Cap.4_ceramicos

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GOVERNO DO ESTADO DO PARÁ 
UNIVERSIDADE DO ESTADO DO PARÁ 
CENTRO DE CIENCIAS NATURAIS E TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL 
DISCIPLINA: PROPRIEDADE DOS MATERIAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: CVT-MG 
 
 
 
 
 
Altamira-PA 
2012 
Capítulo 4 – Cerâmicos Maio/2012 
 
 
Prof. Glauber Epifanio Loureiro, M. Sc. Eng Página 1 de 10 
 
4.1 INTRODUÇÃO 
 
Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos, não metálicos, formados por 
elementos metálicos e não metálicos, ligados quimicamente entre si fundamentalmente por 
ligações iónicas e/ou covalentes. Os materiais cerâmicos têm composições químicas muito 
variadas, desde compostos simples a misturas de várias fases complexas ligadas entre si. 
As propriedades dos materiais cerâmicos variam muito devido a diferenças de 
ligação química. Em geral, os materiais cerâmicos são duros e frágeis, com pouca 
tenacidade e pouca ductilidade. São bons isolantes elétricos e térmicos, devido à ausência 
de elétrons de condução. Têm geralmente temperaturas de fusão relativamente altas e 
grande estabilidade química em muitos ambientes hostis, devido à estabilidade das suas 
fortes ligações químicas. Devido a estas propriedades, os materiais cerâmicos são 
indispensáveis em muitos projetos de engenharia, assim classificam-se em cerâmicas 
tradicionais e cerâmicas avançadas. 
Enquanto que nas cerâmicas tradicionais são utilizadas maiores quantidades de 
matérias primas naturais como os argilominerais e a areia, e processos simples de 
manufatura, nas cerâmicas avançadas são empregadas matérias primas sintéticas como 
óxidos, nitretos, boretos e carbetos, sob processos sofisticados (RUMBÃO, 2002). 
Sob o ponto de vista de Diniz e Cupini, 1993, os materiais são compostos 
formados a partir de elementos mais simples, através de ligações interatômicas. Nestas 
ligações, os átomos podem se unir através do compartilhamento, ou não, dos elétrons 
da sua última camada de valência. Somente uns poucos elétrons de valência de um 
átomo metálico pode ser removido e dado para átomos não-metálicos ou grupos de 
átomos, cujas últimas camadas estão completas ou quase completas e que os átomos 
não metálicos podem também compartilhar elétrons por covalência. Partindo desta 
premissa, diversas combinações são possíveis entre os átomos de um elemento metálico e 
um elemento não-metálico, fato que leva a produzir arranjos com estruturas diferenciadas 
para uma mesma combinação. Os materiais cerâmicos possuirão, portanto, muitas 
combinações diferentes, uma vez que são compostos de elementos metálicos e não 
metálicos, possibilitando propriedades diferenciadas dos materiais metálicos e poliméricos. 
Então, o termo cerâmico como adjetivo, procura designar certos objetos de arte, 
porém, para o Engenheiro, o termo procura abranger uma grande variedade de substâncias 
naturais e sintéticas, tais como, vidro, abrasivos, materiais magnéticos e não magnéticos, 
ferramentas de corte, refratários, etc. Porém, todos esses materiais apresentam uma 
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característica em comum, que é a de serem constituídos de elementos metálicos e não 
metálicos e possuírem estrutura cristalina semelhante a dos metais. Como citado, os 
cerâmicos não possuem um grande número de elétrons livres, portanto, os poucos 
elétrons são compartilhados por ligação iônica ou covalente, fato que explica a maior 
estabilidade destes materiais. 
 
