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Estrutura e Propriedades dos Materiais
MATERIAIS CERÂMICOS
Prof. Rubens Caram
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MATERIAIS DE CERÂMICOS
CERÂMICAS SURGIRAM DO PRIMEIRO EXERCÍCIO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS DO HOMEM, HÁ MAIS DE 9.000 ANOS
A PALAVRA “CERÂMICA” SE ORIGINA DA PALAVRA GREGA “KERAMIKOS”: MATERIAL QUEIMADO
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MATERIAIS DE CERÂMICOS
MATERIAIS CERÂMICOS: COMPOSTOS QUÍMICOS E SOLUÇÕES ENVOLVENDO ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS
VARIEDADE DE PROPRIEDADES MECÂNICAS E FÍSICAS PERMITE APLICAÇÕES EM CAMPOS DISTINTOS: TIJOLOS, LOUÇAS, REFRATÁRIOS, MATERIAIS MAGNÉTICOS, DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS, FIBRAS, ABRASIVOS, COMPONENTES AEROESPACIAIS
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CARACTERÍSTICAS DAS CERÂMICAS
RESISTÊNCIA MECÂNICA AUMENTA QUANDO O PRODUTO É AQUECIDO EM ALTAS TEMPERATURAS: REAÇÕES TERMOQUÍMICAS
ALTA DUREZA
ALTA FRAGILIDADE
ESTRUTURA CRISTALINA COMPLEXA
ELEVADO PONTO DE FUSÃO
BOM ISOLANTE TÉRMICO E ELÉTRICO
MATÉRIA PRIMA DE CUSTO RELATIVAMENTE BAIXO
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COMPORTAMENTO MECÂNICO
EFEITO DE TENSÕES EM METAIS E EM CERÂMICAS
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COMPORTAMENTO TÉRMICO
ÔNIBUS ESPACIAL: NA REENTRADAS, SUPERFÍCIE ATINGE TEMPERATURAS SUPERIORES A 1.000 oC.
PROTEÇÃO TÉRMICA É FEITA COM PLACAS CERÂMICAS DE FIBRAS DE QUARTZO. EFICIÊNCIA TÉRMICA DESSAS PLACAS: 10 s APÓS SUA RETIRADA DE UM FORNO A 1260 oC É POSSÍVEL TOCÁ-LAS COM AS MÃOS.
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NATUREZA DAS CERÂMICAS
MATERIAIS CERÂMICOS SÃO SUBSTÂNCIAS INORGÂNICAS, NÃO-METÁLICAS CONSTITUÍDAS DE ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS VARIAM EM FUNÇÃO DE SUAS LIGAÇÕES QUÍMICAS
EM GERAL, MATERIAIS CERÂMICOS USADOS INDUSTRIALMENTE SE DIVIDEM EM DOIS GRUPOS:
CERÂMICAS TRADICIONAIS
CERÂMICAS AVANÇADAS
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EVOLUÇÃO DAS CERÂMICAS
ATÉ A METADE DO SÉCULO XX, OS MATERIAIS CERÂMICOS ENVOLVIAM APENAS PRODUTOS TRADICIONAIS, COMO TIJOLOS, AZULEJOS, LOUÇA, VIDROS E REFRATÁRIOS
COMPREENSÃO DA NATUREZA INTERNA DESSES MATERIAIS, ALIADA A NOVOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO PERMITIU APLICAÇÕES EM INDÚSTRIAS AVANÇADAS: AEROESPACIAL, DE COMUNICAÇÕES, ELETRÔNICA, MÉDICA
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APLICAÇÕES DE MATERIAIS CERÂMICOS
CER
ÂM
ICA
S TR
AD
ICIO
NA
IS
CER
ÂM
ICA
S A
VAN
ÇA
DA
S
TIJOLOSTELHASLOUÇAS
AZULEJOSVIDROS
JOIAS ARTIFICIAIS
PEDRAS SINTÉTICASDIAMANTEARTIFICIAL
COMPONENTES PARA SISTEMAS
NUCLEARESSUPERCONDUTORES
OSSOS ARTIFICIAIS
DENTESARTICULAÇÕES
SENSORESSEMICONDUTORES
CIRCUITOS INTEGRADOS
OSCILADORESCAPACITORES
BATERIAIS
