9-Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais - Poli-Elétrica

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
PMT 3100 - Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais
Estrutura e processamento de materiais cerâmicos
ROTEIRO
 Materiais Cerâmicos: principais propriedades e produtos
 Classificação dos Materiais Cerâmicos
 Estrutura
• Materiais cristalinos e amorfos
 Vidros
• Características e processamento
• Têmpera
 Materiais Cerâmicos Cristalinos
• Conformação
• Secagem
• Queima
• Microestrutura
 Cerâmicas de Alto Desempenho.
2
3
* IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. 
McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). 
Cabo de fibra óptica. Freios cerâmicos 
reforçados com fibra 
carbono (em vermelho).
Modelo de sílica (laranja) 
nanoestruturada, para 
liberação controlada de 
medicamento.
MATERIAIS CERÂMICOS
 São materiais rígidos que consistem de uma rede tridimensional 
infinita de grãos cristalinos sinterizados, compreendendo metais 
ligados a carbono, nitrogênio ou oxigênio.*
Seiji
Nota
sinterização: juntar pó, aquecer e formar um sólido. + no slide 35
Seiji
Nota
resistência à deformação
4
A organização de certificação “Sociedade Americana para Testes e Materiais” 
[American Society for Testing and Materials (ASTM)] dá a seguinte definição 
para os materiais cerâmicos:*
 “Produto cerâmico – “um artigo tendo um corpo vitrificado ou não, de 
estrutura cristalina ou parcialmente cristalina ou de vidro, cujo corpo é 
produzido a partir de substâncias essencialmente inorgânicas, não 
metálicas, podendo ser formado a partir de uma massa fundida a qual 
solidifica ao resfriar ou formado e maturado simultaneamente ou 
subsequentemente pela ação do calor.”
 Ceramic article – an article having a glazed or unglazed body of crystalline 
or partly crystalline structure, or of glass, which body is produced from 
essentially inorganic, nonmetallic substances and either is formed from a 
molten mass which solidifies on cooling, or is formed and simultaneously or 
subsequently matured by the action of the heat
* ASTM C242, 2014, “Standard Terminology of Ceramic Whitewares and Related Products”, ASTM 
International, West Conshohocken, PA, 2003, DOI: 10.1520/C0242, www.astm.org. 
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Nota
Pode ou não ter metal em sua composição; não pode ser uma substancia metalica, é uma substancia ionica.
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CARACTERÍSTICAS TÍPICAS
 São constituídos de elementos metálicos e não-metálicos, unidos por 
ligações de caráter misto, iônico/covalente.
 Pode ter matéria prima de custo relativamente baixo (produtos cerâmicos 
tradicionais);
 Propriedades (p.ex. resistência mecânica) desenvolvidas após o 
aquecimento a altas temperaturas, devido a reações termoquímicas;
 Normalmente duros e frágeis;
 Resistência à abrasão;
 Ponto de fusão elevado;
 Geralmente, são quimicamente estáveis sob condições ambientais severas;
 Geralmente bons isolantes térmico e elétrico**;
 Estrutura cristalina complexa.
** Podem existir materiais cerâmicos semicondutores, condutores e até mesmo
supercondutores; estes dois últimos, em faixas específicas de temperatura.
Seiji
Nota
tá um pouco escondido e desconexo com os demais itens acima, portanto wasurenai!!!!
6CLASSIFICAÇÕES DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Classificação segundo
o tipo de produto
MATERIAIS CERÂMICOS
Silicatos
(essencialmente
silicatos de alumínio e magnésio)
Não silicatos
Óxidos
(Al2O3, MgO, Be2O3)
Não óxidos
(SiC, Si3N4, BN, B4C)
Classificação segundo
composição química
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CONSTITUINTES COMUNS DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Tradicionais
Avançados
Argila  argilominerais (silicatos de alumínio e de magnésio), 
com outros minerais chamados de minerais 
acessórios ( óxidos: ex.:TiO2, Fe2O3 ; hidróxidos: ex.: 
Al(OH)3 ; carbonatos: ex.: CaCO3, MgCO3 )
Sílica  SiO2 (quartzo nas matérias-primas; quartzo, fases 
vítreas e cristobalita nos produtos).
