Cerâmicas (03) Propriedades Elétricas e Térmicas [Modo de Compatibilidade]

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
CAMPUS ANGICOS 
Disciplina: Química Aplicada à Engenharia e seus 
Laboratórios 
Materiais cerâmicosMateriais cerâmicos
3ª - aula
Profa: Lêda Maria Oliveira de Lima
Natal-2017
Os dias 
atuais
Materiais cerâmicosMateriais cerâmicos
Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos
CerâmicaCerâmica (Keramikos) = matéria prima queimada.
VidrosVidros Produtos Produtos 
argilososargilosos
RefratáriosRefratários Abrasivos Cimentos Cerâmicas 
avançadas
Produtos Produtos 
argilosos argilosos 
estruturaisestruturais
Vitrocerâmicas
Louças Louças 
sanitáriassanitárias
Fonte: Callister, 2002.
Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos
CERÂMICOS 
TRADICIONAIS
-- Argila (AlArgila (Al22OO33SiOSiO22HH22O)O)-- Argila (AlArgila (Al22OO33SiOSiO22HH22O)O)
-- Sílica (SiOSílica (SiO22))
-- Feldspato (KFeldspato (K22OAlOAl22OO336SiO6SiO22))
CERÂMICOS TÉCNICOS
Óxido de alumínio (Alumina AlÓxido de alumínio (Alumina Al22OO33))Óxido de zircônio (Óxido de zircônio (ZircóniaZircónia ZrOZrO22))
CarbetoCarbeto de silício (de silício (SiCSiC))
NitretoNitreto de de siliciosilicio (Si(Si33NN44))
Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos
AplicaçõesAplicações
Haste 
Femoral
Prótese de quadril
Ex: Alumina 99,9% de pureza
AplicaçõesAplicações
Aplicado em técnicas de fundição 
Carbeto de silícioÓxido de alumínio (Alunina)
Até século XIX
Abrasivos naturais – esmeril, mineral de cor preta, constituído de 40% 
óxido de ferro e 60% de óxido de alumínio. 
Século XX
Abrasivos artificiais de alta dureza: abrasivos silicosos e aluminosos.
ABRASIVOS
AplicaçõesAplicações
Abrasivos silicosos
Constituído de carboneto de silício, feitos em fornos elétricos.
Recomendado para metais de fraca resistência a 
tração (ferro fundido, latão, cobre, alumínio e materiais não metálicos). 
Abrasivos aluminosos 
Obtidos pela fusão da bauxita (minério de óxido de alumínio, silício e 
ferro) em fornos elétricos, obtendo dureza de 9,4 Mohs. Recomendado 
para metais mais resistentes a tração, como o aço e o bronze 
fosforoso.
VANTAGENS:
1. Alta estabilidade térmica e química - evita reação química do filtro com o metal fundente.
2. Alta resistência mecânica e grande superfície de contato, eficiente para a purificação do 
fluxo de metal fundido.
3. Reduz a perda de metal na filtragem.
4. Torna o fluxo do metal fundido mais fluido.
5. Vários tamanhos, formatos e abertura dos poros. 
6. Indicado para qualquer técnica de fundição. 
Carbeto de silícioÓxido de alumínio (Alunina)
fosforoso.
AplicaçõesAplicações
Dióxido de zircônio
Dióxido de zircônio ou zircônio é o composto de fórmula química ZrO2.
Densidade: 5,68 g/cm³
Fórmula: ZrO2
Ponto de fusão: 2.715 °C
Massa molar: 123,218 g/mol
Ponto de ebulição: 4.300 °C
AplicaçõesAplicações
Dióxido de zircônioDióxido de zircônio
Aplicações
O principal composto de zircônio, o zircão, é utilizado como material refratário para
moldes de fundição, como abrasivo e como constituinte de isolantes, esmaltes e
outros materiais resistentes à temperatura. É também utilizado como pedra semi-
preciosa artificial, imitando o diamante. O óxido de zircônio é utilizado como material
refratário na fabricação de cristais piezoelétricos e de anéis para bobinas de indução de
alta frequência, devido à sua baixa resistividade a alta temperatura. Utiliza-se ainda como
pigmento na indústria cerâmica.
