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MATERIAIS CERÂMICOS Cubo de sílica de isolamento térmico. O interior do cubo está a MATERIAIS CERÂMICOS do cubo está a 1250ºC e pode ser manuseado sem proteção. Usada no isolamento térmico do Ônibus Espacial. � Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos (formam óxidos, nitretos e carbetos) � Geralmente a ligação predominante é iônica Geralmente são isolantes de calor e ALUMINA CARACTERÍSTICAS GERAIS MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS CERÂMICOS � Geralmente são isolantes de calor e eletricidade, mas há supercondutores � São mais resistêntes à altas temperaturas (devido ao elvado PF) e à ambientes severos que metais e polímeros � As cerâmicas são duras, frágeis, possuem um elevado módulo de elasticidade e elevada resistência ao desgaste � Em geral são leves (2-3 g/cm3) SiC MATERIAIS CERÂMICOS OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS CERÂMICOS Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais � Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa) � Os elétrons de valência são “transferidos” entre átomos produzindo íons A LIGAÇÃO IÔNICA E AS ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS CERÂMICOS produzindo íons � A ligação iônica não é direcional e a atração é mútua � A ligação é forte, por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto Como conseqüência da ligação ser predominantemente iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas por íons carregados eletricamente (CÁTIONS E ÂNIONS). As características dos íons que afetam a estrutura cristalina são a CARGA e o RAIO IÔNICO. LIGAÇÃO IÔNICA � As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos são não-direcionais os átomos num material iônico arranjam-se de forma que todos os íons positivos têm como vizinhos mais próximos íons negativos, sendo as forças atrativas iguais em todas MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS CERÂMICOS negativos, sendo as forças atrativas iguais em todas as direções. � A magnitude da força obedece a Lei de Coulomb MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS • Materiais cerâmicos são compostos sólidos inorgânicos formados pela aplicação de calor, algumas vezes calor e pressão, constituídos por ao menos: – um metal (M) e um sólido elementar não-metálico Cerâmica: definição moderna MATERIAIS CERÂMICOS – um metal (M) e um sólido elementar não-metálico (SENM) ou um não-metal (NM), – dois SENM, ou – um SENM e um não-metal (NM) O termo cerâmico vem do grego keramikos, que significa matéria prima queimada, indicando que a otimização das propriedades desses materiais são normalmente atingidas através de um processamento em alta temperatura. Metais e não-metais • Metais (M): Na, Mg, Ti, Cr, Fe, Ni, Zn, Al... • Não-metais (NM): N, O, H, halogênios, gases nobres... MATERIAIS CERÂMICOS • Não-metais (NM): N, O, H, halogênios, gases nobres... • Sólidos elementares não-metálicos (SENM): isolantes (B, P, S, C ) ou semicondutores (Si, Ge) ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da natureza das suas ligações atómicas iônicas ou covalentes MATERIAIS CERÂMICOS ou covalentes As estruturas cristalinas, quando presentes,são extremamente complexas Exemplo: o óxido de silício (SiO2) pode ter três formas cristalinas distintas: quartzo, cristobalite e tridimite MATERIAIS CERÂMICOS ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS AX AmXp - AX2 (CaF2) ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS AmBnXp - ABX3 (BaTiO3) PEROVSKITA ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS - DEFEITOS COMPORTAMENTO MECÂNICO DE CERÂMICOS E VIDROS COMPORTAMENTO FRÁGIL • Característica típica dos cerâmicos: melhor resistência em compressão que em tração. • Comportamento partilhado por ferros