ICTM - Estrutura, propriedades e aplicações P2

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Introdução à Ciência e 
Tecnologia dos Materiais
Estrutura, propriedades e aplicações 
dos materiais cerâmicos
Cursos de Graduação em Engenharia de 
Produção e Engenharia Mecânica
Por que estudar?
� É importante que o engenheiro entenda como as 
microestruturas dos materiais cerâmicos influenciam suas 
propriedades e, consequentemente, suas aplicações.
� As cerâmicas avançadas possuem um efeito drástico em 
nossa vida: as indústrias de componentes eletrônicos, de 
computadores, comunicação, aeroespacial, entre outras, 
dependem do uso desses materiais.
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?
Introdução
Materiais cerâmicos tradicionais (à base de argila).
Cerâmicas – Relembrando...
� Rígidos;
� Duras e frágeis;
� Isolantes térmicos e elétricos;
� Resistentes a altas temperaturas e ambientes agressivos;
� Podem ser transparentes, translúcidas ou opacas;
� Podem apresentar comportamento magnético;
� Podem sofrer deformação por fluência em temperaturas 
elevadas.
Alta energia da ligação iônica
Dificuldade de escorregamento
Ausência de elétrons livres
Estabilidade das ligações
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Introdução
� Cerâmica: do grego “keramikos”, que significa “matéria 
queimada”.
� São materiais inorgânicos e não-metálicos.
� Apresentam composições químicas muito variadas, desde 
compostos simples a misturas de várias fases complexas ligadas 
entre si;
� Formados por elementos metálicos e não-metálicos, ligados por 
ligações iônicas ou predominantemente iônicas. Ex: óxidos, 
nitretos e carbetos.
Introdução
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Estruturas cerâmicas
� Mais complexas do que as estruturas metálicas. Os cerâmicos são 
compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de 
átomo ocupa posições determinadas no reticulado cristalino.
� Materiais cerâmicos com ligação predominantemente iônica: as 
estruturas cristalinas são compostas por íons eletricamente 
carregados (cátions e ânions), ao invés de átomos.
� O cristal deve ser eletricamente neutro. Ex: CaF2 (Ca2+; F-).
� O raio do cátion (rc) é geralmente menor do que o raio do ânion 
(ra), portanto a razão rc/ra é menor do que uma unidade.
Estruturas cerâmicas
� Cada cátion prefere ter tantos ânions como vizinhos mais 
próximos quanto for possível (e vice versa).
� Desta forma, estruturas cerâmicas cristalinas estáveis são 
formadas quando aqueles ânions ao redor do cátion estão 
todos em contato com aquele cátion.
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Estruturas cerâmicas
� Para um número de coordenação (NC) específico há uma razão 
crítica rc/ra para a qual o contato entre os íons é mantido.
NC rc/ra geometria NC rc/ra geometria
Estruturas cerâmicas
Estruturas cristalinas do tipo AX: 
Estrutura do sal-gema
� NC = 6
� Igual número de cátions e ânions;
� Estrutura mais comum: NaCl = 
duas redes CFC que se 
interpenetram, uma composta 
pelos cátions e outra pelos ânions.
� Outros exemplos: MgO, MnS, LiF e 
FeO.
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Estruturas cerâmicas
Estruturas cristalinas do tipo AX: 
Estrutura do Cloreto de Césio 
� NC = 8
� Ânions localizados em cada um dos 
vértices de um cubo.
� O centro de cada cubo contém um 
cátion.
� Não pode ser considerada como 
CCC, pois envolve íons de dois 
tipos diferentes.
Estruturas cerâmicas
Estruturas cristalinas do tipo AX: 
Estrutura da Blenda de Zinco 
(ZnS)
� NC = 4
� Ânions localizados em cada um dos 
vértices e no centro de cada face do 
cubo.
� Cátions preenchem as posições 
tetraédricas no interior do cubo.
� Geralmente a ligação é altamente 
covalente.
� Outros exemplos: ZnTe e SiC.
