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FUNDAMENTOS 
DE ENGENHARIA
e Ciência
dos Materiais 
William F. SMITH
Javad HASHEMI
S663f Smith, William F.
 Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais 
 [recurso eletrônico] / William F. Smith, Javad Hashemi ; 
 tradução: Necesio Gomes Costa, Ricardo Dias Martins de 
 Carvalho, Mírian de Lourdes Noronha Motta Melo. – 5. ed. 
 – Dados eletrônicos. – Porto Alegre : AMGH, 2012.
 Editado também como livro impresso em 2012.
 ISBN 978-85-8055-115-0
 1. Engenharia. 2. Ciência dos materiais. I. Hashemi, 
 Javad. II. Título. 
CDU 62
Catalogação na publicação: Ana Paula M. Magnus – CRB 10/2052
Capítulo 11  Cerâmica 415
tecnológicas neste século. Algumas das aplicações recentes são decorrentes dos resultados da micros-
copia de tunelamento devido a sua rigidez e esbelteza, emissores de campo em displays de painéis 
planos (ou qualquer aparelho que requeira um cátodo de produção eletrônica), sensores químicos e 
materiais fibrosos para compósitos.
11.3 estRutuRAs de silicAtO 
Muitos materiais cerâmicos contêm estruturas de silicatos, que consistem em átomos de silício e de oxi-
gênio (íons) ligados em várias disposições. Vários minerais naturais como a argila, feldspatos e micas se 
enquadram na categoria de silicatos, uma vez que o silício e o oxigênio são os dois mais abundantes ele-
mentos na crosta terrestre. Muitos silicatos são úteis para materiais de engenharia devido ao seu baixo 
custo, disponibilidade e propriedades especiais. Estruturas sílicas são particularmente importantes para 
os materiais de construção de engenharia: vidro, cimento portland e tijolos. Muitos materiais isolantes 
elétricos também são feitos de silicatos.
11.3.1 unidade estrutural básica das estruturas de silicato
O grupo básico que compõe o grupo dos silicatos é, primeiramente, o silicato tetraédrico (SiO4
4–, 
Figura 11.16). A ligação Si–O na estrutura do SiO4
4– é aproximadamente 50% covalente e 50% iônica, 
de acordo com os cálculos da equação de Pauling (Equação 2.11). A coordenação tetraédrica do SiO4
4–
satisfaz as condições básicas direcionais da ligação covalente e também aquelas básicas da razão dos 
raios para a ligação iônica. A razão de raios da ligação Si–O é 0,29, que está na faixa de coordenação 
tetraédrica para o empacotamento fechado de íon estável. Devido ao diminuto e altamente carregado íon 
Si4+, forças de ligação intensas são criadas entre os tetraedros de SiO4
4–, e, como resultado, as unidades 
de SiO4
4– são normalmente ligadas entre os ângulos, e raramente entre as extremidades.
11.3.2 estruturas em ilha, cadeia e anel dos silicatos
Uma vez que cada átomo de oxigênio do tetraedro do silicato possui um elétron disponível para 
ligação, muitos tipos diferentes de estruturas de silicatos podem ser produzidas. As estruturas 
em formato de ilha dos silicatos são produzidas quando íons positivos se ligam a oxigênios do 
tetraedro do SiO4
4–. Como exemplo, íons Fe2+ e Mg2+ combinam com o SiO4
4– para formar a 
olivina, que possui a fórmula estrutural química básica (Mg,Fe)2SiO4.
Se dois ângulos de cada tetraedro de SiO4
4– se unirem aos ângulos de outro tetraedro, uma ca-
deia (Figura 11.17a) ou estrutura em cadeia com a fórmula química unitária SiO3
2– é formada. O 
mineral enstatita (MgSiO3) possui uma estrutura de silicato, e o mineral berilo [Be3Al2(SiO3)6] 
possui uma estrutura em anel de silicato.
11.3.3 estruturas em folha de silicatos
Estruturas em formato de folha de silicatos se formam quando três ângulos no mesmo plano 
de um tetraedro de silicato se ligam aos ângulos de três outros tetraedros de silicato, conforme 
ilustra a Figura 11.17b. Esta estrutura possui a fórmula química unitária do Si2O5
2–. Estas folhas 
de silicatos podem ser unidas a outros tipos de folhas estruturais, uma vez que há, pelo menos, 
um átomo de oxigênio sem ligação em cada tetraedro de silicato (Figura 11.17b). Por exemplo, a 
folha de silicato carregada negativamente pode ser unida a uma folha de Al2(OH)8
2+ positivamente 
carregada para formar uma folha compósita de caulinita, conforme o esquema na Figura 11.18. O 
mineral caulinita consiste (em sua forma pura) de placas planas muito pequenas, de formato quase 
hexagonal, com tamanho médio de 0,7 µm de diâmetro e 0,05 µm de espessura (Figura 11.19). 
