Apresentação 4 - Cerâmicas

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Ciência dos Materiais
PARTE 4 - Cerâmicas
Esquema básico de fabricação de uma porcelana(cerâmica tradicional) 
Argila
Quartzo
Feldspato
Mistura
Adição de 
água
Conformação Secagem
Queima
Decoração
• As cerâmicas surgiram há mais de 9000 anos.
• A palavra “cerâmica” se origina da palavra grega “keramikos”, que 
significa material queimado.
• Materiais Cerâmicos são todos os materiais obtidos por cozedura a 
altas temperaturas de matérias-primas naturais (ou artificiais) 
constituídos principalmente por argilas (silicatos de alumínio 
hidratados).
• As peças são queimadas geralmente entre 900ºC e 1400ºC. Esta 
temperatura depende da composição da peça e das propriedades 
desejadas. Durante a queima ocorre um aumento da densidade e da 
resistência mecânica.
Fenômenos que ocorrem na queima
• Eliminação do material orgânico (dispersantes, ligantes, material 
orgânico nas argilas); 
• Decomposição e formação de novas fases de acordo com o diagrama 
de fases (formação de alumina, mulita e vidro a partir das argilas;
• Sinterização (eliminação da porosidade e densificação). Processo pelo 
qual pequenas partículas de material são ligadas umas às outras por 
difusão no estado sólido. O potencial para a sinterização é a 
diminuição da quantidade de superfície por unidade de volume. 
Sinterização
• As cerâmicas são materiais inorgânicos constituídos por elementos 
químicos metálicos e não metálicos que se ligam por meio de ligações 
covalentes e iônicas.
• O óxido de alumínio, ou alumina, é um exemplo de material cerâmico 
composto por alumínio, que é um metal, juntamente com o oxigênio, 
um não metal, cuja fórmula química é Al2O3.
• Outros exemplos de materiais cerâmicos comuns são o dióxido de 
silício (ou sílica, SiO2 ), dióxido de zircônio (ou zircônia, ZrO2 ), carbeto 
de silício (SiC) e nitreto de silício (Si3N4 ).
• As cerâmicas incluem muitos outros compostos, alguns dos quais 
existem naturalmente, enquanto outros são manufaturados.
• Os materiais cerâmicos são duros, possuem rigidez e resistência
comparadas às dos metais, entretanto, são frágeis, ou seja,
apresentam baixa resistência a esforços de tração, torção, flexão etc.
Praticamente não têm ductilidade. Contudo, as cerâmicas são mais
resistentes a altas temperaturas e ambientes severos do que os
polímeros e os metais, e são materiais tipicamente isolantes térmicos
e elétricos (CALLISTER JR; RETHWISCH, 2016).
Obs: dureza é uma das características dos materiais que está
intimamente vinculada com a ligação dos átomos que formam esse
material. A dureza pode ser entendida como a facilidade que um
material tem de riscar ou penetrar em outro.
1. Extremamente duras e frágeis; 
2. Resistentes à compressão;
3. Resistentes à corrosão química; 
4. Isolantes elétricos, térmicos e radioativos; 
5. Suportam altas temperaturas; 
6. Sensíveis ao impacto;
7. Superfície porosa; 
8. Baixa resistência à tração; 
9. Baixa dilatação térmica comparada com os metais e polímeros;
10.Matéria prima de custo baixo. 
Características das cerâmicas
Algumas aplicações mais recentes: 
Blindagem térmica com placas de Carboneto de silício no revestimento dos 
ônibus espaciais, para proteger a estrutura interna de alumínio. 
Nitreto de silício: Utilização em ferramentas de corte por sua alta 
resistência a choques térmicos e à fratura.
Principais desvantagens: 
São difíceis de serem transformados em produtos acabados;
Por serem quebradiços e com baixa resistência à fratura em comparação 
aos metais. 
Evolução Tecnológica das cerâmicas
• Uma vez que as cerâmicas são compostas por pelo menos dois 
elementos, frequentemente por mais, suas estruturas cristalinas são, em 
geral, mais complexas do que as dos metais. 
• A ligação atômica nesses materiais varia desde puramente iônica até 
totalmente covalente. Muitas cerâmicas exibem uma combinação 
desses dois tipos de ligação, sendo o grau de natureza iônica 
dependente das eletronegatividades dos átomos.
