Cerâmicas (02) 2017

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Cerâmicas e suas aplicações 
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
CAMPUS ANGICOS 
Disciplina: Química Aplicada à Engenharia e seus 
Laboratórios 
Cerâmicas e suas aplicações 
na engenharia -2ª - aula
Profa: Lêda Maria Oliveira de Lima
Natal-2017.
Introdução
• 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
covalente.covalente.
- Como exemplo desses materiais podem ser citados:
* Os carbonetos (CARBONETO DE SILÍCIO – SiC);
* Os nitretos (NITRETO DE SILÍCIO - Si3N4);
* Os óxidos (Alumina Al2O3);
* Os silicatos (SILICATO DE ZIRCÔNIO - ZnSiO4), etc.
• Nos últimos 60 anos, os materiais mais importantes
nessa categoria eram denominados “cerâmicas
tradicionais”. Normalmente, as cerâmicas
tradicionais são obtidas a partir de três componentes
Introdução
tradicionais são obtidas a partir de três componentes
básicos, ARGILA, SÍLICA E O FELDSPATO.
- São exemplos de aplicações: As telhas, tijolos, a
porcelana, louça sanitária, azulejos e vidros.
• Ocorreu um progresso significativo em relação a
compreensão da natureza fundamental desses
materiais e dos fenômenos que ocorrem neles e que
são responsáveis por suas propriedades únicas.
Introdução
• Consequentimente, uma nova geração desses
materiais foi desenvolvida e o termo “cerâmica”
tomou um significado muito mais amplo.
• A estabilidade química em alto grau, encontrada nas
cerâmicas, é característica dos óxidos, e também dos
nitretos, carbetos, boretos, sulfetos, etc. Estes
compostos formam a base de todos os materiais
cerâmicos. Em particular, muitos dos óxidos são
Introdução
cerâmicos. Em particular, muitos dos óxidos são
extremamente estáveis por longos períodos, em
condições ambientais comuns, e são resistentes a
posterior oxidação.
• A estabilidade dos compostos cerâmicos é o
resultado da estrutura cristalina, da ligação química
(iônica, covalente ou mista) e do grande campo de
força, associado aos vários cátions, relativamente
Introdução
força, associado aos vários cátions, relativamente
pequenos e altamente carregados, encontrados nas
cerâmicas refratárias.
Estruturas das cerâmicas
• Uma vez que as cerâmicas são compostas por pelo
menos dois elementos, e frequentemente, mais do
que isso, as suas estruturas cristalinas são em geral,
mais complexas do que os metais.
• A ligação atômica nesses materiais varia desde
puramente iônica até totalmente covalente. Muitas
cerâmicas exibem uma combinação desses dois tipos
de ligações, sendo que o nível do caráter iônico
depende das eletronegatividades dos átomos.
Estruturas das cerâmicas
• Quando queremos descrever a estrutura de um
sólido como, por exemplo, uma cerâmica, não é
necessário desenhar a estrutura completa do cristal,
mais sim, focalizar a atenção em uma pequenamais sim, focalizar a atenção em uma pequena
região do cristal, representativa de um cristal
completo. A região citada chama-se célula unitária, a
menor unidade que, quando empilhada
repetidamente, sem lacunas, pode reproduzir o
cristal inteiro.
Estruturas das cerâmicas
ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - (CCC)
Estruturas das cerâmicas
ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - (CCC)
Estruturas das cerâmicas
• Todas as estruturas cristalinas podem ser expressas
em termos de sete sistemas cristalinos:
• CÚBICO;
• OTORRÔMBICO;• OTORRÔMBICO;
• TETRAGONAL;
• MONOCLINICO;
• TRICLÍNICO;
• ROBOÉDRICO;
• HEXAGONAL.
Estruturas das cerâmicas
• Há somente 14 retículos cristalinos associados com
estes sete sistemas. São eles:
Simples;
Corpo centrado;Cúbico Corpo centrado;
Face centrada.
Cúbico
Ortorrômbico
Simples;
Corpo centrado;
Lateral centrada;
Face centrada.
Estruturas das cerâmicas
• Há somente 14 retículos cristalinos associados com
estes sete sistemas. São eles:
Tetragonal
Simples;
Tetragonal
Simples;
Corpo centrado.
Monoclínico Simples;
Lateral centrada.
Estruturas das cerâmicas
• Há somente 14 retículos cristalinos associados com
estes sete sistemas. São eles:
Roboédrico Simples.
Simples.
Simples.
Triclínico
Hexagonal
Estruturas das cerâmicas
•A melhor maneira de determinar o
tipo de célula unitária adotada por
um material é através da técnica de
difração de raio X, que dá uma
figura de difração característica
•Para aqueles materiais cerâmicos que as ligações são
predominantemente iônica, as estruturas cristalinas
podem ser consideradas como compostas por íons
eletricamente carregados, ao invés de átomos.
figura de difração característica
para cada tipo de célula unitária.
