macios e duros
3.3.18 Propriedades ópticas dos materiais cerâmicos
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Segundo a intercomunicação dos
poros estão presentes porosidade
fechada e porosidade aparente ou aberta.
Determina outras propriedades, como
corrosão química e ao choque térmico.
Pode servir como parâmetro de
controle de qualidade na fabricação e no
produto final.
Depende do método da fabricação,
processo de moagem e seleção de frações
granulométricas.
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.1 POROSIDADE
A - Tipos de porosidades:
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.1 POROSIDADE
POROS FECHADOS (MEV)
Distribuição de porosidades em matriz vítrea
Distribuição de porosidades em
vidrado cerâmico
POROS ABERTO (MEV)
Distribuição de porosidades
abertas em porcelana
tradicional
A - Tipos de porosidades:
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Condutividade térmica:
Considera-se a porosidade uma
segunda fase dispersa no material.
A condutividade térmica de um
isolante diminui com o aumento da
porosidade.
ar
c
ar
c
ar
c
ar
c
m
kk
kK
P
kk
kK
P
k
21
11
21
121
B - Influencia:
onde: Km -condutividade térmica média
Kc - condutividade térmica da fase contínua
Kp - condutividade térmica da fase porosa
P - fração de poros
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.1 POROSIDADE
Distribuição de
porosidades em
isolante térmico de
cinza de casca de
arroz. (A) Extrudado,
(B) Prensado.
A B
kTOTAL = kf +ke
kf = condutividade térmica devida aos fônons
ke = condutividade térmica devida aos elétrons
CERÂMICOS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Expansão térmica:
Depende da composição química,
quantidade de fases amorfas e
cristalinas, anisotropia, orientação de
grãos e formação de trincas.
Considera-se a dilatação dos
poros como se fossem formados
pelo material da matriz.
B - Não Influencia:
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.1 POROSIDADE
esmalte
engobe
suporte
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Propriedades mecânicas:
Os poros fechados tem influência no módulo de elasticidade (E) e na resistência
mecânica à fratura (T).PbeEE .
0.
Pb
Te .
0.
onde: Eo - E do material sem poroso- do material sem poros,b - constante empírica (depende da geometria e distribuição dos tamanhos dos poros.
Relação de E com porosidade
E=E0(1-1,9P+0,9P2)
Efeito da porosidade em uma alumina
B - Influencia:
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.1 POROSIDADE
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real aparente sólida
picnômetro Porosidade aparente Volume
(Princípio de Arquimedes) aparente do sólido
(geométrico)
- princípio de Arquimedes
- relação peso seco e úmido
C – Métodos para medição de porosidade:
D - Absorção de água:
ab
c
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.1 POROSIDADE
100*iu
suap
PP
PPP
Pu = Peso úmido
Ps = Peso seco
Pi = Peso imerso
Está ligada a
porosidade aberta
do material 100*
s
su
P
PPAA
Pu = Peso úmido
Ps = Peso seco
Pi = Peso imerso
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real aparente geométrica
picnômetro Densidade aparente Relaciona massa e volume
(Princípio de Arquimedes) aparente do sólido
Métodos para medição da densidade:
ab
c
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.2 DENSIDADE
100*iu
suap
PP
PPd
Pu = Peso úmido
Ps = Peso seco
Pi = Peso imerso
real
realV
md
geométrica
geométricaV
md
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3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.3 PERMEABILIDADE DOS GASES
Depende da quantidade de poros abertos.
Importante, por exemplo na produção de coque e gás combustível, onde os refratários
devem ser estanques para impedir a perda de gás através do revestimento.
Materiais permeáveis têm importância na distribuição uniforme das temperaturas nas
paredes do forno.
onde: K - permeabilidade,
- viscosidade do fluido
V - volume de gás
h - espessura do meio
d - diâmetro do cilindro onde o gás escoa
t - tempo em que o gás escoa
p - queda de pressão
tpd
Vhk
2
4
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3.3.4 Capacidade térmica
3.3.5 Expansão térmica
3.3.6 Condutividade térmica
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
COMPORTAMENTO TÉRMICO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Propriedades térmicas resposta ou reação de um material à
aplicação do calor
Sólido absorve calor sua temperatura aumenta
sua energia interna aumenta
Dois principais tipos de energia térmica em um sólido:
energia vibracional dos átomos ao redor de suas
posições de equilíbrio
energia cinética dos elétrons livres
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
COMPORTAMENTO TÉRMICO
EM CERÂMICOS
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Propriedade que indica a aptidão do material em absorver calor do meio externo
C = capacidade térmica (J/molK, cal/molK)
dQ = energia necessária para produzir uma mudança dT de temperatura
E é a energia interna H é a entalpia
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.2.4 CAPACIDADE TÉRMICA
dT
dQC
quantidade de energia necessária para aumentar a
temperatura de um corpo em uma unidade
Calor específico: capacidade térmica por unidade de massa.
Determinado mantendo-se o volume do material constante (Cv)
a pressão externa constante (Cp)
V
VdT
dEC
P
PdT
dHC
Energia interna x Entalpia: H = E + PV
CP > CV para os sólidos a entalpia e a energia interna são muito similares
Sólidos: assimilação de energia aumento da energia vibracional dos átomos
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Capacidade térmica depende da temperatura?
Experimentos de Einstein e Debye:
O calor específico aumenta até uma certa temperatura
(temperatura de Debye =D) e após torna-se constante.
3R 6cal/molK
Não há correlação entre D e o PF dos materiais
Capacidade térmica depende pouco da estrutura e da microestrutura do
material
Porosidade influência prática
Cerâmica porosa exige uma menor quantidade de calor para
atingir uma determinada temperatura, que uma cerâmica
isenta de poros.
Variação da capacidade térmica com a
temperatura para vários materiais
cerâmicos policristalinos.
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.4 CAPACIDADE TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Drenagem térmica= (.Cp.K)0,5
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.4 CAPACIDADE TÉRMICA
T1-Tm
T2-Tm =
(2.Cp2.K2)0,5
(1.Cp1.K1)0,5
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Sólidos aumento de dimensões durante o aquecimento e
contração no resfriamento, se não ocorrer transformações de
fases
L = lf - li
li (Tf-Ti)
li = comprimento iniciallf = comprimento finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final
Coeficiente de dilatação térmica volumétrica
V = Vf - Vi
Vi (Tf-Ti)
Vi = volume inicialVf = volume finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final
MATERIAIS
ISOTRÓPICOS:
V3L
Coeficiente de dilatação térmica linear
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.5 EXPANSÃO TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Variação da expansão térmica com o
aumento da temperatura de alguns
materiais.
Variação da expansão térmica com o
aumento da temperatura para o
silício.
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.5 EXPANSÃO TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Correlação entre e a energia de ligação (EL)
Materiais com ligações químicas fortes apresentam
Ex.: cerâmicos e metais com elevado PF (Mo, W)
Correlação entre e o PF de alguns materiais
Muitos materiais cristalinos apresentam anisotropia quanto a dilatação térmica, como alumina, titânia, quartzo.Exemplo extremo: grafita é 27 vezes mais baixo no plano basal que na direção ╨ a ele
Dilatação térmica dos sólidos tem origem na variação assimétrica da EL ou FL com a distância interatômica.
Aquecimento: átomos aumentam a freqüência e
amplitude de vibração, e como Fr > Fa, a
distância média entre os átomos aumenta
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.5 EXPANSÃO TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Correlação entre e a energia de ligação (EL)
(a) EL x a: aumento na separação interatômica com o aumento da temperatura. Com o
aquecimento, a separação interatômica aumenta de r0 para r1, para r2. (b) Para uma curva
hipotética de EL x a: simetria.
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.5 EXPANSÃO TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.5 EXPANSÃO TÉRMICAMateriais refratários retraem ou expandem em presença de temperatura.
Influenciam a estabilidade volumétrica:- inversões cristalográficas;- reações físico-químicas;- sinterização.
Expansões geram tensões térmicas que podem causar deformações e ruptura do corpo.
O coeficiente de dilatação térmica indica a trabalhabilidade do produto em presença de temperatura.