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Estruturas cerâmicas
Estruturas cristalinas do tipo AmXp
� Formadas quando as cargas dos íons são 
diferentes.
� Exemplo: Fluorita (CaF2 = AX2)
� NC = 8
� Íons de Ca nos centros dos cubos, 
enquanto os íons de F estão nos vértices.
� Outros exemplos: ZrO2, ThO2
(combustíveis nucleares).
Estruturas cerâmicas
Estruturas cristalinas do tipo AmBnXp
� Características para compostos com 
mais de um tipo de cátion.
� Exemplo: Titanato de bário (BaTiO3 = 
ABX3)
� Íons Ba2+ nos vértices do cubo;
� Íons O2- no centro das faces;
� Íon Ti+ no centro do cubo.
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Imperfeições nas cerâmicas
Defeitos pontuais atômicos
� Cerâmicos também podem apresentar defeitos atômicos 
envolvendo os átomos hospedeiros. Podem haver tanto 
lacunas quanto instersticiais.
� Contudo, como contém íons de pelo menos dois tipos, nos 
materiais cerâmicos podem ocorrer defeitos para cada 
espécie de íon. 
Cátion intersticial
Lacuna catiônica
Lacuna aniônica
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Imperfeições nas cerâmicas
Defeitos pontuais atômicos
� Como o cristal deve se manter eletricamente neutro, os 
defeitos nas cerâmicas não ocorrem sozinhos.
- Defeito de Frenkel: lacuna catiônica + cátion intersticial.
- Defeito de Schottky: lacuna catiônica + lacuna aniônica 
(em estruturas do tipo AB)
Ambos não alteram a estequiometria do composto.
Imperfeições nas cerâmicas
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Imperfeições nas cerâmicas
Impurezas
� Átomos de impurezas também podem formar soluções sólidas em 
cerâmicos, assim como nos metais. Estas podem ser 
substitucionais ou intersticiais.
- Solução sólida intersticial: o átomo da impureza deve ser bem 
menor do que o raio do ânion.
- Solução sólida substitucional: o átomo de impureza irá
substituir o íon hospedeiro ao qual ele mais se assemelha no 
aspecto elétrico. O tamanho e a carga iônica da impureza devem 
ser muito próximos daqueles de um dos íons hospedeiros.
A incorporação de uma impureza com carga elétrica 
diferente dos íons hospedeiros gera defeitos pontuais.
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Imperfeições nas cerâmicas
� Exemplo: NaCl (Na+Cl-) � seriam substituídos 
por Ca2+ e O2- respectivamente.
� Íon de impureza com carga diferente do 
hospedeiro: cristal deve compensar para que a 
eletroneutralidade seja mantida. Isto pode ser 
conseguido através da produção de novos 
defeitos da rede cristalina (lacunas e 
intersticiais).
Propriedades Mecânicas
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Fratura frágil das cerâmicas
� Na temperatura ambiente, tanto as cerâmicas cristalinas 
quando as não cristalinas quase sempre fraturam antes que 
ocorra qualquer deformação plástica em resposta à aplicação 
de uma carga de tração (fratura frágil). A propagação da 
trinca pode ser tanto transgranular quanto intergranular.
� Os materiais cerâmicos possuem defeitos muito pequenos e 
onipresentes, que servem como concentradores de tensão
e afetam negativamente a resistência. Exemplos: trincas 
superficiais ou internas, poros internos, inclusões e vértices 
de grãos. São impossíveis de serem eliminados ou 
controlados.
Fratura frágil das cerâmicas
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Fratura frágil das cerâmicas
� Existe uma dispersão considerável no limite de resistência 
à fratura para muitas amostras de um material cerâmico 
específico. Esta dispersão está explicada pela dependência 
da resistência com a probabilidade da existência de um 
defeito que seja capaz de iniciar uma trinca.
� Esta probabilidade varia de uma amostra para outra do 
mesmo material e depende da técnica de fabricação e de 
qualquer tratamento subsequente.