MATERIAL PERCENTUAL DE NATUREZA IÔNICA
CaF2 89%
MgO 73%
NaCl 67%
Al2O3 63%
SiO2 51%
Si3N4 30%
ZnS 18%
SiC 12%
1- Cerâmicas à base de silicatos 
(cerâmicas tradicionais)
Os silicatos são materiais 
compostos principalmente por 
silício e oxigênio, os dois 
elementos mais abundantes na 
crosta terrestre.
Consequentemente, a maior 
parte dos solos, rochas, argilas e 
areia enquadram-se na 
classificação de silicatos. 
• As argilas são as matérias-primas mais usadas nas cerâmicas. Elas são 
constituídas por finas partículas de silicato hidratado de alumina, que se 
tornam plásticas com adição de água, ficando moldáveis e 
conformáveis. As argilas mais comuns são as do mineral caulinita 
(Al2Si2O5(OH)4).
• A sílica está disponível na natureza em várias formas, sendo a mais 
importante o quartzo, cuja principal fonte é a areia.
• O feldspato é outro mineral com frequência usado. O termo feldspato 
se refere a qualquer dos diversos minerais cristalinos que contenham 
silicato de alumínio combinado com potássio, sódio, cálcio ou bário.
• Outra matéria-prima importante para as cerâmicas tradicionais é a 
alumina. A maior parte da alumina é processada a partir da bauxita. A 
alumina é usada com frequência nos tijolos refratários. Outros materiais 
refratários são o MgO e CaO. 
• O material abrasivo usado em rebolos de esmeril á composto por 
alumina (Al2O3)e carbeto de silício (SiC).
Produtos estruturais à base de argila: tijolos, azulejos, tubulações de 
esgoto, aplicações nas quais a integridade estrutural é importante.
Louças brancas: tornam-se brancas após a queima em temperatura 
elevada. Ex: Porcelanas, louça de mesa e louça sanitária.
Cerâmicas Vermelhas
Argila Vermelha = Óxido de Ferro 
Tipos 
1. Magras: Mais Quartzo: baixa plasticidade 
2. Gordas: Mais umidade: alta plasticidade 
Características:
Alta porosidade, absorção de água, baixa resistência ao impacto, boa 
resistência à compressão, alta resistência a choques térmicos, baixa 
expansão térmica, elevada resistência química, bom isolamento 
elétrico.
Cerâmicas Brancas
Grês sanitários e porcelanas.
Tipos pelo tipo de queima:
1. Porcelanas: menor porosidade e aparência vitrificada. Alta dureza, 
resistência a altas temperaturas, bom isolante elétrico, baixa 
expansão térmica e alta resistência a choques térmicos.
2. Grês: baixa absorção, e pode receber tratamento superficial para 
aparência. Relativa resistência ao impacto e alta resistência química.
3. Louças: maior porosidade, queima curta e tratamento superficial 
para aparência. Alta resistência a altas temperaturas, alta resistência 
a choques térmicos, baixa expansão térmica. 
Um diagrama de equilíbrio de fases, assim como nos metais nos mostra 
o estado físico em relação à temperatura de uma combinação 
determinada de compostos.
Diagrama SiO2 – Al2O3
Material refratário
• As propriedades características desses materiais incluem a capacidade
de resistir a temperaturas elevadas sem se fundir ou se decompor, e
sua capacidade em permanecer não reativos e inertes quando
expostos a ambientes severos.
• A habilidade de proporcionar isolamento térmico é uma consideração
importante (ex: ambientes em que caldeiras e fornos se encontram).
• Tijolos são a forma mais comum em que são comercializados.
• Seu desempenho depende em grande parte de sua composição.
• A porosidade é uma variável microestrutural que deve ser controlada
para produzir um tijolo refratário adequado.
• A resistência mecânica, a capacidade de suportar carga e a resistência 
ao ataque por materiais corrosivos aumentam com a redução da 
porosidade.
• Ao mesmo tempo, as características de isolamento térmico e a 
resistência a choques térmicos são diminuídas
• Logo, a porosidade adequada depende das condições de serviço.
Tipos de refratários
• Refratários silicoaluminosos: compostos por argilas refratárias de alta 
pureza. Maior temperatura possóvel sem fase líquidaé de 1587ºC. 
Resistência não é uma propriedade essencial. Ex: fornos. 
• Refratários à base de sílica: sílica é o principal componente. Suporta até 
1650ºC. Uso nos tetos em arco dos fornos para fabricação de aços.
• Refratários básicos: ricos em periclásio, ou magnésia (MgO). Resistente 
ao ataque de escórias. Uso em fornos de produção e refino de aços.
