Materiais Cerâmicos

Prévia do material em texto

1
Materiais Materiais 
cerâmicoscerâmicos
Metal
Fe, Cu, Al, aço, latão
Polímero
Borracha, PVC
Cerâmica
Pedras, porcelana, cimento
Compósito
Fibra de Vidro
PneuConcreto armado
Classificação dos MateriaisClassificação dos Materiais
OsOs MateriaisMateriais cerâmicoscerâmicos são
materiais inorgânicos, não-metálicos,
formados por elementos metálicos e não
metálicos, ligados quimicamente entre si
fundamentalmente por ligações ionicas e/ou
covalentes.
CerâmicaCerâmica (Keramikos) = matéria prima
queimada.
Obs: As propriedades só são atingidas após tratamento térmico de alta temperatura.
Antigamente
matéria-prima era a argila
Os dias 
atuais
Componentes eletrônicos, de 
computadores, aeroespaciais, de 
comunicação... 
Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos
Materiais cerâmicosMateriais cerâmicos
VidrosVidros Produtos Produtos 
argilososargilosos
RefratáriosRefratários Abrasivos Cimentos Cerâmicas 
avançadas
VidrosVidros
Produtos Produtos 
argilosos argilosos 
estruturaisestruturais
Vitrocerâmicas Louças Louças 
sanitáriassanitárias
Fonte: Callister, 2002.
2
Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos
Naturais mais utilizadas industrialmente são:
argila, quartzo, magnesita, bauxito, grafita e zirconita.
Sintéticas, incluem entre outras alumina (óxido de
alumínio) sob diferentes formas (calcinada,
eletrofundida e tabular); carbeto de silício e produtos
químicos inorgânicos os mais diversos.
Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos
Cerâmicos tradicionais
Matéria prima básica:
Argila (AlArgila (Al22OO33SiOSiO22HH22O)O)
Sílica (SiOSílica (SiO22))
Feldspato (KFeldspato (K22OAlOAl22OO336SiO6SiO22))
Cerâmica Vermelha
Cerâmica Ou Materiais
De Revestimento
Cerâmica Branca
Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos
Cerâmicos técnicos/AVANÇADAS
Óxido de alumínio (Alumina AlÓxido de alumínio (Alumina Al22OO33))
Óxido de zircônio (Zircónia ZrOÓxido de zircônio (Zircónia ZrO22))
Carbeto de silício (SiC)Carbeto de silício (SiC)
Nitreto de silicio (SiNitreto de silicio (Si33NN44))
AplicaçõesAplicações
Haste 
Femoral
Prótese de Quadril
Ex: Alumina 99,9% de pureza
VANTAGENS:
1. Alta estabilidade térmica e química - evita reação química do filtro com o metal
fundente;
2. Alta resistência mecânica e grande superfície de contato, eficiente para a
purificação do fluxo de metal fundido.
3. Reduz a perda de metal na filtragem, fácil de operar, economiza energia.
4. Torna o fluxo do metal fundido mais fluido, evitando o spray e os respingos.
5. Melhora o acabamento e o aspecto do produto final, eliminado porosidade e
refugos.
6. Vários tamanhos, formatos e abertura dos poros. Indicado para qualquer técnica
de fundição.
AplicaçõesAplicações AplicaçõesAplicações
Selos mecânicos e sedes 
de válvulas em Carbeto de 
Silício
Cerâmica porosa em cilindros
para uso em aquários. Realiza a
filtragem biológica e eliminação
do amoníaco e dos nitritos da
água.
3
Tipos de matérias-primas
Categoria Pureza (%) Materiais
Materiais não-
processados
Variável Argilas, bauxita
Minerais
industrializados
85-98 Caulim, talco,
feldspato, quartzo
Produtos químicos
industrializados
98-99,9 Al2O3, MgO, AlN, SiC,
Si3N4, TiO2, ZrO2
Produtos especiais >99,9 BaTiO3, sílica-gel
Estrutura Estrutura 
CristalinaCristalina
(ligações predominantemente iônica)(ligações predominantemente iônica)
Estruturas cristalinas compostas por íons eletricamentes 
carregados
TIPOS DE LIGAÇÕESTIPOS DE LIGAÇÕES
� Iônica
� Os elétrons de valência são
transferidos entre átomos
produzindo íons;
� Forma-se com átomos de
diferentes eletronegatividades
(um alta e outro baixa);
� A ligação iônica não é direcional,
a atração é mútua;
� A ligação é forte= 150-300
Kcal/mol (por isso o PF dos
materiais com esse tipo de
ligação é geralmente alto);
� A ligação predominante nos
materiais cerâmicos é iônica.
Na (metal) 
instável
Cl (não metal) 
instável
elétron 
+ -
Coulombic
Attraction
Na (cation) 
estável
Cl (anion) 
estável
• Ligação que predomina em CerâmicasCerâmicasCerâmicasCerâmicas
He 
-
Ne 
-
Ar 
-
Kr 
-
Xe 
-
Rn 
-
F 
4.0
Cl 
3.0
Br 
2.8
I 
2.5
At 
2.2
Li 
1.0
Na 
0.9
K 
0.8
Rb 
0.8
Cs 
0.7
Fr 
0.7
H 
2.1
Be 
1.5
Mg 
1.2
Ca 
1.0
Sr 
1.0
Ba 
0.9
Ra 
0.9
Ti 
1.5
Cr 
1.6
Fe 
1.8
Ni 
1.8
Zn 
1.8
As 
2.0
CsCl
MgO
CaF2
NaCl
O 
3.5
LIGAÇÃO IÔNICALIGAÇÃO IÔNICA
� As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é não-
direcional os átomos num material iônico
arranjam-se de forma que todos os íons positivos têm
como vizinho mais próximo íons negativos, sendo as
forças atrativas igual em todas as direções.
