Poligrafo cerâmicos pucrs

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Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul 
Faculdade de Engenharia 
 
 
 
 
 
 
Materiais Cerâmicos 
 
 
 
 
Professor Roberto Moreira Schroeder 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Porto Alegre, março de 2016 
2 
 
Sumário 
Introdução aos Materiais Cerâmicos ............................................................ 10 
Mercado mundial de cerâmicas avançadas .................................................. 10 
Principais propriedades dos materiais cerâmicos e suas influências no 
processamento: Comparação com os metais ............................................... 10 
Processo de fabricação usual dos cerâmicos ............................................... 11 
Definição de Materiais cerâmicos ................................................................. 11 
Comparação entre cerâmica tradicional e cerâmica avançada ..................... 13 
Comparação entre cerâmica tradicional e avançada .................................... 14 
Empresa nacional de cerâmicas avançadas: Barueri SP .............................. 14 
Produtos oferecidos pela empresa CERTEC ................................................ 15 
Principais aplicações ..................................................................................... 15 
Noções de preços dos materiais cerâmicos avançados: Fonte 
GOODFELLOW ............................................................................................ 16 
Noções de preços dos materiais cerâmicos .................................................. 20 
Definição e propriedades básicas ................................................................. 28 
Aplicações dos materiais cerâmicos ............................................................ 29 
Classificação dos materiais cerâmicos ......................................................... 29 
Usinagem – compósitos ................................................................................ 29 
Usinagem – cerâmicos .................................................................................. 30 
Importância dos materiais cerâmicos no processo de usinagem .................. 30 
Abrasivos ...................................................................................................... 31 
Variações da Alumina empregada para abrasivos e outras aplicações ........ 31 
Componentes mecânicos - Rolamentos ....................................................... 31 
Componentes mecânicos – discos de freio ................................................... 32 
Motores, turbinas e compressores ................................................................ 34 
Utilização potencial de cerâmicos em motores de combustão interna .......... 35 
Motores, turbinas e turbo compressores ....................................................... 36 
Blindagens e coletes a prova de bala ........................................................... 37 
Sensor de oxigênio – ZrO2 + CaO................................................................. 37 
Facas cerâmicas -ZrO2 + CaO ...................................................................... 38 
Filtro cerâmico para fundição de aço e ferro fundido - ZrO2.......................... 38 
Ônibus espacial............................................................................................. 39 
Cerâmicos Usadas em aplicações Biomédicas............................................ 40 
Materiais cerâmicos biocompatíveis – Implantes .......................................... 40 
3 
 
Catalisadores ................................................................................................ 41 
Fibras refratárias cerâmicas .......................................................................... 42 
Outras aplicações ......................................................................................... 44 
Ligações Químicas em Materiais Cerâmicos ............................................... 45 
Arranjos Atômicos ......................................................................................... 45 
Ligação iônica ............................................................................................... 46 
NaCl ........................................................................................................... 46 
Ligação Covalente ........................................................................................ 48 
Representação esquemática da ligação covalente em uma molécula de 
metano ....................................................................................................... 48 
Cl – Cl ........................................................................................................ 48 
Ligação Metálica ........................................................................................... 49 
União de dois átomos de sódio por meio da ligação metálica ................... 49 
Ilustração esquemática da ligação metálica .............................................. 49 
Propriedades associadas as ligações metálicas ........................................ 51 
Representação esquemática de uma molécula polar ................................ 51 
Ilustração esquemática da ligação de van der waals ................................. 52 
Influência das ligações de Van der Waals, nas propriedades dos materiais . 53 
Influência da energia da ligação em algumas propriedades dos materiais .. 53 
Percentual de caráter iônico e covalente em um cerâmico ........................... 53 
Método gráfico para determinar o % de caráter iônico .............................. 54 
Exemplos de caráter iônico e covalente .................................................... 54 
Ligações iônicas versus covalentes .............................................................. 56 
Sistemas cristalinos cerâmicos .................................................................... 57 
Em que se baseia ......................................................................................... 57 
INTERSTÌCIOS EM CÉLULAS CÚBICAS .................................................... 58 
Efeito da carga dos íons ............................................................................... 60 
Fatores que interferem no sistema cristalino dos sólidos iônicos.................. 60 
Para o sistema cúbico ................................................................................... 60 
Estruturas cristalinas ..................................................................................... 61 
Binárias: Tipo AX A- cátion X- ânion .......................................................... 61 
Binárias: Tipo A2X A- cátion X- ânion ........................................................ 63 
Binárias: Tipo A2X3 A- cátion X- ânion ....................................................... 63 
Ternárias: Tipo AmBn Xp, A- cátion B- cátion X- ânion (perovskita) ............ 64 
4 
 
Exemplo:Estruturas Cristalinas .................................................................. 64 
Exemplo:Fator de Empacotamento atômico .............................................. 65 
Cerâmicas a base de Silicato ........................................................................ 66 
Unidade básica dos silicatos ......................................................................... 66 
Ligações entre os tetraedros formando estruturas ........................................ 67 
No caso dos oxigênios se ligarem a outros silícios a estrutura pode crescer 
de forma análoga a polimerização ............................................................. 68 
Estrutura em camada da argila caulin ou caulinita .................................... 68 
Estrutura em camada nos silicatos ............................................................... 69Aspecto da mica: Silicato com estrutura em camadas............................... 70 
Estruturas tridimensionais de silicato (sílica- SiO2) ....................................... 71 
Noções sobre vidros ..................................................................................... 72 
Efeito da temperatura sobre os vidros ....................................................... 72 
VIDROS (CERÂMICOS AMORFOS) Tipos de vidros ................................ 74 
PROCESSAMENTO DE VIDROS ............................................................. 75 
Processo para fabricação de chapa de vidro ............................................. 76 
Têmpera nos vidros ................................................................................... 76 
NOÇÕES DE CERÂMICAS TRADICIONAIS ................................................ 77 
Aspecto micrográfico de uma porcelana .................................................... 78 
Processamento da cerâmica tradicional .................................................... 78 
Preparação da barbotina pesagem dos pós e mistura com água .............. 79 
Moldes de gesso ........................................................................................ 80 
Processo de secagem da argila antes da queima (sinterização) ............... 80 
Relação entre temperatura de queima e a resistência da cerâmica 
tradicional .................................................................................................. 81 
Processamento da cerâmica tradicional a base de argila ......................... 81 
Equipamentos empregados para extrusão de cerâmicos argilosos ......... 81 
Vitrificação: vidrados ..................................................................................... 82 
Diagramas de equilíbrio entre cerâmicas ..................................................... 83 
Introdução ..................................................................................................... 83 
Diagrama de equilíbrio .................................................................................. 83 
Isomorfo Cr2O3 + Al2O3 ............................................................................... 83 
MgO + Al2O3 ............................................................................................... 85 
ZrO2 + CaO ................................................................................................ 85 
SIO2 e Al2O3 ............................................................................................... 87 
5 
 
Noções de refratários ..................................................................................... 88 
Tipos de refratários ....................................................................................... 88 
Argila refratária .......................................................................................... 88 
Base de sílica (refratários ácidos) .............................................................. 89 
Básicos ...................................................................................................... 90 
Refratários especiais ..................................................................................... 90 
Características dos refratários ................................................................... 90 
Propriedades Físicas ..................................................................................... 92 
Densidade ..................................................................................................... 92 
Tipos de densidade ....................................................................................... 92 
Cálculo da densidade cristalográfica do cloreto de sódio .......................... 93 
Uso da norma ASTM C373 em geral empregada para obter informações 
de cerâmicas tradicionais principalmente tijolos ....................................... 95 
Exemplos de cálculo de densidade e de % de porosidade ........................ 95 
Exemplos de cálculo de densidade e de % de porosidade ........................ 96 
Avaliação da porosidade usando porosímetros de mercúrio ........................ 96 
Propriedades Térmicas dos Materiais Cerâmicos ....................................... 97 
1- Ponto de fusão: proporcional à força das ligações químicas .............. 97 
2-Capacidade Calorífica (c) ou capacidade Térmica .................................... 98 
3- Condutividade Térmica ............................................................................. 99 
Fatores que afetam a condutividade térmica dos cerâmicos: .................. 100 
Influência da formação de solução sólida na condutividade. ................... 102 
Influência da presença de impurezas na condutividade térmica .............. 103 
Influência da presença de mais de uma fase na condutividade térmica .. 103 
4- Expansão térmica ................................................................................... 104 
Comportamento mecânico dos materiais cerâmicos................................ 106 
Os materiais cerâmicos cristalinos não apresentam deformação plástica em 
baixas temperaturas .................................................................................... 106 
Na forma de fibras onde a possibilidade de defeitos é reduzida pois se tem 
apenas uma dimensão os valores se aproximam da resistência teórica .... 107 
Fatores que modificam o Módulo de Elasticidade ....................................... 109 
Influência da porosidade sobre o módulo de elasticidade do óxido de 
alumínio a temperatura ambiente................................................................ 111 
Cerâmicos apresentam maior resistência a compressão (tendem a fechar os 
defeitos) que a tração (tendem a abrir os defeitos) ..................................... 111 
6 
 
