cap11 - Microestrutura dos materiais cerâmicos

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Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Oswaldo Cascudo – Universidade Federal de Goiás
Helena Carasek – Universidade Federal de Goiás
Nicole P. Hasparyk – Furnas Centrais Elétricas
Microestrutura dos Materiais Cerâmicos
Capítulo 11
Livro: Materiais de Construção Civil 
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Introdução
Os materiais cerâmicos podem ser definidos como sendo
materiais formados por compostos de elementos metálicos
(Al, Na, K, Mg, Ca, Si, etc.) e um dos cinco seguintes
elementos não-metálicos: O, S, N, C e P. Esses elementos
são unidos por ligações fortes iônicas e/ou covalentes.
● Definição – Materiais cerâmicos:
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Introdução
● Exemplo típico de composto cerâmico :
MgO
• com relação 1:1 entre átomos metálicos (Mg) e não-metálicos
(O);
• é amplamente presente como constituinte de materiais
refratários, pois pode suportar altas temperaturas sem se
dissociar ou fundir.
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Introdução
● Outros exemplos:
• SiO2 (sílica);
• Al2O3 (alumina);
• Argilas: também são materiais cerâmicos comuns, só que bem
mais complexos do que o MgO;
Uma das argilas mais simples é a caulinita, ou Al4Si4O10(OH)8,
que forma sua estrutura cristalina com quatro diferentes
unidades: Al, Si, O e o radical (OH).
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Introdução
● Tipos de ligação nos materiais cerâmicos:
Tipos de Ligação Material
Covalente
Si
SiC
Si3N4
Iônica
NaCl
MgO
Mica - (K,H3O)Al2(Si,Al)4O10(OH)2
Covalente-Iônica
Al2O3
Quartzo - SiO2
Vidro soda-cal – Na2O.CaO.6SiO2
Tipos de ligação nos materiais cerâmicos (adaptado de ANDERSON et al., 1990).
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Introdução
Na construção civil, os materiais cerâmicos abrangem grande 
variedade de substâncias naturais e de materiais e produtos 
industrializados. 
Materiais naturais:
• as argilas e as rochas.
● Materiais cerâmicos – variedade de substâncias e de materiais:
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Materiais e componentes industrializados:
• os tijolos;
• os blocos e as telhas cerâmicas;
• os aglomerantes minerais (cimento Portland, cal e gesso) bem
como os compósitos com eles fabricados (argamassas e
concretos);
• as peças cerâmicas de revestimento (azulejo, porcelanato,
pastilhas e placas cerâmicas em geral para revestimento de
parede e piso);
• as louças sanitárias;
• os vidros;
• materiais refratários.
Introdução
● Materiais cerâmicos – materiais e componentes industrializados:
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Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
● Simples ou comuns;
•● Complexas:
• • perovsquita;
• • coríndon;
• • espinélio;
• • grafita.
● Podem ser:
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•
Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
•● Perovsquita:
Estrutura da perovsquita – exemplo da célula unitária do BaTiO3.
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● Coríndon :
Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
Parte de uma célula unitária hexagonal representando a estrutura do coríndon (na célula, apenas 2/3 das 
posições do íon Al3+ estão representadas).
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Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
•● Espinélio:
Parte da célula unitária do espinélio do MgAl2O4.
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Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
•● Grafita:
Célula unitária hexagonal em camadas representativa da grafita.
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Silicatos
Materiais compostos essencialmente por silício e oxigênio.
● Definição – Silicatos:
Exemplos de alguns materiais da construção constituídos por 
silicatos:
• Cimento Portland;
• Agregados;
• Tijolos;
• Telhas;
• Vidros. 
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Silicatos
● Composição química dos principais componentes presentes 
em alguns silicatos cerâmicos:
Composição química aproximada dos principais componentes presentes em alguns silicatos cerâmicos 
(SHACKELFORD, 1996).