fundidos • Ensaio de tracção é difícil de fazer e dá dispersão de resultados muito grande • Fazem-se ensaios de flexão! Al2O3 policristalina COMPORTAMENTO MECÂNICO DE CERÂMICOS E VIDROS MATERIAIS CERÂMICOS CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS VIDRO-CERÂMICOSCRISTALINOS AMORFOS (VIDROS) Incluem os cerâmicos à base de Silicatos, Óxidos, Carbonetos e Nitretos Em geral com a mesma composição dos cristalinos, diferindo no processamento Formados inicialmente como amorfos e tratados termicamente O Silício e o Oxigênio formam cerca de 75% da crosta terrestre, da crosta terrestre, sendo materiais de ocorrência comum na natureza e de baixo custo ! As cerâmicas avançadas são baseadas em óxidos, carbonetos e nitretos com elevados graus de pureza Classificação dos materiais cerâmicos - aplicação MATERIAIS CERÂMICOS PRINCIPAIS APLICAÇÕES MATERIAIS CERÂMICOS CERÂMICAS CRISTALINAS DE SILICATOS ----7228Mulita refractária 545-2550-70Tijolo refractário 496Sílica refractária Outro sCaOMgOK2OAl2O3SiO2 Composição (% em peso) 264925Cimento Portland 130564Porcelana steatite 163261Porcelana eléctrica ----7228refractária Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos não são usados como materiais estruturais (não são considerados cerâmicos avançados) CERÂMICAS CRISTALINAS SEM SILICATOS BaTiO3 ZrO2 UO2 Cr2O3 MgO.Al2O3 MgO Al2O3 Comp. Componentes electrónicos Isolamento térmico (estab. com 10%CaO) Combustível em reactores nucleares Revestimentos para resist. ao desgaste Idem Resistência ao desgaste Isolamento térmico e eléctrico Utilização Dióxido de urânio Zircónia (parcial.) estabilizada Titanato de Bário Óxido de Crómio Spinel Magnésia, magnésia refractária Alumina, alumina refractária Nome comum NiFe2O4 BaTiO3 Componentes “magnéticos” Componentes electrónicosTitanato de Bário Ferrite de Níquel BN B4C WC TaC TiC Si3N4 SiC Comp AbrasivosCarboneto de Boro IsolamentoNitreto de Boro Ferramentas de corteCarboneto de Tungsténio Resistência ao desgasteCarboneto de Tântalo Resistência ao desgasteCarboneto de Titânio Resistência ao desgasteNitreto de Silício AbrasivosCarboneto de Silício UtilizaçãoNome comum VIDROS (CERÂMICOS AMORFOS) Vidro p/ química Vidro alta pureza(*) UtilizaçãoNa2O 54 Al2O3 13 B2O3 76 100 SiO2 1Borosilicato Sílica vítrea PbOZnOK2OMgOCaO MATERIAIS CERÂMICOS Revestimento p/ metais Fibras p/ compósitos Vidro p/ química 61171660Verniz 14 14 4 15 2 1 3 8 34 54 73 72 4217Enamel 22Fibra vidro E 10Vidro (conten.) 48Vidro (janelas) Borosilicato VIDROS O vidro é uma substância inorgânica, homogênea e amorfa. É obtido através do resfriamento de uma massa líquida à base de sílica e outros minerais. Componentes dos vidros: MATERIAIS CERÂMICOS Componentes dos vidros: Vitrificantes (dióxido de silício SiO2, carbonato de sódio – Na2CO3, carbonato de cálicio – CaCO3): conferem as características vítreas; Fundentes (óxido de sódio - Na2O e óxido de potássio - K2O): facilitam a fusão da massa vitrificante; Estabilizantes (óxido de cálcio - CaO, óxido de magnésio - MgO e óxido de zindo - ZnO): conferem estabilidade química no processo de fabricação. PROPRIEDADES DOS VIDROS - Não ocorre cristalização (ordenação dos íons em uma estrutura cristalina) durante o resfriamento. - Quando o líquido é resfriado, aumenta a sua viscosidade (e diminui MATERIAIS CERÂMICOS - Quandoo líquido é resfriado, aumenta a sua viscosidade (e diminui o seu volume) até que a viscosidade aumente tanto que o material comece a apresentar o comportamento mecânico de um sólido. - Não existe uma temperatura de fusão cristalina, mas uma temperatura de transição vítrea ( Tg ). MATERIAIS CERÂMICOS VIDROS Cerâmica tradicional x avançada Cerâmica Matérias- primas Estrutura Proprie- dades Processa- mento Aplicações Tradicional (silicatos) naturais, minerais