Feldspatos  silicatos alcalinos como por exemplo KAlSi3O8.
Óxidos: Al2O3, ZrO2
Carbetos: SiC, WC
Nitretos: Si3N4, BN
8Estrutura dos Materiais Cerâmicos
• Em geral, a estrutura cristalina dos
materiais cerâmicos é mais complexa que
a dos metais, uma vez que eles são
compostos pelo menos por dois elementos,
em que cada tipo de átomo ocupa posições
determinadas no reticulado cristalino.
Cerâmicas Cristalinas Vidros (Cerâmicas Não-Cristalinas)
Exemplo : 
Titanato de Bário 
(BaTiO3)
Material 
Piezoelétrico
Estrutura tipo 
AmBnXp
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
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DEFEITOS CRISTALINOS
 Os defeitos cristalinos observados nos metais também acontecem nos 
materiais cerâmicos.
 A presença de átomos totalmente (ou parcialmente) ionizados, combinado 
com ligações fortes e direcionais, impedem as movimentações nos planos e 
direções cristalográficas dentro destes planos → discordâncias imóveis.
 Os defeitos de Frenkel e Schottky não mudam a razão de cátions e ânions.
 Materiais cerâmicos que apresentam defeitos de não estequiometria tem 
muitas aplicações industriais.
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Por isso, se sai um átomo, tem que sair a molécula inteira da substância?nullnullVer a questão 1 da lista
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Defeitos Pontuais em Sólidos Iônicos
• A neutralidade elétrica deve a ser respeitada.
 DEFEITO SCHOTTKY: lacuna aniônica + lacuna catiônica
 DEFEITO FRENKEL: cátion intersticial + lacuna catiônica
11Defeitos Puntiformes em Sólidos Iônicos
NÃO-ESTEQUIOMETRIA
• Exemplos de aplicação:
– Resistências de fornos elétricos 
(condutividade elétrica de cerâmicas 
em alta temperatura).
– Sensores de gases.
– Materiais com propriedades 
magnéticas.
Exemplo: íons de ferro (Fe) no óxido
de ferro podem apresentar dois
estados de oxidação, Fe2+ e Fe3+.
Isso, aliado à necessidade de se
manter a neutralidade elétrica do
sólido iônico cristalino, leva à não-
estequiometria do óxido de ferro.
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MICROESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS CRISTALINOS
 De um modo geral, os materiais cerâmicos cristalinos são polifásicos.
 Os contornos dos grãos são mais complicados do que aqueles dos metais, 
pois podem existir fases vítreas.
 A microestrutura é definida por:
 Forma e arranjo de grãos (ou de regiões contendo fases vítreas).
 Tamanho e fração em volume dos poros presentes.
Grãos
Contornos de grão
PorosMicro trincas
Partículas ou grãos de uma 
segunda fase
Seiji
Realce
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IMAGEM DE MEV MOSTRANDO UMA MICROESTRUTURA DE PORCELANA
Poro
Quartzo (trincado)
Trinca
Fase
Vítrea
Mulita (em forma de agulhas), 
em uma matriz vítrea
Fases alteradas
(argilominerais, feldspato) 
Poro
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VIDRO - DEFINIÇÕES
 Operacional: Um vidro é um sólido obtido pelo resfriamento de uma fase 
líquida (super resfriada). Ou seja, quando um líquido solidifica sem cristalizar.
 Estrutural: Um vidro é um sólido não cristalino. 
 Estrutural mais ampla: Um vidro é um sólido não cristalino exibindo o 
fenômeno da transição vítrea.
 Transição vítrea (Tg): é uma transição reversível na qual um material fundido 
(líquido) super resfriado produz uma estrutura vítrea no resfriamento.
faixa da 
transição vítrea
TmTg
Temperatura
V
o
lu
m
e
cristalização
①
②
②
resfriamento 
rápido
resfriamento 
lento
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Adição de Na2O (na forma de 
Na2CO3) como modificador de rede.