Piezoeletricidade - é a capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por 
resposta a uma pressão mecânica. O termo piezoeletricidade provém do grego 
(piezein), que significa, apertar/pressionar.
AplicaçõesAplicações
Selos mecânicos e
válvulas em Carbeto
de Silício
Cerâmica porosa em
cilindros para uso em
aquários. Realiza a filtragem
biológica e eliminação do
amoníaco e dos nitritos da
água.
Estrutura Estrutura 
CristalinaCristalinaCristalinaCristalina
(ligações predominantemente iônica)(ligações predominantemente iônica)
TIPOS DE LIGAÇÕES
• Iônica
• Os elétrons de valência são 
transferidos entre átomos 
produzindo íons
• Forma-se com átomos de 
diferentes eletronegatividades 
(um alta e outro baixa) 
• A ligação iônica não é 
direcional, a atração é mútuadirecional, a atração é mútua
• A ligação é forte= 150-300 
Kcal/mol (por isso o PF dos 
materiais com esse tipo de 
ligação é geralmente alto)
• A ligação predominante nos 
materiais cerâmicos é iônica
Na (metal) 
instável
Cl (não metal) 
instável
elétron 
+ -
Coulombic
Attraction
Na (cátion) 
estável
Cl (ânion) 
estável
• Ligação que predomina em Cerâmicas
He 
-
Ne 
-
F 
4.0
Li 
1.0
H 
2.1
Be 
1.5 Cs Cl
MgO
CaF 2
NaCl
O 
3.5
-
Ar 
-
Kr 
-
Xe 
-
Rn 
-
4.0
Cl 
3.0
Br 
2.8
I 
2.5
At 
2.2
1.0
Na 
0.9
K 
0.8
Rb 
0.8
Cs 
0.7
Fr 
0.7
1.5
Mg 
1.2
Ca 
1.0
Sr 
1.0
Ba 
0.9
Ra 
0.9
Ti 
1.5
Cr 
1.6
Fe 
1.8
Ni 
1.8
Zn 
1.8
As 
2.0
Cs Cl 3.5
EstruturaEstrutura CristalinaCristalina predominantementepredominantemente::
��EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AXAX
��EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AAmm XXpp
��EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AAmm BB nnXXppmm nn pp
OndeOnde::
AA == cátioncátion
XX == ânionânion
EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AXAX
11 -- EstruturaEstrutura dodo salsal--gemagema (CFC)(CFC)
AA == númeronúmero dede coordenaçãocoordenação 66
XX == númeronúmero dede coordenaçãocoordenação 66
EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AXAX
22 -- EstruturaEstrutura dodo cloretocloreto dede césiocésio (CCC)(CCC)
AA == númeronúmero dede coordenaçãocoordenação 88
XX == númeronúmero dede coordenaçãocoordenação 88
EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AAmmXXpp
mm e/oue/ou pp ≠≠ 11
55 cuboscubos (CCC)(CCC)
Estrutura da caulinitaEstrutura da caulinita
Plano de 
ânions 
Camada de 
Al2(OH)42+
Caulinita vista no 
microscópio
ânions 
intermediário
Al2(OH)4
Camada de 
(Si2O5)2-
Micrografia da caulinita
Estrutura da bentonitaEstrutura da bentonita
Cátions trocáveis
Oxigênio
Hidroxila
Silício
Alumínio
3. Os materiais 3. Os materiais 
cerâmicos.cerâmicos.cerâmicos.cerâmicos.