4.2 PRINCIPAIS TIPOS DE CERÂMICAS, CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES. 
 
 Al2O3 – Refere-se a alumina pura, que é branca na cor e, usualmente, é simplesmente 
referida como uma “cerâmica branca”. O material é prensado a frio, o que permite uma 
geometria próxima da final para muitas ferramentas de corte, mas não gera a alta densidade 
da prensagem a quente. Embora as ferramentas de corte de cerâmica branca tenham 
relativamente baixa resistência ao choque térmico, esta condição pode ser melhorada pela 
adição de carboneto de titânio (TiC). 
 Al2O3 + TiN - Tais compósitos são pretos na cor e , portanto, são conhecidos como 
“cerâmicas pretas”. Um outro composito que combina alumina com nitreto de titânio é 
designado como cerâmica marrom ou cerâmica mista [WERTHEIM, 1986]. Além desses, 
adiciona-se ainda a zircônia com a finalidade de aumentar a tenacidade das cerâmicas 
brancas. 
 Al2O3 + SiCW – É uma cerâmica reforçada com whiskers de carboneto de silício, 
orientados aleatoriamente dentro do material básico. É particularmente apropriada para a 
usinagem de materiais endurecidos e super ligas resistentes ao calor (SANDVIK, 2000). 
 Al2O3 + ZrO2 – É um óxido cerâmico puro, baseada em alumina com um pequeno 
acréscimo de óxido de zircônio para proporcionar melhor tenacidade. É apropriada para 
aplicações em ferros fundidos e aços, com altas velocidades de corte (SANDVIK, 2000). 
 Si3N4 - A fórmula da composição do nitreto de silício é conhecida desde o século XIX. 
Porém, apenas em 1950 é que o nitreto de silício mostrou-se promissor como um material 
para ferramenta de corte com boa resistência ao choque térmico e com as necessárias 
propriedades mecânicas. Mas apenas na metade dos anos setenta é que esse material 
passou a ser usado comercialmente como cerâmica estrutural ou como material para 
fabricação de ferramentas de corte [WERTHEIM, 1986]. Desde então, diversos compósitos 
cerâmicos foram desenvolvidos com o intuito de aprimorar as propriedades mecânicas 
desses materiais. Surgiram compósitos oriundos da combinação de materiais Cerâmicos 
com materiais Metálicos, os conhecidos CERMETS, muito aplicados na indústria 
automobilística. Outro exemplo é um compósito cerâmico-cerâmico, zircônia endurecida 
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com alumina (ZTA), com boas propriedades mecânicas. A tenacidade e resistência 
aumentada tem feito as ZTAs mais largamente aplicáveis e mais produtivas que a cerâmica 
simples e cermets na usinagem de aços e ferros fundidos [SORNAKUMAR; 
GOPALAKRISHNAN; KRISHNAMURTHY, 1994]. 
A cerâmica a base de carboneto de silício é a mais recente dentre elas, porém 
também é pouco conhecida tanto em nível de pesquisa quanto em aplicações industriais. 
As Si3N4, graças a sua boa tenacidade, são apropriadas para desbaste e semi-
acabamento de ferros fundidos (SANDVIK, 2000). 
 Si3N4 + TiN – São cerâmicas que tem substrato de nitreto de silício com uma cobertura 
de nitreto de titânio. São altamente recomendadas para desbaste leve, usinagem média e 
aplicações de acabamento em ferros fundidos (SANDVIK, 2000). 
 
4.3 CERÂMICOS TRADICIONAIS E CERÂMICOS TÉCNICOS 
 
Os cerâmicos tradicionais são produzidos a partir de três componentes básicos-
tradicionais argila, sílica e feldspato. A argila consiste essencialmente em alumino-silicatos 
hidratados (Al2O3-SiO2-H2O) com pequenas quantidades de outros óxidos, tais como TiO2, 
Fe2O3, MgO, CaO, Na2O e K2O. A tabela 1 apresenta as composições químicas de várias 
argilas industriais. 
Nos cerâmicos tradicionais, a argila fornece as propriedades plásticas 
(deformabilidade) necessárias à moldagem do material antes de este ser endure¬cido por 
cozedura, e constitui o principal componente do material. A sílica (SiO2) tem um elevado 
ponto de fusão e é o componente refractário dos cerâmicos tradicionais. O feldspato de 
potássio, cuja composição básica é K2O-Al2O3-6SiO2, tem um ponto de fusão baixo e dá 
origem, quando a mistura cerâmica é cozida, a um vidro que liga entre si os componentes 
refractários. 
 
Tabela 1 – Formulações representativas de alguns materiais cerâmicos dielétricos usados em 
condensadores 
 
Fonte: Harper, 1970 
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Produtos argilosos para aplicações em engenharia civil, tais como tijolos de 
construção,colectores de esgotos, canalizações de drenagem, telhas de telhado e ladrilhos 
para pavimentos, são feitos de argila natural, a qual reúne os três componentes básicos. 
Produtos de louça branca, tais como porcelana eléctrica, loiça de mesa e loiça sanitária, são 
feitos a partir de componentes de argila, sílica e feldspato, cuja composição é controlada. A 
tabela 2 apresenta as composições químicas de algumas louças brancas. 
 