Fratura frágil das cerâmicas
� Quanto maior for uma 
amostra, maior a 
probabilidade de existência 
de defeitos e menor o limite 
de resistência.
� Valores médios e fatores de 
segurança não comumente 
empregados para fins de 
projeto, devido à dispersão 
dos valores para o limite de 
resistência de materiais 
cerâmicos frágeis.
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Fratura frágil das cerâmicas
� As cerâmicas frágeis apresentam resistência à
compressão maior do que à tração (da ordem de um fator 
10), pois sob cargas compressivas, não existe amplificação 
de tensões associada aos defeitos.
� O limite de resistênciade uma cerâmica frágil pode ser 
melhorado substancialmente pela imposição de tensões 
residuais compressivas na sua superfície.
Comportamento tensão-deformação
� O comportamento tensão-deformação das cerâmicas frágeis 
não é avaliado pelo ensaio de tração:
1 – Dificuldade de preparar os corpos de prova com a geometria 
exigida.
2 – Dificuldade de prender estes corpos de prova sem fraturá-
los.
3 – As cerâmicas falham após uma deformação de ~0,1%, o 
que exige que os corpos de prova de tração estejam 
perfeitamente alinhados para evitar a presença de tensões de 
flexão, as quais são difíceis de calcular.
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Comportamento tensão-deformação
� Na maioria das vezes, emprega-se o ensaio de flexão 
transversal mais adequado.
M: momento fletor máximo;
c: distância do centro do corpo de 
prova até as fibras mais externas.
F: carga aplicada;
I: momento de inércia da seção 
transversal;
Resistência à flexão:
Comportamento tensão-deformação
� No ponto de carregamento, a superfície superior do corpo de 
prova é colocada em um estado de compressão, enquanto a 
superfície inferior encontra-se em tração.
� Considerações Importantes
� Uma vez que durante a flexão, um CP está sujeito tanto a 
tensões compressivas como trativas, a magnitude de sua 
resistência à flexão é maior do que a por tração. 
� Além disso, a resistência à flexão dependerá do tamanho do 
CP. Com o aumento do volume do corpo de prova (sob 
tensão) existe um aumento na severidade do defeito e, 
consequentemente, uma diminuição na resistência á flexão.
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Comportamento tensão-deformação
� O comportamento tensão-
deformação elástico para os 
materiais cerâmicos usando 
os ensaios de flexão é
semelhante aos resultados 
obtidos pelos ensaios de 
tração nos metais.
� Na figura ao lado, nenhum 
dos materiais se deforma 
plasticamente antes da 
fratura.
Óxido de Al
Vidro
Comportamento tensão-deformação
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Comportamento tensão-deformação
Mecanismos de deformação plástica
� Cerâmicas cristalinas: ocorre pelo movimento das discordâncias.
- Ligação predominantemente iônica: existem poucos sistemas de 
escorregamento. Para o escorregamento em determinadas direções, 
íons com cargas iguais devem ser colocados muito próximos uns dos 
outros. Devido à repulsão eletrostática, o escorregamento é
restringido.
- Ligação predominantemente covalente: as ligações covalentes são 
relativamente fortes, o número de sistemas de escorregamento é
limitado e as estruturas das discordâncias são complexas.
Comportamento tensão-deformação
Mecanismos de deformação plástica
� Cerâmicas não-cristalinas
- Não há movimento das discordâncias, pois não existe 
estrutura atômica regular.
- A deformação ocorre pelo escoamento viscoso. Em resposta 
à aplicação de uma tensão de cisalhamento, os átomos ou 
íons deslizam um sobre os outros pela quebra e reconstrução 
de ligações, de maneira aleatória.
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Influência da porosidade
� Para algumas técnicas de fabricação de cerâmicos, a 
matéria-prima se encontra na forma de pó. Após a 
compactação ou a conformação das partículas, existirá uma 
porosidade residual, pois, em alguns casos, não é
possível eliminar completamente esta porosidade através 
do tratamento térmico posterior.
