A06_-_Cermicas

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MATERIAIS DIELÉTRICOS
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL
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PRINCIPAIS CLASSES DE DIELÉTRICOS
Dielétricos
Cerâmicas Polímeros Líquidos Gases Compósitos
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CERÂMICAS
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CERÂMICAS
 Cerâmicas compõem umas das classes mais usadas de dielétricos, compondo as 
porcelanas, os vidros e alguns compostos especiais;
 São materiais inorgânicos, normalmente compostos de metais e não metais:
 Predomínio de ligações iônicas;
 Possíveis ligações covalentes.
 Obtidas através de um tratamento a altas temperaturas.
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keramikos = argila queimada
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ESTRUTURA
 Para materiais com predominância iônica, a estrutura é semelhante à dos metais, com 
íons no lugar de átomos;
 Cátions: Metais;
 Ânions: Não metais.
 A carga e o tamanho dos íons tem impacto direto sobre a estrutura cristalina e sua 
estabilidade;
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ESTRUTURA
 Em relação à carga dos íons, e estrutura do cristal deve manter a sua neutralidade:
 A carga define então o número de ligações;
 O balanço de cargas está expresso na formulação do material;
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CaF2 = 1 Ca2+ + 2 F1-
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ESTRUTURA
 Em relação ao tamanho dos íons, cátions costumam ser menores que os ânions, de 
modo que a relação entre seus raios é menor que a unidade;
 Via de regra, cátions tendem a se agregar com o maior número possível de ânions, e 
vice-versa;
 Entretanto, em função das diferenças de tamanho, cristais estáveis se formam quando 
todos os ânions ao redor de um cátion estão em contato com este cátion:
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ESTRUTURA
 Através do número de coordenação dos átomos, é possível chegar a uma relação 
mínima entre raios dos cátions e ânions que levam a uma estrutura estável:
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ESTRUTURA
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DENSIDADE DAS CERÂMICAS
 É possível calcular a densidade 
teórica de uma cerâmica a partir dos 
dados da célula unitária:
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𝝆 = 𝒏′
σ𝑨𝑪 + σ𝑨𝑨
𝑽𝒄𝑵𝑨
n’ = Número de unidades de fórmula na 
célula unitária;
AC = Soma das massas atômicas dos 
cátions;
AA = Soma das massas atômicas dos ânions;
VC = Volume da célula unitária;
NA = Número de Avogadro;
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EXEMPLO
 Considerando a estrutura 
cristalina do cloreto de sódio, 
calcule a sua densidade:
 Dados:
 MCl = 22,99 g/mol
 MNa = 35,45 g/mol
 rNa = 0,102 nm
 rCl = 0,181 nm
 NA = 6,023 x 1023 mol-1
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𝝆 = 𝒏′
σ𝑨𝑪 + σ𝑨𝑨
𝑽𝒄𝑵𝑨
𝜌 = 4
22,99 + 35,45
1,81𝑥10−22 ∙ 6,023𝑥1023
= 2,14 ൗ
𝑔
𝑐𝑚³
Resolução:
AA = MCl = 22,99 g/mol
AC = MNa = 35,45 g/mol
n’ = 4 
𝑉 = 𝑙3 = 2 𝑟𝑁𝑎 + 𝑟𝐶𝑙
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V = 1,81x10-28 m³ ou 1,81 x 10-22 cm³
CERÂMICAS DE SILICATOS
 As cerâmicas de silicatos, são compostos a base de silício e oxigênio, dos quais os 
vidros e porcelanas são os maiores representantes;
 Si e O estão entre os elementos mais abundantes na crosta terrestre, daí a fácil 
obtenção e baixo custo destes materiais;
 A estrutura básica de sua célula é o tetraedro de 𝑆𝑖𝑂4
4−, a qual pode ser organizada 
em diferentes arranjos tridimensionais:
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SILICATOS
 A forma como as unidades básicas se unem, compartilhando oxigênios entre os 
tetraedros dá origem a diferentes tipos de silicato;
 Nos mais simples, observam-se poucas uniões, normalmente não ordenadas;
 Nos mais complexos, estruturas cristalinas uniformes se formam;
 Cátions de diferentes elementos podem fazer parte destas ligações, compensando a 
carga negativa das unidades básicas e unindo ionicamente os tetraedros.