Cerâmica
% Elementos químicos presentes
SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO outros
Cimento Portland 25 9 - - 64 2
Sílica refratária 96 - - - - 4
Argila calcinada refratária 50-70 45-25 - - - 5
Mulita refratária 28 72 - - - -
Porcelana elétrica 61 32 6 - - 1
Porcelana de esteatita 64 5 - 30 - 1
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Silicatos
Estrutura dos silicatos: unidade fundamental
Quatro íons de oxigênio nos vértices de um tetraedro regular rodeando o 
íon de silício tetravalente, que os coordena.
Estrutura tetraédrica do silicato, carregada negativamente: a) visualização externa; 
b) vista interna com o silício posicionado no interstício dos átomos de oxigênio.
•a) •b)
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Silicatos
Possíveis arranjos dos 
tetraedros de silicatos
a) ilha de ortossilicato (arranjo isolado do 
tetraedro); 
b) ilha de pirossilicato (unidades 
tetraédricas duplas); 
c) estrutura em cadeia; d) estrutura na 
forma de anel; 
e) estrutura em folha, típica do argilomineral 
caulinita. 
(ASKELAND, 1990).
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Si4+
O2-
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Si4+
Al3+
(OH)-
O2-; (OH)-
O2-
a) isolado b) duplo
d) anel e) folha
c) cadeia
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Si4+
O2-
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Si4+
O2-
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Si4+
Al3+
(OH)-
O2-; (OH)-
O2-
Si4+
Al3+
(OH)-
O2-; (OH)-
O2-
a) isolado b) duplo
d) anel e) folha
c) cadeia
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Silicatos
Arranjos de alguns silicatos presentes nas rochas 
Classificação dos minerais silicatos das rochas (KLEIN; HURLBUT Jr., 1999).
Classe
Arranjo dos 
tetraedros SiO4
Relação 
Si:O
Exemplos de minerais
Mineral Fórmula química
Nesossilicatos ou 
ortossilicatos
isolados 1:4 Olivina (Mg,Fe)2SiO4
Sorossilicatos ou 
pirossilicatos
duplo 2:7 Hemimorfita Zn4Si2O7(OH).H2O
Ciclossilicatos anéis 1:3 Berilo Be3Al2Si6O18
Inossilicatos ou 
metassilicatos
cadeias simples 1:3
Piroxênio: 
enstatita
Mg2 (Si2O6)
cadeias duplas 4:11 Tremolita Ca2Mg5Si8O22(OH)2
Filossilicatos folhas 2:5 Talco Mg3Si4O10(OH)2
Tectossilicatos
estruturas 
tridimensionais
1:2 Quartzo SiO2
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Silicatos
Formas cristalinas polimórficas principais da sílica: 
• Quartzo – Estrutura fortemente unida, estável e com maior fator de empacotamento
• Cristobalita
• Tridimita
Estrutura trimimensional da sílica: a) cristobalita e b) tridimita.
•a) •b)
Minerais metaestáveis, baixo fator de empacotamento e baixa densidade 
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Pode se tornar reativo quando sujeito ao processo do 
metamorfismo, apresentando seu retículocristalino tensionado.
Potencialidade reativa do ponto de vista da reação álcali-sílica 
(RAS) em compósitos à base de cimento (concretos e 
argamassas).
Silicatos
Quartzo: 
Mineral considerado termodinamicamente mais estável. 
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Silicatos
Quartzo - outras fases potencialmente reativas:
• quartzo microcristalino - quartzo de granulação fina, produzido 
pela recristalização dinâmica do mineral;
• calcedônia - variedade criptocristalina de quartzo da classe 
fibrosa.
Outros silicatos potencialmente reativos:
• vidro vulcânico - silicato presente nas rochas ígneas, produzido 
pelo resfriamento rápido da lava fundida;
• opala - mineralóide, conhecido como uma sílica hidratada 
amorfa ou coloidal.