Comparação entre a resistência a tração e a compressão da alumina ....... 112 
Coeficiente de POISSON ............................................................................ 112 
Influência dos defeitos ................................................................................ 113 
Valores de KIC para alguns materiais metálicos cerâmicos e poliméricos ... 114 
Resistência de um cerâmico ....................................................................... 114 
Aumento da tensão externa por defeitos internos ....................................... 114 
Segundo Evans e Tappin ............................................................................ 115 
Problema ilustrativo ..................................................................................... 116 
Avaliação das propriedades mecânicas dos materiais cerâmicos .............. 118 
Normas ASTM relacionadas às medidas de dureza em materiais cerâmicos
 .................................................................................................................... 120 
Indentação de microdureza Knoop bem sucedida em nitreto de silício ...... 121 
Indentação de microdureza Vickers apresentando microtrincas em nitreto de 
silício ........................................................................................................... 121 
Relação entre dureza e resistência à compressão ..................................... 122 
Ensaios de flexão ........................................................................................ 123 
Comparação entre os resultados dos testes de flexão e dos testes de tração
 .................................................................................................................... 123 
Influência da porosidade sobre a resistência a flexão de um material 
cerâmico (Al2O3).......................................................................................... 124 
Resistência mecânica de alguns cerâmicos ...............................................126 
Efeito do tamanho do corpo de prova ......................................................... 126 
Trabalho estatístico sobre os resultados encontrados nos ensaios mecânicos 
dos materiais cerâmicos ............................................................................. 127 
Técnicas avançadas para aumentar a tenacidade dos cerâmicos .............. 128 
Formas de atuação ..................................................................................... 129 
Efeito da presença da zircônia no fator de intensidade de tensões crítico Kic
 .................................................................................................................... 130 
Cerâmica reforçada com whiskers .............................................................. 131 
FLUÊNCIA EM CERÂMICOS ........................................................................ 135 
DEFINIÇÃO................................................................................................. 135 
Redução na tensão máxima admissível em projetos pelo efeito da fluência.
 ................................................................................................................. 136 
Ensaio de fluência ....................................................................................... 137 
Curva típica .............................................................................................. 137 
Medida da velocidade de fluência em estada estacionário ...................... 138 
7 
 
Efeito da tensão e da temperatura no comportamento à fluência ............ 139 
Gráfico log. tensão x log. tempo até a ruptura ......................................... 139 
Exemplo da importância da fluência em cerâmicos ................................. 140 
Outros efeitos da alta temperatura .......................................................... 142 
Efeitos químicos ...................................................................................... 143 
Comportamento elétrico dos materiais cerâmicos – Condutividade iônica
 ....................................................................................................................... 144 
Objetivos ..................................................................................................... 144 
Comportamento Elétrico das Cerâmicas ..................................................... 144 
Condutividade Elétrica (s ) .......................................................................... 144 
Condutores Elétricos ................................................................................... 144 
Condutividade Eletrônica ............................................................................ 145 
Exemplos: ................................................................................................ 150 
Aplicação dos semicondutores cerâmicos em lâmpadas de LED – Light 
Emitting Diode ......................................................................................... 151 
As várias estruturas em forma de bandas possíveis em sólidos ............. 153 
Condutividade Iônica ................................................................................... 153 
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras ................................... 155 
Bombas extratoras de oxigênio ............................................................... 156 
Purificação de Efluentes Gasosos ........................................................... 156 
Células de Combustível de Óxidos sólidos .............................................. 156 
Materiais Cerâmicos super-condutores ..................................................... 158 
O que é a super-condutividade ................................................................... 158 
Efeito Meissner ........................................................................................... 160 
Processamento dos materiais cerâmicos .................................................. 162 
Aspersão Térmica - Recobrimentos com materiais cerâmicos ................... 162 
Aspersão Térmica pelo método HVOF .................................................... 163 
Ferro fundido nodular recoberto com zircônia – ZrO2 .............................. 164 
Principais etapas ......................................................................................... 164 
Matéria prima básica: Pós cerâmicos ...................................................... 165 
Fatores de influência ................................................................................... 165 
Influência do tamanho das partículas na porosidade final ....................... 166 
Influência da porosidade a verde na porosidade final e no tamanho de grão 
do material cerâmico................................................................................ 166 
Classificação dos pós .............................................................................. 167 
8 
 
Classificadores por ar: classifica parículas entre 40 e 400 mesh. ............... 169 
Redutores dos tamanhos de partícula ........................................................ 169 
Aditivos: Produtos adicionados aos pós cerâmicos .................................... 170 
Principais: ................................................................................................ 170 
Outros aditivos: ........................................................................................ 170 
Aglomerados esféricos de pós, contendo um nível uniforme de aditivos. 171 
Exemplos de ligantes ............................................................................... 172 
Alguns plastificantes e lubrificantes usuais .............................................. 173 
Exemplos de aditivos ............................................................................... 174 
Conformação: Processos de compactação na forma desejada .................. 175 
Prensagem uniaxial a frio automatizada ou seriada ................................ 176 
Prensagem isostática a frio pode ser em meio seco ou meio líquido ...... 178 
Prensagem a quente (Hot Pressing) ........................................................ 180 
Prensagem Isostática a quente (Hot Isostátic Pressing).......................... 181 
Colagem (casting) ....................................................................................... 183 
Preparação da barbotina pesagem dos pós e mistura com água ............ 184 
Moldes de gesso ......................................................................................... 184 
Após a colagem – secagem antes da queima ......................................... 185 
Colagem em fita (tape casting) ................................................................... 185 
Moldagem – extrusão : para cerâmica tradicional de seção constante ....... 186 
Extrusora de rosca a esquerda e formas típicas de produtos fabricados por 
extrusão a direita ..................................................................................... 187 
Moldagem – por injeção (Injection molding) ................................................ 187 
Sinterização – Densificação ........................................................................ 188 
Estágios da sinterização: ......................................................................... 189 
Efeito na peça da ausência da etapa de calcinação prévia a sinterização
 ................................................................................................................. 191 
Redução de volume em um rotor de turbina feito de SiC compactado por 
injeção, após a sinterização ..................................................................... 191 
Fotografia do MEV (microscópio eletrônico de varredura) ....................... 192 
Sinterização em fase líquida ....................................................................192 
Efeito da fase vítria no processo de sinterização ..................................... 193 
Imperfeições nas estruturas cerâmicas ..................................................... 194 
Introdução ................................................................................................... 194 
1) Imperfeições Cristalinas Pontuais em METAIS. ................................ 194 
9 
 
2) Imperfeições Cristalinas Pontuais em CERÂMICOS. ........................ 197 
Defeito de Schottky .................................................................................. 198 
Soluções sólidas em compostos cerâmicos ................................................ 199 
Eletroneutralidade .................................................................................... 199 
EXEMPLO DE GERAÇÃO DE DEFEITOS DE PONTO EM MISTURAS 
CERÂMICAS ............................................................................................... 200 
3) Imperfeições Cristalinas em Linha - Discordâncias em cerâmicos .... 201 
Defeitos de superfície e de volume .......................................................... 202 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
Introdução aos Materiais Cerâmicos 
 
Mercado mundial de cerâmicas avançadas 
 
 
 
 
Principais propriedades dos materiais cerâmicos e suas 
influências no processamento: Comparação com os metais 
 
Principais propriedades: 
Elevada dureza: 
Elevados pontos de fusão e 
amolecimento 
Alta resistência à fluência. 
Alta fragilidade: Não sofrem 
deformação plástica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Metais são normalmente 
fundidos: alto ponto de fusão dos 
cerâmicos impede esse 
processo de fabricação. 
Metais são soldados, pela 
mesma razão acima os 
cerâmicos não são. 
Metais são conformados: Alta 
fragilidade e ausência de 
deformação plástica impossibilita 
esse processo de fabricação 
Metais são habitualmente 
usinados. Alta dureza dos 
cerâmicos permite apenas 
pequenos ajustes de dimensões 
com ferramentas de diamante 
 
 
 
 
 
11 
 
 
Processo de fabricação usual dos cerâmicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Definição de Materiais cerâmicos 
 
São materiais formados pela ligação entre átomos de metais e semi-
metais, metais e ametais, e semi-metais e ametais, unidos através de 
ligações iônicas e/ou covalentes. 
 