Tijolo refratário
eletrofundido
ZrO2 com diferentes
estabilizadores
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.5 EXPANSÃO TÉRMICA
ZrO2
- transformação cristalográfica:
Monoclínica tetragonal - aumento de volume (~7%)
(Tambiente) (1000ºC) - modificação reversível
- ZrO2 + MgO, CaO ou outros:
formação de solução T acima de cúbica aumento
sólida junto com ZrO2 2350ºC irreversível de volume (~6%)
Matérias-primas:
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
• Materiais cerâmicos são maus condutores de calor• O valor de k dos cerâmicos é cerca de 1/5 da dos metais• Propriedade anisotrópica, principalmente para os prensados
• Condutividade térmica é a habilidade de um material para transferir calor.
onde:
q: fluxo de calor (W)
Q: calor transmitido (J)
t: tempo de transmissão de calor (s)
k: condutividade térmica (W/mK)
A: área perpendicular ao fluxo (m2)
T: temperatura (K)
x: comprimento na direção do fluxo (m)
xT
Qk x
Calor é transportado nos sólidos de
duas maneiras: por fônons e pela
movimentação de e- livres
Analogia: elétrons ou fônons livres
como partículas de um gás. A
condutividade térmica é diretamente
proporcional ao número de elétrons
livres ou de fônons (n); velocidade
média das partículas (v); ao calor
específico (cv) e à distância média entre
colisões (l):
k ∞ n . v . Cv . l
kTOTAL = kf +ke
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
dx
dTkA
dT
dQq
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
kTOTAL = kf +ke
kf = condutividade térmica devida aos fônons
ke = condutividade térmica devida aos elétrons
Baixas temperaturas transmissão térmica por fônons condução (< 800°C)
Altas temperaturas transmissão térmica por fótons radiação (> 800°C)
Em cerâmicos:
ke << kf fônons são facilmente espalhados pelos defeitos cristalinos, o
transporte de calor é menos eficiente que nos metais
Alguns cristais não metálicos puros e de baixa densidade apresentam em algumas faixas de
temperatura k metais: Diamante melhor condutor que Ag de Tamb a 30K
Safira condutor térmico entre 90 a 25K
Compostos cerâmicos:
(BeO, SiC, B4C) pesos atômicos semelhantes k relativamente alto
(UO2, ThO2) pesos atômicos diferentes k cerca de 10x menor
(menor interferência na propagação quando átomos com semelhantes pesos atômicos)
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
- composição;
- condições de queima;
- quantidade e tipo de porosidade;
- quantidade e tipo de fases;
- forma e orientação de grãos;
onde:
k: condutividade térmica
v: volume da fase
Q: kc/kp
P: quantidade de poros
K=v1k1+v2k2+...
1/k=v1/k1+v2/k2+... k= 1+2P(1-Q/2Q+1)
ks 1-P(1-Q/2Q+1)
Efeito da microestrutura
Íons em solução sólida
diminuem acentuadamente k
Fases amorfas são piores
condutoras que cristalinas de
igual composição química
Poros diminuem a
condutividade térmica de
cerâmicos
kP = k 1-P
1 - 0,5P
Simplificadamente
kP = condutividade térmica do material com poros
P = fração volumétrica de poros
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Efeito da microestrutura
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
AUMENTO DA T
-Aumento da fase
amorfa (vítrea);
-Aumento da
porosidade fechada;
-Dimunuição da
porosidade aberta;
INTRODUÇÃO DE OUTRAS MP
-Formação de novas fases;
-Formação de maior quantidade
de poros fechados,
950ºC 1000ºC
Argila vermelha (AV)
AV + Fundente + resíduo AV + Fundente + resíduo
Argila vermelha (AV)
CADA PRODUTO OBTIDO
APRESENTA DIFERENTE
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
AUMENTO DA T
-Aumento da fase
amorfa (vítrea);
-Aumento da
porosidade fechada;
-Dimunuição da
porosidade aberta;
INTRODUÇÃO DE OUTRAS MP
-Formação de novas fases;
-Formação de maior quantidade
de poros fechados,
CADA PRODUTO OBTIDO
APRESENTA DIFERENTE
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Diferenças de condutividade térmica com a
temperatura não são tão acentuadas quanto na
condutividade elétrica.
Materiais cerâmicos densos sem poros
k ↓ com ↑ T
Ex.: BeO, MgO e Al2O3
Explicação: k ∞ n . v . Cv . l
Outros cerâmicos como: ZrO2 estabilizada e
densa, sílica fundida e materiais refratários com
poros k ↓ com ↑ T
Explicação: k ∞ n . v . Cv . l
Efeito da temperatura
Efeito da temperatura na condutividade térmica
de vários materiais
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Temperatura°C
Con
dutiv
idad
e té
rmic
a W
.mm
2 .K
-1
Efeito da temperatura
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Exemplo de
curvas de
condutividade
térmica
1. Tijolo isolante sílico-aluminoso2. ZrO23.Chamotta5. Forsterita6. Cromita8. Magnésia-cromo9. Silicato de zircônio10. Al2O3 99%11.Carbono pirolítico12. SiC13. Magnésia14. SiC 6015. SiC 9016. Grafite17. Ferro metálico
Efeito da temperatura
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
• Materiais Refratários: são
materiais de construção que têm que
resistir a altas temperaturas e
manter suas propriedades
mecânicas, físicas e químicas nas
condições de serviço.
• Cerâmicos de Revestimento:
devido a saída e entrada na atmosfera terrestre: fibras de sílica.
Aplicações segundo comportamento térmico
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3.3.7 Mecanismos de condução e bandas de energia
3.3.8 Condutividade elétrica dos materiais iônicos
3.3.9 Condutividade elétrica dos materiais covalentes
3.3.10 Semicondutores – condutividade eletrônica
3.3.11 Supercondutividade
3.3.12 Comportamento dielétrico
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
COMPORTAMENTO ELÉTRICO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Propriedades elétricas servem para distinguir os materiais:
- geral: metal / não-metal
- específico: supercondutor ou não
Compreender as propriedades elétricas
METAIS
TEORIA DE BANDAS CONDUTORES
SEMICONDUTORES
ISOLANTES
Classificação geral dos
materiais segundo
propriedades elétricas
CERÂMICOS
= 1/= n.q.
= condutividade elétrica (ohm-1.cm-1)
= resistividade elétrica (ohm.cm)
n= número de portadores de carga por cm3
q= carga carregada pelo portador (coulombs) [q do
elétron= 1,6x10-19 coulombs]
= mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s)
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
RESUMINDO
Metais: > 104 -1m-1
Semicondutores: 10-3 a 104 -1m-1
Isolantes: <10-3 -1m-1
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA
n e dependem da temperatura
condutores podem ser: ânions
cátions
elétrons
holes
CERÂMICOS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
LÍQUIDOS condutividade iônicaSÓLIDOS principais transportadores de calor são os elétrons
átomo isolado e- em níveis e subníveis de energiacristal níveis de energia se superpõe BANDAS
Origem das bandas de energia devido a aproximação dos átomos
A banda de energia corresponde à um nível de energia de um átomo isolado
- As bandas de energia nemsempre se sobrepõem
- As bandas de energia podem comportar no máximo dois elétrons
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.7 MECANISMOS DE CONDUÇÃO E BANDAS DE ENERGIA
Bandas de energia: banda de valência
banda proibida Eg: energia do gap
- É o espaço entre as bandas de energia
- É o que distingue um semicondutor de um condutor ou isolante
banda de condução
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Tipos característicos de estruturas de bandas de energia em sólidos
Condutor metálico
Banda de condução
parcialmente ocupada
Condutor metálico
Superposição da banda de valência com a banda de condução vazia
Isolante Semicondutor
Metal
monovalenteMetal
bivalente
Apresentam banda proibida
Eg isolante > Eg semicondutor
Cerâmicos
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.7 MECANISMOS DE CONDUÇÃO E BANDAS DE ENERGIA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
SEMICONDUTORES
- banda de valência preenchida e banda de condução vazia
- largura da banda proibida é pequena e pode ser suplantada levando e- à
banda de condução ativação térmica
dopantes
- exemplos de largura de diamante - 6eV
banda proibida: SiC - 3eV
silício - 1,1eV
germânio - 0,7ev
InSb - 0,18eV
estanho cinzento - 0,08eV
Nível de fermi
BANDA
DE
CONDUÇÃO
BANDA
DE
VALÊNCIA
GAP DE ENERGIA
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.7 MECANISMOS DE CONDUÇÃO E BANDAS DE ENERGIA
ISOLANTES
- polímeros
- cerâmicos
- banda proibida é muito larga e difícil de ser suplantada
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA MUITO BAIXA
Nível de fermi
BANDA
DE
CONDUÇÃO
BANDA
DE
VALÊNCIA
GAP DE ENERGIA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
EFEITO DA TEMPERATURA
- semicondutores
- isolantes T aumenta a
condutividade
elétrica
Efeito da condutividade
elétrica em materiais
cerâmicos
O aumento da temperatura fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais.