Adição de TiO2 como intermediário
 Óxidos tais como SiO2,B2O3, GeO2 e P2O5 são capazes de formar vidros e 
são chamados de formadores de redes. Isto se deve a relação entre os 
átomos de oxigênio e o cátion do óxido que permite formar uma rede 
tetraédrica.
 Outros óxidos são adicionados à composição vítrea com funções ou de 
modificar a rede (modificadores) ou como substitutos do cátion do óxido 
principal (intermediários).
Si4+
Na+
O2-
Si4+
Ti4+
O2-
Seiji
Realce
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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 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).
• Nos vidros inorgânicos, a viscosidade η varia com a temperatura de acordo 
com a equação:
ηo e Eη são constantes e dependem da composição do vidro. R é a constante 
dos gases e T é a temperatura em Kelvin.
RT
E
e



 0
17PROCESSAMENTO DOS MATERIAIS VÍTREOS
Os vidros a temperatura ambiente apresentam alta viscosidade (). Como ela 
muda com a temperatura, são definidas pontos na correlação viscosidade 
versus temperatura que são usados para se trabalhar esse material.
• Ponto de deformação (Strain Point)
– abaixo desta temperatura o vidro fica 
frágil: viscosidade  3x1014 P.
• Ponto de recozimento (Annealing 
Point)
– as tensões residuais podem ser 
eliminadas em até 15 min: viscosidade 
 1013 P.
• Ponto de amolecimento (Softening 
Point)
– Máxima temperatura para evitar 
alterações dimensionais significativas: 
viscosidade  4x107 P.
• Ponto de trabalho (Working Point)
– O vidro pode ser facilmente 
deformado: viscosidade  104 P.
• Abaixo de uma viscosidade de 100 P
– O vidro pode ser considerado um 
líquido.
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FABRICAÇÃO E PROCESSAMENTO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
19
Vidros
• Principal tipo de vidro : vidro de sílica
– Sólido não cristalino
• que apresenta apenas ordenação atômica de curto alcance.
• Composição Química
– Principal óxido: SiO2 ; outros óxidos: CaO, Na2O, K2O e Al2O3.
• Material muito comum na vida cotidiana 
– Exemplos: embalagens, janelas, lentes, fibra de vidro.
• Os produtos de vidro são conformados (moldados) a quente, 
quando o material está “fundido” , apresentando-se como um 
material de elevada viscosidade, que pode ser deformado 
plasticamente sem se romper.
Seiji
Realce
Seiji
Realce
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Conformação 
de 
Produtos de Vidro
Fibras de Vidro
Vidro Plano : Laminação
Vidro Plano : “Float Glass”
Prensagem
Prensagem + Sopro
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PRODUÇÃO DE VIDROS PLANOS – “FLOAT GLASS”
 De um modo geral, a produção de vidros planos é realizada através do 
processo “float glass” (como óleo em água); requer baixa viscosidade.
 A lamina de vidro formada na superfície de estanho resfria lentamente à 
medida que se move ao longo do banho em uma atmosfera controlada.
 Uma vez endurecido, ele sai do banho e passa através de um forno de 
recozimento para eliminar a tensão residual.
Queimadores
Exaustor
Vidro fundido
Banho de estanho 
fundido
Tanque com 
revestimento refratário
Forno de 
recozimento
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PROCESSO DE TÊMPERA TÉRMICA
 Este processo melhora significativamente a resistência do vidro, ao mesmo 
tempo que altera as suas características de quebra.
 Neste processo, o vidro é aquecido até T>Tg e menor que a sua 
temperatura de amolecimento. Em seguida, o material é resfriado 
rapidamente com um fluxo de ar de modo uniforme e controlado até a Tamb.
 Este processo cria um gradiente de temperatura, onde a superfície fica mais 
fria enquanto o seu interior está mais quente; ou seja, o processo de 
resfriamento ocorre com diferentes taxas na superfície e no núcleo interno.