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Silicatos
Silicatos Anidros do Cimento Portland 
• Alita (C3S): silicato tricálcico, Ca3SiO5 (ou 3CaO.SiO2)
• Belita (C2S): silicato dicálcico, Ca2SiO4 (ou 2CaO.SiO2) 
• Celita ou aluminato (C3A): fase aluminato tricálcico, Ca3Al2O6 ou 
3CaO.Al2O3
• Ferrita ou Ferroaluminato (C4AF): ferroaluminato tetracálcico 
(Ca2AlFeO5 ou 4CaO.Al2O3.Fe2O3) 
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Silicatos
Silicatos do Cimento Portland - Alita 
Estrutura do C3S do cimento Portland, com seus dois principais elementos 
(adaptada de LEA,1970).
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Silicatos
Silicatos do Cimento Portland - Belita 
Estrutura da fase b-C2S, com projeção ao longo do eixo b (adaptada de 
LEA,1970). 
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Silicatos
Silicato hidratado do Cimento Portland: C-S-H 
Representação simplificada do a-C2S hidratado (LEA, 1970). 
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Vidros e Outras Cerâmicas não Cristalinas
Sílica vítrea:
Tetraedros unidos por ligações covalentes para produzir uma
rede tridimensional ao acaso, ou seja, sem orientação, havendo
carência de cristalinidade, apesar de se assemelhar à sílica
cristalina em uma análise a curta distância.
Os vidros ou cerâmicas não cristalinas representam, na sua 
maioria, silicatos amorfos, apresentando-se semelhantes às 
cerâmicas cristalinas do ponto de vista químico.
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Diagrama de Fases
O conhecimento dos equilíbrios de fases é fundamental
para prever-se o comportamento dos materiais, porque é
necessário atingir-se o equilíbrio (ou pelo menos um estado
próximo a ele) para se alcançar estabilidade química.
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Diagrama de Fases
Diagramas de fase = Diagramas de equilíbrio
Determinam:
• quais fases se encontram em equilíbrio para uma dada
composição a certa temperatura;
Permitem:
• determinar a composição química de cada fase;
• calcular a quantidade de cada fase presente.
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Diagrama de Fases
Mapas a partir dos quais se podem determinar as
fases presentes, para qualquer temperatura e
composição, desde que o material esteja em equilíbrio.
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Diagrama de Fases
As relações de fase , num sistema com um único
componente, dependem:
exclusivamente das variáveis de estado 
(pressão e temperatura).
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Diagrama de Fases
Sistema de um único componente – SiO2. Observação: um diagrama mais completo incluiria também as 
modificações de cada fase sob temperaturas mais baixas (adaptada de VAN VLACK, 1973).
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Diagrama de Fases
Outra forma de representar o diagrama de fase pressão-temperatura para o sistema SiO2 (ASKELAND, 
1998). 
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Diagrama de Fases
Expansão linear do quartzo e do vidro com o aumento da temperatura (ASKELAND, 1998).
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Diagrama de Fases
● Diagrama de fases binário:
A pressão é considerada constante e igual a 1 atm, eliminando-
se, assim, essa variável de estado.
Exemplo:
O diagrama SiO2-Al2O3 é um dos mais importantes no
entendimento e na previsão das propriedades e comportamento
de vários materiais cerâmicos de construção civil.
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Diagrama de Fases
Diagrama de fases SiO2-Al2O3, sob pressão constante (adaptada de VAN VLACK, 1984).
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Diagrama de Fases
Operação de queima na indústria cerâmica:
● é importante o conhecimento das transformações
termoquímicas das argilas e massas cerâmicas;
● quando a massa cerâmica é aquecida, ocorrem
diversas transformações, sendo as mais importantes:
• a retração;
• a variação de porosidade;
• a liberação ou a absorção de calor;
• a perda de massa;
• as mudanças da estrutura .
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Diagrama de Fases
Temperatura 
(oC)
Retração
Porosi-
dade 
Efeitos
térmicos
Perda 
de 
massa
Análise 
petrográfica
Análise por
difr. raios X
20 -100 nula alta nenhum pequena
cristais de
caulinita
cristais de 
caulinita
100 - 400 nula alta nenhum pequena
cristais de 
caulinita
cristais de 
caulinita
400 - 500 pequena alta
grande
absorção
muito 
grande
quebra de 
cristais
quebra de 
cristais
500 - 900 média alta nenhum pequena
cristais 
invisíveis
metacaulinita
Transformações térmicas do caulim (adaptado de NORTON, 1973).