MgO
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.7 MECANISMOS DE CONDUÇÃO E BANDAS DE ENERGIA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
- resultado das contribuições eletrônica e iônica
- importância de cada contribuição pureza e temperatura
- modelo de bandas é válido, porém o n° de e- na banda de
condução é muito baixo portanto predomina a iônica
- difusão dos íons depende da presença de defeitos pontuais
- condutividade elétrica de sólidos iônicos temperatura
abruptamente na fusãoi = Ne2D/kT = (Ne2/kT) D0exp(-Q/kT)
N - n°de posições iônicas de um mesmo sinal por unidade de volumee - carga do elétronD - difusividadek - constante de BoltzmanT - temperatura em KQ - energia de ativação para a difusão
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.8 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA EM MATERIAIS IÔNICOS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
GRAFITA: comportamento elétrico diferenciado
- plano basal (0001) de condutores metálicos
- na direção c (0001) é 10-5 vezes menor
- condução eletrônica origem na
mobilidade eletrônica da cada anel hexagonal de
átomos de C, ao longo de cada camada
- introdução de átomos estranhos entre as camadas
aumenta o número de transportadores de carga e a
condutividade elétrica
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.9 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA EM MATERIAIS COVALENTES
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
PROPRIEDADES: Tem resistividade entre metais e isolantes
10-6-10-4 .cm 1010-1020 .cm
- A resistividade diminui com o aumento de temperatura (ao contrário dos metais)
- A resistividade diminui com a adição de certas impurezas
- A resistividade aumenta com a presença de imperfeições nos cristais.
EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES
- Silício, Germânio (Grupo IV da Tabela Periódica)
- GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela Periódica)
- PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Periódica)
Observe: 95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com Silício
65% dos dispositivos de semicondutores do grupo III-V são para uso militar
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.10 SEMICONDUTORES – CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Num semicondutor, os elétrons podem ser excitados para a banda de condução por
energia elétrica, térmica ou óptica (fotocondução)
e- excitado banda de condução
buraco ou uma vacância na banda de valência contribui para a corrente
Dois tipos de condução
condução intrínseca semicondutor intrínseco
condução extrínseca semicondutor extrínseco
vai para
deixa
UTILIZAÇÃO: FABRICAÇÃO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E OPTOELETRÔNICOS- Transistor- LEDS- Células solares- Diodos-Circuito integrado
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.10 SEMICONDUTORES – CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros
Um semicondutor pode ser tipo "p" ( condução devido aos buracos)
tipo "n" (condução devidos aos elétrons)
Este tipo de condução se origina devido a presença de uma imperfeição
eletrônica ou devido a presença de impurezas residuais.
CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
CONDUÇÃO INTRÍNSECA
Ex. Si e Ge são emicondutores intrínsecos
Estrutura cristalina: Cúbica do Diamante
Ligações fortes covalentes direcionais
Cada átomo de Si ou Ge contribui com 4e- valência devido a ligação sp3
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.10 SEMICONDUTORES – CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para proporcionar elétrons ou
buracos extras.
Os semicondutores extrínsecos podem ser:
Tipo p: com impurezas que proporcionam ou buracos extras
Tipo n: com impurezas que proporcionam ou buracos extras
Os processos utilizados para dopagem são: difusão
implantação iônica
Deve-se considerar:
Os elétrons tem maior mobilidade que os buracos
A presença de impurezas pode alterar o tamanho do gap de energia do semicondutor
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO)
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.10 SEMICONDUTORES – CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P
Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante buracos extras
Impurezas tipo "p" ou aceitadores proporcionam buracos extra
Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com Boro (valência 3)
BORO É UM DOPANTE TIPO P PARA
O SILÍCIO PORQUE PROPORCIONA
BURACOS EXTRANIVEL DE FERMI
Nível aceitador
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.10 SEMICONDUTORES – CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N
Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante
Impurezas tipo ”n" ou doadores proporcionam elétrons extra
Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com Fósforo (valência 5)
FÓSFORO É UM DOPANTE TIPO N
PARA O SILÍCIO PORQUE
PROPORCIONA ELÉTRONS EXTRANIVEL DE FERMI
Elétrons doadores
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.10 SEMICONDUTORES – CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO)
Exemplos de materiais cerâmicos
semicondutoresextrínsecos tipo n, p e
anfóteros. Tipo n
TiO2 Nb2O5 CdS Cs2Se BaTiO3 Hg2S
V2O5 MnO2 CdSe BaO PbCrO4 ZnF2
U3O8 CdO SnO2 Ta2O5 Fe3O4
ZnO Ag2S Cs2S WO3
Tipo p
Ag2O CoO Cu2O SnS Bi2Te3 MoO2
Cr2O3 SnO Cu2S Sb2S3 Te Hg2O
MnO NiO Pr2O3 CuI Se
Anfótero
Al2O3 SiC PbTe Si Ti2S
Mn3O4 PbS UO2 Ge
Co3O4 PbSe IrO2 Sn
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.10 SEMICONDUTORES – CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
APLICAÇÃO
Dispositivos eletrônicos como transistores,
circuitos integrados, chips, usam a combinação
de semicondutores extrínsecos tipo “p” e tipo “n”
DIODO é um dispositivo que permite a
corrente fluir em um sentido e não em outro. É
construído juntando um semicondutor tipo “n” e
tipo “p”.
JUNÇÃO P-N
- Quando uma voltagem é aplicada como no
esquema (A), os dois tipos de cargas se
moverão em direção à junção onde se
recombinarão. A corrente elétrica irá fluir.
- No esquema (B), a voltagem causará o
movimento de cargas para longe da junção. A
corrente não irá fluir no dispositivo.
(A)
(B)
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.10 SEMICONDUTORES – CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
- ocorre quando a resistividade do material for nula
- temperatura crítica (Tc) resistividade torna-se bruscamente nula
- até 1986 melhores supercondutores Tc < 23 K material deveria ser resfriado em hélio líquido para tornar-se supercondutor
- mais tarde: supercondutores cerâmicos com Tc mais altas:
Y1Ba2Cu3O7-x Tc 100Knitrogênio líquido é suficiente para resfriar
- supercondutividade desaparece: acima da Tc
campo magnéticocorrente elétrica
PARÂMETROS QUE DEFINEM UM
SUPERCONDUTOR
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.11 SUPERCONDUTIVIDADE ELÉTRICA
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.11 SUPERCONDUTIVIDADE ELÉTRICA
Levitação magnética de supercondutores
Se um pequeno campo magnético atua próximo a um supercondutor este será repelido devido a
supercorrentes induzidas e poderá produzir imagens espelho em cada polo. Se um magneto
permanente for colocado embaixo de um supercondutor, este poderá levitardevido a força
repulsiva. A cerâmica mostrada na figura é um supercondutor de ytrio.
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
APLICAÇÕES
Levitação magnética: transporte de veículos, assim como trens através de flutuação sobre supercondutores magnéticos, eliminando: vibrações e fricção.
Ex.: SCM of the Yamanashi Maglev Test Line
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.11 SUPERCONDUTIVIDADE ELÉTRICA
O SCM (Supercondutor magnético) é o elemento chave do
supercondutor Maglev. Dois SMCs são montados sobre cada
módulo. Cada SMC consiste de 4 SC espiral. A unidade cilíndrica
é um tanque de nitrogênio e hélio liquefeitos. A unidade bottom é
o SC alternando a geração de polos S e N.