• Refratários especiais: produzidos com óxidos de alta pureza e 
resultamem um material com muita pouca porosidade.
Materiais cerâmicos refratários comuns
Material Al2O3 SiO2 MgO Cr2O3 Fe2O3 CaO TiO2
Porosidade 
aparente (%)
Argila refratária
25,0-45,0 70,0-50,0 0-1 0 0-1 0-1 1,0 - 2,0 10,0 - 25,0
Argila refratária com alto teor 
de alumina
90,0-50,0 10,0-45,0 0-1 0 0-1 0-1 1,0 - 4,0 18,0 - 25,0
Sílica
0,2 96,3 0,6 0 0 2,2 0 25,0
Periclásio
1,0 3,0 90,0 0,3 3,0 2,5 0,0 22,0
Minério de periclásio-cromo
9,0 5,0 73,0 8,2 2,0 2,2 0,0 21,0
2 - Cerâmicas avançadas
• São materiais cerâmicos que foram sintetizados nas últimas décadas.
• São obtidas através técnicas de processamento mais avançadas, por isso, 
diferem mais das cerâmicas tradicionais devido ao processamento do 
que devido à matéria-prima. A alumina, por exemplo, é hoje em dia 
produzida sinteticamente a partir da bauxita, usando fornos elétricos.
• Por meio do controle do tamanho das partículas e das impurezas, e pela 
mistura com quantidades pequenas de outras cerâmicas, a resistência e 
a tenacidade da alumina são substancialmente melhoradas quando 
comparadas com a alumina natural.
• Os carbetos incluem o WC (de tungstênio), TiC (de titânio), TaC (de 
tântalo) e Cr3C2 (de cromo). São reconhecidos por sua dureza e 
resistência ao desgastes em ferramentas de corte. O WC é o mais 
importante e mais amplamente usado desse grupo. Eles devem ser 
combinados com um ligante metálico como o cobalto ou níquel para a 
fabricação de peças sólidas úteis. Suas peças são obtidas através da 
metalurgia do pó.
• As cerâmicas avançadas incluem materiais que são usados em sistemas 
microeletromecânicos , assim como os nanocarbonos (fullerenos, 
nanotubos de carbono e grafeno).
Classificação quanto à pureza
As aplicações são baseadas em propriedades mais específicas: 
– elétricas 
• sensores de temperatura (NTC, PTC) 
• ferroelétricos (capacitores, piezoelétricos) 
• varistores (resistores não lineares) 
• dielétricos (isolantes)
– térmicas
– químicas 
• sensores de gases e vapores
– magnéticas 
– ópticas 
– biológica
3 - Vidros
• Material cerâmico transparente geralmente obtido com o 
resfriamento de uma massa líquida à base de sílica. São considerados 
líquidos super resfriados.
• Principal óxido: SiO2 (óxido de silício, ou sílica) 
• A razão pela qual a sílica é tão empregada nessas composições se deve 
ao fato de se transformar de maneira natural para o estado vítreo 
durante o resfriamento do líquido, enquanto a maioria das cerâmicas 
cristalizam ao solidificarem.
• Outros óxidos: CaO, Na2O, K2O e Al2O3
• No resfriamento, não ocorre cristalização (ordenação dos íons em 
uma estrutura cristalina). Quando o líquido é resfriado, aumenta a sua 
viscosidade (e diminui o seu volume) até que a viscosidade aumente 
tanto que o material comece a apresentar o comportamento 
mecânico de um sólido.
• Não existe uma temperatura de fusão cristalina, mas uma 
temperatura de transição vítrea ( Tg ) 
• A temperatura de transição vítrea é definida como a temperatura 
(cerca de 1.300°C) que separa o comportamento sólido do líquido em 
um sólido amorfo como o vidro. 
Vimos que uma fase cristalina tem arranjo atômico definido, repetitivo e 
longo. Uma fase amorfa tem ordem apenas em pequenas distâncias.
Como as fases amorfas não têm ordem em grandes distâncias, seus arranjos 
atômicos são menos definidos e permitem maiores diferenças na 
composição que as fases cristalinas.
A maior parte dos vidros industriais comuns são compostos de: 
• 72% de Areia (óxidos e carbonatos de silício, cálcio e sódio); 
• 11% Calcário;
• 14% Carbonato de sódio (barrilha ou soda); 
• 2% Alumina; 
• 1% Corantes. 