� Qualquer porosidade residual terá uma influência negativa 
sobre as propriedades elásticas e sobre a resistência.
Influência da porosidade sobre (a) o módulo de elasticidade e (b) 
resistência à flexão para o óxido de alumínio à temperatura ambiente.
(a) (b)
Influência da porosidade
E0 representa o módulo de elasticidade para 
o material sem porosidade
σ0 e n representam constantes 
experimentais
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Influência da porosidade
� A porosidade tem efeito negativo sobre a 
resistência à flexão por dois motivos:
1 – Os poros reduzem a área da seção transversal 
através da qual uma carga é aplicada.
2 – Poros atuam como concentradores de tensão.
Propriedades Térmicas
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Propriedades Térmicas
� Alto ponto de fusão: proporcional à força das ligações químicas.
� Embora os materiais cerâmicos sejam em geral isolantes térmicos, 
há uma classe de materiais cerâmicos que são supercondutores.
� Como a condutividade nos poros acorre apenas por radiação, 
quanto maior a porosidade menor a condutividade térmica. Em 
geral, os poros contém ar estagnado, o qual possui baixa 
condutividade térmica. Além disso, a convecção gasosa no interior 
dos poros também é ineficiente. A maioria dos materiais cerâmicos 
isolantes é porosa.
Propriedades Térmicas
� Condutividade térmica 
decrescente com o aumento da 
temperatura (↑ espalhamento 
das vibrações da rede);
� Coeficientes de expansão 
térmica baixos; Cubo quente (interior a 1250ºC) de 
material isolante à base de fibra de sílica.
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Propriedades Ópticas
Propriedades Ópticas
Podem ser transparentes, translúcidas ou opacas.
Fotografia que mostra a transmitância de luz em três amostras de óxido de alumínio. Da 
esquerda pra direita: material monocristalino, material policristalino denso e um material 
policristalino com ~5% de porosidade. 
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Aplicações das Cerâmicas
Sintetizadas 
industrialmente 
com rigoroso 
controle de 
composição
Classificação dos Materiais Cerâmicos
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Vidros
� Silicatos (SiO2) não cristalinos que contém outros óxidos 
(CaO, Na2O, K2O e Al2O3), os quais influenciam suas 
propriedades.
� São materiais amorfos (apresentam apenas ordenação 
atômica de curto alcance).
� Vidro de cal de soda típico: 70%SiO2 + CaO (cal) e Na2O 
(soda).
� São transparentes e de fácil fabricação.
� Aplicações: recipientes, lentes e fibras de vidro.
Representação esquemática das posições dos íons em um vidro de 
sódio-silicato. 
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Vidros
Vidrocerâmicas
� São obtidas através de um tratamento térmico em altas 
temperaturas, que modifica o estado não-cristalino dos vidros 
inorgânicos para um estado cristalino → Cristalização.
� Possui estrutura policristalina com grãos finos.
� Um agente de nucleação (frequentemente o dióxido de titânio) 
deve ser adicionado para induzir o processo de cristalização.
� Aplicação: vidraria para fornos, peças para irem à mesa, tampas 
de fogões de cozinha, trocadores de calor e regeneradores.
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Vidrocerâmicas
� Propriedades:
- Resistência mecânica elevada;
- Baixo coeficiente de expansão térmica;
- Capacidade de utilização em altas temperaturas;
- Boas propriedades dielétricas (isolantes);
- Biocompatibilidade;
- Podem ser transparentes ou opacas;
- Facilidade de fabricação.
Produtos à base de argila
� As argilas são aluminossilicatos compostas por alumina (Al2O3) e 
sílica (SiO2) e que contém água quimicamente ligada.
� Matéria prima cerâmica mais utilizada, devido à abundância e ao 
baixo custo de extração. Geralmente não sofre beneficiamento.
� Estes produtos são facilmente conformados quando mistura-se água 
e argila na proporção correta → formam uma massa plástica que 
é muito suscetível a modelagem → Hidroplasticidade
� A peça modelada é seca para remover parte da umidade e, em 
seguida, cozida em uma temperatura mais elevada para melhorar 
sua resistência mecânica.
