Centro Universitário da Fundação Educacional de Barretos

Propriedade e Aplicação dos MateriaisProf.: Luciano H. de Almeida

Cerâmicas

Cerâmicas e vidros representam alguns dos materiais mais antigos e mais (ambientalmente) duráveis para a engenharia.

Também alguns dos materiais com maiores avanços tecnológicos (indústrias aeroespaciais e eletrônica)

Cerâmicas cristalinas silicatos, compostos óxidos e não óxidos

Vidros sólidos não cristalinos => composição semelhante as cerâmicas tradicionais

Cerâmicas

Estrutura Cristalina varias composições químicas => grande variedade de estruturas cristalinas

Fração considerável de ligações iônicas => estrutura cristalina que assegure a neutralidade elétrica

Entendimento da estrutura por íons carregados eletricamente.

Formação de tetraedros ou octaedros, permitindo que os cátions ocupem os interstícios

Cerâmicas

Íons metálicos (cátions), carregados positivamente, pois doam seus elétrons de valência para os íons não-metálicos, ânions

Duas características dos componentes iônicos dos materiais cerâmicos:

Magnitude da carga elétrica Tamanho relativo dos cátions e ânions

Neutralidade elétrica permite definir a composição química que é definida pela relação entre cátions e ânions

Ex.: Fluorita F -1; Ca+2 => CaF2

Cerâmicas

Em geral, materiais metálicos doam elétrons quando ionizam, assim os cátions são menores que os ânions

Estrutura estável ocorre quando cada ânions está em contato com o cátion

Cerâmicas

A razão entre cátion e ânion indicam o número de coordenação possível, isto é quanto vizinhos um cátion poderia ter

Cerâmicas

Principais Estruturas Fórmula Química mais simples, MX, M = elemento

metálico e X um não-metálico Estrutura cristalina mais comum é o cloreto de sódio

(NaCl) Número de coordenação 6 Pode ser considerada duas estruturas CFC

intercaladas

Cerâmicas

Cerâmicas

Estrutura tipo cloreto de césio (CsCl) Número de coordenação 8 Estrutura cúbica simples

Cerâmicas

Estrutura tipo blenda de zinco (ZnS) Número de coordenação 4 Estrutura CFC => cátions nas posições da rede e os

ânions nos interstícios Diversos semicondutores apresentam essa estrutura

Cerâmicas Fórmula química MX2 Estrutura da fluorita (CaF2) Cerâmicas importantes UO2, ThO2, CeO2. Volume não ocupado no centro da cela unitária pode

acomodar outros elementos. Ex.: He em UO2

Cerâmicas

Sílica (SiO2) Estrutura da cristobalita tetraedros conectados em

uma estrutura CFC

Cerâmicas Estrutura do SiO2 com a temperatura

Cerâmicas Fórmula química M2X3. Estrutura tipo coríndon (Al2O3) Estrutura aproximadamente HC

Cerâmicas Fórmula química com três elementos M’M’’X3. Estrutura tipo perovskita Cerâmicas eletrônicas importantes (capacitores) Ex. CaTiO3, BaTiO3

Propriedades ferroelétricas e piezelétricas, além de alguns superconditores

Cerâmicas Carbono

estrutura laminar do grafite Estrutura estável do carbono a temperatura ambiente Carbono nos anéis hexagonais fortemente unidos por

ligações covalentes, camadas unidas por ligações de van der Waals

Cerâmicas Diamante

Diamante, estrutura obtida em certas condições de pressão e temperatura.

Ligação totalmente covalente

Cerâmicas Diamante

Propriedades físicas atrativas Dureza Baixa condutividade elétrica “Alta” condutividade térmica, não-usual para materiais não-

metálicos Industrialmente usados para moer ou cortar Técnicas para o obtenção de diamantes sintéticos desenvolvidas

a partir de 1950 Filmes finos (da ordem de milímetros) de diamantes, produzidos

por deposição de vapor químico Ferramentas de corte, superfícies de brocas são revestidas com

filme de diamante para aumentar a dureza superficial

Micrografia de filme de diamante aumento de 1000 X

Cerâmicas Fulereno

Outra estrutura do carbono (descoberta ~ 1985) C60. Estrutura quase esférica Desenvolvimento de diversas estruturas Nanotubos de carborno

