11-Lista de Exercícios Ceramicas

Prévia do material em texto

Exercícios Cerâmicos 
 
 
1) Para um composto cerâmico, quais são as duas características dos  íons componentes que 
determinam a estrutura cristalina?  
2)  Mostre  que  a  razão  mínima  entre  os  raios  do  cátion  e  do  ânion  para  um  número  de 
coordenação de 4 é de 0,225.  
3)  Mostre  que  a  razão  mínima  entre  os  raios  do  cátion  e  do  ânion  para  um  número  de 
coordenação de 6 é de 0,414. Sugestão: Use a estrutura cristalina do NaCl, e suponha que os 
ânions e cátions estão se tocando apenas ao longo das arestas do cubo e através das diagonais 
das faces.  
4) Demonstre que a  razão mínima entre os  raios do  cátion e do ânion para um número de 
coordenação de 8 é de 0,732.  
5) Com base nas  cargas  iônicas e nos  raios  iônicos, estimar as estruturas  cristalinas para os 
seguintes materiais: (a) Csl, (b) NiO, (c) KI, e (d) NiS. Justifique as suas seleções.  
6) Quais dos cátions listados na Tabela 13.3 você estima que formem iodetos com a estrutura 
cristalina do cloreto de césio? Justifique as suas opções.  
7) Calcule o fator da compactação atômica para a estrutura cristalina do cloreto de césio com 
rC/rA = 0,732.  
8) A Tabela 13.3  fornece os  raios  iônicos para os  íons K+ e O2‐  como  sendo  iguais a 0,138 e 
0,140 nm, respectivamente. Qual seria o número de coordenação para cada íon O2‐? Descreva 
sucintamente a estrutura cristalina  resultante para o K2O. Explique por que essa estrutura é 
chamada de estrutura antifluorita.  
9) A estrutura cristalina da blenda de zinco é uma que pode ser gerada a partir de planos de 
ânions densamente compactados.  
(a) A estrutura de empilhamento para essa estrutura será CFC ou HC? Por quê?  
(b) Os cátions irão preencher posições tetraédricas ou octaédricas? Por quê?  
(c) Qual fração das posições será ocupada?  
10) A  estrutura  cristalina  do  coríndon,  encontrada  para  o Al2O3,  consiste  em  um  arranjo  
HC  de  íons  O2‐;  os  íons Al3+  ocupam posições octaédricas.  
(a) Qual fração das posições octaédricas disponíveis está preenchida com íons Al3+?  
(b)  Esboce  dois  planos  de  íons  O2‐  densamente  compactados  empilhados  em  uma 
seqüência AB, e anote as posições octaédricas que serão preenchidas com os íons Al3+. 
11) O sulfeto de ferro (FeS) pode formar uma estrutura cristalina que consiste em um arranjo 
HC de íons S2‐.  
(a) Qual o tipo de sítio intersticial que os íons Fe2+  irão ocupar?  
(b) Qual fração desses sítios intersticiais disponíveis será ocupada pelos íons Fe2+?  
12) O silicato de magnésio, Mg2SiO4, se forma na estrutura cristalina olivina que consiste em 
um arranjo HC de íons O2‐.  
(a) Qual o tipo de sítio intersticial que os íons Mg2+ irão ocupar? Por quê?  
(b) Qual o tipo de sítio intersticial que os íons Si4+ irão ocupar? Por quê?  
(c) Qual fração da totalidade dos sítios tetraédricos será ocupada?  
(d) Qual fração da totalidade dos sítios octaédricos será ocupada? 
13) Calcule a densidade do FeO, sabendo‐se que ele possui a estrutura cristalina do sal‐gema.  
14)    O  oxido  de  magnésio  possui  a  estrutura  cristalina  do  sal‐gema  e  uma  densidade  de        
3,58 g/cm3.  
   (a) Determine o comprimento da aresta da célula unitária.  
(b)  Como  esse  resultado  se  compara  com  o  comprimento  de  aresta  determinado  a 
partir  dos  raios  iônicos  na  Tabela  13.3,  supondo  que  os  íons Mg2+  e O2‐  apenas  se 
tocam uns nos outros ao longo das arestas?  
 15) Calcule a densidade  teórica do diamante  sabendo‐se que a distância C‐C e o ângulo de 
ligação  são  de  0,154  nm  e  109,5°,  respectivamente.  Como  esse  valor  se  compara  com  a 
densidade medida?  
16) Calcule a densidade teórica do ZnS sabendo‐se que a distância Zn‐S e o ângulo de  ligação 
são de 0,234 nm e 109,5°,  respectivamente. Como esse  valor  se  compara  com a densidade 
medida?  
17) O sulfeto de cádmio (CdS) possui uma célula unitária cúbica, e a partir de dados de dífração 
de  raios  X  sabe‐se que o  comprimento da  aresta da  célula  é de  0,582 nm.  Se  a densidade 
medida é de 4,82 g/cm3, quantos íons Cd2+  e S2‐ estão presentes em cada célula unitária? 
18)  Você  esperaria  a  existência  de  defeitos  de  Frenkel  para  ânions  em  concentrações 
relativamente grandes em materiais cerâmicos iônicos? Por que ou por que não?  
19) Em suas próprias palavras, defina sucintamente o termo "estequiométrico".  
20) Se o oxido  cúprico  (CuO) encontra‐se exposto a atmosferas  redutoras e a  temperaturas 
elevadas, alguns dos íons Cu2+ irão se tornar Cu+.  
(a)  Sob  essas  circunstâncias,  cite  um  defeito  cristalino  que  você  esperaria  que  se 
formasse para manter a neutralidade de cargas.  
(b) Quantos íons Cu+ são necessários para a criação de cada defeito?  
(c) Como você expressaria a fórmula química para esse material não‐estequiométrico?  
  
