Cerâmicas: Definição, Tipos e Aplicações

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Cerâmicas
Unidade 5
Definição
Formadas através de uma combinação de ligações iônicas, covalentes e às vezes metálicas
Consiste de um arranjo de átomos interconectados: não formam moléculas discretas
A maioria é formada de metais ou metalóides e não metais
Podem ser refratárias
Podem ser transparentes
A maioria é isolante de calor e eletricidade
São quebradiças
Cerâmicas na Tabela Periódica
As cerâmicas são formadas pela combinação de metais e alguns não-metais
Aplicações
A utilização de um produto cerâmico depende de sua composição química e de sua microestrutura
nitreto de boro (BN): cúbico e hexagonal
caulinita
Tipos de cerâmicas
Cerâmica tradicional – geralmente baseada em argila ou silica. Há uma tendência de associar esse tipo de cerâmica com baixa tecnologia, mas a competição entre os produtores tem levado ao uso de ferramentas e maquinaria mais complexa para a sua fabricação
Cerâmica avançada – também conhecida como especial, técnica ou para a engenharia. Exibe propriedades mecânicas superiores, resistência à corrosão maior, ou ainda, possui propriedades elétrica, opticas e/ou magnéticas
Enquanto a cerâmica tradicional foi usada por mais de 25000 anos, a cerâmica avançda foi desenvolvida nos últimos 100 anos
Mercado atual
Distribuição geral de vendas nos EUA
55% vidros
17% cerâmica avançada
10% louça branca
9% porcelana
7% refratários
2% cerâmica estrutural
Estruturas cristalinas
São complexas em relação aos metais, mas mesmo assim ainda apresentam em sua maioria estruturas cúbicas ou hexagonais
exemplos:
 fluorita (cs)
Sílica: cristobalita e tridimita
• Silício
 Oxigênio 
(a) Cristobalita 			(b) Tridimita
Monocristal e grão
Monocristal - anisotrópico
grão - isotrópico
fluorita
Mecanismos de deformação plástica
cerâmicas cristalinas
estruturas semelhantes aos metais, mas com poucos sistemas de deslizamento, pela repulsão de cargas opostas
Explica a fragilidade e dureza de cerâmicas
cerâmicas amorfas
como não há rede cristalina, esses materiais se comportam como líquidos viscosos
Tipos de matérias primas
Categoria
pureza(%)
materiais
materiaisnãoprocessados
variável
argilas,bauxita
mineraisindustrializados
85-98
caulim,talco,feldspato,quartzo
produtosquímicosindustrializados
98-99.9
Al2O3,MgO,AlN,SiC, Si3N4, TiO2, ZrO2
produtosespeciais
>99.9
BaTiO3, silica-gel
História
Sílex e obsidiana na idade da pedra
Vasos de cerâmica desde o período neolítico
Tijolos desde o período neolítico
Vidro
Cerâmica branca na China no século VII
Cerâmica avançada
Distribuição dos elementos na crosta terrestre
Distribuição relativa dos minerais na crosta terrestre
Estrutura de silicatos
TetraédrosSi-Oapresentadoscomo
Nome daclasse
estrutura
ânionsindividuais
ortosilicatos
cadeias
piroxenos(cadeiassimples)
anfibólios(cadeiasduplas)
lamelas
mica,talcoeargilas
redestridimensionais
silica
feldspatoezeólitos
Silicatos
Talco - Mg3Si4O10(OH)2
caulinita - Al2Si2O5(OH)4
Asbesto
Cerâmica Tradicional
Composição
Argila: Graças aos argilominerais, as argilas na presença de água desenvolvem uma série de propriedades tais como: plasticidade, resistência mecânica a úmido, retração linear de secagem,compactação, tixotropia e viscosidade de suspensões aquosas, que explicam sua grande variedade de aplicações tecnológicas
Feldspato: Para a indústria cerâmica os feldspatos de maior importância são o potássico e os de sódio, por terem temperatura de fusão relativamente baixa e assim são empregados como geradores de “massa vítrea” nas massas cerâmicas e nos vidrados. Eles dificilmente são encontrados puros, em geral se apresentam em mistura, podendo também estar associados a outras impurezas.