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SILICATOS EM CAMADAS
 Quando as células básicas se organizam 
bidimensionalmente formando folhas, temos 
a formação de silicatos em camadas;
 Estas camadas se sobrepõem estruturando o 
material sólido, muitas vezes com camadas 
intermediárias formadas por outros 
compostos.
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A SÍLICA
 O composto de silicato mais simples é o dióxido de 
silício, SiO2, mais conhecido como sílica;
 Considerando a célula tetraédrica básica, a sílica se 
forma quando cada oxigênio de um tetraedro é 
compartilhado por outro tetraedro, resultando em uma 
estrutura neutra e estável;
 As sílicas mais comuns são o quartzo, a cristobalita e a 
tridimita, todos formando arranjos abertos, de baixa 
densidade. 
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VIDROS DE SÍLICA
 São sólidos não cristalinos, caraterizada por uma 
organização altamente randômica de suas unidades 
básicas:
 Materiais amorfos;
 Os vidros, em geral, apresentam óxidos aditivos inseridos 
entre as estruturas tetraédricas básicas;
 Em alguns casos, materiais diferentes substituem o silício 
em algumas das unidades base;
 Estes óxidos e átomos substitutivos alteram a 
organização estrutural, melhorando determinadas 
características dos vidros.
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CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DAS CERÂMICAS
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VISÃO GERAL
 Cerâmicas, via de regra, são materiais frágeis, 
duros, de baixa tenacidade, e susceptíveis a 
uma fratura catastrófica; 
 Tais características limitam seu uso a 
aplicações em que o dielétrico não esteja 
submetido a grandes forças de tração 
mecânica, já que estes materiais não tem 
capacidade de absorver grandes quantidades 
de energia ou de se deformar plasticamente.
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TENSÃO X DEFORMAÇÃO
 A maioria das cerâmicas, em temperatura 
ambiente, apresentam apenas a 
possibilidade de deformação elástica;
 Excedido o limite de deformação elástica, o 
material entre em processo de ruptura.
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TENSÃO X DEFORMAÇÃO
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Metais Cerâmicas
Material Módulo de Young 
[Gpa]
Material Módulo de Young 
[Gpa]
Alumínio 69 Sílica fundida 93
Cobre 110 Cerâmica vítrea 120
Níquel 207 Carboneto de 
silício
345
Tungstênio 407 Óxido de alumínio 393
A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
 A deformação plástica costuma ser observada em cerâmicas quando em temperaturas 
mais elevadas;
 Isto é particularmente verdadeiro em cerâmicas cristalinas, onde as fortes ligações 
iônicas não permitem a existência de planos de escorregamentos preferenciais;
 Neste caso, a deformação plástica é resultado da movimentação de discordâncias;
 Nas cerâmicas não cristalinas, a deformação plástica ocorre por escoamento, em 
função da viscosidades destes materiais.
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O PROCESSO DE FRATURA
 Cerâmicas a temperatura ambiente se quebram 
antes que qualquer deformação plástica possa 
acontecer;
 Nas cerâmicas, a chamada fratura frágil ocorre a 
partir da propagação de trincas através da seção reta 
do material, numa direção perpendicular à carga 
aplicada;
 Este processo pode ser:
 Intergranular;
 Transgranular;
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TENSÃO CRÍTICA
 A resistência mecânica à tração de uma cerâmica real é 
substancialmente menor que os valores teóricos previstos nas 
teorias das forças interatômicas;
 Isto ocorre em função das falhas presentes no material:
 Tornam-se elevadores da tensão mecânica – regiões onde 
a tração mecânica aplicada é amplificada;
 São trincas na superfície ou no interior do material, poros, 
cantos de grãos, impossíveis de se eliminar por completo.
 O efeito de elevação [Pa] é dado pela expressão:
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𝝈𝑴 = 𝟐𝝈𝟎
𝒂
𝝆𝒕
0: estresse mecânico aplicado;
t: raio de curvatura da falha;
a: comprimento de uma trinca superficial, ou metade do 
comprimento de uma trinca interna.
A razão 𝑲𝒕 =
𝝈𝑴
𝝈𝟎
é 
chamada de fator de 
concentração de tensão. 
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TENSÃO CRÍTICA
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TENSÃO CRÍTICA
 A tensão crítica à qual a cerâmica pode ser submetida sem 
que dê início ao processo de fratura pode ser dada pela 
expressão:
 Deve-se considerar que um volume de um material cerâmico 
contém inúmeras microfalhas:
 Basta que uma delas chegue ao valor de tensão crítica 
para propagação da falha. 
