APS ceramica concluido

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FACULDADE POLITÉCNICA DE UBERLÂNDIA
Disciplina: Química Geral 
Professor: 
						
MATERIAIS CERÂMICOS NA ENGENHARIA
Uberlândia, 01 de Junho de 2016
1 INTRODUÇÃO
Os materiais cerâmicos são conhecidos desde os tempos mais remotos. Eles têm seu nome derivado da palavra grega “keramus”, que significa barro queimado, pois os utensílios feitos desse material, como panelas e vasilhames de água, eram obtidos à partir da argila moldada e submetida à queima. 
Cerâmicas são materiais inorgânicos sólidos, não-metálicos. Elas podem ser cristalinas ou não-cristalinas, podem possuir uma estrutura com ligações covalentes, ligações iônicas ou alguma combinação das duas (BROWN,2005).
Na maioria das vezes as cerâmicas são duras e quebradiças, e estáveis em altas temperaturas. São utilizados em diversos produtos desde louças a isoladores de energia (BROWN,2005).
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo geral
Conhecer os diferentes tipos de materiais cerâmicos e suas respectivas aplicações na engenharia.
1.1.1 Objetivos específicos
Conceituar e classificar os materiais cerâmicos.
Verificar suas mais diversas aplicações na Engenharia, baseadas nas propriedades físicas e químicas dos mesmos.
Diferenciar a cerâmica tradicional da cerâmica avançada, dando destaque para a última.
Identificar os diversos tipos de materiais cerâmicos, destacando os semicondutores.
Destacar os principais tipos de ligações químicas que ocorrem nesses materiais.
Analisar o impacto desses materiais cerâmicos na Engenharia.
2 TIPOS DE MATERIAIS CERÂMICOS
Em geral dependendo da aplicação os materiais cerâmicos podem ser divididos em:
2.1 VIDROS
Os produtos de vidro são conformados a quente, quando o material está fundido, apresenta-se como um material de elevada viscosidade, que pode ser deformado plasticamente sem se romper.
Seu principal óxido é o SiO2, mas pode apresentar outros como: CaO,Na2O,K2O e Al2O3.
2.2 PRODUTOS DE ARGILA
Pode ser subdividido em:
2.2.1 Cerâmica Vermelha
Compreende aqueles materiais com coloração avermelhada empregados na construção civil (tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e argilas expandidas) e também utensílios de uso doméstico e de adorno.
2.2.2 Cerâmica Branca
Este grupo é bastante diversificado, compreendendo materiais constituídos por um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor e que eram assim agrupados pela cor branca da massa, necessária por razões estéticas e/ou técnicas. Com o advento dos vidrados opacificados, muitos dos produtos enquadrados neste grupo passaram a ser fabricados , sem prejuízo das características para uma dada aplicação, com matérias-primas com certo grau de impurezas, responsáveis pela coloração.
2.2.3 Materiais de Revestimento
São aqueles materiais, na forma de placas usados na construção civil para revestimento de paredes, pisos, bancadas e piscinas de ambientes internos e externos. Recebem designações tais como: azulejo, pastilha, porcelanato, grês, lajota, piso, etc
2.3 REFRATÁRIOS
Este grupo compreende uma diversidade de produtos, que têm como finalidade suportar temperaturas elevadas nas condições específicas de processo e de operação dos equipamentos industriais, que em geral envolvem esforços mecânicos, ataques químicos, variações bruscas de temperatura e outras solicitações. Para suportar estas solicitações e em função da natureza das mesmas, foram desenvolvidos inúmeros tipos de produtos, a partir de diferentes matérias-primas ou mistura destas. Dessa forma, podemos classificar os produtos refratários quanto a matéria-prima ou componente químico principal em: sílica, sílico-aluminoso, aluminoso, mulita, magnesianocromítico, cromítico-magnesiano, carbeto de silício, grafita, carbono, zircônia, zirconita, espinélio e outros.
2.4 ABRASIVOS
Parte da indústria de abrasivos, por utilizarem matérias primas e processos semelhantes aos da cerâmica, constituem-se num segmento cerâmico. Entre os produtos mais conhecidos podemos citar o óxido de alumínio eletrofundido e o carbeto de silício.
2.5 CIMENTOS
O cimento é um material cerâmico que , em contato com a água,produz reação exotérmica de cristalização de produtos hidratados.
2.6 CERÂMICA AVANÇADA
Para fabricar cerâmica de alta tecnologia geralmente é empregado métodos muito diferentes ao das cerâmicas tradicionais. Além da matéria prima ser rigorosamente selecionada,como por exemplo o nível de impurezas.
3 APLICAÇÕES DE MATÉRIAL CERÂMICO
3.1 CERÂMICA TRADICIONAL
Caracteriza-se por controle menos rígido de matéria-prima e parâmetros de fabricação, suas principais aplicações são:
3.1.1 Cerâmica branca
 Louças,isolantes ,azulejos e pisos.