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Louças brancas
(se tornam brancos após um cozimento 
a uma temperatura elevada)
Porcelanas, louças de barro, louças para 
mesa, louça vitrificada, louças sanitárias 
Produtos estruturais à
base de argila 
Tijolos de construção, telhas, 
tubulações de esgoto –
integridade estrutural 
importante 
Refratários
� Capazes de suportar altas temperaturas sem se fundir ou 
se decompor.
� Se mantém inertes quando expostos a ambientes severos.
� São isolantes térmicos.
� Aplicações típicas: revestimentode fornos para refino de 
metais, fabricação de vidros, tratamentos térmicos e 
geração de energia.
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Refratários
� Em geral, são comercializados na forma de tijolos 
refratários.
� A porosidade ótima depende das condições de serviço. 
Quanto menor a porosidade:
� Maior resistência, tanto para suportar carga quanto 
também ao ataque de materiais corrosivos. 
� Menor resistência ao choques térmicos e isolamento 
térmico.
Refratários
� O desempenho dos materiais refratários depende de sua composição:
- Refratários de argila: contém entre 25-45% de alumina e entre 70-
50% de sílica. 
- Refratários à base de sílica: contém baixo teor de alumina. Possui 
capacidade de suportar cargas em temperaturas elevadas. São 
resistentes à escórias ácidas, mas não básicas.
- Refratários básicos (ricos em MgO - periclásio): contém baixo 
teor de sílica. São resistentes à escórias básicas, mas não ácidas.
- Refratários especiais: envolvem óxidos de alta pureza, com baixa 
porosidade e usados em aplicações específicas. São relativamente 
caros.
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Fireclay: argila refratária
High-alumina fireclay: argila refratária com alto teor de sílica
Periclase: Periclásio (MgO)
Periclase-chrome ore: Minério de periclásio-cromo
Refratários
Composições dos materiais cerâmicos refratários comuns
Abrasivos
� São usadas para desgastar, polir ou cortar outros materiais 
mais moles. Portanto, possuem alta dureza e resistência ao 
desgaste.
� Também necessitam de uma alta tenacidade, para não 
fraturarem com facilidade.
� Como as forças de atrito produzem temperaturas elevadas, 
os abrasivos também requerem alguma característica 
refratária.
� Exemplos: diamantes (naturais e sintéticos), SiC, WC, 
óxido de Al e areia de sílica.
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Cimentos
� Grupo constituído pelo cimento, gesso-de-paris e 
cal.
� Quando misturados com água formam uma pasta 
que, em sequência, pega e endurece → Permite a 
moldagem de estruturas sólidas e rígidas com 
rapidez e à temperatura ambiente.
� O cimento portland é o material consumido em 
maiores quantidades.
Cimentos
� Produção do Cimento portland:
1 - Moagem e mistura de argila e minerais que contém cal em 
proporções adequadas.
2 - Mistura é aquecida até ~1400ºC, o que produz mudanças 
físicas e químicas nas matérias-primas.
3 - O produto resultante (clínquer) é moído na forma de pó
muito fino, ao qual é adicionada uma pequena quantidade 
de gesso (CaSO4-2H2O), para retardar o processo de pega.
As propriedades do cimento portland dependem em 
grande parte de sua composição.
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Cimentos
� O cimento portland é dito ser um cimento 
hidráulico, pois sua dureza se desenvolve 
através de reações químicas com a água 
(processo de hidratação), e não através da 
secagem.
� Aplicações: argamassa e concreto.
Cerâmicas avançadas
� Exploram as propriedades elétricas, magnéticas e ópticas 
exclusivas dos materiais cerâmicos, além de suas 
combinações.
� Envolvem maiores custos, pois a matéria-prima das 
cerâmicas avançadas é muito mais pura (> 99,5%), os 
grãos são muito menores (< 1µm) e os processos de 
fabricação envolvidos são mais sofisticados.