Tabela 2 – Composições químicas de algumas louças brancas 
 
Fonte: Kingery et al., 1976 
 
Ao contrário dos cerâmicos tradicionais, que se baseiam principalmente na argila, os 
cerâmicos técnicos ou cerâmicos de engenharia são fundamentalmente compostos puros, 
ou quase puros, de óxidos, carbonetos ou nitretos. A alumina (AI2O3), o nitreto de silício 
(Si3N4), o carboneto de silício (SiC) e a zircónia (ZrO2), combinados com outros óxidos 
refractários, são alguns dos mais importantes cerâmicos técnicos. As temperaturas de fusão 
de alguns cerâmicos técnicos são apresentadas na tabela 3, e as propriedades mecânicas 
de alguns destes materiais são dadas na tabela 4. 
Tabela 3 – Alguns compostos cerâmicos simples e respectivos pontos de fusão 
 
 
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Tabela 4 – Propriedades mecânicas de alguns cerâmicos técnicos 
 
 
4.4 PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS CERÂMICOS 
 
Os materiais cerâmicos são usados em muitas aplicações eléctricas e electiónicas. 
Vários tipos de cerâmicos são usados como isoladores eléctricos para correntes eléctricas 
de baixa e alta voltagem. Os materiais cerâmicos também encontram aplicação em vários 
tipos de condensadores, especialmente quando se exige redução de tamanho, ou 
miniaturização. Outros tipos de cerâmicos, chamados piezo-elétricos, podem converter 
pequenos sinais de pressão em sinais elétricos e vice-versa. 
Os materiais cerâmicos têm propriedades elétricas e mecânicas que os tornam 
isoladores especialmente adequados para servirem de isoladores em muitas aplicações das 
indústrias eléctrica e electrónica. Nos materiais cerâmicos, as ligações de tipo iónico e 
covalente restringem a mobilidade dos electrões e íons, o que faz com que estes materiais 
sejam bons isoladores eléctricos. São também estes tipos de ligações químicas que fazem 
com que a maioria dos materiais cerâmicos sejam duros e resistentes, mas por outro lado 
relativamente frágeis. As composições químicas e a microesfrutura dos chamados 
cerâmicos eléctricos e electrónicos têm de ser mais controladas do que as de outros 
cerâmicos para aplicações menos exigentes, como, por exemplo, tijolos e ladrilhos. 
Seguidamente, iremos abordar alguns aspectos da estrutura e das propriedades de vários 
materiais cerâmicos isoladores. 
Porcelana elétrica. Uma porcelana eléctrica típica consiste aproximadamente em 
50% de argila (Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O), 25% de sílica (SiO2) e 25% de feldspato (K2O • Al2O3 • 
6SiO2). Esta composição permite obter um material de preço relativa¬mente baixo, com boa 
plasticidade em verde e um intervalo largo de temperaturas para a cozedura. A principal 
desvantagem da porcelana eléctrica deriva do fato desta apresentar um fator de perdas 
elevado comparativamente aos outros materiais isoladores elétricos (tabela 5), o que é 
devido à presença de ions alcalinos bastante móveis. 
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Tabela 5 – Propriedades eletricas de alguns materiais cerâmicos isoladores 
 
Fonte: Materials Selector, Mater. Eng., 1982 
 
Esteatite. As porcelanas de esteatite são bons isoladores elétricos, uma vez que 
apresentam fatores de perdas baixos, baixa absorção de humidade e boa resistência ao 
impacto, sendo usadas em larga escala pelas indústrias de aparelhos electrónicos e 
eléctricos. As composições industriais de esteatite baseiam-se em 90% de talco 
(3MgO.4SiO2.H2O) e 10% de argila. A microestrutura da esteatite cozida é formada por 
cristais de esteatite (MgSiO3) ligados entre si por uma matriz vítrea. A fig. 1 mostra exemplo 
de componentes em esteatite para aplicações elétricas. 
 
 
Figura 1 – Bocal de Lâmpadas elétricas com resistencia a elevadas temperaturas 
 
Alumina. Os cerâmicos de alumina apresentam o óxido de alumínio (Al2O3) como 
fase cristalina, a qual pode estar envolvida por uma fase vítrea. A fase vítrea, que 
normalmente não contém ions alcalinos, é obtida a partir de misturas de argila, talco e 
fundentes alcalinos. Os cerâmicos de alumina apresentam resistências dielétricas 
relativamente altas e perdas dieléctricas baixas, em conjunto com re sístências mecânicas 
relativamente elevadas. A alumina sinterizada (99% de Al2O3) é usada em larga escala 
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como substrato para dispositivos electrónicos, devido às suas baixas perdas dieléctricas e 
às suas superfícies pouco rugosas. 
Os materiais cerâmicos são normalmente usados como dieléctricos nos 
condensadores, sendo os condensadores de disco cerâmico, de longe, o tipo mais usado 
(fig. 2). 
 