 O aumento da resistência é conseguido pelo 
desenvolvimento intencional de tensões superficiais, 
residuais, de compressão.
Seiji
Nota
Achei um vídeo legal, que mostra melhor por que o vidro fica mais resistente a impactosnullnullhttps://www.youtube.com/watch?v=120UaMMeA88nullnullMas é só posicionar a força no lugar certo que o equilíbrio de tensões vai por água a baixo...
23
Distribuição de tensões residuais na seção transversal de uma chapa de vidro 
temperada.
 A superfície exterior se resfria e contrai, enquanto o interior permanece fluido, 
com a temperatura mais alta do que aquela da superfície.
 Há uma contração no interior colocando a superfície em um estado de 
compressão.
 Uma tensão de tração é desenvolvida no interior da espessura do vidro.
Região próxima
à superfície
COMPRESSÃO
Região interna
da placa 
TRAÇÃO
Tensão (MPa)
e
s
p
e
s
s
u
ra
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FABRICAÇÃO E PROCESSAMENTO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
25Processos de Fabricação 
de Materiais Cerâmicos Particulados (Cristalinos)
• Preparação da matéria-prima em pó.
• Mistura do pó com um líquido (geralmente água) para formar um 
material conformável : uma massa plástica ou uma suspensão de 
alta fluidez (“barbotina”) .
• Conformação das peças (existem diferentes processos).
• Secagem das peças conformadas.
• Queima das peças após secagem.
• Acabamento (quando necessário).
A plasticidade necessária para sua moldagem é conseguida antes da 
queima, por meio de mistura das matérias primas em pó com um líquido.
PROCESSAMENTO
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Preparação das matéria-primas e da massa
 Matérias-primas naturais são usadas nas cerâmicas tradicionais. Após a 
mineração, os materiais devem ser beneficiados: desagregados ou moídos, 
classificados de acordo com a granulometria e, as vezes, também purificadas.
 As matérias-primas sintéticas geralmente são fornecidas prontas para uso, 
necessitando apenas, eventualmente, de um ajuste de granulometria.
 Os produtos cerâmicos geralmente são fabricados a partir da composição de 
duas ou mais matérias-primas, além de aditivos e água (ou outro meio líquido).
 Os diferentes tipos de massas são preparados de acordo com a técnica a ser 
empregada para dar forma às peças e podem ser:
 Massas plásticas, para obtenção de peças por extrusão, seguida ou não de 
torneamento ou prensagem;
 Massas secas ou semi secas, na forma granulada, para obtenção de peças 
por prensagem;
 Suspensão (Barbotina) para obtenção de peças em moldes de gesso ou 
resinas porosas.
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Fabricação de Produtos Cerâmicos 
Exemplos de Métodos de Conformação
• Prensagem simples : pisos e azulejos
• Prensagem isostática : vela do motor do automóvel
• Extrusão : tubos e capilares, blocos cerâmicos
• Torneamento : xícaras e pratos
• Colagem de barbotina : sanitários, pias, vasos, artesanato
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EXTRUSÃO
 A massa plástica é colocada numa extrusora onde é compactada e forçada 
por um pistão, ou eixo helicoidal, através de um bocal com determinado 
formato, seguindo-se o corte do extrudado.
 Obtém-se desse modo peças como tijolos vazados, blocos, tubos e outros 
produtos de formato regular.
 A extrusão pode ser uma etapa intermediária do processo de formação, 
seguindo-se, uma prensagem como é no caso da maioria das telhas, ou o 
torneamento, como no caso de isoladores elétricos, xícaras e pratos, etc.
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TORNEAMENTO
Em geral, é uma etapa posterior à extrusão, realizada em tornos mecânicos ou 
manuais, onde a peça adquire seuformato final.
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PRENSAGEM
 Utiliza-se para massas granuladas ou para pós, sempre com baixo de teor 
de umidade.