FIBRAS ÓPTICASMONITORESLÂMPADAS
MATERIAIS PARA POLIMENTOMATERIAIS ABRASIVOS
MATERIAIS PARA CORTE E
USINAGEM
TECNOLOGIA
MOTORES DE AUTOS
TURBINAS A GÁSTURBO-
COMPRESSORES
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APLICAÇÕES DE MATERIAIS CERÂMICOS
CER
ÂM
ICA
S TR
AD
ICIO
NA
IS
CER
ÂM
ICA
S A
VAN
ÇA
DA
S
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PROCESSAMENTO DAS CERÂMICAS
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS É FEITO PELA COMPACTAÇÃO DE PÓS OU PARTÍCULAS E AQUECIDO A TEMPERATURAS APROPRIADAS
PREPARAÇÃO DO MATERIAL: MATÉRIA-PRIMA DEVE TER TAMANHO DE PARTÍCULA CONTROLADO
MOLDAGEM: PODE SER FEITA A SECO, A ÚMIDO OU PLÁSTICA
SECAGEM: PRODUTO CONFORMADO É SUBMETIDO À SECAGEM PARA ELIMINAÇÃO DE ÁGUA OU/E LIGANTES
SINTERIZAÇÃO: PRODUTO CONFORMADO É SUBMETIDO A TRATAMENTO TÉRMICO PARA DENSIFICAÇÃO
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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS
MATÉRIA PRIMA
TRADICIONAIS
AVANÇADAS
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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS
TRADICIONAIS
CONFORMAÇÃO/SINTERIZAÇÃO
AVANÇADAS
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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS
PRODUTOS
TRADICIONAIS
AVANÇADAS
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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS
MICROESTRUTURA
TRADICIONAIS
AVANÇADAS
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CERÂMICAS TRADICIONAIS
SÃO CONSTITUÍDAS BASICAMENTE DE:
ARGILA: Al2O3-SiO2-H2O COM OUTROS ÓXIDOS (TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O)
SÍLICA: SiO2
FELDSPATO: K20-Al2O3-6SiO2
PRODUTOS ESTRUTURAIS COMO TIJOLOS E PISOS TÊM OS TRÊS COMPONENTES
CERÂMICAS BRANCAS COMO AS PORCELANAS E PEÇAS SANITÁRIAS TAMBÉM TÊM OS TRÊS COMPONENTES, MAS O TEOR DE FELDSPATO É CONTROLADO
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CERÂMICAS AVANÇADAS
SÃO CONSTITUÍDAS BASICAMENTE DE:ÓXIDOS: Al2O3
CARBETOS: SiCNITRETOS: Si3N4
Al2O3: DESENVOLVIDA COMO MATERIAL REFRATÁRIO, ATUALMENTE TEM DIVERSOS USOS – VELAS DE IGNIÇÃOSiC: É MUITO DURO, TEM ALTA RESISTÊNCIA À OXIDAÇÃO E É USADO COMO REFORÇO EM COMPÓSITOS COM METAIS OU CERÂMICOS Si3N4: DENTRE OS MATERIAIS CERÂMICOS, É O QUE EXIBE MELHOR CONJUNTO DE PROPRIEDADES E É USADO EM COMPONENTES DE MOTORESZrO2: ZIRCÔNIA PURA É POLIMÓRFICA E SE TRANSFORMA DE TETRAGONAL PARA MONOCLÍNICA EM 1170 OC, CAUSANDO EXPANSÃO DE VOLUME E TRINCAS. COMBINANDO ZrO2 COM Y2O3
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CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS
110 – 10.000CUSTO
11 – 1.000RESISTÊNCIA
MICROSCOPIA ÓPTICA
MICROSCOPIA ELETRÔNICA
ANÁLISE
COM FASE VÍTREASEM FASE VÍTREASINTERIZAÇÃO
POUCO CONTROLADA
ALTAMENTE CONTROLADA
CONFORMAÇÃO
POUCO CONTROLADO
ALTAMENTECONTROLADO
TIPO DE PÓ
0,5 – 1.000 µm1,0 µmPARTÍCULAS