Produtos cerâmicosProdutos cerâmicos
Cerâmica vermelha ou 
produtos cerâmicos 
estruturais
Tijolos, azulejos, telhas, 
ladrilhos de piso e 
tubulações de esgoto
Porcelanas, louças de 
Cerâmica branca
Porcelanas, louças de 
mesa, azulejos, pastilhas 
para revestimento 
externo e louça sanitária
Refratários Tijolos refratários para 
fornos e churrasqueiras
Vidros Cimentos
Propriedades Propriedades 
mecânicas dos mecânicas dos mecânicas dos mecânicas dos 
materiais cerâmicosmateriais cerâmicos
Comportamento mecânico dos Comportamento mecânico dos 
materiais cerâmicosmateriais cerâmicos
� Os materiais cerâmicos têm sua aplicabilidade
limitada em certos aspectos devido às suas
propriedades mecânicas, que em certos aspectos
são inferiores àquelas apresentadas pelos metais.são inferiores àquelas apresentadas pelos metais.
� A principal desvantagem é uma disposição à
fratura catastrófica de uma maneira frágil, com
muito pouca absorção de energia.
Comportamento tensãoComportamento tensão--deformaçãodeformação
� O comportamento tensão-deformação dos materiais
cerâmicos não é avaliado através de um ensaio de
tração como no caso dos materiais metálicos.
Por três razões:1. é difícil preparar e testar amostras que possuam 
a geometria exigida;a geometria exigida;
2. é difícil prender e segurar materiais frágeis sem 
fraturá-los;
3. as cerâmicas falham após uma deformação de 
apenas 0,1%.
Resistência à flexão.Resistência à flexão.
Seção circular de 
raio R
3R
FL
pi
σ =
F
Seção retangular de 
dimensões b e d
b
d
22
3
bd
FL
=σL/2 L/2
Momento
Onde:
σ = Tensão
F = força aplicada
L = distância entre os apoios
Deformação Plástica
1. Existem poucos sistemas de escorregamento
(conjunto de planos e direções cristalográficas), que
As cerâmicas cristalinas apresentam pouca ou
nenhuma deformação plástica.
(conjunto de planos e direções cristalográficas), que
se tornam operantes somente a temperaturas
elevadas, ainda assim o movimento é difícil;
2. O movimento das discordâncias em planos
cristalográficos específicos é dificultado pela natureza
das ligações químicas, predominantemente iônicas.
Deformação Plástica
Nas cerâmicas não-cristalinas (como os vidros) não há
movimento de discordância, uma vez que não existe
uma estrutura cristalina.
Ocorre deformação plástica:
1. ocorre através do escoamento viscoso pela aplicação de uma
tensão cisalhante e a taxa de deformação é proporcional a tensão
aplicada;
A propriedade que representa este comportamento é a viscosidade:
uma medida da resistência a deformação de um material não-
cristalino.
Tensão de cisalhamnetoTensão de cisalhamneto
Tensão de cisalhamento ou tensão tangencial, ou
ainda tensão de corte ou tensão cortante é um tipo
de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos iguais
ou opostos, em direções semelhantes, mas com
intensidades diferentes no material analisado. Umintensidades diferentes no material analisado. Um
exemplo disso é a aplicação de forças paralelas mas em
sentidos opostos, ou a típica tensão que gera o corte
em tesouras.
Influência da porosidade 
1. Os poros reduzem a área de seção reta através da qual uma
carga é aplicada.
2. Atuam como concentradores de tensão (reduzindo a
resistência).
Propriedades Elétricas Propriedades Elétricas 
dos materiaisdos materiaisdos materiaisdos materiais
Porque estudar as propriedades 
elétricas?
? • O estudo das? propriedades elétricas
busca explorar como os
materiais respondem a
aplicação de um campo
elétrico.
• Lei de Ohm :
CONDUÇÃO ELÉTRICA
Uma das características mais importante é a facilidade com
que o material transmite uma corrente elétrica.
∆V = I R
A Lei de Ohm relaciona a corrente ou a taxa de passagem de 
carga ao longo do tempo, relacionando a voltagem aplicada.