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𝝈𝒄 =
𝟐𝑬 ∙ 𝜸𝒔
𝝅𝒂
E: Módulo de elasticidade;
s: Energia superficial específica;
a: metade do comprimento de uma falha 
interna.
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A FADIGA ESTÁTICA OU FRATURA RETARDADA
 É um processo de lenta evolução de uma falha no material a 
partir da aplicação de uma tensão constante, com valor abaixo 
da tenacidade àfratura;
 Este processo normalmente está associado à condições 
ambientais, como umidade, sendo acompanhado por outros 
processos destrutivos, como a corrosão;
 Neste caso, a trinca vai se afilando e prolongando até a ruptura 
completa.
 Não confundir o processo de fadiga, explicado para os metais. 
 Este processo é raro nas cerâmicas.
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A EVOLUÇÃO DAS TRINCAS
 Existem três maneiras básicas a partir das 
quais uma carga mecânica opera sobre 
uma trinca, fazendo-a evoluir:
 Modo de abertura ou tração;
 Modo de deslizamento;
 Modo de rasgamento;
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MODOS DE FRATURA
 Dependem basicamente do tipo 
de esforço, sendo normalmente 
possível identificar a origem da 
fratura.
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MODOS DE FRATURA
 A fratura dos materiais frágeis normalmente segue uma sequência;
 A partir do núcleo, a propagação da falha aumenta de velocidade até atingir um valor 
terminal;
 50% da velocidade do som para o vidro, por exemplo;
 Atingida a velocidade terminal, a falha se ramifica;
 A interação entre a falha e a microestrutura do material produz diferentes padrões 
que podem ser rastreados até a origem.
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MODOS DE FRATURA
OS ESFORÇOS DE COMPRESSÃO
 Para os esforços de compressão, não há 
efeito elevador da tensão mecânica em 
função de falhas internas; 
 Dessa forma, cerâmicas apresentam 
resistência aos esforços de compressão 
cerca de 10 vezes superiores aos de tração, 
sendo especialmente úteis para aplicações 
onde os esforços de compressão são 
elevados.
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ESFORÇOS MECÂNICOS
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ESFORÇOS ELÉTRICOS
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POROSIDADE
 A porosidade é resultado do 
processo de fabricação de algumas 
cerâmicas, resultando num efeito 
deletério as suas propriedades 
elásticas e de resistência mecânica;
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PRINCIPAIS CERÂMICAS DE INTERESSE
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Materiais 
cerâmicos
Vidros
Vidros
Vitrocerâmicas
Argilas
Produtos 
estruturais
Louça branca
Refratários
Sílico
aluminosos
Sílica
Básicos
Especiais
Abrasivos Cimentos
Materiais 
avançados
VIDROS
 São silicatos amorfos, ao qual são adicionados 
aditivos de acordo com o seu uso:
 CaO, Na2O, K2O, Al2O3;
 Seus principais atributos são a transparência e a 
facilidade de fabricação;
 O vidro mais comum é o chamado viro soda-cal ou 
cal de soda: Sílica, CaO e Na2O;
 Sua caracterização, como um líquido super-
resfriado, provém do processo diferenciado de 
resfriamento do material fundido.
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VIDROSTipo
Composição
Características
SiO2 Na2O CaO Al2O3 B2O3 Outros
Sílica fundida
> 99,5
Alta temperatura de fusão
Baixo coeficiente de expansão
Vycor®
96 4
Resistente ao choque térmico a reações 
químicas (Laboratorial)
Pyrex®
(Borossilicato)
81 3,5 2,5 13
Resistente ao choque térmico a reações 
químicas (Uso doméstico)
Cal de soda
74 16 5 1 4 MgO
Baixa temperatura de fusão, facilmente
moldável, durável
Fibra de vidro
55 16 15 10 4 MgO
Moldável em fibras, composição com 
resinas
Sílex óptico
54 1
37 PbO
8 K2O
Alta densidade e índice de refração 
(lentes)
Pyroceram®
Vitrocerâmica
43,5 14 30 5,5
6,5 TiO2
0,5 As2O3
Fácil fabricação, forte, resistente ao 
choque térmico.
VIDROS
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 Características:
 Ponto de fusão;
 Ponto de operação;
 Ponto de amolecimento;
 Ponto de recozimento;
 Ponto de deformação.