Estruturas das cerâmicas
•Duas características dos íons que compõem os
materiais cerâmicos cristalinos influenciam a
estrutura do cristal:
1ª) A magnitude de carga elétrica em cada um dos íons1ª) A magnitude de carga elétrica em cada um dos íons
componentes, bem como, os tamanhos relativos dos
cátions e dos ânions. Em relação a primeira
característica, o cristal deve ser eletricamente neutro,
ou seja, todas as cargas positivas dos cátions devem ser
contrabalanceadas por um número igual de cargas
negativas dos ânions.
Estruturas das cerâmicas
2ª)A segunda característica envolve os tamanhos ou
raios iônicos dos cátions e dos ânions, rc e ra,
respectivamente. Uma vez que os elementos metálicos
cedem elétrons quando ionizados, os cátions são,cedem elétrons quando ionizados, os cátions são,
geralmente, menores do que os ânions e, como
consequência:
* A razão rc /ra é menor do que a unidade.
Estruturas das cerâmicas
•Cada cátion prefere ter tantos ânions como vizinhos
mais próximos quanto for possível. Os ânions também
desejam um número máximo de cátions como vizinhos
mais próximos. Desta forma, estruturas cerâmicasmais próximos. Desta forma, estruturas cerâmicas
cristalinas estáveis são formadas quando aqueles
ânions que estão ao redor de um cátion estão todos
em contato com aquele cátion.
Estrutura cristalina do tipo Ax
• Alguns dos materiais cerâmicas mais comuns são
aqueles em que existem números iguais de cátions e
de ânions. Com frequência, esses materiais sãode ânions. Com frequência, esses materiais são
designados como compostos AX, onde A representa
os cátions e X os ânion. Existem várias estruturas
cristalinas diferentes para os compostos Ax, como
por exemplo, a estrutura do cloreto de sódio, cloreto
de césio, sulfeto de zinco, etc.
Estrutura cristalina do tipo AmXp
• Quando as cargas dos cátions e dos ânions não forem
as mesmas, poderá existir um composto com
fórmula química AmXp, onde m e/ou p são
diferentes de 1.diferentes de 1.
- Um exemplo será a estrutura cristalina encontrada
na fluorita, CaF2. Outros compostos que possuem
essa estrutura cristalina incluem: ZrO2, UO2, PuO2.
Estrutura cristalina do tipo AmBnXp
• Também é possível para os compostos cerâmicos
possuírem mais do que um tipo de cátion. No caso
de dois tipos de cátions , representamos por A e B,
as suas fórmulas químicas podem ser designadasas suas fórmulas químicas podem ser designadas
como AmBnXp. Um exemplo desse tipo de estrutura
é o titanato de bário (BaTiO3).
• Obviamente, são possíveis muitas outras estruturas
cristalinas para os materiais cerâmicos. No entanto,
essas são as estruturas mais comuns encontradas.
Tipos e aplicações das cerâmicas
• Vidros: os vidros são um grupo familiar de
cerâmicas.
- Eles são silicatos não-cristalinos que também contém
outros óxidos, especialmente CaO, Na2O, K2O e Al2O3,outros óxidos, especialmente CaO, Na2O, K2O e Al2O3,
os quais influenciam as suas propriedades.
- As duas principais características desses materiais são
a sua transparência óptica e a relativa facilidadepela
qual eles podem ser fabricados. Os vidros podem ser
aplicados na produção de diversos materiais como,
por exemplo, os recipientes, as lentes e as fibras de
vidro.
Tipos e aplicações das cerâmicas
• Vitrocerâmicas:
- A maioria dos vidros inorgânicos pode ser
transformada de um estado não-cristalino em umtransformada de um estado não-cristalino em um
estado cristalino através de um tratamento térmico
apropriado a altas temperaturas.
- Esse processo é chamado de cristalização e o seu
produto é um material policristalino com grãos finos
chamados de Vidrocerâmicas.
Tipos e aplicações das cerâmicas
• Vitrocerâmicas:
- As aplicações mais comuns para esses materiais são
como peças para irem ao forno, janelas de forno e
tampas de fogão de cozinha, principalmente devido àtampas de fogão de cozinha, principalmente devido à
sua resistência mecânica e à sua excelente
resistência a choques térmicos.
- Eles também são utilizados como isolantes elétricos e
como substratos para placas de circuito impressas,
sendo utilizados como revestimento em arquitetura
e para trocadores de calor .
• A argila é uma das matérias-primas cerâmicas mais
amplamente utilizadas. Esse insumo muito barato,
encontra-se naturalmente em grande abundância e é
usada com frequência na forma como é extraído,
Tipos e aplicações das cerâmicas
usada com frequência na forma como é extraído,
sem qualquer beneficiamento na sua qualidade.
• A maioria dos produtos a base de argila se enquadra
em duas classificações abrangentes:
- os produtos estruturais a base de argilas e as louças
brancas.
Produtos a base de argila
• Os produtos estruturais à base de argila incluem
tijolos, as telhas e tubulações de esgoto, aplicações
onde a integridade estrutural é importante.
• As cerâmicas das louças brancas se tornam brancas
após um cozimento em alta temperatura. Nesse
grupo estão incluídas a porcelana, as louças de
barro, as louças para mesa, louças vitrificadas e
louças sanitárias.