As placas cristalinas são feitas de uma série (até 50) de folhas paralelas unidas por ligações se-
cundárias fracas. Muitas argilas de alta qualidade consistem principalmente em mineral caulinita.
O�
O�
O�
O�
Si
Figura 11.16
O arranjo de ligação 
atômica (iônica) do 
tetraedro do SiO4
4–. Nesta 
estrutura, quatro átomos 
de oxigênio circundam 
um átomo central de 
silício. Cada átomo de 
oxigênio possui um 
elétron extra, e então 
uma carga negativa para 
ligar a outro átomo. 
(Extraído de Eisenstadt, M., 
“Introduction to Mechanical 
Properties of Materials: An 
Ecological Approach”, 1. ed., 
1971. Reimpresso com permissão 
de Pearson Education, Inc., 
Upper Saddle River, NJ.)
416 Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais
Outro exemplo de uma folha de silicato é o mineral esteatite, no qual uma folha de Mg3(OH)4
2+ se 
liga a duas folhas de camadas externas de Si2O5
2– (uma em cada lado) para formar uma folha de com-
pósito com a fórmula química unitária Mg3(OH)2(Si2O5)2. As folhas do compósito esteatite se unem 
através de ligações secundárias fracas, e, assim, este arranjo estrutural permite às folhas de esteatite 
deslizarem umas sobre as outras facilmente.
(a)
(b)
Figura 11.17
(a) Estrutura em cadeia do silicato. Dois dos quatro átomos de oxigênio do tetraedro do SiO4
4– se ligam a outro tetraedro para formar cadeias 
de silicatos. (b) Estrutura em folha de silicatos. Três dos quatro átomos de oxigênio do tetraedro de SiO4
4– se ligam a outro tetraedro para 
formar folhas de silicatos. Os átomos de oxigênio não ligados estão representados como esferas claras. 
(Extraído de Eisenstadt, M., “Mechanical Properties of Materials, 1971, p. 82.)
Positivo
x Al2(OH)4Si2O5
Neutro eletricamente
Al2(OH)4
21
Si2O5
22
Negativo
Caolinita
Figura 11.18 
Diagrama esquemático da formação da caulinita a partir de folhas de Al2(OH)4
2+ e Si2O5
2–. Todas as ligações primárias dos átomos na folha de 
caulinita são satisfeitas. 
(Extraído de W.D. Kingery, H.K Bowen, and D.R. Uhlmann, “Introduction to Ceramics”, 2. ed., Wiley, 1976. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.)
Capítulo 11  Cerâmica 417
Figura 11.19 
Cristais de caulinita como observado pelo microscópio eletrônico. 
(F.H. Norton, “Elements of Ceramics,” 2. ed., ©1974. Reimpresso com a permissão de Pearson 
Education Inc., Upper Saddle River, NJ.)
Átomos silício Átomos oxigênio 
Figura 11.20 
Estrutura da alta cristobalita, que é uma forma de sílica 
(SiO2). Note que cada átomo de silício é circundado 
por quatro átomos de oxigênio e que cada átomo de 
oxigênio forma parte de dois tetraedros SiO4.
(Reimpresso de “Treatise in Materials Science and Technology”, vol. 9, 
J.S. Reed and R.B. Runk, “Ceramic Fabrication Processes”, p. 74, Copyright 
1976, com permissão de Elsevier.)
11.3.4 cadeias de silicatos
Sílica Quando todos os quatro ângulos do tetraedro de SiO4
4– compartilham átomos de oxigênio, uma 
rede de SiO2, chamada sílica, é produzida (Figura 11.20). Sílica cristalina existe em diversas formas 
polimórficas que correspondem a diferentes disposições, nas quais o tetraedro de sílica passa a assumir 
rearranjos em que todos os ângulos estejam compartilhados. Há três estruturas básicas de sílica: quart-
zo, tridimita e cristobalita, sendo que cada uma dessas possui duas ou três modificações. As formas 
mais estáveis da sílica e as faixas de temperatura nas quais elas existem à pressão atmosférica são as 
seguintes: para o quartzo inferior, abaixo de 573 °C; entre 573 e 867 °C para o quartzo superior; entre 
867 e 1.470 °C para a tridimita e entre 1.470 e 1.710 °C para a cristobalita (Figura 11.20). Acima de 
1.710 °C, a sílica é líquida. A sílica é um importante componentede muitas cerâmicas tradicionais e 
diversos tipos de vidro.