 
Figura 2 – Condensador cerâmico 
 
O disco cerâmico destes condensadores, muito pequenos, é feito habitualmente em 
titanato de bário (BaTiO3) juntamente com outros aditivos (tabela 6). Usa-se o BaTiO3 devido 
à sua constante elétrica muito elevada, entre 1200 e 1500. Com os aditivos, a constante 
eléctrica pode ser aumentada para valores de vários milhares. 
Tabela 6 – Formulações representativas de alguns materiais ceramicos dielétricos usados em 
condensadores 
 
Fonte: Harper, 1970 
 
Condensadores de chips em material cerâmico são usados em alguns circuitos 
electrónicos híbridos do tipo filme espesso. Os condensadores de chip podem forne¬cer 
uma capacitância por unidade de área bastante maior e serem adicionados ao circuito de 
filme espesso através de uma simples operação de brasagem ou colagem. 
Alguns compostos cerâmicos possuem propriedades semicondutoras que são 
importantes para o funcionamento de alguns dispositivos elétricos. Um destes dispositivos é 
o termistor, ou resistência sensível à temperatura, que é usado para medição e controle da 
temperatura. 
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4.5 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS CERÂMICOS 
 
Como uma classe de materiais, os cerâmicos são relativamente frágeis. As 
resistências à tração observadas nos materiais cerâmicos variam imenso, indo desde 
valores muito baixos e inferiores a 0,7 MPa até cerca de 7x 103 MPa em whiskers de 
cerâmicos, tais como o Al2O3, preparados cuidadosamente em condições controladas. No 
entanto, poucos cerâmicos apresentam resistências à tração superiores a 170 MPa. Os 
materiais cerâmicos também apresentam uma grande diferença entre as suas resistências à 
tracção e à compressão, sendo geralmente as resistências à compressão cerca de 5 a 10 
vezes superiores às resistências à tracção, conforme se pode ver na tabela 4 para um 
material com 99% de Al2O3. Além disso, e devido às suas ligações iónicas e covalentes, 
muitos materiais duros e possuem uma baixa resistência ao impacto. No entanto, há muitas 
exceções às generalizações acima referidas. Por exemplo, a argila plástica é um material 
cerâmico que é macio e facilmente deformável, devido às fracas forças das ligações 
secundárias que existem entre as camadas de átomos fortemente ligados iónica e 
covalentemente. 
A falta de plasticidade dos cerâmicos cristalinos é devida às suas ligações químicas 
iónicas e covalentes. A deformação plástica dos metais realiza-se principalmente através do 
movimento de defeitos lineares (deslocações), em determinados planos de escorregamento 
da estrutura cristalina. Nos metais, as deslocações movem-se sob a ação de tesnsões 
relativamente baixas devido a naturezanão direcional da ligação metálica e porque todos os 
átomos envolvidos na ligação tem a carga negativa uniforme distribuida nas suas 
superfícies, ou seja, na ligação metálica não existem ions carregados carregados positiva ou 
negativamente. 
Nos cristais covalentes e nos cerâmicos ligados covalentemente, a ligação entre os 
átomos é específica e direccional, envolvendo a troca de carga eletrónica entre pares de 
átomos. Assim, quando os cristais covalentes são suficientemente deformados, há fractura 
frágil devido à separação de ligações de par de elétrons, sem que haja subsequente 
restauração. Por esta razão, os cerâmicos ligados covalentemente são frágeis tanto na 
forma de monocristal como na forma policristalina. 
A deformação de cerâmicos constituídos essencialmente por ligações do tipo iónico é 
diferente. Os monocristais de sólidos ligados ionicamentè, tais como o óxido de magnésio e 
o cloreto de sódio, apresentam, à temperatura ambiente, considerável deformação plástica 
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sob a ação de tensões compressivas. No entanto, os cerâmicos policristalinos ligados 
ionicamentè são frágeis, formando-se fendas nos limites de grão. 
Conforme ilustrado na fig. 3, vamos examinar algumas condições sob as quais um 
cristal iónico pode ser deformado. O escorregamento de um plano de íons sobre outro plano 
de íons envolve o contacto de íons com cargas diferentes pelo que se geram forças atrativas 
e repulsivas. No entanto, nos cerâmicos policristalinos a plasticidade obriga a que a 
mudança de forma dos grãos seja compatível com a que ocorre nos grãos vizinhos. Uma 
vez que, nos sólidos ligados ionicamente, existem poucos sistemas de escorregamento, 
aparecem fendas nos limites de grão e consequentemente ocorre a fractura frágil. A maioria 
dos cerâmicos com importância industrial é policristalina, pelo que têm tendência a ser 
frágeis. 
 
Figura 3 – Planta da microestrutura do NaCl indicando escorregamento no plano (110) segundo a 
direção [
100
] (linha AA’) e escorregamento no plano 100 segundo a direção [010] (linha BB’). 
 
 
EXERCÍCIO 
 
1) Explique o comportamento dos cerâmicos quando submetidos a esforços mecânicos 
2) Explique a importância dos cerâmicos como dispositivos elétricos 
3) Explique o que é o processo de dopagem nos materiais cerâmicos e qual sua importância 
na condutância elétrica.