� Aplicações: Sistemas microeletromecânicos, fibras ópticas, 
rolamentos de esferas cerâmicas e cerâmicas 
piezoelétricas.
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Sistemas microeletromecânicos (MEMS 
– Microelectromechanical Systems)
� São sistemas inteligentes em miniatura, que consistem em um 
grande número de dispositivos mecânicos (sensores e atuadores) 
integrados a grandes quantidades de elementos elétricos em um 
substrato de silício.
� São compostos por um microsensor, que detecta alguma 
informação do ambiente (fenômenos mecânicos, térmicos, 
químicos, ópticos ou magnéticos), um dispositivo
microeletrônico que processa a informação recebida e envia a 
resposta para um microatuador, que a executa.
� As dimensões destes componentes são da ordem de micrometros.
Fibras ópticas
� Feitas de sílica com pureza extremamente elevada, isenta de 
contaminantes e de outros defeitos que causam absorção, 
espalhamento ou atenuação de um feixe de luz.
� Atualmente, todas as telecomunicações são transmitidas 
através desse meio.
� O uso destes materiais melhorou a velocidade da 
transmissão, a densidade de informações e a distância de 
transmissão, com redução da taxa de erros.
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Duas pequenas fibras óticas são capazes de 
transmitir simultaneamente 24000 
chamadas telefônicas. 
30.000kg de cobre - 0,1kg de fibra 
ótica. 
Fibras ópticas
Cerâmicas piezoelétricas
� Piezoeletricidade = Eletricidade por pressão. Uma 
polarização elétrica é induzida e um campo elétrico é
estabelecido no cristal cerâmico quando uma deformação é
imposta sobre ele.
� Cerâmicas piezoelétricas são utilizadas em transdutores, 
que são dispositivos que convertem energia elétrica em 
deformações mecânicas e vice-versa.
� Zirconato-titanato de chumbo 
(PZT) [Pb(Zr,Ti)O3];
� Niobato de potássio (KNbO3).
� Titanato de bário (BaTiO3);
� Titanato de chumbo (PbTiO3);).
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Setor automotivo
Sensores de air-bags, indicadores de 
desgaste de pneus, alarme de cintos 
de segurança.
Setor de bens e consumo
Detectores de fumaça, cabeçotes de 
impressão do tipo jato de tinta, 
medidores de deformação.
Setor de Informática
Transformadores para notebooks e 
microatuadores para discos rígidos .
Cerâmicas piezoelétricas
Cerâmicas Supercondutoras
� Na medida em que a maioria dos metais magnéticos é
resfriada até temperaturas próximas a 0 K, sua 
resistividade elétrica diminui consideravelmente, se 
aproximando de um valor pequeno, porém finito.
� Os supercondutores tem este valor reduzido a zero, 
permanecendo nesse valor com a continuação do 
resfriamento.
� Metais: 1K<Tc<20K. Cerâmicas: Tc>77K. 
� Desvantagem: fragilidade. Impede a fabricação na forma 
de fios, por exemplo.
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Cerâmicas Supercondutoras
Dependência da resistividade elétrica 
em relação à temperatura para 
materiais condutores normais e 
supercondutores na vizinhança de 0K.
� Exemplo: Óxido misto YBa2Cu3O7 (Tc≈92K).
Principal obstáculo: dificuldade em 
atingir e manter temperaturas 
extremamente baixas.
Aplicações:
� Equipamentos de imagem por ressonância magnética (MRI);
� Espectroscopia de ressonância magnética (MRS);
� Trens de alta velocidade levitados magneticamente (Japão e China).
Aplicações das cerâmicas supercondutoras.
Cerâmicas Supercondutoras
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Referências
� Callister Jr, W.D. (2008) Ciência e Engenharia de Materiais: 
Uma Introdução. 7a ed. Rio de Janeiro. LTC Editora. 705 p.
- Cap. 12: Itens 12.1, 12.2, 12.5, 12.8-12.11.
- Cap. 13: Itens 13.1-13.8.