NATURALSINTÉTICAMATÉRIA PRIMA
TRADICIONAISAVANÇADASCARACTERÍSTICA
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LIGAÇÕES QUÍMICAS EM CERÂMICAS
ESTRUTURAS EM CERÂMICAS DEPENDEM DO TIPO DE LIGAÇÃO QUÍMICA PREDOMINANTE
ALTAS DUREZAS E ELEVADAS TEMPERATURAS DE FUSÃO RESULTAM DA NATUREZA DESSAS LIGAÇÕES
CERÂMICAS EXIBEM COMBINAÇÃO DE LIGAÇÕES COM CARÁTER IÔNICO E COVALENTE E O TIPO DE ESTRUTURA CRISTALINA DEPENDE DO QUANTIDADE DESSAS LIGAÇÕES
1.605TiO22.500SiC1.900Si3N42.798MgO1.715SiO22.850WC2.050Al2O33.120TiC2.450B4C4.150HfC
TFUSÃO (oC)COMPOSTOTFUSÃO (oC)COMPOSTO
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CARÁTER DA LIGAÇÃO EM CERÂMICAS
FRAÇÃO DO CARÁTER IÔNICO OU COVALENTE DEPENDE DA DIFERENÇA DE ELETRONEGATIVIDADE DOS ÁTOMOS ENVOLVIDOS
CÁLCULO DO % DO CARÁTER IÔNICO É FEITO DE ACORDO COM A EQUAÇÃO DE PAULING:
XA – ELETRONEGATIVIDADE DO ÁTOMO A
XB – ELETRONEGATIVIDADE DO ÁTOMO B
( )%100.e1IÔNICOCARÁTER%
2BXAX41
−=
−−
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CARÁTER DA LIGAÇÃO EM CERÂMICAS
COMPOSTOS CERÂMICOS DE ALTO % DE CARÁTER IÔNICO EXIBEM ESTRUTURA QUE DEPENDE DO TAMANHO RELATIVO DOS ÍONS E DA NECESSIDADE DE BALANÇO ELETROSTÁTICO
COMPOSTOS CERÂMICOS DE ALTO % DE CARÁTER COVALENTE EXIBEM ESTRUTURA QUE DEPENDE DA DIRECIONALIDADE DAS LIGAÇÕES
89110,7Si-CSiC
70301,2Si-NSi3N4
49511,7Si-OSiO2
37632,0Al-OAl2O3
27732,3Mg-OMgO
%COVALENTE
%IÔNICA
∆ELETRONEG.
ÁTOMOCOMPOSTO
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ESTRUTURAS CRISTALINAS DE CERÂMICAS
ESTRUTURAS BASEIAM-SE NAS ESTRUTURAS CRISTALINAS PRINCIPAIS, ONDE A OCUPAÇÃO DAS CÉLULAS É PARCIAL INTERSTÍCIOS
F.E.=0,74F.E.=0,74F.E.=0,68F.E.=0,52
HCCFCCCCCS
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OCUPAÇÃO DE INTERSTÍCIOS
CÁTION DA LIGAÇÃO LOCALIZA-SE NOS INTERSTÍCIOS DO ARRANJO FORMADO PELOS ÂNIONS
ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS É BASEADA NO NÚMERO DE COORDENAÇÃO DE ÍONS INTERSTICIAIS
≥0,732≥0,414≥0,225≥0,155r/R8643N.C
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RAIOS IÔNICOS
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EXERCÍCIO
DETERMINE A RELAÇÃO IDEAL r/R PARA NÚMERO DE COORDENAÇÃO IGUAL A 3
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EXERCÍCIO
DETERMINE A RELAÇÃO r/R PARA NOS COMPOSTOS IÔNICOS CsCl E NaCl
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ESTRUTURA DO CLORETO DE CÉSIO
O CLORETO DE CÉSIO CONSISTE DE ÍONS Cl- OCUPANDO POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CS ENQUANTO O O Cs+ OCUPA O INTERSTICIO CENTRAL. O N.C. DESSA ESTRUTURA É 8
EXEMPLOS: AgMg, LiMg, AlNi
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EXERCÍCIO
DETERMINE A DENSIDADE E FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA O COMPOSTO CsCl
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ESTRUTURA DO SAL-GEMA