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Diagrama de Fases
Temperatura 
(oC)
Retração
Porosi-
dade
Efeitos 
térmicos
Perda 
de 
massa
Análise 
petrográfica
Análise por 
difr. raios X
900 -1000 alta média
grande 
evolução
nenhuma
cristais 
invisíveis
apareciment
o de mulita e 
g-alumina
1000 -1150 nula média nenhum nenhuma
crescimento 
de mulita
crescimento 
de mulita
1150 -1200 alta
redução 
rápida
pequena 
evolução
nenhuma
crescimento 
de cristobalita
mulita e 
cristobalita
Transformações térmicas do caulim – continuação (adaptado de NORTON, 1973).
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Propriedades dos Materiais Cerâmicos
● Principais propriedades das cerâmicas:
• alta estabilidade térmica;
• boa resistência à compressão e ao cisalhamento;
• fratura do tipo frágil;
• baixa condutividade elétrica.
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Propriedades dos Materiais Cerâmicos
Dilatação térmica de alguns materiais de construção (adaptada de VAN VLACK, 1973).
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Propriedades dos Materiais Cerâmicos
Material Esquema Explicação
Metal
O arranjo de coordenação nos
metais é o mesmo antes e após
uma etapa completa de
escorregamento.
Comparação dos mecanismos de escorregamento entre metais monoatômicos e materiais cerâmicos 
biatômicos.
• Mecanismos de escorregamento
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Propriedadesdos Materiais Cerâmicos
Material Esquema Explicação
Cerâmica
O escorregamento em um cristal
biatômico produziria novos vizinhos
com forças de atração e repulsão
diferentes; esse novo arranjo
somente seria atingido com ruptura
de ligações fortes entre os íons Mg2+
e O2-. Assim, o escorregamento é
altamente restrito, uma vez que as
duas etapas de escorregamento,
necessárias para se atingir uma
estrutura semelhante à original,
teriam de se realizar passando por
uma situação de alta energia,
resultante das repulsões de íons
negativos versus íons negativos e de
íons positivos versus íons positivos.
Comparação dos mecanismos de escorregamento entre metais monoatômicos e materiais cerâmicos 
biatômicos - continuação. 
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Propriedades dos Materiais Cerâmicos
A ausência praticamente total de escorregamento nos materiais 
cerâmicos leva às seguintes conseqüências:
• esses materiais não apresentam comportamento dúctil, ou seja,
são frágeis;
• podem ser solicitados por tensões de compressão muito elevadas,
desde que não se tenham poros presentes;
• existe a possibilidade teórica de se ter um limite de resistência à
tração elevado.
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Propriedades dos Materiais Cerâmicos
(a) (b)
FRÁGIL
• Comportamento mecânico – Ilustração para os Materiais Cerâmicos
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Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
(a) (b)
DÚCTIL
• Comportamento mecânico – Ilustração para os Materiais Metálicos
Livro: Materiais de Construção Civil 
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Cerâmica Avançada
Cerâmica avançada, também denominada de cerâmica
técnica ou cerâmica fina, engloba uma classe de “novas”
cerâmicas, em que as matérias-primas são artificiais, há um
grande controle do processo e, principalmente, um forte
controle da microestrutura.
(YOSHIMURA, 2002)
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Cerâmica Avançada
● Características especiais:
• alta resistência mecânica;
• alta dureza e resistência à abrasão;
• alta durabilidade (resistência química e à corrosão);
• alta resistência à temperatura (são materiais refratários); 
• alto ponto de fusão (alguns chegam até cerca de 2500°C a
3000°C);
• baixa dilatação térmica;
• elevada tenacidade;
• baixo peso.
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Cerâmica Avançada
● Exemplos de cerâmicas finas:
• Alumina;
• Zircônia;
• Nitreto de silício;
• Sialon (Si-Al-O-N);
• Nitreto de alumínio;
• Nitreto de boro; 
• Carbeto de silício;
• Carbeto de boro.