Composições típicas de produtos de vidros selecionados
Sílica cal-soda
Boro-silicato
Vycor
Suporta temperaturas de 
até 1200ºC por curto 
período ou 900º por 
períodos longosPyrex – boro-silicato
Têmpera
• Processo de aquecimento e resfriamento graduais para aumento da
resistência a altas temperaturas.
• O vidro temperado, quando fraturado, se fragmenta em pequenos
pedaços, com arestas menos cortantes que o vidro comum.
• Tem resistência mecânica cerca de quatro a cinco vezes superior à do
vidro comum Depois de acabado, não permite novos processamentos
de cortes, furos ou recortes
Fibra de vidro
• Pode tanto referir-se à própria fibra como ao material
compósito polímero reforçado com fibra de vidro (PRFV), que é
popularmente conhecido pelo mesmo nome.
• É um material composto da aglomeração de finíssimos filamentos
de vidro, que não são rígidos, altamente flexíveis e
resina poliéster (ou outro tipo de resina.
A indústria produz e utiliza dois tipos básicos de Fibras de Vidro: 
• Lã de Vidro com aplicações como isolante térmico e acústico; 
• Fiberglass que é constituído de filamentos de pequenos diâmetros, é 
da maior importância industrial como elemento de reforço de resinas 
plásticas, originando uma nova família de materiais de engenharia.
Propriedades
• Baixo custo de ferramental e equipamentos; 
• Alta resistência à tração, flexão e impacto, sendo muito empregados 
em aplicações estruturais;
• Não conduz corrente elétrica, sendo utilizado também como isolante 
estrutural 
• Não enferruja e tem excepcional resistência a ambientes altamente 
agressivos aos materiais convencionais;
• A resistência química é determinada pela resina e construção do laminado; 
• Custos de manutenção baixos devido à alta inércia química e resistência às 
intempéries;
• Grande resistência o corrosão; 
• Podem-se dimensionar peças em vários tamanhos, sem emendas aparentes, 
com grande estabilidade, com contornos variados e complexos; 
• Pode substituir várias peças de outros materiais; 
• Leve, o peso específico do laminado é ± 1,5g/cm3. 
Tipos de fibra de vidro
Roving: Pode ser usado na fabricação de Piscinas, Banheiras, Telhas, Caixas 
D´Água, Tubulações, Tanques, Perfis Estruturais.
Manta: Utilizada na fabricação de Embarcações, Peças 
Automobilísticas, Perfis, etc.
Fibra Picada: Utilizada na fabricação de Termoplásticos e termofixos 
reforçados em geral.
Tecido: Utilizado para fabricação de Embarcações, Tanques, Peças 
Automobilísticas, Perfis, etc.
Comparação de Fibras
Vitrocerâmicas
• É uma classe de material cerâmico produzido pela conversão do vidro 
vítreo em uma estrutura policristalina por tratamento térmico. Esse 
processo é chamado cristalização.
• A proporção da fase cristalina no produto final varia entre 90% e 98%, 
sendo o restante a fase vítrea que não foi convertida.
• O tamanho do grão é mais reduzido do que os grãos das cerâmicas 
tradicionais. 
• Essa microestrutura cristalina torna as vitrocerâmicas mais resistentes 
do que os vidros de onde são obtidas.
• Devido à sua estrutura cristalina, elas são opacas (cinza, branca), mas 
com tratamento adequado podem ser transparentes.
Processo de fabricação das vitrocerâmicas
Aquecimento e 
moldagem da 
peça como 
vidro 
Taxa de 
resfriamento 
controlada
Formação de 
núcleos 
cristalinos 
(nucleação)
Adição de um 
agente de 
nucleação . Ex: TiO2
Taxa de 
aqueciemnto 
controlada
A presença de um agente de nucleação 
desloca as curvas de transformação para 
tempos mais curtos.
Fabricados sob os nomes comerciais de : Pyroceram, CorningWare, 
Cercor e Vision.
Vantagens: 
• Resistência mecânica relativamente elevada;
• Ausência de porosidade;
• Baixo coeficiente de expansão térmica e alta resistência ao choque 
térmico;
• Boas propriedades dielétricas (para aplicações em encapsulamentode 
componentes eletrônicos)
• Facilidade de fabricação
• São utilizados como peças para irem ao forno, peças para irem à mesa, 
janelas de fornos e tampas de fogões d ecozinha, principalmente por 
sua resistência mecânica e excelente resistência a choques térmicos.