 Sílica: componente fundamental para controle da dilatação e para ajuste da viscosidade da fase líquida formada durante a queima, além de facilitar a secagem e a liberação dos gases durante a queima, na fabricação de isolantes térmicos, em composições de vidro e esmaltes (vidrados) e na fabricaçãode materiais refratários
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Triaxial cerâmico
[Norton, 1952:15]
Argilas
partículas têm tamanho entre 1 a 1000 nm
Propriedades dos colóides
Adsorção de água
Argilominerais
Formados pela decomposição do feldspato Exemplo: Formação do caulim
 2 KAlSi3O8 + 11 H2O → Si2Al2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+ + 2OH-
Argilominerais
Cerâmica Avançada
São formadas por compostos de pureza elevada, e custo mais alto que as cerâmicas tradicionais
Possuem propriedades como alta resistência à abrasão, inércia química e alta dureza
Classificação da cerâmica avançada
Podem ser divididas em três categorias:
Óxidos: alumina e zircônia – resistentes à oxidação, inertes quimicamente, geralmente condutividade térmica baixa
Não-óxidos: carbetos, boretos,nitretos e silicetos – baixa resistência à oxidação, extremamente duros, inertes quimicamente, condutividade elétrica e térmica alta
Compósitos: reforçadas por partículas, combinações de óxidos e não-óxidos – dureza, alta ou baixa resistência à oxidação, condutividade elétrica e térmica variável
Exemplos de cerâmicas avançadas
Exemplos
Óxido de alumínio:
Nitreto de alumínio: 
Perspectivas para o futuro
Processamento de cerâmicas
Fatores de influência
Pureza: Quanto mais puro maior a resistência mecânica, mas principalmente melhora propriedades elétricas, óticas, magnéticas e outras
• Tamanho das partículas: • Quanto menor o tamanho melhor. Normalmente menor que 1μm para cerâmicas avançadas.
• Em geral se utiliza vários tamanhos de partículas pois isso conduz à um cerâmico com menor porosidade a “verde” (porosidade a verde: porosidade depois da compactação mas antes da sinterização)
Tamanho das partículas
Quanto menor o tamanho das partículas maior a reatividade entre elas (maior superfície total a ser eliminada na sinterização) reduzindo a temperatura e o tempo necessários na sinterização e a porosidade final do material
www.abmbrasil.com.br/materias/download/1523330.pdf
Sinterização
Processo de ligação entre as partículas por difusão de átomos entre elas acompanhada de uma remoção de poros entre as partículas e de uma diminuição de volume
 • Volume reduz em aproximadamente 50%
 • Sempre realizada em altas temperaturas para acelerar o processo difusional
Falha superficial de isolamento
Vidro
Substância inorgânica, homogênea e amorfa
 É obtido através do resfriamento de uma massa líquida à base de sílica e outros minerais.
 Componentes dos vidros:
 Vitrificantes (dióxido de silício SiO2, carbonato de sódio – Na2CO3, carbonato de cálicio – CaCO3): conferem as características vítreas;
 Fundentes (óxido de sódio - Na2O e óxido de potássio - K2O): facilitam a fusão da massa vitrificante;
 Estabilizantes (óxido de cálcio - CaO, óxido de magnésio - MgO e óxido de zindo - ZnO): conferem estabilidade química no processo de fabricação.
Estrutura amorfa do vidro
www.e-agps.info
Componentes do vidro
1. Sílica ( SiO2 ) - Matéria prima básica (areia) com função vitrificante.
2. Potássio ( K2O)
3. Alumina ( Al2O3) - Aumenta a resistência mecânica. 
4. Sódio ( Na2SO4) 
5. Magnésio ( MgO) - Garante resistência ao vidro para suportar mudanças bruscas de temperatura e aumenta a resistência mecânica.
6. Cálcio ( CaO) - Proporciona estabilidade ao vidro contra ataques de agentes atmosféricos.
Transição vítrea
Uso de modificadores de rede
n Na2O + m SiO2  n Na2O.m SiO2
Vidros de segurança
Temperado: é aquele tipo de vidro submetido a um tratamento térmico no qual são introduzidas tensões adequadas e que ao se partir, se desintegra em pequenos pedaços.
 
Vidros de segurança
Laminado: Neste tipo, duas ou mais chapas de vidros são unidas por películas aderentes – em geral se usa o PVB (polivinilbutiral)
www.temperline.com.br
Vidros de segurança
 Aramado: tipo de vidro de segurança formado por uma única chapa de vidro que contém no seu interior fios metálicos incorporados à massa de fabricação
Sites interessantes:
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=o-que-e-uma-nanoparticula&id=010125090914
http://www.saint-gobain-vidros.com.br/
qnesc.sbq.org.br/online/qnesc09/quimsoc.pdf