não-uniforme, porosa mecânica, estética olaria, colagem, construção, produtos MATERIAIS CERÂMICOS (silicatos) minerais industriais (<98% pureza) porosa estética colagem, prensagem, extrusão, queima produtos domésticos Avançada (alto de- sempenho, alta tecno- logia) produtos químicos industriais (>98% pureza) homogênea, menos porosa elétrica, magnética, nuclear, ótica, mecânica, térmica, química, biológica prensagem isostática, moldagem por injeção, sinterização, ligação por reação eletrônica, estrutural, química, refratários Produtos – áreas de aplicações (funções) � Térmica � Elétrica � Magnética Ótica MATERIAIS CERÂMICOS � Ótica � Nuclear � Química � Biológica � Mecânica � Estética Funções térmicas Funções Classes Aplicações Exemplos condutividade trocadores de calor para pacotes eletrônicos AlN MATERIAIS CERÂMICOS eletrônicos Térmicas isolamento revestimentos isolantes para fornos de alta temperatura fibras de SiO2, Al2O3, ZrO2 refratariedade revestimentos isolantes para fornos de alta temperatura (metais fundidos, escórias) SiO2, Al2O3, ZrO2 Funções elétricas Funções Classes Aplicações Exemplos condutividade elementos de aquecimento para fornos SiC, ZrO2, MoSi2 MATERIAIS CERÂMICOS fornos Elétricas ferroeletricidade capacitores BaTiO3, SrTiO3 isolamento substratos de circuitos eletrônicos Al2O3, AlN Funções magnéticas Funções Classes Aplicações Exemplos magnetos duros ímãs de ferrite (Ba,Sr)O·6Fe2O3 MATERIAIS CERÂMICOS Magnéticas e super- condutoras magnetos moles núcleos de transformadores (Zn,M)·6Fe2O3, com M=Mn,Co, Mg supercondutividade fios e magnetômetros YBa2Cu3O7 Funções óticas Funções Classes Aplicações Exemplos translucência materiais para lâmpadas de Na Al2O3, MgO MATERIAIS CERÂMICOS Óticas transparência cabos de fibra ótica SiO2 transparência ao infravermelho janelas para laser infravermelho CaF2, SrF2, NaCl Funções nucleares Funções Classes Aplicações Exemplos fissão combustível UO3, UC MATERIAIS CERÂMICOS Nucleares fissão moderadores de nêutrons C, BeO fissão, fusão revestimentos em reatores C, SiC Funções químicas Funções Classes Aplicações Exemplos catálise suporte de catalisador Mg2Al4Si5O15 MATERIAIS CERÂMICOS Químicas condutividade sensitiva a gases sensores de gases ZnO, ZrO2, SnO2, Fe2O3 separação filtros SiO2, Al2O3 Funções biológicas Funções Classes Aplicações Exemplos biocompatibilidade cimentos CaHPO4·2H2O MATERIAIS CERÂMICOS Biológicas biocompatibilidade próteses estruturais Al2O3 Funções mecânicas Funções Classes Aplicações Exemplos dureza ferramentas de corte Al2O3, Si3N4, ZrO2, TiC MATERIAIS CERÂMICOS Mecânicas refratariedade estrutural estatores e lâminas de turbina Al2O3, Si3N4, MgO, SiC resistência a desgaste, abrasão mancais Al2O3, Si3N4, ZrO2, SiC Funções estéticas Funções Classes Aplicações Exemplos cerâmica de mesa pratos, xícaras, vasos louça, porcelana MATERIAIS CERÂMICOS Estéticas cerâmica de revestimento pisos, azulejos grés, porcelanato cerâmica sanitária vasos sanitários, pias louça, porcelana PROCESSAMENTO INDUSTRIAL CERÂMICO Matérias-primas Dosagem Aditivos Aditivos Reciclo Reciclo Moagem/ mistura a seco Moagem/ mistura a úmido Classificação Granulação Atomização Filtro-prensagem MATERIAIS CERÂMICOS Mistura/deaeração Prensagem Conformação plástica Colagem Secagem Secagem Secagem Acabamento superficial Acabamento superficial Tratamento térmico Acabamento superficial final Tipos Seqüência de processamento Cerâmica pó → forma → calor Vidro pó → calor → forma MATERIAIS CERÂMICOS PROCESSAMENTODE CERÂMICAS AVANÇADAS MÉTODOS DE CONFORMAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS ETAPAS DA FORMAÇÃO DE PEÇAS CERÂMICAS – PRENSAGEM UNIAXIAL DO PÓ DIFUSÃO NO CONTORNO DE GRÃO E VOLUME MATERIAIS CERÂMICOS MICROESTRUTURA DA CERÂMICA DE TANTALATO DE MAGNÉSIO E BÁRIO OBTIDA POR PRENSAGEM