 
 
 
 
12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
13 
 
Comparação entre cerâmica tradicional e cerâmica avançada 
 
 
 
 
14 
 
Comparação entre cerâmica tradicional e avançada 
 
 
Empresa nacional de cerâmicas avançadas: Barueri SP 
 
15 
 
Produtos oferecidos pela empresa CERTEC 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Principais aplicações 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16 
 
Noções de preços dos materiais cerâmicos avançados: Fonte 
GOODFELLOW 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
17 
 
 
 
 
 
 
 
18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
 
Noções de preços dos materiais cerâmicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
 
 
 
22 
 
 
 
 
23 
 
 
 
 
24 
 
 
 
 
25 
 
 
 
26 
 
 
 
 
 
27 
 
 
 
 
28 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Definição e propriedades básicas 
 
• São materiais compostos de 
átomos de metais e semi-
metais de metais e ametais e 
de semi-metais e ametais 
unidos através de ligações 
iônicas e/ou covalentes 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Alto ponto de fusão – alta 
resistência ao calor. 
• Alta resistência ao desgaste 
– grande dureza. 
• Isolante ou semicondutor 
elétrico . 
• Baixa tenacidade. 
• Alta resistência à deformação 
plástica – fratura frágil. 
• Alta estabilidade química – 
resistência à corrosão 
 
 
 
29 
 
Aplicações dos materiais cerâmicos 
 
Classificação dos materiais cerâmicos 
 
 
Usinagem – compósitos 
• Metal duro: (WC, TiC TaC + 
Co) 
• Cermets: (TiC, MoC + Ni) 
 
 
30 
 
 
Usinagem – cerâmicos 
 
 
• CBN – Nitreto cúbico de boro 
• Al2O3 + TiC 
• Si3N4 - Nitreto de silíci 
 
 
 
Importância dos materiais cerâmicos no processo de usinagem 
 
 
 
 
 
 
 
 
31 
 
 
Abrasivos 
 
 
 
Variações da Alumina empregada para abrasivos e outras 
aplicações 
 
• Al2O3 – Branca > 99% de pureza 
• Al2O3 – Marrom ~ 3% de TiO2 
• Al2O3 – Rosa < de 0.5% de Cr2O3 
• Al2O3 + ZrO2 (maior tenacidade) 
• + 25% de ZrO2 
• + 40% de ZrO2 
• + 30% de ZrO2 + 5% de TiO2 
 
Componentes mecânicos - Rolamentos 
 
• Si3N4 - Nitreto de silício) 
32 
 
 
 
Componentes mecânicos – discos de freio 
 
• Sialon (nitreto de silício + óxido de alumínio + nitreto de alumínio) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
34 
 
• Sialon (nitreto de silício + óxido de alumínio + nitreto de alumínio) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Motores, turbinas e compressores 
 
• Si3N4 - Nitreto de silício) 
• ZrO2 + CaO (P.S.Z. Partially Stabilized Zirconia) 
• SiC- carbeto de silício 
• Al2O3 + ZrO2 ( T.T.A. Transformation Toughened Alumina) 
• L.A.S. Silicato de Alumínio e Lítio (baixa expansão térmica) 
 
35 
 
Utilização potencial de cerâmicos em motores de combustão 
interna 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
36 
 
Motores, turbinas e turbo compressores 
 
 
 
• Rotor de turbina de NITRETO DE SILÍCIO (Si3N4) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
37 
 
Blindagens e coletes a prova de bala 
 
 
Sensor de oxigênio – ZrO2 + CaO 
 
38 
 
 
Facas cerâmicas -ZrO2 + CaO 
 
 
 
 
 
Filtro cerâmico para fundição de aço e ferro fundido - ZrO2 
 
 
 
 
 
 
 
39 
 
Ônibus espacial 
 
 
• Muito alta temperatura: 
compósito reforçado de carbono 
com carbono. 
• Alta temperatura: C + SiC (+O2 
do ar forma SiO2). 
• Menor temperatura: Sílica 
porosa (recoberta com SiO2 93% 
+ B2O3 – óxido de Boro 5% + 
Silicato de Boro 2%) 
 
 
 
 
40 
 
Cerâmicos Usadas em aplicações Biomédicas 
 
• Cerâmica Formula caracteristica 
• Alumina Al2O3 Bioinerte 
• Zirconia ZrO2 Bioinerte 
• Hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2 Bioativa 
 
Materiais cerâmicos biocompatíveis – Implantes 
 
• Hidroxiapatita [ Ca10(PO4)6 (OH)2] 
• Por exemplo, uma das cerâmicas 
mais promissoras começa com 
uma mistura pulverulenta de 
compostos de cálcio e fosfato. 
(CaO eP205). Schowengerdt e 
Moore aquecem a mistura a 2600 
ºC. CaO e P2O5 reagem para 
produzir fosfato de cálcio 
(II) Ca3(PO4)2, uma substância 
bastante similar (em termos 
químicos) a um osso real. A 
reacção também produz calor e 
produtos secundários gasosos 
que naturalmente formam poros 
• O osso natural cresce nos poros de um implante protótipo de cerâmica 
41 
 
 
 
Catalisadores 
 
• Cordierita – [2MgO-2Al2O3-5SiO2] 
 
 
42 
 
Fibras refratárias cerâmicas 
43 
 
 
 
 
 
 
44 
 
 
Outras aplicações 
 
• Bicos para jateamento de areia 
• Ferro fundido: Resiste de 6 a 10 horas de utilização 
• WC (carbeto de tungstênio) : Resiste entre 250 a 400 horas de 
utilização. 
• B4C (carbeto de boro): Resiste até 1000 horas de utilização. 
• Bicos para corte por água a alta pressão, em geral contendo pós 
abrasivos. 
• Safira (alumina ) 
• Bicos para jateamento de areia de alumina (abaixo) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
45 
 
Ligações Químicas em Materiais Cerâmicos 
 
Arranjos Atômicos 
 
• As ligações químicas tem forte influência sobre diversas propriedades 
dos materiais 
• Os elétrons de valência (do último nível) são os que participam das 
ligações químicas. 
• Os átomos buscam a configuração mais estável dos gases nobres (com 
2 ou 8 eletrons) 
• Dependendo da energia envolvida na ligação elas podem ser divididas 
em 
• Fortes 
• Fracas 
• Ligações fortes: 
 Iônicas 
 Covalente 
 Metálicas 
• Ligações fracas: 
 Van der waals 
• Materiais cerâmicos: ligações iônicas e/ou covalentes 
• Representação esquemática dos estados de energia preenchidos para 
um átomo de sódio 
 
 
 
 
 
 
 
46 
 
Ligação iônica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NaCl 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Representação esquemática da ligação iônica para o NaCl 
 
47 
 
 
 
 
 
• Resulta da atração mútua entre íons positivos e negativos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
48 
 
Ligação Covalente 
 
Representação esquemática da ligação covalente em uma molécula de metano 
 
• Os átomos atingem a 
configuração estável 
compartilhando elétrons com um 
átomo adjacente 
 
 
 
 
 
 
Cl – Cl 
 
 
 
 
49 
 
• A ligação covalente é direcional, ou seja mantém um ângulo entre as 
ligações: Nos materiais cerâmicos covalentes há uma tendência a 
reduzir a expansão térmica e a densidade em relação a materiais iônicos 
com massa atômica semelhante 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ligação Metálica 
 
União de dois átomos de sódio por meio da ligação metálica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ilustração esquemática da 
ligação metálica 
 
50 
 
 
 
• Estrutura formada por íons positivos e elétrons livres de valência que 
formam uma “nuvem eletrônica” que circula livremente entre os íons 
positivos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
51 
 
Propriedades associadas as ligações metálicas 
 
• Alta condutividade elétrica e térmica: Cerâmicos são isolantes pois não 
possuem elétrons livres na ligação química 
• Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou 
seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes. Os materiais 
cerâmicos são frágeis pois as ligações são rígidas 
• Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam 
de nível energético com facilidade emitindo fótons 
• São sempre opacos: pela mesma razão acima mas nesse caso 
absorvendo a luz incidente. Já os cerâmicos podem ser transparentes. 
Representação esquemática de uma molécula polar 
 
• Dipolos elétricos ocorrem 
quando os centros das cargas 
positivas não coincidem com o 
centro das cargas negativas em 
uma molécula. As diferenças nas 
propriedades entre a grafita e o 
diamante estão relacionadas a esse 
tipo de ligação. 
 