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VIDROS - FABRICAÇÃO
 Sílica: obtida da areia comum;
 Aditivos;
 Aquecimento a uma temperatura de baixa 
viscosidade;
 Eliminação de bolhas de gás;
 Moldagem:
 Prensagem;
 Insulflação;
 Estiramento;
 Conformação. 54
VIDROS – TRATAMENTOS
 Recozimento:
 Têmpera:
 Devitrificação:
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Técnica utilizada para redução 
das tensões térmicas;
Consiste no lento resfriamento 
do vidro após a elevação à 
temperatura de recozimento.
Processo de introdução de 
tensões mecânicas no vidro, 
tornando-o mais resistente 
mecanicamente.
Tratamento térmico que gera a 
formação de regiões cristalinas no 
vidro, a partir de um agente nucleante
(TiO2).
Como resultado, tem-se um material 
policristalino, com baixo coeficiente 
de expansão térmica, alta resistência 
mecânica e baixa condutividade 
térmica.
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A FIBRA DE VIDRO
 Processo através do qual o vidro em 
seu estado de fusão e transformado 
em finas fibras;
 A fibra de vidro apresenta diversas 
aplicações:
 Isolante elétrico, térmico e acústico;
 Quando compactada e aglutinada, 
forma uma estrutura rígida com 
elevada resistência mecânica e boa 
elasticidade.
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ARGILAS
 São aluminossilicatos, Al2O3 e SiO2, adicionados de produtos não plásticos, como 
quartzo e feldspato.
 Produto abundante e de fácil conformação;
 Devem passar por processos de:
 Mistura;
 Moldagem;
 Secagem.
 Estes processos determinarão as características do produto final.
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ARGILAS
 Fabricação mais comum:
 Conformação hidroplástica;
 Fundição por suspensão.
 Secagem;
 Cozimento;
 Vitrificação.
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ARGILAS
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ARGILAS
 Refratários:
 Inertes;
 Isolantes térmicos;
 Resistentes a altas temperaturas;
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CIMENTOS
 Materiais que, quando misturados à água, assim 
como as argilas, permitem uma fácil moldagem;
 A secagem permite a formação de ligações fortes 
no interior do material, formando uma estrutura 
rígida;
 Diferencia-se das argilas comuns em função do 
processo de secagem à temperatura ambiente;
 Normalente utilizado como elemento de formação 
estrutural ou de agregação de diferentes materiais. 
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VIDRO X PORCELANA
Vidro Porcelana
Rigidez Dielétrica 140 kV/cm 120 kV/cm
Permissividade 4 a 10 4 a 8
Módulo de elasticidade 70 GPa 120 GPa
Resistência à flexão 69 GPa 247 GPa
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CERÂMICAS AVANÇADAS
 Fibra óptica:
 Fibras ópticas são vidros compostos de sílica com 
alto grau de pureza, permitindo a transmissão de 
feixes de luz sem distorções ou atenuações 
significativas;
 Sua aplicação em sistemas elétricos tem crescido, 
como dispositivos de transmissão de dados e 
medição de sinais;
 No caso da medição de sinais, fibras especiais são 
desenvolvidas de modo a interagir com sinais de 
temperatura e campo elétrico.
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CERÂMICAS AVANÇADAS
 Varistores:
 Cerâmicas especiais que apresentam 
variação não linear na curva v x i;
 Aplicadas em dispositivos de proteção 
contra sobretensões: para-raios;
 Seu processo de manufatura envolve a 
utilização de diversos componentes, 
sendo os principais o SiC e o ZnO;
 Processo de fabricação envolve um 
tratamento térmico chamado de 
sinterização.
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CERÂMICAS AVANÇADAS
 Sinterização:
 Formação de um composto base na 
forma de pó;
 Compactação;
 Rápido aquecimento a elevadas 
temperaturas;
 Resfriamento.
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APLICAÇÕES
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ISOLADORES
 Vidro;
 Cerâmica;
 Fibra de vidro.
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CAPACITORES
 Cerâmicas em geral pode ser 
utilizado como meio dielétrico 
em capacitores;
 Cerâmicas com polarização 
espontânea são utilizadas em 
capacitores para aplicações 
especiais.
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PARA-RAIOS
 Os varistores, em função de sua 
curva características, são utilizados 
amplamente na construção de para-
raios.
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