Tecnologia biomagnética: desenvolvimento de SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) usado em Magnetoencefalografia. Com esta tecnologia o corpo pode ser irradiado com certa profundidade sem a necessidade de associar campos magnéticos fortes.
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
- MATERIAL DIELÉTRICO: material isolante que apresenta em nível atômico ou molecular
regiões carregadas positivamente separadas de regiões carregadas negativamente
- RIGIDEZ DIELÉTRICA: tensão máxima que o material pode suportar antes de perder as
características de ser isolante para vidros, polímeros e cerâmicos 10 a 40 V/mm
Constante dielétrica:
Capacitor constituído de duas placas metálicas paralelas separadas por uma distância
"d" e de área "A".
capacitância medida da habilidade de armazenar uma carga elétrica.
adição de um dielétrico aumenta a capacitância
por um fator , proporcionalmente.
Propriedades Básicas dos Materiais Dielétricos
C = k A : constante dielétricad e: permeabilidade do
meio
Materiais cerâmicos são empregados como dielétricos em capacitores. Utiliza-se principalmente
o titanato de bário com outros aditivos (ex: BaTiO3 + baixo % CaTiO3 ou CaTiO3 + BaZrO3, apresenta
= 6500).
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.12 COMPORTAMENTO DIELÉTRICO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
FERROELÉTRICOS
- não têm um centro de simetria formam um momento dipolar
- polarização permanente
- utilizados como transdutores eletro-mecânicos.
Ex: transdutor de
limpeza ultra-sônica,
transdutor de ondas
sonoras de baixo de
água.
Materias: BaTiO3,
PbZrO3, PbTiO3
Estrutura do BaTiO3. (a) Acima de 120ºC é cúbica. (b) Abaixo de 120ºC é levemente tetragonal,
apresentando um momento dipolar elétrico.
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.12 COMPORTAMENTO DIELÉTRICO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
- materiais dielétricos onde a polarização pode ser induzida pela
aplicação de forças
Esquema dos dipolos elétricos em um material piezoelétrico.
(a) Material em condições normais. (b) Tensão compressiva causa uma ddp.
(c) A aplicação de uma voltagem causa uma diferença dimensional.
PIEZOELÉTRICOS
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.12 COMPORTAMENTO DIELÉTRICO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3.3.13 Diamagnetismo
3.3.14 Paramagnetismo
3.3.15 Ferrimagnetismo
3.3.16 Antiferromagnetismo
3.3.17 Magnetos macios e duros
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Exemplos: ferritas, magnetitas
Vantagem deste tipo de material: armazenar muita informação em pouco espaço
Átomos podem ou não apresentar momento magnético
Propriedades magnéticas são determinadas pela estrutura: eletrônica, cristalina, microestrutura
Materiais tendem a diferir sua resposta quando em presença de um campo magnético
Efeitos magnéticos são originados em correntes elétricas muito pequenas associadas a elétrons em
órbitas atômicas ou a spins de elétrons
As propriedades magnéticas de um material podem ser medidas por diferentes parâmetros
Ex.: permeabilidade magnética relativa
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICASCOMPORTAMENTO MAGNÉTICO
r =
0
e r medem a facilidade com que um campo
magnético B pode ser introduzido em um material
sob a ação de um campo externo H
Ex.: suscetibilidade magnética relativa (m)
m = r - 1
Permeabilidade magnética relativa (r) de alguns materiais
DIFERENTES ESTRUTURAS
CRISTALINAS E MICROESTRUTURAS
GERAM DIFERENTES INTENSIDADES
DE MAGNETIZAÇÃO
Fe “puro” (0,1% impurezas) 0,5 . 103
Aço silício (4,25% Si) 1,5 . 103
Aço silício (3,25% Si) com grão orientados (textura) 2,0 . 103
Supermalloy (79%Ni; 16%Fe; 5%Mo) 1,0 . 104
Ferrita cerâmica (Mn, Zn)Fe2O4 1,5 . 103
Ferrita cerâmica (Ni, Zn)Fe2O4 0,3 . 103
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
-Comportamento diamagnético ocorre quando o átomo (sem um momento magnético) aceita um
alinhamento no campo magnético, sendo a magnitude muito pequena ede direção oposta ao do
campo aplicado
-Forma muito fraca de magnetismo: persiste enquanto um campo magnético externo for aplicado: ausência de campo externo momento magnético nulo-Todos materiais são diamagnéticos muito fracos: observa-se quando não há outro tipo demagnetismo. Ocorre na maioria dos átomos dos materiais cerâmicos-Susceptibilidade de materiais diamagnéticos(m): -10-6 a -10-5 (não varia com a T)
Configuração de dipolos de um material diamagnéticos. (a) na ausência de um campo externo. (b) na presença de um campo externo.
Al2O3 -1,81 . 10-5
Cobre -0,96 . 10-5
Ouro -3,44 . 10-5
Silício -0,41 . 10-5
NaCl -1,41 . 10-5
- Susceptibilidade magnética (m) de diamagnéticos é negativa
- Diamagnéticos não apresentam Tc
- Supercondutores tem comportamento diamagnético
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.13 DIAMAGNETISMO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
- Átomos individuais possuem momentos magnéticos:orientações ao acaso magnetização nula para
um grupo de átomos
Dipolos podem
ser alinhados
na direção do
campo aplicado
Configuração de dipolos em
um material paramagnético:
a) na ausência de campo
externo; b) com campo
externo aplicado
- Paramagnetismo: forma muito fraca de magnetismo sem aplicação prática
- observado: metais (ex.: Cr, Mn), gases diatômicos (O2 e NO), íons de metais
de transição, terras raras, seus sais e óxidos.
- Susceptibilidade magnética: 10-5 a 10-3 (positiva e diminui com a temperatura)
m = K
TK= constante
T = temperatura
- Paramagnéticos não apresentam Tc
Representação
esquemática dos
momentos
magnéticos de um
material
paramagnético.
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.14 PARAMAGNETISMO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Configuração
dos momentos
magnéticos na
ferrita
Ferrimagnetismo ocorre em alguns materiais cerâmicos que apresentam forte magnetização
permanente ferritas (fórmula geral: MFe2O4, e M é um elemento metálico)
• Protótipo das ferritas: Fe3O4 = Fe++O- -(Fe+++)2(O- -)3
- Momentos
magnéticos dos 2
tipos de íons não se
cancelam totalmente e
o material apresenta
magnetismo
permanente
cátion Fe++ interstícios octaédricos (4)
cátion Fe+++ interstícios octaédricos (5)
cátion Fe+++ interstícios tetraédricos (5)
ânion O- - magneticamente neutro
MAGNETITA
- Temperatura crítica
- Susceptibilidade magnética (m)
diminui com o aumento da
temperatura (T)
m K
T±
K = constante
T = temperatura
é diferente de c
Ex: Fe, Ni, Mn, Co, Cu, e Mg
NiFe2O4, (Mn, Mg)Fe2O4
Estrutura cristalina típica da ferrita
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.15 FERRIMAGNETISMO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
- Protótipo deste caso é o MnO material cerâmico, com caráter iônico e
estrutura cristalina CFC tipo NaCl
- momento magnético O- - é zero
- momento magnético M++ é permanente num arranjo
que forma momentos opostos ou antiparalelo
Diagrama esquemático mostrando a
configuração de momentos magnéticos no MnO- O material como todo não apresenta momento magnético
- Alguns compostos de metais de transição apresentam este comportamento: MnO, CoO,
NiO, Cr2O3, MnS, MnSe e CuCl2
- Temperatura crítica temperatura de Néel (n)
- Susceptibilidade magnética (m) da ordem dos
materiais paramagnéticos e diminui com o aumento
da temperatura (T)
m C
T±
C = constante
T = temperatura
é diferente de n
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.16 ANTIFERROMAGNETISMO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Dependência da temperatura na susceptibilidade magnética (a) paramagnético, (b) ferromagnético
(mostrando a transição para paramagnético), (c) antiferromagnético (mostrando a transição para
paramagnético).
a b c
(cerâmicos)
(cerâmicos)(cerâmicos)
(metais)
(metais)
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
RESUMINDO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
CURVA DE MAGNETIZAÇÃO
OU DE HISTERESE
Indução residual (Br) - indução
magnética conservada no corpo
magnetizado, depois de anulada
a intensidade do campo. (Gauss)
Força coercitiva (Hc)- intensidade
de campo aplicado para
desmagnetizar. (Oersted)
1 - Curva histerética
2 - Curva original
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.17 MAGNETOS MACIOS E DUROS
CURVA HISTERÉTICA PARA LIGAS MAGÉTICAS
DURAS E MACIAS
MAGNÉTICOS MACIOS MAGNÉTICOS DUROS
- Ligas magnéticas
macias fácil de
magnetizar e
desmagnetizar
- Ligas magnéticas
duras permanece
magnético ou é um
magneto permanente
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
MATERIAL MAGNETO MOLE: Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e
baixo Br. A área do ciclo de histerese e a perda de energia por ciclo são pequenas. Opera na
presença de um campo magnético.