21)   (a)  Suponha  que  Li2O  seja  adicionado  ao  CaO  como  uma  impureza.  Se  os  íons  Li
+ 
substituem os  íons Ca2+, você esperaria a  formação de que tipo de  lacunas? Quantas 
dessas lacunas são criadas para cada íon Li+ adicionado?  
(b) Suponha que o CaCl2  seja adicionado ao CaO como uma  impureza. Se os  íons Cl
‐ 
substituem os  íons O2‐, você esperaria a  formação de que  tipo de  lacunas? Quantas 
dessas lacunas são criadas para cada íon Cl‐ adicionado?  
22)  Quais defeitos pontuais são possíveis para o MgO como uma impureza no Al2O3? Quantos 
íons Mg2+ devem ser adicionados para formar cada um desses defeitos?  
23) Para o sistema ZrO2‐CaO (Fig. 13.25), escreva todas as reações eutéticas e eutetóides para 
o resfriamento. 
24) A partir da Fig. 13.24, que mostra o diagrama de fases para o sistema MgO‐Al2O3, pode‐se 
observar que a solução sólida do espinélio existe ao longo de uma faixa de composições, o que 
significa que ele é não‐estequiométrico quando em composições diferentes de 50%mol MgO‐
50%mol Al2O3.  
(a)  A  não‐estequiometria  máxima  pelo  lado  rico  em  Al2O3  do  campo  de  fases  do 
espinélio  ocorre  a  uma  temperatura  de  aproximadamente  2000°C  (3630°F)  e 
corresponde  a  uma  composição  de  aproximadamente  82%mol  (92%p)  de  Al2O3. 
Determine o tipo do defeito por lacunas que é produzido, bem como o percentual de 
lacunas que existe nessa composição.  
(b)  A  não‐estequiometria  máxima  pelo  lado  rico  em  MgO  do  campo  de  fases  do 
espinélio  ocorre  a  uma  temperatura  de  aproximadamente  2000°C  (3630°F)  e 
corresponde  a  uma  composição  de  aproximadamente  39%mol  (62%p)  de  Al2O3. 
Determine o tipo do defeito por lacunas que é produzido, bem como o percentual de 
lacunas que existe nessa composição. 
25) Explique sucintamente (a) por que pode haver uma dispersão significativa na resistência à 
fratura para alguns dados materiais cerâmicos, e (b) por que a resistência à fratura aumenta 
em função de uma diminuição do tamanho da amostra. 
26) Uma amostra circular de MgO é carregada usando‐se o modo de  flexão em  três pontos. 
Calcule  o mínimo  raio  possível  para  a  amostra  sem  que  haja  a  ocorrência  de  uma  fratura, 
sabendo‐se que a  carga aplicada é de 425 N  (95,5  lbf), a  resistência à  flexão é de 105 MPa 
(15.000 psi) e a separação entre os pontos de carregamento é de 50 mm (2,0 pol.).  
27) Um ensaio de flexão em três pontos foi executado com uma amostra de oxido de alumínio, 
que possui uma seção reta circular com raio de 3,5 mm (0,14 pol.); a amostra fraturou sob uma 
carga  de  950  N  (215  lbf),  quando  a  distância  entre  os  pontos  de  suporte  era  de  50  mm 
(2,0pol.).  Um  outro  ensaio  deve  ser  realizado  com  outra  amostra  desse  mesmo  material, 
porém essa nova amostra possui uma  seção  reta quadrada com 12 mm  (0,47 pol.) em cada 
aresta. Sob qual carga você espera que ocorra a fratura dessa amostra se a separaçãoentre os 
pontos de suporte agora é de 40 mm (1,6 pol.)?  
28)   (a) Um  ensaio de  flexão  transversal  em  três  pontos  é  conduzido  com uma  amostra 
cilíndrica de oxido de  alumínio que possui uma  resistência  à  flexão  relatada de 390 
MPa  (56.600  psi).  Se  o  raio  da  amostra  é  de  2,5  mm  (0,10  pol.)  e  a  distância  de 
separação entre os pontos de suporte é de 30 mm (1,2 pol.), estime se a amostra  irá 
ou não  fraturar quando uma  carga de 620 N  (140  lbf)  for  aplicada.  Justifique  a  sua 
resposta.  
(b) Você tem 100% de certeza quanto a sua resposta para a parte a? Por que sim, ou 
por que não?