SAL-GEMA OU NaCl É A ESTRUTURA MAIS COMUM NAS CERÂMICAS. ESSA ESTRUTURA TEM N.C.=6. OS ÍONS CL- OCUPAM POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC ENQUANTO OS ÍONS Na+ OCUPAM POSIÇÕES INTERSTICIAIS OCTAÉDRICAS
EXEMPLOS: LiF, MnS, MgO
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EXERCÍCIO
DETERMINE A DENSIDADE E FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA O COMPOSTO NaCl
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ESTRUTURA DA BLENDA DE ZINCO
A BLENDA DE ZINCO OU ESFALERITA TEM N.C.=4, ONDE O Zn OU O S OCUPAM POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC ENQUANTO O S OU O Zn OCUPAM INTERSTÍCIOS TETRAÉDRICOS
DE ACORDO COM A EQUAÇÃO DE PAULING, A LIGAÇÃO Zn-S TEM 87% DE CARÁTER COVALENTE
EXEMPLOS: CdS, InAs, InSb, SiC
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EXERCÍCIO
DETERMINE A ESTRUTURA DO FeO
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EXERCÍCIO
DETERMINE A DENSIDADE DO SULFETO DE ZINCO. ASSUMA QUE SUA ESTRUTURA CONSISTE DE ÍONS, ONDE O RAIO IÔNICO DO Zn2+ É 0,060 nm E DO S2- É 0,174 nm
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ESTRUTURA DA FLUORITA
FLUORITA TEM FÓRMULA CaF2 COM ESTRUTURA FORMADA PELO POSICIONAMENTO DOS ÍONS Ca2+ NAS POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC E OS ÍONS F- NOS 8 INTERSTÍCIOS TETRAÉDRICOS
APLICAÇÃO: O UO2 TEM ESTRUTURA DA FLUORITA E É USADO COMO COMBUSTÍVEL NUCLEAR
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EXERCÍCIO
DETERMINE A DENSIDADE DO UO2., QUE TEM A ESTRUTURA DA FLUORITA, ONDE O RAIO IÔNICO DO U4+ É 0,105 nm E DO O2- É 0,132 nm.
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ESTRUTURA DA PEROVSKITA
A PEROVSKITA CONSISTE DO COMPOSTO CaTiO3 ONDE o íon Ca2+ E O O2- FORMAM UMA CÉLULA CFC (Ca2+ NOS VÉRTICES E O2- NAS FACES) O ÍON Ti4+ SE POSICIONA NO INTERSTÍCIO OCTAÉDRICO NO CENTRO DA CÉLULA.
APLICAÇÃO: MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS
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ESTRUTURA DO CORUNDUM
O CORUNDUM OU ALUMINA, Al2O3, EXIBE ESTRUTURA ONDE O OXIGÊNIO (O2-)LOCALIZA-SE NAS POSIÇÕES DE UMA CÉLULA HC. EM ALGUNS DOS INTERSTÍCIOS OCTAÉDRICOS DESSA CÉLULA SÃO OCUPADOS PELO ALUMÍNIO (Al3+)
APLICAÇÃO: MATERIAL REFRATÁRIO
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ESTRUTURA DO ESPINÉLIO
DIVERSOS ÓXIDOS EXIBEM ESTRUTURA DO ESPINÉLIO OU MgAl2O4 COM FÓRMULA GERAL AB2O4, ONDE A É UM ÍON METÁLICO COM VALÊNCIA +2, B É UM ÍON METÁLICO DE VALÊNCIA +3.
APLICAÇÕES: MATERIAIS MAGNÉTICOS NÃO-METÁLICOS
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ESTRUTURA DO ESPINÉLIO
LiMn2O4
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ESTRUTURA DO GRAFITE
O GRAFITE É UMA VARIAÇÃO POLIMÓRFICA DO CARBONO E NÃO É UM COMPOSTO DE UM METAL E UM NÃO-METAL. APESAR DISSO ESSE MATERIAL É ALGUMAS VEZES CONSIDERADO COMO UMA CERÂMICA.
APLICAÇÕES: ESTRUTURA EM CAMADAS PERMITE SEU USO COMO LUBRIFICANTE