UNIAXIAL MATERIAIS CERÂMICOS COLAGEM DE BARBOTINA EXEMPLO: CERÂMICAS SANITÁRIAS MATERIAIS CERÂMICOS QUEIMA DAS PEÇAS APÓS SECAGEM MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS CONFORMAÇÃO DE PRODUTOS DE VIDRO MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS ÓXIDOS: PODEM SER SIMPLES OU MISTOS • EXEMPLOS DE ÓXIDO SIMPLES: - Alumina (Al2O3), - Berília (óxido de berilo), MATERIAIS CERÂMICOS - Magnésia (óxido de Mg), - Zirconia (óxido de zircônio), - Tória (óxido de tório) - Sílica (SiO2) ÓXIDO MISTOS: são misturas de alumina, magnésia e sílica ALUMINA • CARACTERÍSTICAS: - Baixo custo MATERIAIS CERÂMICOS - Baixo custo - Boas propriedades mecânicas - Excelente resitividade elétrica e dielétrica - Resistente à ação química - Aplicações: isoladores elétricos, aplicações aeroespaciais, componentes resistentes à abrasão,…. BERÍLIA • CARACTERÍSTICAS: - Apresenta boa condutividade térmica - Alta resistência Mecânica MATERIAIS CERÂMICOS - Alta resistência Mecânica - Boas propriedades dielétricas - É cara e difícil de trabalhar - A poeira é tóxica - Aplicações: giroscópios, transistores, resistores, … ZIRCÔNIA • CARACTERÍSTICAS: - Apresenta-se em várias formas (monoclínica, cúbica MATERIAIS CERÂMICOS - Apresenta-se em várias formas (monoclínica, cúbica estabilizada,..) - A zircônica estabilizada apresenta: � Alta tempratura de fusão (2760°C) � Baixa condutividade térmica � Alta resistência à ação química TÓRIA • CARACTERÍSTICAS: MATERIAIS CERÂMICOS - É o material cerâmico mais estável e o de mais alto ponto de fusão (3315°C) - Aplicado em reatores nucleares PROPRIEDADES TÍPICAS DE ÓXIDOS CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS OUTROS TIPOS DE MATERIAIS CERÂMICOS • CARBONETOS: - Carboneto de tungstênio, carboneto de silício MATERIAIS CERÂMICOS - Carboneto de tungstênio, carboneto de silício (conhecido como carborundum), carbonto de titânio. • BORETOS: - Boretos de hafnio, tântalo, tório, titânio, zircônio • NITRETOS DE BORO E SILÍCIO: - Os nitretos de boro tem dureza equivalente ao diamante e resiste sem oxidação até 1926°C VIDROS DA FAMÍLIA SODA-CAL • São os mais antigos, mais baratos e mais utilizados • São de fácil conformação MATERIAIS CERÂMICOS • São de fácil conformação • Podem ser usados até temperaturas de 460°C no estado recozido e até 250°C no estado temperado • Aplicações: • Janelas, garrafas, copos,… VIDROS AO CHUMBO • Têm alta resistividade elétrica • Custo relativamente baixo MATERIAIS CERÂMICOS • Aplicações: • Tubulações de sinalização de neônio, diversos componentes ópticos, … VIDROS AO SILICATO DE BORO • Têm excelente durabilidade química • Excelente resitência ao calor e ao choque térmico • O tipo mais + comum é o pyrex e o kovar MATERIAIS CERÂMICOS • O tipo mais + comum é o pyrex e o kovar • Aplicações: • Vedações, visores, medidores, tubulações, espelhos de telescópios,vidros de laboratórios, vidros de fornos,… VIDROS AO SILICATO ALUMINOSO • São de custo elevado • Apresentam boa resistência a temperaturas relativamente elevadas e boa resistência ao choque térmico MATERIAIS CERÂMICOS choque térmico • Boa resistência `a produtos químicos • Aplicações: • Termômetros para altas temperaturas, tubos de combustão, utensílios para empregos em fornos de cozinhar,… VIDROS DE SÍLICA FUNDIDA • São constituídos 100% de sílica • São muito puros e um dos mais transparentes • São os mais resistentes à temperatura (resistem até 1260°) • Possuem excelente resistência ao choque térmico e à ação MATERIAIS CERÂMICOS • Possuem excelente resistência ao choque térmico e à ação de agentes químicos • São de custo elevado e de conformação difícil • Aplicações: • Especiais como sistemas ópticos de laboratório, instrumentos para laboratório de pesquisa FIMFIM
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