18a_aula_fase_ceramica (1)

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FASES CERÂMICAS E 
SUAS PROPRIEDADES 
Bauru, outubro de 2012 
1 
FASES CERÂMICAS 
 Compostos de elementos metálicos e não 
metálicos 
 
 Ligação iônica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
 
(a)Muitas combinações 
possíveis de átomos 
metálicos e não 
metálicos 
(b)Existência de vários 
arranjos estruturais 
diferentes para a 
mesma combinação 
 
 
 
FASES CERÂMICAS 
 Exemplos de Materiais Cerâmicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
• MgO – refratário, suporta temperaturas 
elevadas 
• Argila – Al2Si2O5(OH)4, forma uma estrutura 
cristalina 
 
 
Figura 1: Materiais cerâmicos: um dos três grandes grupos de materiais utilizados em engenharia.
FASES CERÂMICAS 
 Comparação entre as Fases Cerâmicas e 
Não Cerâmicas 
• Possui estrutura cristalina 
• Não contém muitos elétrons livres 
• Ligações iônicas estabilidade alta 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
• Temperatura de fusão superior a dos metais 
e orgânicos 
• Mais duros e resistentes à alteração química 
• Isolantes 
• Condutores de eletricidade em temperatura 
altas 
• São transparentes e conduzem mal o calor 
 
 
FASES CERÂMICAS 
 Comparação entre as Fases Cerâmicas e 
Não Cerâmicas 
 
• Características cristalinas: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
• Mica apresenta planos de clivagem 
• Escorregamento plástico 
• Desenvolvimento de cristais de faces planas 
• Amianto apresenta cadeia linear 
• Micas e argila tem estrutura bidimensional 
• Estruturas cristalinas mais complexas 
 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas 
 
• Acomoda diferentes espécies de átomos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
metal sódio 
e não metal 
cloro 
 
Os números assinalam a 
localização, em profundidade dos 
átomos: 
0 = face superior 
½ = metade da célula 
1 = face inferior 
 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas 
 
 Exemplo: considerando a célula unitária da 
fluorita (CaF2): (a) quantos átomos cada célula 
unitária possui? (b) qual a massa de cada célula 
unitária? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
0 = face superior 
½ = metade da célula 
¼ e ¾ = interior da célula 
1 = face inferior 
 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Compostos de Empacotamento Fechado 
 
 Compostos AX – estruturas cúbica simples 
com átomos pequenos colocados no centro 
do cubo aumento do empacotamento 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
• Estruturas com átomos de 2 
tamanhos 
• Um cátion A e um ânion X 
 
Cloreto de césio 
Razão dos raios=1,65/1,81=0,9 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Compostos de Empacotamento Fechado 
 
 Compostos AX 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 
Estrutura CFC de 
ânions com cátions 
preenchendo os 
interstícios octaédricos 
Exemplos: NaCl, MgO, 
LiF, MnS, CaO, AgCl 
 
CFC 
 
AX 
 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Compostos de Empacotamento Fechado 
 
 Compostos AX – arranjos HC e CFC 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 10 
Vazios intersticiais nas estruturas HC e CFC: 
-vazios tetraédricos = 4 átomos vizinhos 
-vazios octaédricos = 6 átomos vizinhos 
 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Compostos de Empacotamento Fechado 
 
 Compostos AX 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11 
(a)NC = 8 
(b) NC = 6 
(c)Estrutura cúbica 
(d)Estrutura hexagonal 
 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Compostos de Empacotamento Fechado 
 
 Compostos AX – exemplo: o MnS normalmente 
possui a mesma estrutura que o MgO e o NaCl, 
entretanto, sob condições favoráveis, pode-se 
obter uma estrutura análogo ao ZnS cúbico 
(a=4(r+R)). Determine a densidade do MnS e, 
cada caso. 
 
Admitir que o tamanho dos átomos, quando com 
NC = 4, é 94% do mesmo com NC = 6 
• Raio atômico Mn: 0,91 (NC=6) 
• Raio atômico S: 1,74 (NC=6) 
 
 
 
 
 
 
 
 
12 
MgO 
NaCl 
ZnS 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Compostos de Empacotamento Fechado 
 
 Compostos AmXn – arranjo CFC de cátions 
com ânions ocupando todos os interstícios 
tetraédricos, dando para o cátion um NC de 
oito e para o ânion de 4 (CaF2, UO2) 
 
 
 
 
 
 
 
13 
MgO 
NaCl 
ZnS 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Compostos de Empacotamento Fechado 
 
 Compostos ABmXn – composição dos materiais 
magnéticos não metálicos, características 
ferromagnéticas influenciadas pelas posições dos 
cátions 
 
 
 
 
 
 
14 
Estrutura do BaTiO3 cúbico: 
-um íon Ti4+ no centro do 
cubo 
-íons de Ba2+ nos vértices 
-íons de O2- nas faces do 
cubo 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 
• Abundantes e baratos 
• Cimento Portland – ligante hidráulicos 
• Tijolos, telhas, vidros, vidrados, etc. 
• Isolantes elétricos, materiais de laboratório e 
fibra de vidro 
 