• Refratários:
- Uma outra classe de cerâmicas, que são utilizados em
grandes quantidades, é a das cerâmicas refratárias.
Tipos e aplicações das cerâmicas
- As propriedades relevantes desses materiais incluem
a capacidade de suportar temperaturas elevadas
sem se fundir ou se decompor e a capacidade de
permanecer não-reativos e inertes quando expostos
a ambientes severos.
• Refratários:
- Além disso, a habilidade de proporcionar isolamento
térmico é, com frequência, uma consideração
Tipos e aplicações das cerâmicas
térmico é, com frequência, uma consideração
importante. As aplicações mais comuns dos materiais
refratários incluem os revestimentos de fornos para
o refino de metais, fabricação de vidros,
tratamentos térmicos metalúrgicos e geração de
energia.
• Abrasivos:
- As cerâmicas abrasivas são usadas para desgastar,
polir ou cortar outros materiais, que são
Tipos e aplicações das cerâmicas
polir ou cortar outros materiais, que são
obrigatoriamente mais moles. Portanto, a principal
exigência para esse grupo de materiais é a dureza ou
a resistência ao desgaste. Além disso, um alto grau
de tenacidade é essencial para assegurar que as
partículas abrasivas não se fraturem com facilidade.
Produtos a base de argila
Tenacidade é a energia mecânica, ou seja, o impacto necessário para
levar um material à ruptura. Tenacidade é uma medida de
quantidade de energia que um material pode absorver antes de
fraturar. Os materiais cerâmicos, por exemplo, têm uma baixa
tenacidade.
Tal energia pode ser calculada através da área num gráfico Tensão -Tal energia pode ser calculada através da área num gráfico Tensão -
Deformação do material, portanto basta integrar a curva que define
o material, da origem até a ruptura.
- Os diamantes, tanto os naturais quanto os sintéticos
são utilizados como abrasivos. No entanto, eles são
relativamente caros. As cerâmicas abrasivas mais
comuns incluem o carbeto de cilício, o carbeto de
Tipos e aplicações das cerâmicas
comuns incluem o carbeto de cilício, o carbeto de
tungstênio, o oxido de alumínio e a areia de sílica.
Brocas para perfuração 
de diamantes naturais.
Outros imagens de brocas para perfuração.
• Cimentos:
- Vários materiais cerâmicos familiares são
classificados como cimentos inorgânicos:
Tipos e aplicações das cerâmicas
classificados como cimentos inorgânicos:
Cimento, gesso e cal, as quais, como um grupo, são
produzidos em quantidade extremamente grande. A
característica principal desses materiais é que
quando são misturados com água eles formam uma
pasta que, subsequentemente, pega e endurece.
• Cerâmicas avançadas:
- Embora as cerâmicas tradicionais correspondam à
maior parte da produção, o desenvolvimento de novas
cerâmicas, chamadas de cerâmicas avançadas, teve
início e continuará para estabelecer um nicho
Tipos e aplicações das cerâmicas
início e continuará para estabelecer um nicho
proeminente em nossas tecnologias de ponta.
- Cerâmicas avançadas já estão presentes em várias
aplicações devido as suas características
incomparáveis: elas suportam temperaturas que
fundiriam o aço e resistem a maioria dos compostos
químicos corrosivos.
• Desta forma, as cerâmicas avançadas são utilizadas
em diversos setores:
-Bioquímica: em implantes dentários e substituição de 
ossos;
-Eletroeletrônica: em sensores, sonares, supercondutores e 
capacitores;
-Mecânica: em ferramentas de corte, membranas;
-Ótica: em fibras óticas, material fluorescente;
-Térmica: como substratos;
-Nucleares: nos combustíveis.
Outras usos de materiais cerâmicos
• Argilas e outros materiais cerâmicos como
catalisadores heterogêneos:
- Quando o catalisador e a substância, cuja reação
será catalisada, encontram-se na mesma fase, a
catálise é dita homogênea.
- Quando o catalisador e a substância, cuja reação será
catalisada encontra-se em fases diferentes, o catálise
é denominada heterogênea.
- Diversas argilas podem ser utilizadas como
catalisadores heterogêneos, por exemplo, para a
preparação do biodiesel via método de
craqueamento.
Outros usos de materiais cerâmicos
• Supercondutores:
- Como estamos habituados com o fato de que os
metais são ótimos condutores de eletricidade, ao
ouvirmos falar em supercondutividade, tendemos aouvirmos falar em supercondutividade, tendemos a
imaginar que os supercondutores seriam uma liga
metálica ou algo assim.
• Contudo, atualmente, além de metais e ligas
metálicas, a classe de compostos denominada de
“supercondutores” inclui muitos materiais
cerâmicos, notadamente os “cupratos”.
Outras usos de materiais cerâmicos
Argilas da descontaminação ambiental:
- As argilas podem atuar como trocadores catiônicos,
os que as qualifica como possíveis agentes para aos que as qualifica como possíveis agentes para a
descontaminação da água, pela retirada dos metais
pesados. Além disso, argilas recobertas por
substâncias hidrofóbicas , tem sido estudadas para a
descontaminação de águas contaminadas com
petróleo ou derivados de petróleo.
FIM