Feldspatos Há diversas ocorrências naturais de silicatos que possuem infinitas redes silicosas tridi-
mensionais. Entre os silicatos industrialmente importantes estão os feldspatos, que também se encon-
tram entre os principais componentes das cerâmicas. Na rede estrutural do silicato de feldspato, alguns 
íons Al3+ substituem alguns íons Si4+ para formar uma rede carregada negativamente. Esta carga negati-
va é balanceada com grandes íons alcalinos terrosos como o Na+, K+, Ca2+ e Ba2+, que se encaixam em 
posições intersticiais. A Tabela 11.3 resume as composições ideais de alguns silicatos minerais.
tabela 11.3
Composições ideais de silicatos minerais.
Sílica:
 Quartzo
 Tridimita Fases cristalinas comuns do SiO2
 Cristobalita
Silicato de alumina:
 Caulinita (argila chinesa) Al2O3 ⋅ 2SiO2 ⋅ 2H2O
 Pirofilita Al2O3 ⋅ 4SiO2 ⋅ 2H2O
 Metacaulinita Al2O3 ⋅ 2SiO2
 Silimanita Al2O3 ⋅ SiO2
 Mulita 3Al2O3 ⋅ 2SiO2
MatVis
418 Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais
Silicato de alumina alcalina:
 Feldspato de potassa K2O ⋅ Al2O3 ⋅ 6SiO2
 Feldspato de soda Na2O ⋅ Al2O3 ⋅ 6SiO2
 Mica (muscovita) K2O ⋅ 3Al2O3 ⋅ 6SiO2 ⋅ 2H2O
 Montmorilonita Na2O ⋅ 2MgO ⋅ 5Al2O3 ⋅ 24SiO2 ⋅ (6 + n)H2O
 Leucita K2O ⋅ Al2O3 ⋅ 4SiO2
Silicato de magnésio:
 Cordierita 2MgO ⋅ 5SiO2 ⋅ 2Al2O3
 Esteatite 3MgO ⋅ 4SiO2
 Esteatite 3MgO ⋅ 4SiO2 ⋅ H2O
 Crisotila (asbesto) 3MgO ⋅ 2SiO2 ⋅ 2H2O
 Forsterita 2MgO ⋅ SiO2
Fonte: O.H. Wyatt and D. Dew-Hudges, “Metals, Ceramics and Polymers”, Cambridge, 1974.
11.4 PROcessAmentO de ceRâmicAs
Muitos produtos cerâmicos tradicionais e de engenharia são obtidos pela compactação de pós ou partí-
culas em formas que são subsequentemente aquecidas a temperaturas altas o suficiente para que essas 
partículas se aglutinem. As etapas básicas no processamento das cerâmicas por aglomeração de partícu-
las são (1) preparação do material, (2) formação ou moldagem e (3) tratamento térmico para secagem 
(o que, em geral, não é necessário) e cozimento pelo aquecimento da forma cerâmica até temperaturas 
suficientemente altas também para unir as partículas.
11.4.1 Preparação do material
Muitos dos produtos cerâmicos são obtidos pela aglomeração de partículas². A matéria-prima desses 
produtos varia, dependendo das propriedades requeridas da peça cerâmica finalizada. As partículas e 
outros componentes, como os ligantes e lubrificantes, podem ser misturados a seco ou em meio úmido. 
Para produtos cerâmicos que não possuam propriedades muito “críticas”, como os tijolos convencio-
nais, tubulações de esgoto e outros produtos argilosos, a mistura dos componentes com água se tornou 
prática comum. Para alguns outros produtos cerâmicos, as matérias-primas são presas secas juntamente 
com os ligantes e outros aditivos. Algumas vezes o processamento a seco e a úmido se reúnem. Por 
exemplo, para produzir um tipo de isolante de alumina superior (Al2O3), as matérias-primas particula-
das são moídas com água em conjunto com uma cera encapada, de modo a formar uma espécie de lama 
que é, logo em seguida, borrifada a seco, de modo a formar pelotas esféricas e pequenas (Figura 11.21).
11.4.2 Formação
Produtos cerâmicos obtidos pela aglomeração de partículas podem ser formados por uma variedade de 
métodos a seco, em plásticos ou em condições líquidas. Processos de formação a frio são predominantes 
na indústria cerâmica, no entanto os processos de formação a quente também não deixam de ser utili-
zados. Prensamento, barbotina e extrusão são métodos de formação cerâmicos comumente utilizados.
Prensamento Partículas de matérias-primas podem ser pressionadas em condições secas, plásticas ou 
úmidas, de modo a formar produtos perfilados.
Prensamento a seco Este método é usado comumente para produtos como refratários estruturais (ma-
teriais resistentes a altas temperaturas) e componentes eletrônicos cerâmicos. Prensamento a seco pode 
2 A produção de vidro e concreto são as duas maiores exceções.
Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para 
esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual 
da Instituição, você encontra a obra na íntegra.