- São ligas organizadas.
- São empregadas como ligas a serem submetidas à magnetização alternada (núcleos de
transformadores) Ex.: geradores, motores elétricos e transformadores (para estas aplicações é
necessário materiais magnéticos moles, de baixa remanência, como: Fe puro, aço ao silício,
supermalloy e ferritas cúbicas do tipo espinélio).
EFEITO DA TEMPERATURA:
As características de um ferromagnético (material
magnético mole) variam com a T
T energia térmica mobilidade das paredes
de Bloch dos domínios
magnéticosParedes de Bloch: fronteira entre domínios vizinhos, região de transição, espessura
100 nm, onde a direção de magnetização muda gradualmente, é um defeito bidimensional
MAGNETIZAÇÃO E DESMAGNETIZAÇÃO: São facilitadas: T > C
comportamento ferromagnético desaparece
Efeitos da T (a) ciclo de histerese, (b)
magnetização de saturação.
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.17 MAGNETOS MACIOS E DUROS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
é magnetizado durante a fabricação e deve reter o magnetismo
após a retirada do campo magnético.
Se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto Br
Importante: resistência a desmagnetização (área BH é
maximizada)
Apresenta um ciclo de histerese grande.
São ligas endurecidas com estruturas
desequilibradas, dispersas
São utilizadas na fabricação de imãs permanentes
Aplicações: refrigeradores e fones de ouvido,
utilizando- se: ferritas cerâmicas, SmCo5, Sm2Co17 e
NdFeB
Magnetos duros são constituídos de ferromagnéticos,
e algumas ferritas hexagonais
MATERIAL MAGNETO DURO:
Aumento da eficiência (energia
magnética máxima) dos
magnetos permanentes no
século XX.
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.17 MAGNETOS MACIOS E DUROS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3.3.18 Propriedades ópticas dos materiais cerâmicos
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
COMPORTAMENTO ÓTICO
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Propriedades óticas resposta ou reação de um material à incidência deradiação eletromagnética, e em particular a luz visível
Luz fenômeno ondulatórioevidência: ocorrência de difração
Trabalho experimental a luz é uma ondaeletromagnética
Einstein feixe de luz consiste em pequenospacotes de energia
quanta de luz: FÓTON
Fóton incidindo na superfície de um metaltransfere energia para o elétron,que pode escapar do material
Radiação eletromagnéticamecânica clássica ondasmecânica quântica fótons
Formas de radiação eletromagnética: luz, calor, ondas de radar, ondas de rádio e raios X
Espectro de radiações eletromagnéticas
COMPORTAMENTO ÓTICO
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Todos os corpos emitem radiação eletrromagnética movimento térmico de átomos e
moléculas
radiação térmica visível depende de T
Ex.: 300°C radiação infravermelha
800°C radiação visível
Luz visível espectro de radiações pequeno 0,4m l 0,7m CORES
Radiação eletromagnética atravessa o vácuo com a
velocidade da luzc = velocidade da luz 3x108 m/s
0 = permissividade elétrica no vácuo
0 = permeabilidade magnética no vácuo
c = 1
(00)½
0,40 a 0,45 µm – violeta
0,45 a 0,50 µm – azul
0,50 a 0,55 µm – verde
0,55 a 0,60 µm – amarelo
0,60 a 0,65 µm – laranja
0,65 a 0,70 µm – vermelho Feixe de luz incide no sólido com intensidade I0parte é transmitida Itparte é absorvida Ia relacionadas por:
parte é refletida Ir
I0 = It + Ia + Ir (em W/m2)
ou
T + A + R = 1T = transmitância (It/I0)
A = absorbância (Ia/I0)
R = refletância (Ir/I0)
Se: T >> A+R: materiais transparentes
T << A+R: materiais opacos
T pequeno: materiais translúcidos
COMPORTAMENTO ÓTICO
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Cerâmicos não apresentam e- livres (que absorvem fótons de luz) e podem ser transparentes à
luz visível
Fenômenos importantes: Refração, Transmissão, Reflexão e Absorção
REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO (R)
Velocidade de propagação da luz no sólido transparente () é menor que no ar
feixe de luz muda de direção na interface ar/sólido
Índice de refração: = permissividade elétrica do material
= permeabilidade magnética do materialn = c = ()½
(00)½
Índice de refração de alguns materiais cerâmicosMaterial Índice de refração
Vidro de sílica 1,458
Vidro pyrex 1,47
Vidro óptico “flint” 1,65
Al2O3 – α 1,76
MgO (periclásio) 1,74
Quartzo 1,55
R
Quanto maior n do
material, maior R
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.18 PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO (R)
Cerâmicos cristalinos Cúbicos e vidros índices de
refração isotrópicos
Cristais não cúbicos índices de refração
maior em direções mais densas
Luz passa de um meio n1 para outro n2
parte da luz é refletida na interface dos meios
Como o n depende de λ da luz incidente, R também depende de λ
Se um dos meios for o ar n1 = 1R = n2 - n1 ½
n2+n1R = n2 - 1 ½
n2+1
Variação das frações da luz
incidente que são
transmitida, absorvida e
refletida por um determinado
vidro em função do
comprimento de onda
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.18 PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T) Maioria dos materiais transparentes são coloridos
a cor dos materiais transparentes é uma combinação dos comprimentos transmitidos
Absorção de fótons por e- da banda devalência promovendo-os à banda de conduçãoem não-metais também é possível, desde que ose-- superem a banda proibida.
Energia associada com l (E = hc/l)
determina-se l e E máximos e mínimos cedidos
aos e- pela luz visível
lmin = 0,4 m Emax = 3,1eV
lmax = 0,7m Emin= 1,8eV
Comprimentos de onda absorvidos (nm) e cores complementares
Conclusão: i) a luz pode ser absorvida por materiais com banda proibida
menor que 1,8 eV (SEMICONDUTORES) estes materiais são
opacos ex.:Si, Ge, AsGa
ii) materiais com banda proibida entre 1,8 e 3,1 eV absorvem
apenas alguns comprimentos de ondas estes materiais são
coloridos ex.:GaP, CdS
iii) a luz visível não pode ser absorvida por este mecanismo em
materiais com banda proibida maior que 3,1 eV
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.18 PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T)
Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos
Ex.: safira e rubi
Safira: cristal puro de Al2O3, isolante,
transparente
Rubi: safira onde uma pequena quantidade
de íons Cr+3 substitui o Al+3, causa
absorção na região de luz azul do espectro
visível. Cristal resultante: vermelho
Cor dos vidros de sílica, cal, soda e chumbo pode sermodificada pela adição de óxidos de elementos detransição
Ex.: adição de 0,01 a 0,03% de CoO - coloração azuladaadição de 0,2% de NiO - coloração púrpuraadição de 1,0% de FeO - amarelo esverdeada
Cor pode ser resultado do desvio da estequiometriaou da presença de defeitos cristalinos
Ex.: cristais puros de NaCl, KBr e KCl são incolores seforem recozidos em atmosfera de metais alcalinos ouirradiados com raios X ou neutrônscoloração: NaCl amarelo
KBr azulKCl magenta
Criou-se defeitos:
centro de cor
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.18 PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
ABSORÇÃO (A) E TRANSMISSÃO (T)
R, A e T dependem do material, do caminho ótico, l incidente
Defeitos no material espalham a luz e podem torná-lo
transparente, translúcido ou opaco
Ex.: monocristal de safira (Al2O3) transparente
policristal de safira sem poros translúcido
policristal de safira com 5% poros opaco
Variação da transmitância com l incidente para diversos materiais.