 
 
 
 
 
 
52 
 
Ilustração esquemática da ligação de van der waals 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• São 
ligações secundárias fracas que estão relacionadas a atração de dipolos 
elétricos 
 
 
• ligação de Van der Waals para o ácido fluorídrico 
 
 
 
 
 
 
53 
 
Influência das ligações de Van der Waals, nas propriedades 
dos materiais 
 
• Estrutura do diamante: Apenas ligações 
covalentes 
 
 
 
 
 
• Estrutura planar da grafita: ligações 
covalentes dentro dos planos ligação 
covalente, entre os planos ligação 
fraca 
 
 
 
 
Influência da energia da ligação em 
algumas propriedades dos materiais 
 
• Quanto maior a energia envolvida na ligação química há uma tendência 
de: 
• Maior ser o ponto de fusão do composto 
• Maior a resistência mecânica 
• Maior a dureza 
• Maior o módulo de elasticidade 
• Maior a estabilidade química 
• Menor a dilatação térmica 
Percentual de caráter iônico e covalente em um cerâmico 
 
• As ligações nos materiais cerâmicos podem apresentar maior ou menor 
caráter iônico ou covalente, dependendo do grau de direcionalidade das 
54 
 
ligações.Quanto maior for a separação tanto vertical como horizontal na 
tabela periódica maior a diferença na eletronegatividade e mais iônica 
será a ligação O acúmulo de elétrons entre os centros dos átomos 
diminui o caráter iônico, influenciando nas propriedades desses 
materiais 
• % de caráter iônico = {1-exp[-(0,25)(XA-XB)2]} .100 
• Onde XA e XB são as eletronegatividades dos elementos A e B onde A é 
o elemento mais eletronegativo 
• O percentual de caráter covalente será 1 - % de caráter iônico 
• Existe um método gráfico que pode ser empregado 
 
Método gráfico para determinar o % de caráter iônico 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exemplos de caráter iônico e covalente 
 
• Qual o grau de caráter iônico do MgO SiO2 e SiC ? 
• Eletronegatividades: Mg=1,2 O=3,5 
 Si=1,8 C=2,5 
• % de caráter iônico = {1-exp[-(0,25)(XA-XB)2]} .100 
• Onde XA e XB são as eletronegatividades dos elementos A e B onde A é 
o elemento mais eletronegativo. 
55 
 
• Respostas: MgO ~ 75% ; SiO2 ~ 50% ; SiC ~10% 
• Qual o grau de caráter covalente do diamante , Si3N4 e SiO2 ? 
• Eletronegatividades: Si=1,8 N=3,0 O=3,5 
• Respostas: 
• Fração covalente= (1- fração iônica) x 100 
• Diamante = 1 – 0 = 100% covalente 
• Nitreto de silício= 1 – 0,3 = 70% covalente 
• Sílica= 1-0,5= 50% covalente 
 
 
56 
 
Ligações iônicas versus covalentes 
 
• Os materiais cerâmicos formados a partir de elementos dos grupos 
monovalentes IA (Li, Na,K, etc...) e o VII A (F, Cl, Br, etc...) são de 
caráter muito iônico mas com baixa força entre as ligações químicas, 
caracterizando compostos de baixo ponto de fusão(para o grupo dos 
cerâmicos), baixa dureza, resistência e módulo de elasticidade e grande 
expansão térmica. 
• Já os materiais cerâmicos iônicos formados a partir de elementos de 
grupos de maior valência como Mg+2 Al+3 Zr+4 possuem ligações de 
caráter menos iônico mas com alta força nas ligações gerando 
compostos de alto ponto de fusão, resistência mecânica dureza etc... 
• As cerâmicas ligadas predominantemente por ligações covalentes são 
tipicamente duras e de alta resistência apresentando altos pontos de 
fusão. Como essas ligações são direcionais, apresentam em geralmenores densidades (para pesos moleculares equivalentes aos dos 
compostos iônicos) e menores expansões térmicas que os compostos 
iônicos, para energias entre as ligações semelhantes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
57 
 
Sistemas cristalinos cerâmicos 
 
Em que se baseia 
 
• A estrutura cristalina de um material cerâmico ligado ionicamente é 
determinado pelo número de átomos de cada elemento requerido para a 
eletroneutralidade distribuído em um empacotamento ótimo baseado nos 
tamanhos relativos dos raios. 
• Já os ligados de maneira 
preferencialmente covalente, o 
empacotamento não é máximo devido 
ao ângulo que está associado a esse 
tipo de ligação por ela ser direcional. 
• A maioria das estruturas cerâmicas, 
consiste em um empilhamento de 
ânions (maiores) nas posições 
normais das estruturas conhecidas 
(CS. CCC. CFC, HC ) com os cátions 
menores ocupando posições 
intersticiais 
• As posições dos cátions depende do 
modo do empilhamento: 
• Número de coordenação = 8 : Os 
cátions se posicionam no interstício 
central do cubo que é maior 
• Número de coordenação = 6 : Os 
cátions se posicionam nos interstícios 
octaédricos 
• Número de coordenação = 4 : Os 
cátions se posicionam no interstício 
tetraédrico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
58 
 
INTERSTÌCIOS EM CÉLULAS CÚBICAS 
 
 
Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura cúbica de corpo centrado 
 
Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura de faces centradas 
• Somente íons na faixa de tamanho apropriado são estáveis em cada 
posição intersticial 
• Desta forma a relação entre o tamanho do cátion pelo do ânion tem 
influência na definição da estrutura cristalina 
 
 
 
 
 
 
59 
 
• NC = 4 : ânions no vértice de um tetraedro e cátions nos interstícios 
tetraédricos Os átomos dessa estrutura possuem em geral alto grau de 
covalência nas ligações entre eles. Razão mínima entre os raios de 
0,225 
• NC = 6 ânions no vértice de um octaedro e cátions nos interstícios 
octaédricos. Razão mínima entre os raios de 0,414. 
• NC = 8: ânions no vértice de um cubo e cátions no interstício octaédrico 
central do cubo. Razão mínima entre os raios de 0,732. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
60 
 
Efeito da carga dos íons 
 
• Essas considerações que permitem estimar as possíveis estruturas são 
aproximadas já que os átomos não são esferas, como estão sendo 
considerados aqui, as ligações tem um percentual de covalência, que 
causa certa direcionalidade estrutural, afetando o número de 
coordenação.. 
• Outro fator importante é a carga de cada íon: O número de ãnions e de 
cátions dentro de cada célula unitária deve ser proporcional ao indicado 
na fórmula química do composto, para manter a eletroneutralidade. 
• Essa exigência coloca uma limitação no posicionamento dos íons na 
estrutura. 
Fatores que interferem no sistema cristalino dos sólidos 
iônicos 
 
 
 
Para o sistema cúbico 
 
• Átomos nos vértices 1/8 de seu volume na célula unitária em questão. 
• No meio da aresta 1/4 de seu volume na célula unitária em questão. 
• No centro da face 1/2 de seu volume na célula unitária em questão. 
• No interior da célula unitária, todo seu volume estará na célula unitária 
em questão 
 
61 
 
 
Estruturas cristalinas 
 
Binárias: Tipo AX A- cátion X- ânion 
 
 Tipo Sal de rocha: NaCl: 
• RNa / RCl =1,02/1,81 = 0,5635 NC=6 
• Desta forma ânions acupam posições equivalentes à uma rede CFC e 
os cátions os interstícios octaédricos 
• Outros cerâmicos desse grupo: KCl, LiF, KBR, MgO, CaO, SrO, BaO, 
CdO, VO, MnO, FeO, NiO,MnS, e muitos outros 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tipo cloreto de césio: 
• CsCl: RCs/RCl = 1,70/1,81= 0,939 NC=8 
• Assim, ânions estão nos vértices do cubo e cátions no interstício 
octaédrico central 
62 
 
• Outros cerâmicos: CsBr CsI 
 
 
 
 
 
 Tipo Blenda de Zinco: 
• ZnS RZn/RS= 0,75/1,84= 0,407 NC=4 
• Desta forma ânions formam uma estrutura CFC e os cátions ocupam 4 
interstícios tetraédricos. 
• Outros cerâmicos desse grupo BeO, SiC, ZnTe Estruturas com forte 
caráter covalente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Binárias: Tipo A X2 A- cátion X- ânion 
 
 Tipo Fluorita (CaF2): 
• RCa/RF = 1,00/1,33 =0,75 NC=8 
• Logo ânions nos vértices do cubo e cátios no interstício central. 
• Como os cátions tem o dobro da carga dos ânions (valência 2 contra 1) 
somente metade dos interstícios centrais estão ocupados, para manter a 
eletroneutralidade. 
63 
 
• Outros cerâmicos desse grupo: ThO2, UO2, CeO2 ZrO2 (em altas 
temperaturas) HfO2 PuO2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Binárias: Tipo A2X A- cátion X- ânion 
 
 Tipo anti-fluorita: 
• A ligação entre Li+, Na+, K+, combinado com O-2 e S-2 formam 
compostos A2X . 
• Mesma estrutura do grupo da fluorita mas com as posições entre o 
cátion e os ânions invertidas 
 