Figura 1-Louça doméstica
Fonte:Google
Figura 2-Isoladores de alta tensão
Fonte:Google
Figura 3-Piso cerâmico
Fonte:Google
3.1.2 Cerâmica vermelha
 Tubos, tijolos,telhas,lajotas
Figura4-Tijolos de argila
Fonte:Google
Figura 5-Tubos de argila
Fonte:Google
3.1.3 Refratários 
Tijolos,moldes,cimentos,cadinhos
Figura 6-Construção de forno com tijolo refratário
Fonte:Google
Figura 7-Tijolos de material refratário
Fonte:Google
3.1.4 Construção
Concreto, gesso, vidros
Figura 8-Parede revestida em gesso
Fonte:Google
Figura 9-Pavimento de concreto para jardim
Fonte:Google
3.1.5 Abrasivos 
Rebolos, lixas
Figura 10-Rebolos cerâmicos
Fonte:Google
Figura 11-Disco de lixa para esmerilhadeira
Fonte:Google
3.1.6 Vidros
 Garrafas, louças, vidros planos
Figura 12-Placas de vidro 10mm
Fonte:Google
Figura13-Garrafas de vidro
Fonte:Google
Figura14-Louças de vidro
Fonte:Google
3.2 CERÂMICA AVANÇADA
Caracteriza-se por rígidos processos de fabricação e escolha de matéria-prima.
3.2.1 Cerâmica eletrônica
 Elemento de aquecimento, isolantes, substratos e semicondutores
Figura 15- Prancha para cabelo com placa de cerâmica
Fonte:Google
Figura 16- Semicondutor tipo diodo
Fonte:Google
3.2.2 Cerâmica aeroespacial
Partes de turbinas, isolamento térmico, trocadores de calor
Figura 17- Um trabalhador aplicando ladrilhos de cerâmico isolante térmica na carcaça de um ônibus espacial
Fonte:Química a ciência central (pag.433)
Figura 18-Tocador de calor cerâmico
Fonte:Google
3.2.3 Biocerâmica 
Próteses,implantes
Figura 19-Prótese dentária cerâmica
Fonte:Google
Figura 20-Articulação em cerâmica para prótese de fêmur
Fonte: http://www.quadrilcirurgia.com.br/tipos-de-proacuteteses.html
3.2.4 Refratários avançados
Revestimentos e concretos de alto desempenho
Figura 21- Concreto de alto desempenho em unidade industrial
Fonte:Google
3.2.5 Energia
Combustíveis
Figura 22:Placas fotovoltaicas 
-
Fonte:Google
3.2.6 Diversos
Ferramentas de corte, componentes resistentes à abrasão, blindagem, vitrocerâmicos, monocristais, fibras ópticas
Figura 23-Cabos de fibra óptica
Fonte:Google
Figura 24-Placa vitroceramica de um fogão
Fonte:Google
3.2.1 Semicondutores
Alguns materiais cerâmicos não são isolantes e nem condutores, esses materiais são chamados de semicondutores, pois estes apresentam nível moderado de condutividade.
Nos materiais semicondutores existe um “GAP” de energia entre a camada mais externa preenchido por elétrons (banda de valência completa) e banda vazia adjacente (banda de condução).Nesses materiais esse “GAP” impede o fluxo de elétrons entre a banda de valência e de condução, não havendo condução eletrônica.
 
Nos semicondutores o “GAP” é pequeno e os elétrons podem saltar em alta temperatura e alta voltagem. São materiais covalentes em geral do grupo IV (Si, Ge) e compostos formados entre os grupos III e V (GaAs, PbTe, PbS) da tabela periódica.
Para serem úteis em temperatura ambiente devem ser DOPADOS (Resistividade entre 10-2 e 102 Ωcm).
SEMI-CONDUTOR TIPO P
Adicionando-seAl3+ ao Si4+ onde cada íon de alumínio contém uma valência a menos quando substitui o silício.
Como possuem raios atômicos semelhantes, grande quantidade de alumínio pode substituir o silício gerando um vazio eletrônico equivalente a uma carga positiva.
SEMI-CONDUTOR TIPO N
Adicionando-se P5+ ao Si4+ resulta em um elétron extra que fica livre para a condução.
3.2.1.1 Diodo
Resultam da junção de silício do tipo-P (silício dopado com impurezas tri-valentes) com silício do tipo-N (silício dopado com impurezas penta-valentes).
Idealmente o díodo comporta-se como um condutor de sentido único:a corrente só pode fluir do ânodo para o cátodo, mas o fluxo de corrente é controlado pela tensão aplicada aos seus terminais
Os díodos são fabricados com material semicondutor. Tipicamente utiliza-se o silício, embora também se possa utilizar o germânio
Exemplos de circuitos com díodos:
• Circuitos retificadores
• Circuitos limitadores de tensão
3.2.1.2 LED
Os LEDs consistem de chips de material semicondutor dopado com impurezas para criar uma junção p-n (diodo). A corrente flui do lado p (anodo) para o lado n (catodo). Elétrons (-) e buracos (+) fluem para a junção com diferentes voltagens (elétrons viajam pela banda de condução e buracos pela banda de valência). Quando um elétron encontra um buraco emite energia na forma de um fóton.
