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Física dos Materiais – FMT0502 (4300502) 1º Semestre de 2010 Instituto de Física Universidade de São Paulo Professor: Antonio Domingues dos Santos E-mail: [email protected] Fone: 3091.6886 http://plato.if.usp.br/~fmt0502n/ 30 de abril e 04 de maio

Física dos Materiais – FMT0502 (4300502) - plato.ifplato.if.usp.br/~fmt0502n/FMT0502_Aula9.pdf · Cinco estruturas do íon silicato formadas a partir dos tetraedros básicos Lâmina

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Fís

ica

do

s M

ate

ria

is–

FM

T0

50

2 (

43

00

50

2)

Se

me

stre

de

20

10

Inst

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Pro

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1.6

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fmt0

50

2n

/

30 de abril e 04 de maio

Cerâmicas

Cerâm

icas são

materiais in

orgân

icos e não

-metálicos.

São

form

adas por elem

entos quím

icos metálicos e não

-metálicos, onde

as ligações são

iônicas ou preponderan

temen

te iô

nicas.

Cerâm

icas tradicionais (à

base de argila): lo

uça, p

orcelan

a, tijo

los,

telhas, azulejos, vidros e cerâmicas de altas temperaturas.

Hoje, . . .

. . . Óxidos, nitretos, carbetos e muito m

ais !

(sen

do os óxidos as cerâm

icas m

ais freq

uen

tes)

Fís

ica

do

s M

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ria

is–

FM

T0

50

2 (

43

00

50

2)

Se

me

stre

de

20

10

Carater iônico ou covalente ?

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43

00

50

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Se

me

stre

de

20

10

()

{}

21exp

0,25

100

ab

XX

x

=

−−

%Carater iônico

Onde Xa e Xb são as eletronegatividades dos componentes

Cerâmicas

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43

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Se

me

stre

de

20

10

cos

cos30

A

AC

AP

r

AO

rr

α=

°=

=+

Cerâmicas

Mesmas estruturas cristalinas dos metais

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Se

me

stre

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Cerâmicas

Estrutura do NaC

l

0,102/0,181

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Se

me

stre

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10

Estrutura CFC

Com 2 sub-redes

Número de coordenação 6

Outros exemplos: FeO, LiF, MgO, MnS

Cerâmicas

Estrutura do tipo AX

Estrutura do CsC

l

0,170/0,181

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43

00

50

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Se

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10

Estrutura CS

Com 2 sub-redes

Número de coordenação 8

Cerâmicas

Estrutura do ZnS

Blenda de Zinco

Estrutura CFC

Com 2 sub-redes

Número de coordenação 4

Outros: ZnTe, SiC

Estrutura do tipo AX

Estrutura do CaF

2

Fluorita

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Estrutura CS

Célula unitária com 8 cubos

Número de coordenação 8(4)

Ânions e cátions co

m cargas diferen

tes

Mesma estrutura do CsC

l

Cerâmicas

Estrutura do tipo A

mXp

Estrutura do BaT

iO3

Titan

ato de bário

Estrutura CFC

Estrutura do tipo A

mB

nXp

Conhecida co

mo Perovskita

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p/ Estrutura CFC ou HC

Planos de alta compactação

Cerâmicas

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Cálculo de densidade em cerâmicas

Cerâmicas

()

CA

cA

nA

A

VN

ρ+

=∑

número de unidades da fórm

ula

em uma célula unitária

Soma das m

assas atômicas

de cátions e ânions na

unidade da fórm

ula

Volume da célula unitária

e número de Avogadro

Qual a den

sidad

e do NaC

l ?

Cerâmicas

Materiais baseados no carbono

Diaman

teGrafite

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Fulereno

Grafeno

Ligações covalentes ! ! !