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Cerâmica Avançada
Material Composição
Densidade
(g/cm3)
Resistência 
à compressão
(MPa)
Resistência 
à tração
(MPa)
Módulo de
Elasticidade
(GPa)
Alumina Al2O3 3,98 2810 210 395
Carbeto de 
silício
SiC 3,10 3935 175 420
Nitreto de 
silício*
Si3N4 3,20 3935 175 420
Sialon
Si3N4-Al2O3-
AlN-SiO2
3,24 3515 560 315
Zircônia** ZrO2 5,80 3515 420 315
* Nitreto de silício prensado a quente; ** Zircônia parcialmente estabilizada.
Propriedades mecânicas de algumas cerâmicas avançadas – valores aproximados 
(adaptado de ASKELAND, 1994).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Bibliografia Consultada
•ANDERSON, J. C. et al. Materials Science. 4. ed. London: Chapman & Hall,
1997.
•ASKELAND, D. R. The science and engineering of materials. 2. ed. London:
Chapman & Hall, 1990.
•______. The science and engineering of materials. 3. ed. Boston: PWS
Publishing Company, 1994.
•______. The science and engineering of materials. 3. ed. London: Chapman
& Hall, 1998.
•CALLISTER Jr., W. D. Materials science and engineering: an introduction. 2.
ed. New York: John Wiley & Sons, 1991.
•CAMPBELL, D. H. Microscopical examination and interpretation of Portland
cement and clinker. Illinois: Construction Technology Laboratories – Portland
Cement Association, 1986.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Bibliografia Consultada
•HASPARYK, N. P. Investigação dos mecanismos da reação álcali-
agregado – efeito da cinza de casca de arroz e da sílica ativa. Goiânia:
UFG, 1999. 257p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil), Escola de
Engenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 1999.
JASTRZEBSKI, Z. D. Nature and properties of engineering materials. New
York: John Wiley & Sons, 1959.
KLEIN, C.; HURLBUT Jr., C. S. (after JAMES D. DANA) Manual of mineralogy.
21. ed. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1999.
LEA, F. M. The chemistry of cement and concrete. 3. ed. London: Edward
Arnold (Publishers), 1970.
MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades e
materiais. São Paulo: PINI, 1994.
MONTEIRO, P. J. M. et al. Effect of aggregate deformation on alkali-silica
reaction. ACI Materials Journal, v. 98, n. 2, p. 179-183, 2001.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Bibliografia Consultada
NORTON, F. H. Introdução à tecnologia cerâmica. São Paulo: Edgard
Blücher, 1973.
PITEIRA, M. Cerâmicos técnicos. Disponível em: http://www.dcm.fct.unl.pt
/Discipl/Ct/ MP.pdf. Acesso em: 4 mar. 2007.
RAMACHANDRAN, V. S.; BEAUDOIN, J. J. Handbook of analytical
techniques in concrete science and technology. Ed. Norwich/New
York/U.S.A.: Noyes Publications / Willian Andrew Publishing, 2001.
SHACKELFORD, J. F. Introduction to materials science for engineers.
4. ed. New Jersey: Prentice Hall / Simon & Schuster, 1996.
•______. Introduction to materials science for engineers. 5. ed. New
Jersey: Prentice Hall, 2000.
TAYLOR, H. F. W. Cement Chemistry. 2. ed. London: Thomas Telford,
1997.
VAN VLACK, L. H. Princípio de ciências dos materiais. São Paulo: Edgard
Blücher, 1970.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Bibliografia Consultada
•______. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais; tradução de Edson
Monteiro. 4. ed. Rio de Janeiro: Campus, 1984.
•______. Propriedades dos materiais cerâmicos; tradução de Cid Silveira e
Shiroyuki Oniki. São Paulo: Edgard Blücher, 1973.
•YOSHIMURA, H. N. Bate-papo programado – Cerâmica Avançada: IPT –
Atividades, 2002. Disponível em: http://www.ipt.br/atividades/serviços/chat/ARQ.
Acesso em: 4 mar. 2007.