4
3. Os materiais 3. Os materiais 
cerâmicos.cerâmicos.
Produtos cerâmicosProdutos cerâmicos
Cerâmica vermelha ou 
produtos cerâmicos 
estruturais
Cerâmica branca
Tijolos, azulejos, telhas, 
ladrilhos de piso e 
tubulações de esgoto
Porcelanas, louças de 
mesa, azulejos, pastilhas 
para revestimento 
externo e louça sanitária
Refratários Tijolos refratários para 
fornos e churrasqueiras
Vidros Cimentos
Propriedades Propriedades 
mecânicas dos mecânicas dos 
materiais cerâmicosmateriais cerâmicos
Comportamento mecânico dos Comportamento mecânico dos 
materiais cerâmicosmateriais cerâmicos
� Os materiais cerâmicos têm sua aplicabilidade
limitada em certos aspectos devido às suas
propriedades mecânicas, que em certos aspectos
são inferiores àquelas apresentadas pelos metais.
� A principal desvantagem é uma disposição à
fratura de uma maneira frágil, com muito pouca
absorção de energia.
Fratura Frágil das CerâmicasFratura Frágil das Cerâmicas
� À temperatura ambiente, tanto as cerâmicas cristalinas como as não
cristalinas quase sempre se fraturam antes que qualquer
deformação plástica possa ocorrer em resposta à aplicação de uma
carga de tração.
� O processo de fratura frágil consiste na formação e na propagação
de trincas através da seção reta do material em direção
perpendicular à carga aplicada.
� O crescimento da trinca em cerâmicas cristalinas se dá geralmente
através dos grãos e ao longo dos planos cristalográficos específicos,
planos de elevada densidade atômica.
Fratura Frágil das CerâmicasFratura Frágil das Cerâmicas
� A resistência à fratura medida para os materiais cerâmicos são
substancialmente inferiores àquelas estimadas na teoria a partir
das forças de ligação interatômicas.
� Isso pode ser explicado pela existência de defeitos muito pequenos
e onipresentes no material, os quais servem como fatores de
concentração de tensões, ou seja, pontos onde a magnitude de
uma tensão de tração que é aplicada é amplificada.
� O grau de amplificação da tensão depende do comprimento da
trinca e do raio de curvatura da extremidade da trinca, sendo maior
no caso de defeitos longos e pontiagudos.
5
Comportamento tensãoComportamento tensão--deformaçãodeformação
� O comportamento tensão-deformação dos materiais
cerâmicos não é avaliado através de um ensaio de
tração como no caso dos materiais metálicos.
Por três razões:
1. é difícil preparar e testar amostras que possuam 
a geometria exigida;
2. é difícil prender e segurar materiais frágeis sem 
fraturá-los e;
3. as cerâmicas falham após uma deformação de 
apenas aproximadamente 0,1%.
Comportamento Elástico
1. O comportamento elástico tensão-deformação para os
materiais cerâmicos no ensaio de flexão é semelhante
aos resultados obtidos para os metais: existe uma
relação linear.
O módulo elástico é
ligeiramentemaior
do que os dos metais
Deformação Plástica
1. Existem poucos sistemas de escorregamento
(conjunto de planos e direções cristalográficas), que
se tornam operantes somente a temperaturas
elevadas, ainda assim o movimento é difícil;
As cerâmicas cristalinas apresentam pouca ou
nenhuma deformação plástica,
2. A razão para a dureza e a fragilidade está associada à
dificuldade de escorregamento (deslocamento de
discordâncias).
Deformação Plástica
Movimentação de
discordância em
sólidos com ligações
covalentes
cerâmicas cristalinas
3. O movimento das discordâncias em planos
cristalográficos específicos é dificultado pela natureza
das ligações químicas, predominantemente iônicas.
Deformação Plástica
Movimentação de
discordância em
Cunha em sólidos com
ligações iônicas
Deformação Plástica
1. ocorre através do escoamento viscoso pela
aplicação de uma tensão cisalhante e a taxa de
deformação é proporcional a tensão aplicada;
A propriedade que representa este comportamento é a
viscosidade: uma medida da resistência a
deformação de um material não cristalino.
Nas cerâmicas não-cristalinas (como os vidros) não há
movimento de discordância uma vez que não existe uma
estrutura cristalina.
Ocorre deformação plástica.
6
Influência da porosidade 
1. Os poros reduzem a área de seção reta através da
qual uma carga é aplicada.
2. Atuam como concentradores de tensão
Influência da porosidade 
Dureza 
1. A dureza é uma propriedade muito utilizada
quando se exige uma ação de abrasão e de
esmerilhamento;
2. Os materiais mais duros conhecidos são os
cerâmicos;
Fluência
1. Deformação por fluência pode ocorrer quando
os materiais são submetidos a elevadas
temperaturas;
Exercício
1. Quais são as principais classes de materiais usados
em engenharia?
2. Liste alguns materiais normalmente encontrados em
engenharia de materiais.
3. Defina o que são materiais conjugados ou
compósitos.
4. Dê exemplos de materiais que foram substituídos
por outros em determinadas aplicações industriais.
Explique as razões de tais substituições.
5. Atualmente, diversos componentes de motores de
combustão interna são confeccionados a partir de
materiais cerâmicos. Qual a principal vantagem do
emprego destes materiais neste caso?