Binárias: Tipo A2X3 A- cátion X- ânion 
 
 Estrutura tipo óxido de alumínio: 
 
• RAl/RO = NC=6 
• Os ânions estão arranjados segundo uma estrutura HC e os cátions 
ocupam 4 interstícios octaédricos da estrutura hexagonal de forma a se 
ter em cada célula unitária 6 ânions e 4 cátions respeitando a fórmula 
química e o balanço de cargas 
 
64 
 
 
 
Ternárias: Tipo AmBn Xp, A- cátion B- cátion X- ânion (perovskita) 
 
• Estruturas cerâmicas podem ter mais de um tipo 
de cátion, como o titanato de Bário (TiBaO3) 
 
 
 
Exemplo:Estruturas Cristalinas 
 
• Com base nos raios iônicos, mas considerando também a 
eletroneutralidade do composto e a direcionalidade das ligações 
químicas, que estruturas cristalinas esperarias para o FeO, CsBr e SiC ? 
• Resposta: Todos os três compostos são do tipo AX, ou seja, um cátion 
para um ânion logo o número de coordenação para as duas espécies 
químicas são iguais. 
• Para o FeO: Relação entre os raios RFe2+ /RO2- = 0,77 A/1,40 A =0,55 . 
Da tabela do slide 5 vê-se que o número de coordenação é de 6 (NC=6). 
Logo a estrutura será tipo Sal de Rocha (semelhante ao NaCl) 
• Para o CsBr: RCs+/RBr- = 1,70 A / 1,96 A = 0,867. Da mesma tabela 
(slide 5) – NC=8. Logo a estrutura será tipo cloreto de césio (CsCl) 
• Para o SiC: RC4-/RSi4+ = 0,16 A / 0,40 A = 0,4. Da mesma tabela – 
(slide5) - NC=4, sendo o grau de covalência igual a 90%. Logo a 
estrutura será tipo blenda de zinco (ZnS) que contempla também o 
ângulo necessário à ligação covalente. 
 
65 
 
Exemplo:Fator de Empacotamento atômico 
 
• Calcule o fator de empacotamento atômico para o NaCl RNa= 0,98 A 
RCl= 1,81 A 
• A célula unitária possui 4 átomos de sódio e 4 átomos de cloro. 
• FEA= Vol. Dos átomos/Vol. Da cél unit. 
• 4(4/3π RNa3) + 4(4/3π RCl3) / 
• (2RNa + 2RCl)3 
• FEA = 0,67, ou 67% da célula unitária está preenchida. 
• Em geral o FEA nos compostos é pior que nos metais onde todos os 
átomos são iguais 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
66 
 
Cerâmicas a base de Silicato 
 
 Composição (% em peso) 
 SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO Outros 
Sílica refractária 96 4 
Tijolo refractário 50-70 45-25 5 
Mulite refractária 28 72 ---- 
Porcelana eléctrica 61 32 6 1 
Porcelana steatite 64 5 30 1 
Cimento Portland 25 9 64 2 
 
 
 
 
 
Unidade básica dos silicatos• Muitos materiais cerâmicos, principalmente do grupo dos tradicionais 
contém silicato, pois são abundantes e baratos 
• A unidade básica dos silicatos é o tetraedro SiO4-4 no qual um átomo de 
silício é cercado por quatro oxigênios cada um com um elétron 
disponível para realizar ligações químicas 
• Existem duas formas dessas ligações acontecerem: 
• Com outros átomos metálicos 
 
Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos 
não são usados como materiais estruturais 
(não são considerados cerâmicos avançados)
67 
 
• Cada oxigênio pode compartilhar um par de elétrons com um segundo 
átomo de silício. 
 
 
Ligações entre os tetraedros formando estruturas 
 
 
 
 
68 
 
No caso dos oxigênios se ligarem a outros silícios a estrutura pode crescer de 
forma análoga a polimerização 
 
 Estrutura em cadeia: 
• Os tetraedros são arranjados em 
cadeias simples ou duplas. 
 Exemplos: 
• Pirofilita: Al2Si4O10(OH)2 principal 
componente da pedra sabão 
• Asbesto (amianto): 
Mg3Si2O5(OH)4 Conhecido 
material resistente ao calor, mas 
cancerígeno e por isso proibido 
em muitos países. 
• Ligações secundárias mantém 
essas cadeias unidas 
 
Estrutura em camada da argila caulin ou 
caulinita 
 
• Estrutura em camada: 
• Os arranjos das unidades 
tetraédricas é segundo um plano. 
• Ligações mais fracas que as existentes no tetraedro mantém as 
camadas unidas. 
• Desta forma surgem propriedades distintas dos cerâmicos nos materiais 
com essa estrutura. 
• Exemplos: 
• Mica: KAl3Si3O10(OH)2 clivagem 
• Argila Al2(Si2O5)(OH)4 caulin plasticidade 
• Talco: Mg3Si4O10(OH)2 lubrificante 
 
 
69 
 
 
 
 
 
 
Estrutura em camada nos silicatos 
 
 
 
 
70 
 
Aspecto da mica: Silicato com estrutura em camadas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Com a adição de água as ligações fracas entre as camadas são 
rompidas, causando o escorregamento entre elas, é a deformação 
observada na argila 
 
 
 
 
 
 
 
 
71 
 
Estruturas tridimensionais de silicato (sílica- SiO2) 
 
• Quando os tetraedros se unem de forma a todos os oxigênios estarem 
ligados à átomos de silício formam-se estruturas cristalinas 
tridimensionais. 
• Há três formas cristalinas da sílica: 
• Quartzo α,até 570ºC (ao lado) 
• Quatzo β, até 870ºC(ao lado) 
• Tridimita de 870ºC até 1470ºC 
• Cristobalita de 1470ºC até 1713ºC (estrutura ao lado) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
72 
 
Noções sobre vidros 
 
• O vidro é um silicato amorfo 
(não cristalino) Tem 
comportamento de um 
líquido mas possui ligações 
50% covalentes e 50% 
iônicas, ao contrario da 
maioria dos líquidos, que se 
unem por ligações fracas. 
• Na estrutura amorfa do 
vidro, podem-se ajustar 
facilmente outros átomos, 
como CaO Na2O. Esses 
átomos fazem ligações 
preferencialmente do tipo 
iônicas que são menos 
rígidas que as 50% 
covalentes, permitindo que 
sejam moldados à 
temperaturas mais baixas 
 
 
 
 
Efeito da temperatura sobre os vidros 
 
• 1-Ponto de fusão viscosidade 10 Pa-s (pascal segundo) vidro é fluído 
como líquido 
• 2-Ponto de trabalho 103 Pa-s O vidro é facilmente deformável nessa 
temperatura 
• 3-Ponto de amolecimento 4 x 106 Pa-s Mínima temperatura de manuseio 
do vidro 
• 4-Ponto de recozimento 1012 Pa-s T na qual a difusão atômica é 
suficiente para remover as tensões residuais 
• 5-Ponto de deformação 3 x 1013 Pa-s T menores causarão fraturas, 
transição para o estado vítrio 
• 1Pa.s = 10 Poise (1Pa.s=1Kg/m.s e 1P=1g/cm.s) 
73 
 
 
74 
 
VIDROS (CERÂMICOS AMORFOS) Tipos de vidros 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
75 
 
 
 
PROCESSAMENTO DE VIDROS 
 
 
76 
 
Processo para fabricação de chapa de vidro 
 
 
Têmpera nos vidros 
 
• Faz-se um resfriamento rápido no vidro, normalmente com ar forçado, 
gerando tensões compressivas na parte externa e trativas na parte 
interna, deixando a peça de vidro mais resistente ao choque. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
77 
 
NOÇÕES DE CERÂMICAS TRADICIONAIS 
 
• A COMPOSIÇÃO GERAL DAS CERÂMICAS TRADICIONAIS: 
• Argila: Caulim ou caulinita Al2(Si2O5)(OH)4 
• Sílica (quartzo SiO2): Material de enchimento de alto ponto de fusão e 
não reativo 
• Feldspato: Fluxo, forma um ligante vítrio de baixo ponto de fusão com a 
argila: 
• 3Tipos: potássico: KAlSi3O8 
• sódico: NaAlSi3O8 
• cálcico: CaAl2Si2O8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
78 
 
 
Aspecto micrográfico de uma porcelana 
 
 
 
Processamento da cerâmica tradicional 
 
• Faz-se uma suspensão coloidal dos 3 silicatos em água que se chama 
barbotina 
• Essa suspensão é derramada em moldes de gesso que são permeáveis 
deixando uma camada de produtos junto ao molde, que é pré-aquecida 
por volta de 120ºC para remoção da água 
• Essa casca é retirada do molde (Resistência a verde) e aquecida entre 
1200 e 1400 ºC (porcelanas) para adquirir resistência mecânica 
79 
 
 
Preparação da barbotina pesagem dos pós e mistura com água 
 
 
 
 
 
 
80 
 
Moldes de gesso 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Peças de cerâmica tradicional após a colagem 
 
 
 
Processo de secagem da argila antes da queima (sinterização) 
 
 
 
81 
 
Relação entre temperatura de queima e a resistência da cerâmica tradicional 
 
• Quanto maior a temperatura de queima entre 900ºC e 1400ºC maior a 
resistência durabilidade e a densidade (menor a porosidade) 
• T maiores que 1400ºC o corpo pode ficar muito mole e a peça entrar em 
colapso 
 
Processamento da cerâmica tradicional a base de argila 
 
• São produtos da cerâmica tradicional onde a argila predomina. 
• São fabricados em geral por extrusão adquirindo resistência a verde 
• São secados em T de 110ºC e depois queimados a 900ºC. 
 