Cerâmicas

Materiais baseados no carbono

Diaman

teGrafite

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2 (

43

00

50

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Se

me

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10

Grafeno

Nan

otubos

Cerâmicas à

base de silicatos

Vidros

SiO

2cristalino SiO

2não

cristalino (am

orfo)

(quartzo) (vidro)

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cristobalita

Silicatos

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Cinco

estruturas do íon silicato

form

adas a partir dos

tetraedros básico

s

Lâm

ina de silicato

bidim

ensional (Si 2O

5)2-

Argila caolinita

Física dos Materiais

Cerâmicas

Vidros

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Imperfeições em cerâmicas

Outros m

ecanismos de

compensação de cargas

(para FeO)

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Impurezas (devem ser

semelhantes)

Carga deve se m

anter

neutra no sólido

Defeitos aparecem aos pares

Diagramas de fases em cerâmicas

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Sistema Al 2O

3–Cr 2O

3Sistema M

gO –

Al 2O

3

Diagramas de fases em cerâmicas

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Sistema ZrO

2–CaO

Diagramas de fases em cerâmicas

Vitrocerâmica

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Sistema SiO

2–Al 2O

3

Propriedades m

ecânicas de cerâmicas

Mecanicamente, as cerâmicas são m

uito

rígidas e portanto frágeis !!!

Elas possuem

micro-trincas ou fissu

ras, que

se propag

am facilm

ente.

Em geral as fraturas acontecem in

ternam

ente

aos grãos, ao lo

ngo de planos

cristalográfico

s de alta den

sidad

e atômica.

A presença de umidad

e no m

eio circu

ndan

te é

especialm

ente dan

oso

e potencializa a

propag

ação

das trincas (em um aparen

te

processo de co

rrosão).

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Comportamento tensão-deform

ação

Em geral ensaios de tração são

difíceis de serem aplicados em

cerâmicas (elas não resistem às

garras de fixação).

Ensaios de flexão:

Resistência àflexão ou

resistência àfratura

Propriedades m

ecânicas de cerâmicas

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Comportamento tensão-deform

ação

Ensaios de flexão:

Inclinação

Lim

ite de ruptura

Propriedades m

ecânicas de cerâmicas

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Mecanismos de deform

ação plástica

Em geral em cerâmicas, a fratura acontece

antes da deformação plástica.

Cerâmicas cristalinas

Deform

ação plástica = m

ovimento de

discordâncias

Em cerâmicas iônicas, não é

possível

se m

over todo um plano devido à

distribuição de cargas.

Em cerâmicas covalentes, as ligações

são m

uito fortes e direcionais o que

dificulta o deslocamen

to de planos

atômicos.

Cerâmicas não-cristalinas

Não existe uma estrutura atômica

regular, portanto não é

possível se

considerar movimento de discordâncias.

Existe um m

ovimento viscoso (como em

um líquido), onde os átomos (ou íons) se

deslocam individualm

ente através da

quebra e reconstrução

das ligações

interatômicas.

Este processo é

isotrópico e a

viscosidade éextrem

amente elevada à

temperatura ambiente.

Propriedades m

ecânicas de cerâmicas

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Influência da porosidade

Frequentemente as cerâmicas são

produzidas a partir de pós

(metalurgia do pó).

Os pós são conform

ados ou

compactados e posteriorm

ente tratados

term

icamente.

O tratamento térm

ico reduz a

porosidade, mas não o elimina

totalm

ente. M

ódulo de Young (E)

2

0(11,9

0,9

)E

EP

P=

−+

0exp(

)rf

nP

σσ

=−

Resistência àflexão

Onde, σ σσσ0e n são constantes

Propriedades m

ecânicas de cerâmicas

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Dureza

Esta éuma das propriedades mais

marcantes das cerâmicas.

Devido à

esta característica as cerâm

icas

são usadas como abrasivos.

Processamento das cerâmicas

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Tipos de cerâmicas

Técnicas de fabricação de cerâmicas

Processamento das cerâmicas

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Características dos m

ateriais vitreos

Conform

ação

do vidro por prensagem

e insu

flação

Produção de lâminas de vidro

Processamento das cerâmicas

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Argilas

Conform

ação hidroplástica

Extrusão (tijolos,, tubos, blocos, azulejos, ...)

Possuem

alta hidroplasticidad

e, o

que éútil p

ara a su

a co

nform

ação

Ex.: Argila ca

olinita

Fundição por suspensão

Molde de gesso

Processamento das cerâmicas

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Argilas

Secag

em

Cozimento (900 a 1400°C

)

Alguns componentes se tornam

vitreos e

preenchem

os poros da cerâmica

(vitrificação)

Quartzo

material vitreo

Processamento das cerâmicas

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Refratários

Processamento das cerâmicas

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Abrasivos

Prensagem do pó

Sinterização