Queda de voltagem (volts) Resistência (Ohms (Ω).)
corrente (A)
CONDUÇÃO ELÉTRICA
Chama-se Resistência Elétrica (R) a propriedade de um material que
determina a facilidade com a qual ele transmite uma corrente elétrica ( I ). Ela
é dada através da Lei de Ohm, que relaciona a corrente elétrica com a
voltagem aplicada (V) através da seguinte fórmula:
Quando os elétrons encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma
resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas
∆V = I R R = ρ. l/A
A resistividade ρ é independente da amostra (geometria) 
e está relacionada com R
ρ = RA/L
L
Área da seção 
reta
resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas
definiram uma grandeza que denominaram resistividade elétrica.
• A condutividade elétrica é usada para especificar a 
natureza elétrica do material.
ρ
σ
1
=
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA
σ
ρ
A (C.E) é um indicativo da facilidade segundo a qual um material 
é capaz de conduzir uma corrente elétrica
IMPORTANTE
De acordo com a facilidade de 
condução elétrica, os materiais 
sólidos podem ser:
• Condutores
• Semicondutores
• Isolantes
• Tem resistividade entre Metais e Isolante
10-6-10-4 Ω.cm 1010-1020 Ω.cm
- Características:
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
SEMICONDUTORES
- Características:
• A resistividade diminui com o aumento de temperatura
(ao contrário dos metais);
• A resistividade diminui com a adição de certas
impurezas;
• A resistividade aumenta com a presença de
imperfeições nos cristais.
SEMICONDUTORES
• Silício, Germânio (Grupo IV da Tabela Periódica)
• GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da 
Tabela Periódica)
• PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela 
Exemplos:
• PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela 
Periódica)
• 95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com Silício
• 65% dos dispositivos de semicondutores do grupo III-V são 
para uso militar.
• Segue alguns exemplos de dispositivos 
eletrônicos:
SEMICONDUTORES
Transistor Circuito Integrado
Diodos LEDS
• Indústria de computadores (memórias,
microprocessadores, etc.)
• Indústria aeroespacial
• Telecomunicações
• Equipamentos de áudio e vídeo
Aplicações dos Semicondutores
• Equipamentos de áudio e vídeo
• Na robótica
• Sistemas industriais de medidas e controles
• Sistemas de segurança
• Automóveis
• Equipamentos médicos,...
A- METAIS
• Os elétrons de valência não estão ligados a
nenhum átomo específico (estão livres)
Há atração entre os elétrons livres (de valência) e
os íons positivos (núcleo mais elétrons de
Ligação Química
Há atração entre os elétrons livres (de valência) e
os íons positivos (núcleo mais elétrons de
valência)
• Os metais têm elevada condutividade elétrica
devido os elétrons estarem livres para moverem-
se (alta mobilidade).
• No entanto, a agitação térmica reduz o livre
percurso médio dos elétrons, a mobilidade dos
mesmos e como consequência a condutividade.
EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA 
DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE
Estrutura perfeita a
Movimento dos Elétrons a MaisBaixa temperatura Movimento dos Elétrons a Mais
Alta Temperatura
Movimento dos Elétrons
em uma estrutura com impurezas
B- SEMICONDUTORES
Todos os semicondutores têm ligação covalente,
com 4 elétrons de valência. Os semicondutores
compostos (grupos III-V e II-VI) têm 4 elétrons
de valência em média.
Ligação Química
RESISTIVIDADE X TEMPERATURA PARA
UM SEMICONDUTOR
O aumento da temperatura fornece energia que
liberta transportadores de cargas adicionais.
• Valores em (T) ambiente (Ohm-m)
COMPARAÇÃO ENTRE VALORES DE 
CONDUTIVIDADE
Prata 6,8 x 107
Cobre 6,0 x 107
Ferro 1,0 x 107
METAIS
Vidro comum 10 -10
Concreto 10-9
Al2O3 <10 -13
CERÂMICAScondutores
4Valores oriundos das tabelas 18.1, 18.2 e18.3, Callister 6e.