Equipamentos empregados para extrusão de cerâmicos argilosos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
82 
 
 
 
Vitrificação: vidrados 
 
• É uma camada contínua de vidro aderente sobre a superfície de um 
corpo cerâmico. 
• O vidrado pode ser queimado simultaneamente com o corpo cerâmico 
(monoqueima) ou em uma segunda queima, depois de aplicado ao 
biscoito 
• O objetivo do vidrado é fornecer uma superfície dura não absorvente e 
de fácil limpeza. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
83 
 
Diagramas de equilíbrio entre cerâmicas 
 
Introdução 
 
 Como os materiais cerâmicos não são fabricados por fusão, nem sofrem 
deformação a altas temperaturas a importância dos diagramas é limitada 
quando comparada aos metais, no entanto para os cerâmicos refratários 
e em alguns casos específicos como em misturas de materiais 
cerâmicos podem ser importantes 
 Assim como os metais a maioria dos materiais cerâmicos não são puros 
contém impurezas ou adições que resultam em soluções sólidas fases 
não cristalinas ou fases multi-cristalinas. 
 Pode-se determinar: 
 T fusão de cada composto puro. 
 Influência na T fusão quando dois compostos são misturados 
 A presença ou não e o grau de soluções sólidas 
 Interações de dois compostos formando outros compostos (SiO2 + Al2O3 
formando a mulita 3 Al2O3.2 SiO2 ) 
 Tonde ocorre troca de estrutura cristalina – polimorfismo 
 A quantidade e a composição das fases para determinada temperatura e 
composição 
 Determinar parâmetros e variáveis para a sinterização. 
 
Diagrama de equilíbrio 
 
Isomorfo Cr2O3 + Al2O3 
 
• Forma uma solução sólida completa pois: 
• Os 2 íons são semelhantes no tamanho (0,53 Å Al+3 e 0,62 Å o Cr+3) 
• Possuem mesma valência (não causa desbalanço da eletroneutralidade 
do composto) 
84 
 
• Possuem mesma estrutura atômica Oxigênio Hexagonal compacto com 
cátions ocupando 2/3 dos vazios octaédricos 
 
 
• MgO e NiO tem o mesmo tipo de diagrama pelas mesmas razões 
apresentadas no slide anterior 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
85 
 
MgO + Al2O3 
 
• Solubilidade parcial no estado sólido 
• Possui um composto intermediário(fase) chamado espinel MgAl2O4 que 
apesar de ser um composto não é representado por uma reta pois ele é 
estável sem ser estequiométrico por uma faixa de composições 
(estequiometria 73% em peso de Al2O3 , 27% de MgO 50% em mol de 
cada um) 
• Espinel é utilizado como refratário funde a 2100ºC. 
• Apresenta dois pontos eutéticos 
 
ZrO2 + CaO 
 
• Diagrama vai até 31% em peso de CaO (50% mol) que corresponde a 
composição do ZrCaO3. 
• O ZrO2 apresenta 3 estruturas cristalinas Tetragonal Monoclínica e 
cúbica 
86 
 
• A transformação de tetragonal para monoclínica, que ocorre a 1150ºC 
vem acompanhada de uma variação volumétrica de 5% (expansão) que 
causa fissuras no processamento 
• Esse problema é superado pela adição de 3 a 7% de CaO, pois nas 
velocidades normais de resfriamento a sol. Sólida monoclínica e o 
composto CaZr4O9 preditos pelo diagrama não se formam, sendo as 
fases cúbicas e tetragonal do ZrO2 retidas (P.S.Z. partially stabilized 
Zirconia) A zirconia P.S.Z. se transforma para monoclínica na presença 
de tensões. 
• Maiores teores de CaO (7% a 12%) somente a fase cúbica da Zirconia é 
retida e ela é chamada de zirconia completamente estabilizada (T.S.Z. – 
zircônia totalmente estabilizada). A zirconia T.S.Z. não se transforma 
para monoclínica na presença de tensõesA ítria (Y2O3) e a magnésia 
(MgO) também são usadas como estabilizantes da ZrO2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
87 
 
SIO2 e Al2O3 
 
• Grande importância comercial pois são os principais constituintes de 
muitos refratários 
• Forma estável da sílica nessas temperaturas é a cristobalita 
• Formação de um composto intermediário chamado mulita 3Al2O3 2SiO2 
72% em peso de Al2O3 e funde a 1890ºC 
• Tem um eutético a 1587ºC e 7,7% em peso de Al2O3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
88 
 
Noções de refratários 
 
• Propriedades dos refratários: 
• Resistir a altas temperaturas sem fundir ou decompor 
• Permanecer não reativo e inerte em presença de meios e 
temperaturas severas 
• Promover isolamento térmico 
• Aplicações: 
• Revestimento de fornos 
• Revestimento de cadinhos 
• Revestimento de panelas para refino de metais 
• Fabricação de vidros 
• Tratamentos térmicos 
 
 
 
Tipos de refratários 
 
Argila refratária 
 
• sílico-aluminosos: de 25 a 40% de Al2O3. + SiO2 
• T máx. 1587ºC sem líquido em equilíbrio, mas admite-se pequena 
quantidade de líquido presente durante seu uso sem comprometer a 
integridade mecânica. 
• Logo a Tmáx dependerá do % de Al2O3 presente, pois quanto mais Al2O3 
presente menor a quantidade de líquido pra mesma T. 
 
89 
 
Base de sílica (refratários ácidos) 
 
• Tmáx de uso, 1650ºC sendo que pequeno percentual do tijolo estará na 
forma líquida. 
• Nesses refratários o teos de Al2O3. é considerado uma impureza pois 
aumenta o percentual de líquido presente reduzindo a temperatura máx 
de emprego. Faz a mistura cerâmica se aproximar do ponto eutético. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
90 
 
Básicos 
 
• São ricos em MgO (magnésia ou periclásio) 
• A presença de sílica é prejudicial em altas temperaturas.por razões 
semelhantes à presença de alumina nos a base de sílica. 
• Substitui o refratário ácido (a base de sílica) quando a escória do aço é 
básica. 
 
Refratários especiais 
 
• Maior temperatura de utilização,mais resistentes à ataque químico, mas 
mais caros 
• Alumina: Al2O3 
• Berília: BeO 
• Zircônia: ZrO2 
• Carbeto de silício: SiC 
• Grafite 
Características dos refratários 
 
• T máx em serviço é inferior à temperatura de sinterização 
• São empregadas partículas maiores e menores na mistura sendo que as 
menores funcionam como um ligante das maiores durante a sinterização 
sendo portanto responsáveis pela resistência mecânica do refratário. 
• Porosidade deve ser controlada: Grande porosidade maior isolamento 
térmico e maior resistência ao choque térmico mas menor resistência 
mecânica e menor resistência ao ataque químico. A porosidade ótima 
dependerá das condições do serviço. 
• É comum se utilizar o mesmo refratário mas com teores de porosidade 
diferentes no mesmo equipamento. 
91 
 
 
 
 
 
92 
 
Propriedades Físicas 
 
 
Densidade 
 
• Em muitas aplicações estruturais a baixa densidade dos componentes 
é de fundamental importância. 
• Para os materiais cerâmicos a densidade tem uma função adicional 
que é a de ser uma das formas de se determinar a porosidade. 
• A densidade de um material cerâmico depende: 
• -Tamanho e peso atômico dos elementos constituintes. 
• -Percentual de porosidade da microestrutura. 
• -Seu maior ou menor empacotamento atômico,(ligações 
covalentes) influência da alotropia ou polimorfismo ( em geral essa 
variável oferece pequena influência no valor da densidade) Quartzo 
2,65 g/cm3 Cristobalita 2,33 g/cm3 Tridimita 2,19 g/cm3 
 