 
 
 
 
 
 
15 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Unidades Tetraédricas Silicato – átomos 
fortemente ligados (forças intermediárias 
entre ligações covalentes e iônicas) 
 
 
 
 
 
 
 
 
16 
Arranjo tetraédrico do SiO4: 
-um átomo de Si é cercado por 4 O 
-cada íon SiO4
-4 deve obter quatro 
elétrons de fontes externas 
-cada oxigênio possui apenas sete 
elétrons na camada mais externa 
(1)Um elétrons pode ser obtido de 
outros átomos metálicos 
(2)Cada O pode compartilhar um 
par de elétron com um segundo 
átomo de Si 
 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Unidades Tetraédricas Silicato – Exemplo 
Se o arranjo dos átomos de oxigênio na forsterita 
(Mg2SiO4) tem o mesmo número de interstícios 
tetraédricos e octaédricos que tem o MgO, que 
fração destes interstícios está ocupada? 
 
 
 
 
 
 
 
Mg: interstícios octaédricos 
Si: interstícios tetraédricos 
 
 
 
 
 
 
 
 
17 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Unidades Tetraédricas Duplas – a deficiência 
de elétrons é superada com a produção de 
unidades tetraédrica dupla 
 
 
 
 
 
 
 
 
18 
Unidade tetraédrica dupla: 
-um dos oxigênios é compartilhado por dois tetraedros 
-oxigênio central recebe um elétron de cada silício 
adjacente (metal adjacente) 
-as unidades são mantidas em posições rígidas pela 
atração mútua com cátions metálicos 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estrutura em Cadeia 
 
 
 
 
 
 
 
19 
Cadeia simples de 
tetraedros SiO4 
-os átomos laterais e de 
topo devem receber 
elétrons de íons positivos 
adjacentes 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estrutura em Cadeia 
 
 
 
 
 
 
20 
Cadeia dupla 
-cadeias unidas por 
ligações iônicas 
-ligações covalentes 
dentro da cadeia são mais 
fortes 
-fratura ocorre paralela à 
cadeia 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estrutura em Cadeia – exemplo 
Calcular o número de ligações iônicas entre 
cadeias, por mícron de comprimento, na figura 
abaixo. 
 
Dado: distância entre doisátomos adjacente de Si = 
3Å 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estrutura em Camadas – arranjo das unidades 
tetraédricas segundo um plano (argila, talco e 
micas) 
 
 
 
 
 
 
 
 
22 
Vista Projetada 
Vista 
Tetraédrica 
Vista Explodida 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estrutura em Camada 
• Plasticidade das argilas: deslizamento fácil, pois há 
fortes ligações ao longo das camadas, mas interações 
entre camadas é fraca 
 
 
 
 
 
 
23 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estrutura em Camadas – estrutura do hidróxido 
de magnésio 
 
 
 
 
 
 
 
 
24 
Vista Projetada 
Coordenação 
octaédrica 
Vista Ampliada 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estrutura em Camadas – estrutura Al(OH)3 – 
apenas dois terços das posições catiônicas são 
ocupadas 
 
 
 
 
 
 
 
25 
Vista Projetada 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estrutura em Camadas – estrutura da caulinita – 
combinação das outras 2 estruturas 
 
 
 
 
 
 
 
26 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estruturas Tridimensionais – repetição das 
unidades tetraédricas nas três direções 
• Cada oxigênio está compartilhado por dois tetraedros 
adjacentes 
 
 
 
 
 
 
27 
Cristobalita – forma 
polimórfica do SiO2 e ZnS 
-empacotamento pequeno 
-densidade baixa 
Tridimita – forma polimórfica 
do SiO2 e ZnS 
 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estruturas Tridimensionais –exemplo 
Comparar os fatores de empacotamento atômico da 
cristobalita – SiO2 (ρ = 2,32 g/cm
3) com o do 
quartzo (ρ = 2,65g/cm3) 
 
Admitir que os átomos sejam esféricos e que, na estrutura, 
suas dimensões coincidam com os raios iônicos 
• Raio atômico Si = 0,39Å 
• Raio atômico O = 1,32Å 
 
 
 
 
 
 
 
cristobalita 
 
 
 
 
 
 
28 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
• Estruturas Vítreas – estrutura tridimensional com 
ligações covalentes 
 
 
 
 
 
 
29 
Sílica vítrea 
• Unidades de SiO4 
• Cada O é compartilhado por 
2 tetraedros 
Sílica cristalina 
Mesmo arranjo a 
curta distância 
FASES CERÂMICAS 
 Estrutura Cristalina das Fases Cerâmicas – 
Estrutura dos Silicatos 
 Estruturas Vítreas – se ajusta facilmente à 
presença de outros átomos 
 
 
 
 
 