Exemplo: lâmpada de sódio (1000oC) com tubo de alumina
(100 lúmens/W convencional 15 lúmens/W)
Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida
porosidade: 3% porosidade: 0,3
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.18 PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3.4.1 Biomaterial
3.4.2 Dentária
3.4.3 Função nuclear
3.4.4 Função química
3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
DEFINIÇÃO
qualquer substância ou combinação de substâncias, de
origem natural ou sintética, usadas como parte ou como todo de
sistemas do corpo humano
material deve ser biocompatível - ser inerte e inócuo e
apresentar respostas controláveis e assimiláveis
biomaterias devem também resistir à força da gravide e
transmitir forças resultantes da ação muscular
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.1 BIOMATERIAL
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
ALUMINA SINTERIZADA
sistema femoral utilizava-se ligas de Ti-Al-V
avanço na pesquisa de materias, começou-se a utilizar
Al2O3 de alta pureza e poli-cristalino:
material duro
resiste ao desgaste
apresenta baixa tensão de fricção na junta.
resistência à fratura por apresentar baixa
tenacidade
características de fadiga são pobres.
Então o sistema femoral, é uma liga metálica atada a uma bola de cerâmica
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.1 BIOMATERIAL
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Revestimentos de
hidroxapatita
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.1 BIOMATERIAL
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
CARBONO
excelente compatibilidade com tecidos e fluidos do
organismo humano
alta durabilidade, sendo utilizado na confecção de válvulas
cardíacas
encontrando aplicação na ortopedia.
FOSFATO TRICÁLCICO
propriedade de penetração dos tecidos nas superfícies
porosas
material absorvível pelo
muito utilizado na regeneração óssea, como em defeitos de
vértebras
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.1 BIOMATERIAL
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1. Introdução
2. Propriedades do dente natural
3. Materiais de uso odontológico
4. Porcelana
5. Hidroxiapatita
6. Alumina
7. Novos materiais
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
HISTORICAMENTE
Utilização de dentes de animais e marfim para a manufatura de dentes e prótese dentárias;
Evolução utilização de dentes de pessoas mortas como próteses.
Soluções provisórias ocorria a desintegração em pouco
espaço de tempo e uso
Em 1776/1789 mencionou-se a utilização de dentes cerâmicos como substitutos
origem do estudo de materiais biocerâmicos.
Indústria cerâmica iniciou-se em 1827
Denstista Stockton (Philadelphia) fabricou o 1° dente cerâmico eficaz
Meio do século IXX outras fábricas surgiram na Inglaterra e EUA, monopolizando este
mercado
motivou-se e estabeleceu-se o melhoramento da cor e ancoragem
Mais tarde maiores desenvolvimentos no desenvolvimento de luminescencia,
opacidade e condições de queima para obtenção do dednte cerâmico.
1. Introdução
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
UTILIZAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS puros ou como revestimentos
Visa-se otimizar a osseointegração
Principais fatores responsáveis pela obtenção da osseointegração:
- técnica cirúrgica;
- carga transferida aos implantes:
- qualidade do tecido receptor;
- biocompatibilidade do material de implante e o projeto do implante.
dependem do implante selecionado, que deve possuir propriedades
mecânicas e propriedades de superfície adequadas
Propriedades mecânicas dependem do material, e não de sua forma, e incluem:
- dureza;
- resistência à tração;
- resistência à compressão;
- resistência à fadiga;
- módulo de elasticidade.
propriedades que devem ser observadas
na elaboração do projeto do implante.
1. Introdução
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Otimização da osseointegração:
Propriedades de superfície significam propriedades físicas e químicas:
- composição química;
- grau de contaminação;
- energia de superfície;
- resistência à corrosão;
- rugosidade;
- tendência a desnaturar proteínas.
Superfícies rugosas aumento da resistência mecânica da interface implante-osso, pois
aumenta a área da superfície do implante, favorecendo o aumento
na área de contato entre osso e o implante
Aumento do percentual de contato ósseo ao redor dos implantes atua diminuindo a tensão
transmitida ao tecido ósseo, na interface com o implante.
alterações nas propriedades de superfície
dos implantes afetam significativamente a
performance in vivo.
1. Introdução
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Dentes apresentam estruturas em camadas: esmalte, dentina e raiz.
- Esmalte: - fornece dureza e resistência a tensão
- camada translúcida e pouco opaca
- fornece a superfície de corte
- nesta camada defini-se a cor do
dente, conforme a luz incidente
- degradado por trincas
- Cada reposição de dente depende de cada paciente
devido as condições de acordo: cor, forma, etc.
2. Propriedades natural do dente
ESMALTE
DENTINA
RAIZ
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Materiais cerâmicos utilizados como material odontológico:
- porcelana iniciou-se à cerca de 200 anos e vem sendo aperfeiçoada
existem diferentes tipos e composições
- hidroxiapatita material bioativo, pode ser usado como revestimento de um metal
- alumina apresenta propriedades de interesse: resistência mecânica, ao
desgaste abrasivo, cor...
- zircônia apresenta propriedades de interesse: resistência mecânica, ao
desgaste abrasivo, cor...
- diferentes misturas de materiais cerâmicos visando a otimização das propriedades
3. Materiais de uso odontológico
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Porcelana dentária - nome dado devido a aparência final da matéria-prima utilizada para
o desenvolvimento de próteses dentárias
- devido a composição poderia ser denominado “dente feldspático”
- a composição básica de uma porcelana dentária apresenta:
feldspato, quartzo e caolim
A porcelana dentária é utilizada a cerca de dois séculos e as alterações na sua composição
foram realizadas tentando diminuir o ponto de fusão.
Vantagens translucidez, cor, textura, resistência ao manchamento e à abrasão,
radiopacidade, isolamento térmico e biocompatibilidade.
Desvantagens - friabilidade (nas margens) dando preferência ao uso do ouro
- cimentos: eram fosfatados e interferiam na coloração e estética da
porcelana.
Década de 30 início das restaurações laminadas de porcelana
lâminas de cerâmica eram fixadas provisoriamente aos
dentes através de um pó adesivo para dentaduras
3. Porcelana dentária
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Até os anos 60 - coroas ocas de porcelana eram a solução estética mais aceita
- coroas metalo-cerâmicas tornaram-se populares: melhor
adaptação, menos problemas de fraturas, utilização em destes
posteriores e próteses fixas, porém a estética era menos satisfatória
Década de 80 - desenvolvimento de técnicas adesivas e aprimoramento da
porcelana
- utilização da porcelana como material odontológico com maior
sucesso clínico
Atualmente - introdução de diferentes tipos de porcelana no mercado, alternativas as
aluminíticas e feldspáticas convencionais
- busca-se acentuar a performance estética sem sacrificar a expectativa de
vida
3. Porcelana dentária
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Utilizam-se apenas feldspatos de alta qualidade
- livres de outros minerais,
- sem impurezas, principalmente Fe2O3 (causador de bolhas em contato com nitrogênio),
- sem muita liberdade de redox, pois isto facilita a troca de íons, pode formar bolhas e
instabilizar o intervalo de temperatura de queima utilizado.
Feldspato com grande intervalo de sinterização utilizado na manufatura de dentes devem ter alto
teor de potássio e baixo de soda.
3. Porcelana dentária3.1 Matérias-primas básicas e suas propriedades3.1.1 Feldspato
Componente SiO2 Al2O3 K2O Na2O Fe2O3 CaO MgO
% 67,2 18,5 13,5 2,4 0,02 0,27 0,24
Composição típica de um feldspato para uso odontológico (dente).
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Quartzo utilizado em porcelana dentária também deve ser de elevada pureza (99,7% SiO2 e
menos que 0,015% Fe2O3).