 
Tipos de densidade 
 
• Densidade cristalográfica: É a obtida a partir da fórmula química e do 
sistema cristalino. É calculada dividindo a massa da célula unitária pelo 
volume da célula unitária. Considera o material e o sistema cristalino 
perfeitos (sem defeitos) 
• Densidade teórica: Densidade do material que contenha porosidade 
zero, mas leva em conta defeitos estruturais do sistema cristalino, 
misturas, múltiplas fases e soluções sólidas. 
• Densidade de massa: É a densidade medida de um material cerâmico 
incluindo: porosidade, defeitos, vazios, contaminantes, misturas etc... 
• Densidade específica: É a densidade de massa de um material em 
relação a densidade da água a 4º C (g/cm3 / g/cm3 - adimensional) 
93 
 
 
Cálculo da densidade cristalográfica do cloreto de sódio 
 
• Na célula unitária tem 4 sódios e 4 cloros 
 
 
 
 
 
 
 
94 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Usam-se corpos de prova com peso mínimo de 50g com tamanho 
aproximado de 3” X 3” e previamente secados em fornos. 
• 1- Medida do peso seco [D] 
• 2- Ferver a peça em água por 5 h e deixar esfriar em água por 24 h. 
• 3- Pesar o material. como retirado da água, ao ar [W] e dentro da água 
[S] . 
• Calcula-se: 
• Volume externo: V= W-S 
• Densidade de massa: B= D/V 
• Porosidade aparente: P= W-D / V 
• Volume do material impermeável = D-S 
• Densidade aparente(considera apenas a porosidade fechada) 
T=D / D-S 
 Absorção de água: A= W-D / D 
 
 
95 
 
Uso da norma ASTMC373 em geral empregada para obter informações de 
cerâmicas tradicionais principalmente tijolos 
 
 
Exemplos de cálculo de densidade e de % de porosidade 
 
• Um inserto para usinagem cerâmico consiste de 30% em vol. de SiC 
(whiskers - agulhas) em uma matriz de Al2O3 (alumina). Estimar a 
densidade teórica dessa mistura se o SiC tem uma densidade 
cristalográfica de 3,22 g/cm3 e a Al2O3 tem uma densidade 
cristalográfica de 3,95 g/cm3 . 
• dt= (0,3).(3,22 g/cm3) + (0,7).(3,95 g/cm3) 
• dt = 3,731 g/cm3 
 
 
96 
 
Exemplos de cálculo de densidade e de % de porosidade 
 
• A mesma mistura do problema anterior teve sua densidade de massa 
medida e seu valor é de 3,65 g/cm3 . Qual o percentual de porosidade 
está presente nesse cerâmico? 
• % dt = dmassa/ dteórica 
• % dt = 3,65 g/cm3 / 3,731 g/cm3 X 100 
• % dt = 97,8 % logo % de porosidade = 100 – 97,8 
• % de porosidade = 2,2% 
 
 
Avaliação da porosidade usando porosímetros de mercúrio 
 
• A amostra é colocada em um container 
• O container é evacuado e preenchido com mercúrio em quantidade 
conhecida e exata. 
• A pressão sobre o mercúrio é aumentada lentamente fazendo ele 
penetrar em poros cada vez menores fazendo seu volume decrescer 
continuamente. 
• PD=-4γcosΘ onde P é a pressão aplicada D é o diâmetro dos poros γ é 
a tensão superficial do mercúrio e Θ é o ângulo de contato entre o 
mercúrio e a parede do poro ( em geral 140 graus) 
 
 
 
97 
 
Propriedades Térmicas dos Materiais 
Cerâmicos 
 
 
1- Ponto de fusão: proporcional à força das ligações 
químicas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
98 
 
2-Capacidade Calorífica (c) ou capacidade Térmica 
 
• É a quantidade de calor requerida para variar a temperatura de uma 
substância em 1º C. [cal/g ºC] (O calor específico é adimensional, pois é 
dividido pela cap. Térmica da água a 15ºC) 
• A capacidade térmica depende de variáveis internas aos materiais como 
energia rotacional e vibracional dos átomos do material, mudanças de 
níveis energéticos dos elétrons. 
• No entanto, observa-se pela figura ao lado que a capacidade térmica vai 
do valor zero à -273 ºC a 6 cal/g ºC próximo dos 1000ºC para uma 
grande variedade de materiais cerâmicos. 
• No entanto a porosidade influencia muito o valor de “c” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Em considerações práticas o fator que mais influencia é a porosidade, já 
que muitos cerâmicos maciços tem comportamento semelhante em 
relação à capacidade térmica. 
• Como uma peça cerâmica com porosidade tem menor massa por 
volume que uma sem porosidade, a primeira necessita menor 
quantidade de calor para atingir uma temperatura específica 
• Como resultado um forno revestido com material mais poroso (um 
refratário por exemplo) pode ser aquecido e resfriado muito mais 
rapidamente e eficientemente 
 
 
 
 
 
99 
 
3- Condutividade Térmica 
 
• É a taxa de fluxo calórico que atravessa o material. unidade: 
cal/s/cm2/ºC/cm ou W/mK. 
• Nos metais os transportadores de energia são os elétrons livres que 
estão presentes em grande quantidade e são muito móveis, logo os 
metais são ótimos condutores de calor 
• Nos cerâmicos a transmissão de energia térmica é realizada por 
“fonons” 
• Os fonons são a quantificação da energia térmica transmitida pela 
vibração térmica da estrutura interna, ou designa um quantum de 
vibração em um retículo cristalino rígido. 
• Cubo de sílica para isolamento térmico. O interior do cubo está a 1250ºC 
e pode ser manuseado sem proteção. 
• Usada no isolamento térmico do Space Shuttle (ônibus espacial) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
100 
 
Fatores que afetam a condutividade térmica dos cerâmicos: 
 
Pesos atômicos 
 
• Cerâmicos, como elementos puros, tem melhor condutividade que 
compostos (melhor empacotamento, mais fácil a transmissão por 
fonons) (diamante e grafita) 
• Materiais cerâmicos com menor pesos atômicos e compostos de átomos 
com pesos atômicos próximos apresentam melhor condutividade 
(melhor empacotamento, mais fácil a transmissão por fonons) 
• Exemplos: Diamante e grafita 900 W/mK (Cobre 400 W/mK) 
• BeO SiC e B4C possuem pesos atômicos similares e condutividades 
altas (altas para cerâmicos, se aproximam da do aço) 
• UO2 e ThO2 apresentam grande diferença entre os pesos de seus 
átomos e portanto baixa condutividade 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
101 
 
Efeito da temperatura 
 
• Temperatura: em cerâmicos maciços (poucos porosos) a condutividade 
diminui com o aumento de temperatura (menor caminho livre médio) 
• Em cerâmicos muito porosos aumenta com a temperatura (aumenta a 
parcela de transmissão por radiação através dos poros 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
102 
 
Efeito da porosidade 
 
• Como a condutividade nos poros acorre apenas por radiação, quanto 
maior a porosidade menor a condutividade térmica 
• Com o aumento da temperatura aumenta a radiação através dos poros 
aumentando a condutividade 
• Em tijolos refratários que em geral apresentam alta porosidade, 
possuem baixa condutividade térmica, constituindo-se em excelentes 
isolantes térmicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Influência da formação de solução sólida na condutividade. 
 
• Quanto maior o percentual solubilizado menor a condutividade térmica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
103 
 
Influência da presença de impurezas na condutividade térmica 
 
• quanto maior o percentual de impurezas pior a condutividade 
 
Influência da presença de mais de uma fase na condutividade térmica 
 
• Fases paralelas: Km=V1K1+V2K2 
• A condutividade se aproxima do melhor condutor entre as fases 
(cerâmicos com camada superficial) 
• Fases perpendiculares: Km=K1K2/V1K1+V2K2 
• A condutividade se aproxima da condutividade da fase menos condutora 
(cerâmicos com camada superficial) 
• Fase dispersa: (muito comum em cerâmicos) 
• Km=Kc{1+2Vd(1-Kc/Kd)/(2Kc/Kd+1) / 1-Vd(1-Kc/Kd)/(Kc/Kd+1)} 
• A condutividade se aproxima da cond. da fase contínua 
104 
 
• Legenda: K1 cond. Fase 1 ; K2 cond. Fase 2 ; V1 e V2 Fração de vol. 
das fases ; Kc cond.da fase contínua ; Kd cond. da fase dispersa ; Vd 
vol. da fase dispersa 
 
4- Expansão térmica 
 
• Depende da força (energia) das ligações químicas, sendo inversamente 
proporcional. 
105 
 