 
30 
Vidro de sílica e soda 
• Estrutura tridimensional mais iônica 
• Cátions de sódio fornecem um elétron para os 
oxigênios ligados a apenas um silício 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 
• Condutividade elétrica baixa 
• Utilizados como isolantes 
• Propriedades dielétricas 
• Propriedades magnéticas 
 
arranjo de cátions e dos seus elétrons 
• Propriedades mecânicas 
 
ligações iônicas, covalentes e de van der Waals 
 
 
 
 
 
 
31 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Materiais Cerâmicos Dielétricos 
• Isolantes elétricos 
 
 Eletricamente inertes 
• Partes funcionais de um circuito elétrico 
 
Interação entre o campo elétrico e as cargas dentro 
da estrutura do material 
 
 
 
 
 
 
32 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Materiais Cerâmicos Dielétricos – 
Isolantes elétricos 
• Projetados a terem caminhos na superfície o mais 
longo possível 
 
 vitrificadas e não absorventes 
 
 
 
 
 
33 
Deslocamento 
iônico em um 
campo elétrico 
(a)Sem campo 
externo 
(b)Com campo 
externo 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Materiais Cerâmicos Dielétricos – 
Isolantes elétricos 
• Constante dielétricas – elevada em frequência 
baixa devido ao deslocamento de íons no campo 
elétrico 
 
 
 
 
 
 
34 
(a)Sílica fundida a 100 °C 
(b)Sílica fundida a 400 ° C 
(c)AlSiMag a 150 ° C 
(d)Porcelana de ZrO2 
(e)Al2O3 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Materiais Cerâmicos Dielétricos – 
Materiais Cerâmicos Ferrelétricos 
 
 
 
 
 
 
35 
BaTiO3 cúbica 
na temperatura 
ambiente 
BaTiO3 
tetragonal 
a 120 °C 
Centro da 
carga positiva 
não coincide 
com o negativo 
Baixa 
energia 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Materiais Cerâmicos Dielétricos – 
Materiais Cerâmicos Ferrelétricos 
• Ferreletricidade: propriedade de alinhamento dos 
dipolos elétricos 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Os ferroelétricos são materiais dielétricos, materiais que 
não conduzem corrente elétrica, portanto, não há 
portadores de carga livre que possam se deslocar pelo 
material com a aplicação de um campo elétrico externo 
 
 
 
 
 
36 
Domínio ferrelétrico 
• Células unitárias 
interagem de forma a 
possuírem polaridades 
semelhantes 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Materiais Cerâmicos Dielétricos – 
Materiais Cerâmicos Piezelétricos – um 
campo elétrico provoca variações dimensionais 
• Há também a conversão de energia mecânica em 
elétrica 
 
 
 
 
 
37 
Exemplo: transdutores – produzem ondas 
sonoras de alta frequência e na sintonização 
de circuitos elétricos 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Semicondutores Cerâmicos – presença de 
elementos multivalentes de transição 
 
 
 
 
 
38 
Semicondutor 
• carga pode ser transportada por um 
elétron se movendo de um íons de ferro 
para outro 
• Equivale a uma troca de posições entre os 
íons Fe2+ e Fe 3+ 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Comportamento Mecânico dos Materiais 
Cerâmicos – apresentam alta resistência ao 
cisalhamento e baixa resistência à tração 
• Fratura Frágil 
 
 
 
 
 
39 
Mecanismos de escorregamento 
(a) Metais monoatômicos 
(b) Materiais cerâmicos biatômicos 
• No MgO necessita-se de uma força maior para deslocar os 
átomos, pois as forças repulsivas se tornam significativas 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Comportamento Mecânico dos Materiais 
Cerâmicos – apresentam alta resistência ao 
cisalhamento e baixa resistência à tração 
 
• Fratura Frágil – ausência de escorregamento 
 
- Materiais não dúcteis 
- Podem ser solicitados por tensões de compressão 
altas 
- Limite de resistência à tração alto (teoricamente) 
 
 
 
 
 
40 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Comportamento Mecânico dos Materiais 
Cerâmicos – deformação plástica das 
estruturas em camadas 
 
 
 
 
 
41 
Adsorção de água pela 
argila: 
• Essa adsorção de Van 
der Waals facilita o 
escorregamento 
• Torna a argila úmida 
extremamente plástica 
FASES CERÂMICAS 
 Efeito da Estrutura no Comportamento 
das Fases Cerâmicas 
 Comportamento Mecânico dos Materiais 
Cerâmicos – deformação viscosa do vidro 
 
 
 
 
 
42 
Escoamento viscoso no vidro 
-apenasalgumas ligações mais fortemente 
tensionadas são rompidas simultaneamente 
FASES CERÂMICAS E 
SUAS PROPRIEDADES 
43 
FASES CERÂMICAS 
 Exercícios 
 
Calcule a densidade do NaCl a partir do 
conhecimento da sua estrutura cristalina, dos 
raios iônicos dos íons Na+ e Cl-, e das massa 
atômicas do Na e do Cl. 
 
Raio iônico: Na+=0,102nm, Cl-=0,180nm 
Massa atômica: Na=22,9g/mol, Cl=35,45g/mol 
 
 
 
 
 
44 
Cl 
Na