Quartzo é dissolvido na fase vítrea do feldspato (porcelana) durante a queima, aumentando a
viscosidade da mistura prevenindo distorção
Durante a queima apenas uma pequena quantidade de quartzo é dissolvido e o quartzo restante
influencia na resistência do produto PROBLEMA: quartzo tem baixa resistência ao
choque térmico
RESOLUÇÃO: pré-fusão dos silicatos antes
da mistura na porcelana
A dissolução do quartzo na fase vítrea do feldspato depende da história da formação:
- estrutura cristalina(evitar quartzo de areia)
- distribuição no tamanho de grão
- adições com facilidade de dissolução
O quartzo residual causa a opacidade característica necessária ao dente: COMPROMISSO
DISSOLUÇÃO COMPLETA DO QUARTZO E QUANTIDADE DE QUARTZO RESIDUAL.
3. Porcelana dentária3.1 Matérias-primas básicas e suas propriedades3.1.2 Quartzo
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Caolim é adicionado a porcelana dentária como agente opacificador
Opacidade depende do tamanho de grão do agente opacificante
adiciona-se caolim de alta qualidade e fineza e com poucos óxidos
descolorantes
Pré-queima do caolim com outros componentes para formar
- mulita primária pré-calcinação melhor que o quartzo
- mulita secundária em relação a resistência e
expansão térmica, pois
diferem menos em relação a
fase vítrea
Mulita formada e não dissolvida causa opacidade
Opacidade é aumentada pela diferença dos índices de refração da fase vítrea e mulita
3. Porcelana dentária3.1 Matérias-primas básicas e suas propriedades3.1.3 Caolim
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Composição de cerâmica dentária no sistema triaxial: fedspato – quartzo – argila
3. Porcelana dentária3.2 Composição de corpos dentários
Composição típica em óxidos de
dentes de porcelana comerciais
Óxidos (%) Dente A Dente B Dente C
SiO2 59,60 61,40 70,70
TiO2 0,10 0,05 0,06
Al2O3 23,60 22,90 16,80
Fe2O3 0,08 0,16 0,13
MgO 0,16 0,08 0,08
CaO 0,56 0,64 0,14
Na2O 7,40 8,10 7,70
K2O 5,70 4,40 2,30
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Adições subsidiárias podem ser feitas para modificar propriedades
- Al2O3 calcinada diminuir o brilho superficial do vidro de feldspato
proporcionar resistência elevada
abaixo da Tqueima serve como agente opacificante
- Mulita fundida agente opacificante abaixo de 10%
apresenta maior pureza que a adição de caolim
Adições de agentes opacificantes para ajustar a aparência natural à prótese dentária
- SnO2, ZrO2, CeO2, TiO2 e ZrSiO4 agentes opacificantes abaixo de 5%
- O grau de opacidade é dependente do tamanho de grão dos óxidos adicionados.
- As partículas opacificantes são formadas na fase vítrea pela recristalização durante o
resfriamento.
Pode-se ainda adicionar fibras inorgânicas para aumentar as propriedades mecânicas
3. Porcelana dentária3.2 Composição de corpos dentários
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Produção: aglutinação do pó da porcelana a um líquido ou água e esculpir em camadas
sobre um troquel refratário, lâmina de platina ou sobre o metal de uma
metalocerâmica e então,elevada a altas temperaturas.
Tipos:
1. PORCELANAS FELDSPÁTICAS: - constituem-se de 75% a 85% de feldspato, 12% a 22% de
quartzo e 3% a 4% de caolin
- empregadas na confecção de metalo-cerâmicas, facetas,
coroas puras e incrustações.
- usadas isoladamente para confeccionar peças ou em
associação com outros sistemas, onde a porcelana
feldspática recobre uma porcelana aluminizada (In Ceram)
ou um Vitrocerâmico (Dicor), que lhe confere maior
resistência à fratura, funcionando como uma subestrutura.
- utilizada como recobrimento, pois apresenta excelentes
características de translucidez e cor semelhante ao dente
natural
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.1 Porcelanas sinterizadas
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
2.. PORCELANAS FELDSPÁTICAS REFORÇADAS POR LEUCITA
- São mais resistentes que a porcelana feldspática convencional;
- Exemplo: OPTEC HSP que contém 40% do volume de cristais de leucita;
- Utiliza-se em porcelanas de corpo e incisal, pois a opacidade dada pelos cristais de
leucita não necessita do uso da porcelana opaca;
- São indicadas para facetas laminadas e coroas submetidas a baixas tensões;
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.1 Porcelanas sinterizadas
Porcelana feldspática rica em leucita Porcelana feldspática com pouca leucita
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
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3. PORCELANAS ALUMINIZADAS
- Compõem-se de 40% a 50% de cristais de óxido de alumínio incorporados às
porcelanas tradicionais, propriedades de interesse:
- alta elasticidade e resistência à estrutura.
- redução da translucidez da porcelana aluminizada,
limitando o uso apenas como base para a aplicação da
porcelana feldspática.
- Desvantagem: a sinterização das partículas pode resultar em microporosidades e
heterogeneidade entre as partículas, podendo formar fendas.
3. PORCELANAS ALUMINIZADAS INFILTRADAS COM VIDRO
- Técnica criada para melhorar os problemas de fragilidade associados à porcelana.
- Nome do sistema: In-Ceram é constituído por uma subestrutura (semelhante ao copping
da metalo-cerâmica) usando-se um pó cerâmico de óxido de alumínio extremamente fino.
existem 2 estágios: - 1º estrutura sintética alumina porosa é criada usando-se
um troquel refratário.
- 2º a estrutura porosa é infiltrada por vidro de lantânio,
boro e água destilada.
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.1 Porcelanas sinterizadas
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
3. PORCELANAS ALUMINIZADAS INFILTRADAS COM VIDRO
- Copping: 70% de óxido de alumínio puro sobre este aplica-se cerâmica
feldspática para dar a estética final.
- Propriedades do In-Ceram: maior resistência flexural, ótima adaptação e grau de
translucidez ideal, indicação em coroas unitárias (anteriores e posteriores), incrustações,
coroas sobre implantes e próteses fixas de até 3 elementos.
- Variações do In-Ceram:
IN-CERAM SPINELL possui o dobro de translucidez do In-Ceram ALUMINA,
sendo mais estético. Neste sistema, substituiu-se uma parte do óxido de
alumínio por óxido de magnésio. Possui uma resistência flexural um pouco
menor que o In-Ceram.
IN-CERAM ZIRCÔNIA pode ser confeccionado como o In-Ceram convencional
ou, experimentalmente, através da trituração de blocos pré-formados de
zircônio. Pode ser indicado para coroas unitárias posteriores, próteses fixas de
3 elementos anteriores e posteriores e próteses sobre implantes devido ao alto
conteúdo de óxido de zircônio e alumínio.
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.1 Porcelanas sinterizadas
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
1. Sistemas DICOR e DICOR PLUS
- Cerâmicos vítreos reforçados por mica.
- Utiliza-se um processo de fundição centrífuga, o Vitrocerâmico conserva sua estrutura
amorfa e depois a restauração é envolta em um revestimento especial que produz o
crescimento de cristais, convertendo a fundição para o estado cristalino, o qual aumenta
a resistência (semelhante à técnica da cera perdida). Após, é realizada a pintura
extrínseca e o glazeamento com porcelanas vítreas fluidas.
- Características: resistência final semelhante à porcelana aluminizada.
mastigação pode remover a pintura extrínseca, alterando
as características estéticas
indicado para confecção de facetas, incrustações e coroas
ocas.
- DICOR PLUS: composto por uma infra-estrutura fundida ceraminizada e uma cobertura
feldspática colorida, para tentar diminuir a alta translucidez.
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.2 Porcelanas injetadas ou de vidro fundido
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
2. Sistema CERAPEARL
- A fase cristalina principal é a hidroxiapatita
Problema: a hidroxiapatita é muito branca em relação aos dentes
naturais, então aplica-se glazes coloridos
- Em toda cerâmica vítrea fundida, o processo cerâmico não aumenta apenas a
resistência, mas também resulta em contração adicional, provocando porosidade e falta
de homogeneização.