• Logo as cerâmicas predominantemente covalentes são as que 
apresentam menor expansão térmica sofrendo menos problemas com 
choques térmicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• α = ΔL/Lo/ΔT onde α é o coeficiente de expansão térmica, Lo é o 
comprimento, ΔL é a variação de comprimento, e ΔT é a faixa de 
temperatura relacionada. 
• Unidade 1/ºC ou ºC-1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
106 
 
Comportamento mecânico dos materiais 
cerâmicos 
 
Os materiais cerâmicos cristalinos não apresentam 
deformação plástica em baixas temperaturas 
 
• Desta forma, em baixas temperaturas, o único tipo de deformação é 
elástica. 
• Assim essa deformação assume uma importância maior já que é a única 
que ocorre, e permite cálculos simples 
• E= σ/ε, como as ligações são fortes os módulos de elasticidade são 
altos. 
• Resistência teórica= a 1/10 a 1/5 do valor de E. 
• Desta forma o Al2O3 onde E=380.000 MPa teria resist. teórica de 39.000 
a 76.000 MPa 
 
107 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Na forma de fibras onde a possibilidade de defeitos é reduzida 
pois se tem apenas uma dimensão os valores se aproximam da 
resistência teórica 
 
 
 
108 
 
 
 
109 
 
 
 
 
Fatores que modificam o Módulo de Elasticidade 
 
• No entanto valor encontrado é muito inferior ao valor teórico. 
• Motivo: Falhas e defeitos internos como poros, vazios, microtrincas que 
atuam como concentradores de tensão, reduzindo a resistência teórica. 
• A porosidade altera o valor de E, E= Eo(1-1.9P+0,9P2) 
• Quando se tratar de misturas cerâmicas ou de compósitos (metal duro 
pex.) E=E1V1+E2V2 
• Onde E1,2 Modulo dos componentes e V1,2 fração volumétrica dos 
componentes 
 
 
 
 
 
 
 
 
110 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
111 
 
Influência da porosidade sobre o módulo de elasticidade do 
óxido de alumínio a temperatura ambiente 
 
Cerâmicos apresentam maior resistência a compressão 
(tendem a fechar os defeitos) que a tração (tendem a abrir os 
defeitos) 
 
 
 
112 
 
Comparação entre a resistência a tração e a compressão da 
alumina 
 
 
Coeficiente de POISSON 
• Indica a variação das dimensões nas direções perpendiculares à 
deformação imposta pela tensão externa aplicada 
 
113 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Influência dos defeitos 
 
• Tenacidade a fratura: A concentração de tensões na ponta da fissura 
pode ser indicado em termos do Fator de Intensidade de tensões KI 
• Para uma peça de tamanho infinito KI= σ√πc onde σ é a tensão externa 
e c é o tamanho da falha (div. Por 2 se interna) 
• Para uma peça finita: KI= σY√ πc onde Y é o fator de forma 
• KIC= Fator de intensidade de tensões crítico. Fator que faz determinada 
falha propagar de forma instável conduzindo à fratura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
114 
 
Valores de KIC para alguns materiais metálicos cerâmicos e 
poliméricos 
 
Resistência de um cerâmico 
 
• A resistência real de um cerâmico é bem inferior a resistência teórica, 
que é a necessária para romper a ligação química entre dois átomos 
• Resistência teórica: 
• σt= (Eγ/ao)1/2 onde E- 
• Módulo de Elasticidade, ao - espaço interatômico, γ - energia 
superficial (energia necessária para gerar as superfícies da fissura ou 
fratura) 
 
Aumento da tensão externa por defeitos internos 
 
• Fator concentrador de tensões: 
• Kt =σm/ σo = 2(c/ρ)1/2 onde σm – é a tensão máxima na falha, σo – é a 
tensão externa aplicada, c- comprimento da maior dimensão da falha, ρ 
– raio de curvatura da ponta do defeito 
115 
 
• Desta forma se ρ=2Å (para materiais frágeis - espaçamento 
interatômico) 
• E para um defeito de tamanho de 170 μm ... 
• Kt será de 1840 vezes. 
• Ou seja a tensão externa será multiplicada por 1840 vezes na ponta 
desse defeito 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Segundo Evans e Tappin 
 
• σf=z/y(2Eγ/c)1/2 
• Onde: c-comprimento da maior dimensão da falha. 
 σf – tensão de fratura 
• y- termo adimensional que depende da geometria do corpo de prova (em 
geral entre 1,77-falha interna e 2,0-falha superficial) 
• Z – Depende da configuração da falha (valor entre 1,0 e 2,0 – 
GRÁFICO) 
• γ-energia gasta para criar as faces da fratura(energia de superfície) 
• E módulo de elasticidade 
 
116 
 
 
 
 
Problema ilustrativo 
 
• Foi detectado pelo MEV. (Microscópio Eletrônico de Varredura) o defeito 
causador (provavelmente o maior defeito, ver slide posterior) da ruptura 
de um componente de nitreto de silício Si3N4. Calcule a tensão de fratura 
aproximada, usando a fórmula de Evans e Tappin , sabendo que: 
• E= 219 000 MPa ou 219x109 N/m2 
• y= 2 e γ = 11,9 J/m2 
• Do gráfico do slide anterior z= 1,68 (dimensões do poro l=150 μm e 
c=100 μm) 
• σf=z/y(2Eγ/c)1/2 
• σf=1,68/2(2x219x109N/m2 x 11.9J/m2/ 100x10-6 m) 
• σf= 191774042 Pa(N/m2) 
 σf= 191,77 MPa 
117 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
118 
 
 
 
 
 
 
 
 
Avaliação das propriedades mecânicas dos materiais 
cerâmicos 
 
• Dureza: 
• A única escala que alcança os valores de dureza dos materiais 
cerâmicos é a vickers. 
• No entanto se a marca é muito grande pode gerar fissuras a partir dela. 
• Logo em geral se usa os processos de microdureza Vickers ou Knoop 
(cargas de 10 gf a 1 Kgf) 
119 
 
• Para cerâmicos de menor dureza pode-se empregar também o método 
de dureza Rockwell superficial (cargas de15, 30 ou 45 Kgf ) 
 
 
 
120 
 
Normas ASTM relacionadas às medidas de dureza em materiais 
cerâmicos 
 
 
 
121 
 
Indentação de microdureza Knoop bem sucedida em nitreto de 
silício 
 
 
 
Indentação de microdureza Vickers apresentando microtrincas 
em nitreto de silício 
 
 
122 
 
 
Relação entre dureza e resistência à compressão 
 
• Resistência a compressão: 
• Como já comentado os materiais cerâmicos tem melhor resistência a 
compressão que a tração. 
• Existe uma relação semelhante a que existe para os metais entre a 
dureza Brinell e a resistência a tração. 
• No caso dos cerâmicos essa relação é entre a dureza Vickers e a 
resistência a compressão 
• σmax à compressão = 1/3 da dureza Hv (Kgf/mm2) TABELA ABAIXO 
 
 
 
 
 
 
123 
 
Ensaios de flexão 
Usado para caracterizar o comportamento mecânico de cerâmicos. Tipos de 
ensaios: 
 
 
Comparação entre os resultados dos testes de flexão e dos 
testes de tração 
 
• Nos testes de flexão atuam simultaneamente esforços de tração e de 
compressão (os mat. Cer. São mais resistentes à compressão) 
• A distribuição dos esforços ao longo dos corpos de prova é diferente 
em cada ensaio. Logo se o maior defeito do C.P. não estiver alinhado 
com a maior carga incidente o valor encontrado será maior do que o 
cerâmico pode efetivamente resistir 
124 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Influência da porosidade sobre a resistência a flexão de um 
material cerâmico (Al2O3) 
 
 
125 
 
 
 
 
 
 
 
Micrografias de MEV das superfícies das amostras sinterizadas a 1350 °C (a), e1500 
°C (b), 1600 °C (c) e 1700 °C (d). Observa-se aumento do tamanho de grão e redução 
da porosidade a medida que a temperatura de sinterização aumenta (caso d 
densidade teórica de 99,2) 
 
 
126 
 
Resistência mecânica de alguns cerâmicos 
 
 
 
 
Efeito do tamanho do corpo de prova 
 
• Quanto maior o corpo de prova utilizado nos testes menor tende a 
ser os valores de resistência encontrado seja no ensaio de flexão 
seja nos de tração. 
• Isso se deve ao fato de em corpos de prova maiores a probabilidade 
de se encontrar maiores defeitos aumenta reduzindo os valores 
encontrados 
• Deve-se sempre que possível realizar ensaios com Corpos de Prova 
de tamanho semelhante à aplicação prática. 
 
127 
 
Trabalho estatístico sobre os resultados encontrados nos 
ensaios mecânicos dos materiais cerâmicos 
 
• Os materiais cerâmicos apresentam uma reprodutibilidade muito menor 
que os materiais metálicos. 
• Desta forma é feito um tratamento estatístico nos resultados,