QuestãoExistem óxidos que facilitam a formação dos vidros e reduzem a temperatura de fusão da sílica. A introdução de B2O3 na sílica resulta em boa estabilidade química do vidro. Para garantir a existência da fase vítrea, a razão de O:Si deve estar abaixo de 2,5. Porém deseja-se que material vítreo tenha temperatura de fusão baixa para tornar o processamento fácil e econômico. Determine a composição desse vidro.AB = 10,81 g/mol; AO = 16,00 g/mol; ASi = 28,08 g/mol

Cerâmicas Diagrama de fase

Diagrama de fase de sistemas binários podem ter formas similares aos metais podendo ser analisados da mesma forma

Sistema com boa formação de solução sólida Al2O3 – Cr2O3

Diagrama com fase única a temperatura ambiente Compostos com mesmos íons Raios iônicos próximos

Cerâmicas

CerâmicasDiagrama de fase

Sistemas mais complexos com fases intermediariasMgO – Al2O3

Fase MgAl2O4 (espinélio)

CerâmicasDiagrama de fase

Sistema ZrO2 – CaODiversas estruturas cristalinastetragonal - monoclínicaMudança no volume=> formação de trincaszircônia parcialmenteestabilizada com CaO

CerâmicasDiagrama de fase

Sistema SiO2 – Al2O3

Muitas cerâmicas refratariasNão solúveis umana outra

Cerâmicas Para o sistema SiO2-Al2O3 qual a temperatura máxima

é possível sem a formação de uma fase líquida? Qual o intervalo de composição que essa temperatura pode ser alcançada?

Quando a cerâmica caulinita (Al2(Si2O5)(OH)4 é aquecida a temperatura suficientemente alta, água pode ser eliminada.a) Sob estas circunstâncias qual a composição do produto restante (em porcentagem em peso de Al2O3)?

b) Quais são as temperaturas liquidus e solidus deste material?

Cerâmicas Propriedades Mecânicas

Limita a aplicabilidade das cerâmicas Baixo nível de deformação plástica Apresentam falhas catastróficas e fratura frágil Suportam mais carga em compressão que tração

Cerâmicas Propriedades Mecânicas

Materiais frágeis são a partir de um ensaio de flexão Módulo de ruptura ou resistência de flexão descreve a

resistência do material (teste de três pontos)

retangular circular

Cerâmicas

Trinca concentra e amplia a tensão aplicada na cerâmica (trinca de Griffith)

Tensão real superior ao limite de escoamento ou resistência => propagação da trinca até a fratura

Cerâmicas

Tenacidade a fratura valor crítico para o fator de intensidade de tensão em uma ponta de trinca necessário para produzir uma falha catastrófica.

KIC = Yf (a)

Y = fator geométricof = tensão total aplicada na falhaa = comprimento de uma trinca (metade de uma trinca interna)

Cerâmicas

Nos materiais cerâmicos também pode ocorrer falhas por fadiga estática mecanismos químicos Ocorre pela presença de água E a temperatura ambiente

Cerâmicas

Característica microestrutural Fratura frágil => pouca ou nenhuma deformação plástica Trinca propaga-se intergranularmente Fratura por clivagem ao longo dos planos densamente

empacotados, sem indícios da origem da fratura

Cerâmicas

Vidros => fratura concoidal = forma de conchaSuperfície bastante lisa próxima à origem da fratura e linhas de ruptura no restante da fratura

Cerâmicas

Cerâmicas Projete uma placa com 7,5 cm de largura, feito de

Sialno (sílicio, alumínio e óxido de nitreto), que apresenta tenacidade a fratura de 9,9 MPam, capaz de suportar uma carga de tração de 178 kN.

Considerando a disponibilidade de ensaios não-destrutivos: Raios X que detecta trincas da ordem de 0,5 mm; Raios gama que detecta trincas da ordem de 0,2 mm, e o ensaio de ultra-som que detecta trincas da ordem de 0,127 mm. Determine a espessura da placa que impeça a propagação da trinca com tais tamanhos.

Cerâmicas Uma cerâmica avançada de Sialon, possui L.R.T. de

414 MPa. Uma pequena trinca com tamanho de 0,025 cm, foi observada em uma peça de Sialon. Depois desta etapa, esta peça fraturou de forma inesperada a uma tensão de 3,5 MPa a partir da trinca. Estime o raio da ponta dessa trinca inicial