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.2 Porcelanas injetadas ou de vidro fundido
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Neste tipo de processo visa-se diminuir as heterogeneidades e microporosidades e a contração
durante o processamento cerâmico
1. Sistema IPS EMPRESS e IPS EMPRESS II
- Sistema IPS EMPRESS utiliza pastilhas de porcelana feldspática reforçada por leucita pré
ceraminizada na cor desejada, fundidas em alta temperatura sob pressão hidrostática a vácuo
para dentro do revestimento.
- O emprego do calor e pressão têm a finalidade de aumentar a resistência.
- Limitação da técnica: confeccionar restaurações monocromáticas.
- IPS EMPRESS é indicado para coroas totais e facetas laminadas.
- IPS EMPRESS II consiste em uma cerâmica vítrea de di-silicato de lítio com uma
resistência três vezes maior que o IPS EMPRESS convencional, sendo indicado para
próteses fixas de 3 elementos.
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.3 Porcelanas injetadas em alta pressão e calor
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
2. Sistema OPTEC OPC
- O sistema OPTEC OPC (OPTEC cerâmica prensada) contém um aumento na quantidade
de cristais de leucita comparado ao OPTEC HSP.
3. Sistema CERESTONE
- O sistema CERESTONE consiste na combinação de óxido de alumínio com óxido de
magnésio.
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.3 Porcelanas injetadas em alta pressão e calor
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
1. Sistema CEREC, CEREC 2 e CELAY
- São sistemas computadorizados acoplados a aparelhos que realizam o desgaste de um
bloco cerâmico ou de vidro pré-prensado.
- CEREC: peças são obtidas a partir de impressão óptica do preparo na boca através de
micro-câmeras.
- CELAY: micro sensor leitor de superfície de padrões de resina confeccionam a peça
diretamente na boca ou sobre o modelo.
- Vantagem destes sistemas: confecção e restauração em sessão única,sem moldagem.
- Desvantagens: alto custo do equipamento, escultura e cor.
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.3 Porcelanas tipo CAD/CAM
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
2. Sistema PROCERA ALL CERAM
- O sistema PROCERA produz um copping de alumina de alta pureza (99%)
proporcionando à restauração uma alta resistência.
- A peça protética é fabricada a partir de um desenho assistido por um computador e um
processo de usinagem
- A aplicação da cerâmica pode ser executada através do sistema convencional em
qualquer laboratório.
- Características: excelente estética, resistência e durabilidade.
3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.3 Porcelanas tipo CAD/CAM
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Utilizada como superfícies e/ou revestimentos bioativos (estimula a formação de novo osso).
Superfícies bioativas alteração cínética após a implantação
forma-se uma camada de hidroxicarbonato de apatita
que é química e estruturalmente equivalente à fase
mineral do osso
Biointegração união bioquímica entre a superfície do implante e o osso,
independente de qualquer mecanismo de união mecãnica
Diferentes respostas do tecido ósseo a implantes de titânio puro (CP) e a implantes
revestidos com hidroxiapatita
Pesquisa: cinco implantes com superfície de titânio puro
cinco implantes de titânio puro revestidos com hidroxiapatita
análise da interface implante-osso revelou que os implantes revestidos com
hidroxiapatita apresentaram um percentual de contato implante-osso
(74,16%) quase duas vezes maior do que aqueles observados ao redor dos
implantes de titânio (cerca de 40%).
5. Hidroxiapatita
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Vantagens da hidroxiapatita: bioativa e biointegrável (um aumento da formação de
osso ao redor dos implantes em curtos períodos de
tempo e a formação de um osso de melhor qualidade
união bioquímica do osso com o revestimento da
superfície dos implantes:
instalação de implantes dentários, em pacientes
portadores de osteoporose, apresenta um possível
efeito benéfico devido à transmissão de cargas ao osso,
da mandíbula ou da maxila, interrompendo o processo
de atrofia óssea decorrente da perda do dente.
5. Hidroxiapatita
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Utilizada em cerâmicas dentais desde os anos 60 objetivo: maximizar a quantidade
de alumina
técnicas de laboratório
convencionais só conseguiam
aumentar o conteúdo de alumina
até um determinado nível.
Continuar a aumentar a quantidade de alumina desenvolvimento de novos
métodos de produção
Em 1994 utilizando-se tecnologia CAD/CAM desenvolveu-se um material com alumina
densamente sinterizada por completo, formado por mais de 99,5% de alumina
resistência do material é superior à de outros materiais hoje disponíveis no
mercado (resistência à flexão biaxial de 687 MPa)
6. Alumina
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Óxido de alumínio pré-
sinterizado produz uma
cerâmica com porosidade
contínua (azul). Exemplo:
In-Ceram® pré-estágio.
Óxido de alumínio com
infiltração de vidro
Um pó de vidro com tratamento
térmico preenche os poros
(vermelho) do óxido de alumínio
pré-sinterizado (infiltração de
vidro), Exemplo: In-Ceram®.
Óxido de alumínio
densamente sinterizado
A sinterização prolongada
cria um óxido de alumínio
não poroso e densamente
sinterizado. Trata-se de
um material altamente
resistente. Exemplo:
Procera® AIICeram.
6. Alumina
Resistência à flexão de diferentes
materiais dentários totalmente
cerâmicos.
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
7. Novos materiais7.1 Cerâmicos com ou sem metal
METAL - CERÂMICOS
Pó de Vitrocerâmico é aplicado sobre uma armação metálica (liga dentária). Propriedades
importantes deste cerâmico:
- coeficiente de expansão térmica compatível com o metal;
- opacidade na cor para cobrir o metal.
SEM METAL
Produção de restaurações altamente estéticas com um fino recobrimento cerâmico;
Processo: um vitrocerâmico no estado viscoelástico é prensado em um molde refratário a
900ºC.
Utiliza-se para fabricação de coroas, pontes
OUTRAS TECNOLOGIAS:
Produtos como: - diferentes matizes naturais de dentes;
- aplicações de cores, vidros e refratários na moldagem quente;
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
7. Novos materiais
7.2 Vitrocerâmico prensado sobre metal Vitrocerâmico é prensado sobre uma armação metálica à quente
Vantagens de dois materiais em um único produto:
- alta resistência;
- estética superior;
- retração zero no processo de produção;
- menos trabalho manual.
7.3 Vitrocerâmicos em substituição a feldspatos cerâmicos Por muito tempo a porcelana dentária foi utilizada com ligas metálicas, problema: .
O início do desuso metal-cerâmico foi com a patente US em 1962.
Uso de feldspatos cerâmicos permitiu a produção de cerâmicas dentárias com compatível a
ligas metálicas, tendo sua resistência melhorada com cristais de leucita.
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
7. Novos materiais7.3 Vitrocerâmicos em substituição a feldspatos cerâmicos Hoje vitrocerâmicos têm substituído feldspatos cerâmicos tradicionais
Vidros são fundidos a partir de materiais de alta pureza e são então transformados em
vitrocerâmicos por um processo de controle da nucleação e cristalização, fazendo-se um
ajuste preciso em .
Vantagens dos vitrocerâmicos:
- elevada translucidez (60% da fase vítrea contribui para isto);
- brilho
MEV de dente
vitrocerâmico
Aparência
próxima a
natural de uma
ponte de
vitrocerâmico
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
um nêutron incide em um átomo (como o urânio), causa sua
explosão ou fissão. O produto da reação é constituído de dois átomos
diferentes, dois a três nêutrons e muita energia.
aplicação nuclear os isótopos do 235U do e 239Pu, são
utilizados como combustível nuclear, sendo que seus óxidos ou
carbonetos, são sinterizados na forma de pastilhas.
óxido de urânio apresenta a estrutura do fluoreto de cálcio
grande número de posições intersticiais octaédricas
desocupadas do UO2, permitem que este material seja
utilizado como combustível nuclear, já que os produtos
da fissão possam ser acomodados nessas posições
vazias.
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.3 FUNÇÃO NUCLEAR
Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS
Pigmentos: TiO, Cr2O3, Fe2O3
Esmaltes: Óxidos alcalinos, sílica, feldspatos.
Carga: Calcário, sílica.
Fundentes: Óxidos alcalinos, CaO
Caulim: indústria do papel
Vidros: SiO2, Na2O, PbO, Al2O3
3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA
3.4.4 FUNÇÃO QUÍMICA