3.2.1.3 Transistores
O transistor é um dispositivo semicondutor de três camadas que consiste em duas camadas de material tipo n e uma do tipo p para transistores NPN e duas camadas tipo p e uma camada tipo n para transistores PNP (Boylestad,2013).
A camada do emissor é fortemente dopada, enquanto a base e o coletor possuem dopagem livre.
4 LIGAÇÕES QUÍMICAS 
As estruturas cerâmicas dependem do tipo de ligação química predominante, altas escalas de dureza e elevada temperatura de fusão resultam da natureza dessas ligações.
Cerâmica exibem combinação de ligações com caráter iônico e covalente, o tipo de estrutura cristalina depende da quantidade dessas ligações.
A tabela abaixo mostra alguns compostos e suas respectivas temperaturas de fusão:
Tabela 1: Compostos e temperaturas de fusão
	COMPOSTO
	Tfusão (ºC)
	COMPOSTO
	Tfusão (ºC)
	HfC
	4150
	B4C
	2450
	TiC
	3120
	AL2O3
	2050
	WC
	2850
	SiO2
	1715
	MgO
	2798
	Si3N4
	1900
	SiC
	2500
	TiO2
	1605
Fonte: Prof. Rubens Caram FEM UNICAMP
5 CERÂMICA TRADICIONAL X CERÂMICA AVANÇADA
5.1 CERÂMICAS TRADICIONAIS
São constituídas basicamente de:
Argila: Al2O3-SIO2-H2O com outros óxidos (TiO2,Fe2O3,MgO,CaO,Na2O,K2O)
Sílica: SiO2
Feldspato: K2O-Al2O3-6SiO2
Produtos estruturais como tijolos e pisos tem os três componentes
Cerâmicas brancas como as porcelanas e peças sanitárias também tem os três componentes, mas o teor de feldspato é controlado
5.2 CERÂMICAS AVANÇADAS
São constituídas basicamente por:
Óxidos:Al2O3
Carbetos:SiC
Nitretos:Si3N4
Al2O3: desenvolvida como material refratário, atualmente tem diversos usos-velas de ignição
SiC: muito duro,tem alta resistência á oxidação e é usado como reforço em compósitos com metais ou cerâmicos
Si3N4: dentre os materiais cerâmicos,é o que exibe melhor conjunto de propriedades e é usado em componentes de motores
ZrO2: Zircônia pura é polimórfica e se transforma de tetragonal para monoclínica em 1770ºC,causando expansão de volume e trincas combinando ZrO2 com Y2O3
Tabela 2:Principais características da cerâmica avançada e tradicional
	CARACTERÍSTICA
	AVANÇADA
	TRADICIONAL
	MATÉRIA PRIMA
	SINTÉTICA
	NATURAL
	PARTÍCULAS
	1,0 µm
	0,5-1000 µm
	TIPO DE PÓ
	ALTAMENTE CONTROLADO
	POUCO
CONTROLADO
	CONFORMAÇÃO
	ALTAMENTE CONTROLADA
	POUCO
CONTROLADA
	SINTERIZAÇÃO
	SEM FASE VÍTREA
	COM FASE VÍTREA
	ANÁLISE
	MICROSCOPIA ELETRÔNICA
	MICROSCOPIA 
ÓPTICA
	RESISTÊNCIA
	1-1000
	1
	CUSTO
	10-10000
	1
Fonte: Prof. Rubens Caram FEM UNICAMP
6 CONCLUSÃO
Os materiais cerâmicos estão presentes em todos os campos da engenharia desde os tijolos que compõem um grande edifício, a fibra ótica que transporta dados ao mesmo prédio.
Devido as propriedades e a evolução ,a cerâmica se tornou ao longo dos séculos matéria prima indispensável em qualquer ramo da engenharia.
REFERÊNCIAS
BROWN, Theodore, LEMAY, Eugene e BURSTEN, Bruce. Química, a ciência central. São Paulo: Ed. Pearson Prentice Hall, 2005, 974p..
CARAM, Rubens. Materiais cerâmicos. Disponível em:
<http://www.fem.unicamp.br/~caram/6.%20MATERIAIS%20CERAMICOS%20GRAD.pdf>. Acesso em 21 maio 2016.
Cerâmicas. Disponível em:<http://www.crq4.org.br/quimica_viva__ceramicas_>. Acesso em 20 maio 2016.
Informações técnicas – Definição e classificação. [2011]. Disponível em: <http://www.abceram.org.br/site/?area=4>. Acesso em 20 maio 2016.
Materiais cerâmicos. Disponível em:
<http://sites.poli.usp.br/d/pmt2100/Aula10_2005%201p.pdf>. Acesso em 21 maio 2016.
Materiais cerâmicos. Disponível em:
<www.feng.pucrs.br/~eleani/Protegidos/12-%20materiais%20cerâmicos.ppt>.Acesso em 25 maio 2016.