Poliestireno <10 -14
Polietileno 10 -15 -10 -17
Ferro 1,0 x 10
Silício 4 x 10-4
Germânio 2 x 100
GaAs 10-6
SEMICONDUTORES
Al2O3 <10
POLIMEROS
semicondutores isolantes
• É a condução resultante dos
movimentos eletrônicos nos materiais
puros.
CONDUÇÃO INTRÍNSECA 
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
• Um semicondutor pode ser tipo "p" (condução devido
aos buracos) ou tipo "n" (condução devidos aos
elétrons)
• Este tipo de condução se origina devido a presença
de uma imperfeição eletrônica ou devido a presença
de impurezas residuais.
CONDUÇÃO INTRÍNSECACONDUÇÃO INTRÍNSECA
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA
• Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante 
para proporcionar elétrons ou buracos extras.
• Os semicondutores extrínsecos podem ser:
Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos extras.
Tipo n: com impurezas que proporcionam elétrons extrasTipo n: com impurezas que proporcionam elétrons extras
Os processos utilizados para dopagem são a 
difusão e a implantação iônica
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA
CONSIDERAÇÕES GERAIS
• Os elétrons tem maior mobilidadeque os
buracos.
• A presença de impurezas pode alterar o
tamanho do gap de energia dotamanho do gap de energia do
semicondutor.
OPERAÇÃO DO DIODO 
(JUNÇÃO P-N)
– Dispositivos eletrônicos como transistors,
circuitos integrados, chips, etc... usam a
combinação de semicondutores extrínsecos
tipo “p” e tipo “n” .
• DIODO � é um dispositivo que permite a
corrente fluir em um sentido e não em
outro. É construído juntando um
semicondutor tipo “n” e tipo “p”.
Propriedades Térmicas Propriedades Térmicas 
dos materiais dos materiais dos materiais dos materiais 
cerâmicoscerâmicos
• Geral: A habilidade de um material em absorver calor.
• Quantitativa: a energia requerida para aumentar
a temperatura do material.
Entrada de energia (J/mol)
CAPACIDADE TÉRMICA
2
Variação de temperatura (K) 
C = dQ
dT
Capacidade calorífica
(J/mol-K)
Entrada de energia (J/mol)
• duas maneiras de medição:
-- Cp : capacidade calorífica à pressão constante.
-- Cv : capacidade calorífica a volume constante.
• a capacidade calorífica aumenta com a temperatura e
tem como valor máximo 3R.
CAPACIDADE CALORÍFICA VS T
Capacidade calorífica, Cv
3R Cv= constante 
Constante dos gases 
3
• Ponto de vista atômico:
-- a energia é armazendada como vibrações.
-- à medida que T aumenta, a energia média de vibração
aumenta.
Adaptado da Fig. 19.2, 
Callister 6e.
Temperatura Debye
usualmente menor que Tamb
T (K)θD
Constante dos gases 
= 8,31 J/mol-K
• Materiais mudam suas dimensões sob aquecimento.
)( inicialfinal
inicial
inicialfinal TT
L
LL
−=
−
α
coeficiente de expansão
térmica (1/K)
EXPANSÃO TÉRMICA
Tinicial
Tfinal
Lfinal
Linicial
5
• ponto de vista atômico: o comprimento das ligações aumenta com T.
Adaptado da Fig. 19.3(a), Callister 6e. 
Energia de ligação
Comprimento da ligação (r)T
T1
r
(
T
5
)
r
(
T
1
)
T5
A curva é “assimétrica”
• Geral: Habilidade de um material transferir calor.
• Quantitativa:
 
q = −k dT
dx
Gradiente de
temperatura
Condutividade térmica (J/m-K-s)
Fluxo de calor
(J/m2-s)
CONDUTIVIDA TÉRMICA
7
• Ponto de vista atômico: a energia atômica das regiões mais 
quentes leva energia, em termos de vibração, para as mais frias.
T2 > T1T1
x1 x2Fluxo de calor
• Ocorre devido:
--aquecimento/resfriamento desequilibrado
--expansão térmica mal equilibrada.
TENSÃO TÉRMICA FIM