0 CERÂMICA

Prévia do material em texto

CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
1
INTRODUÇÃO
MATERIAIS 
CERÂMICOS
Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos, não metálicos, formados por
elementos metálicos e não metálicos, ligados quimicamente entre si
fundamentalmente por ligações iônicas e/ou covalentes.
Os materiais cerâmicos têm composições químicas muito variadas, desde
compostos simples a misturas de várias fases complexas ligadas entre si.
As propriedades dos materiais cerâmicos variam muito devido a diferenças de
ligação química.
Em geral, os materiais cerâmicos são duros e frágeis, com pouca tenacidade e
pouca ductilidade.
São bons isolantes elétricos e térmicos, devido a ausência de elétrons de condução.
Têm geralmente temperaturas de fusão relativamente altas e grande estabilidade
química.
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
2
Devido a estas propriedades, os materiais cerâmicos são indispensáveis em 
muitos projetos de engenharia.
Em geral, os materiais cerâmicos que se usam em aplicações de engenharia
podem ser divididos em dois grupos: os cerâmicos tradicionais e os
cerâmicos técnicos ou de engenharia.
Normalmente, os cerâmicos tradicionais são obtidos a partir de três
componentes básicos: argila, sílica e feldspato. Os tijolos e as telhas, usados
na indústria de construção, e a porcelana elétrica, usada na indústria
elétrica são exemplos de cerâmicas tradicionais.
Pelo contrário, as cerâmicas de engenharia são formadas habitualmente por
compostos puros ou quase puros, tais como o óxido de alumínio (AlO3), o
carboneto de silício (SiC) e o nitreto de silício (Si3N4).
Como exemplos da utilização de cerâmicas de engenharia em alta
tecnologia, citam-se o carboneto de silício, nas zonas sujeitas a altas
temperaturas do motor experimental AGT 100 de turbina a gás, a ser usado
em automóveis, e o óxido de alumínio na base de suporte de ships de
circuitos integrados de um módulo de condução térmica.
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
3
INTRODUÇÃO
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
4
ESTRUTURAS CRISTALINAS (Callister 13.2)
• Tipo AX (cargas iguais de cátions e ânios): SAL GEMA –NaCl; CsCl-cloreto de césio; ZnS-
blenda de zinco;
• Tipo Am Xp : (cargas diferentes cátions e ânions): CaF2 fluorita;
• Cálculo da Densidade da Cerâmica:
𝝆 =
𝒏´( 𝑨𝒄 + 𝑨𝑨)
𝑽𝒄𝑵𝑨
Onde:
n´= número de unidades da fórmula1 dentro de cada célula unitária;
 𝐴𝑐 = a soma dos pesos atômicos de todos os cátions na unidade da
fórmula;
 𝐴𝐴 = a soma dos pesos atômicos de todos os ânions na unidade da
fórmula;
Vc = o volume da célula unitária;
NA = número de Avogadro em unidade da fórmula/mol.
• 1- “por unidade da fórmula” refer-se a todos os íons que estão incluídos em uma unidade da fórmula
química.
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
5
INTRODUÇÃO
Os materiais cerâmicos (do grego “Keramikos”; matéria queimada),
são formados por elementos metálicos e não metálicos, para os
quais as ligações interatômicas ou são totalmente iônicas ou são
predominantemente iônicas ou iônicas com alguma natureza
covalentes.[vide Callister 13.1 a 13.5]
Os materiais cerâmicos possuem estrutura
cristalina e amorfa. A estrutura cristalina
pode ser considerada como sendo composta
por íons eletricamente, em vez de átomos,
sendo ainda caracterizadas pelos tipos AX
(detalhadas mais adiante) Callister 13.2.
Estrutura Amorfa- Os átomos formam
arranjos espaciais desordenados e sem
simetria de longo alcance. Como
característica os vidros em geral é também
chamada de estrutura vítrea. Esses materiais
podem apresentar ordenação de curto
alcance isoladas da estrutura amorfa.
Sob cuidados especiais de equilíbrio
à partir da fase líquida , a estrutura
vítrea por ex.: os compostos
cerâmicos como óxidos, silicatos,
boratos e aluminatos podem formar
estruturas vítreas sob condições
normais de solidificação.
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
6
VIDROS
Em termos gerais, pode-se dizer que o vidro
tem a estrutura de um líquido “congelado”.
Este “congelamento” da estrutura do líquido se
dá à temperatura de vitrificação que é sempre
menor que a temperatura de cristalização .
A sílica (SiO2) é o exemplo típico de
composto cerâmico que pode cristalizar
sob a denominação de Quartzo, se for
resfriado cuidadosamente. Entretanto
se solidificado sob condições normais
de esfriamento, pode vitrificar
facilmente, já que o esfriamento
relativamente rápido não permite que
os átomos se agrupem ordenadamente
no espaço na forma de cristal.
Figura-A diferença entre a
estrutura cristalina e a
estrutura vítrea está
esquematizada na figura.
Os vidros de larga aplicação 
tecnológica são geralmente 
formado por óxidos, ou 
mistura de óxido, destacando-
se óxido de silício ou sílica.
O critério mais adequado
para medir a tendência de um
óxido formar estrutura vítrea
é dado pela energia de
ligação interatômica entre o
oxigênio e o metal semi-
condutor.
Óxidos com maior 
tendência estão na faixa de 
80 a 120 kcal/mol;
E os de menor tendência na
faixa de 60 a 10 kcal/mol.
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
7
INTRODUÇÃO
Energia de ligação interatômica
dos óxidos componentes de
vidros comerciais
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
8
VIDROS
Callister-13.3
A sílica cristalina consiste de tetraedros (figura), onde predominan 
fortes ligações covalentes.
A sílica fundida é obtida aquecendo-se o quartzo acima de 17000 C.
Nessa temperatura, o coeficiente de viscosidade da sílica é cerca de 10
[exp 8] vezes maior que o da água líquida. Isto se deve a fortes ligações
covalentes.
Obs.: no líquido, algumas ligações são quebradas e outras distorcidas,
mas o líquido preserva a alguma rigidez.
Representação bidimensional da 
sílica. a) cristalina. B) amorfa. 
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
9
INTRODUÇÃO
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS-CERÂMICA-STZ
10
Na sequência –Callister 13.4 ......etc