 Tipos de prensa utilizados:
 Uniaxial: são carregadas com um volume pré-ajustado de mate´ria-prima, 
na qual é aplicada uma pressão por meio de pistões;
 Isostática: promove uma prensagem uniforme em toda a superfície, 
exigida em alguns produtos de alta qualidade com densidade uniforme. 
Moldes flexíveis são enchidos com a matéria-prima que, em seguida, é 
submetida a uma pressão isostática elevada, moldando o objeto.
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Realce
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PRENSA ISOSTÁTICA
PRENSA UNIAXIAL
Pó para 
prensagem
Fluido 
pressurizado
Molde 
flexível
Enchimento 
da matriz
Compactação Ejeção
Matriz
Pó
Pistão 
superior
Material 
“verde”
1 2
3
Pistão 
inferior
1 2 3
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COLAGEM
 Uma suspensão (barbotina) é vazada num molde de gesso, onde permanece até que 
a água seja absorvida pelo gesso; enquanto isso, as partículas sólidas vão se 
acomodando na superfície do molde, formando a parede da peça.
 O produto apresentará uma configuração externa que reproduz a forma interna do 
molde de gesso. 
33
• Na secagem ocorre 
perda de massa e 
retração pela remoção 
gradativa de umidade.
• A peça seca pode 
passar por uma etapa 
de acabamento:
– acabamento 
superficial e 
montagem das peças 
(por exemplo, asas 
das xícaras).
– aplicação de esmaltes 
ou vidrados.
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Realce
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Fabricação de materiais cerâmicos particulados
Secagem
Na secagem ocorre a eliminação da maior parte da água adicionada 
para produção da massa / suspensão necessária para a conformação, 
com a consequente contração do corpo conformado.
Após a etapa de conformação, as peças em geral continuam a conter
água, proveniente da massa. Para evitar tensões e, consequentemente,
defeitos nas peças, é necessário eliminar essa água, de forma lenta e
gradual, em secadores intermitentes ou contínuos, a temperaturas
variáveis, comumente entre 50ºC e 150ºC.
Seiji
Realce
Seiji
Realce
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35
Fabricação de materiais cerâmicos particulados
Queima das peças após secagem
Na queima ocorrem os seguintes fenômenos:
• Eliminação do material orgânico (dispersantes, ligantes, material 
orgânico nas argilas)
• decomposição e formação de novas fases de acordo com o 
diagrama de fases (por exemplo, formação de mulita, cristobalita, alumina 
e fases vítreas a partir das argilas)
• Sinterização (densificação e eliminação da porosidade)
As peças são queimadas geralmente entre 900oC e 1400oC. Esta
temperatura depende da composição da peça e das propriedades
desejadas. Durante a queima ocorre um aumento da densidade e da
resistência mecânica devido à combinação de diversos fatores,
mencionados abaixo.
Seiji
Realce
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SINTERIZAÇÃO NO ESTADO SÓLIDO: ESTÁGIOS E MICROESTRUTURA
(a) Partículas soltas de pó;
(b) Estágio inicial (compactação);
(c) Estágio intermediário (crescimento do pescoço);
(d) Estágio final (crescimento do pescoço, 
acompanhado pela densificação).
Formação do 
“pescoço”
Produto Cerâmico
Sinterizado
37
SETORES INDUSTRIAIS – CERÂMICA VERMELHA
Compreende aqueles materiais com coloração avermelhada empregados na
construção civil (tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos
cerâmicos e argilas expandidas) e também utensílios de uso doméstico e de
adorno. Pequeno valor agregado unitário (por peça).
38
SETORES INDUSTRIAIS – CERÂMICA BRANCA
Compreende produtos constituídos por um corpo branco e, em geral,
recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor, tais como: louça
sanitária e de mesa, isoladores elétricos para alta e baixa tensão, cerâmica
artística, cerâmica técnica com fins diversos. Com o advento dos vidrados
opacificados, muitos dos produtos passaram a ser fabricados com matérias-
primas com certo grau de impurezas, responsáveis pela coloração do corpo da
peça.
39
SETORES INDUSTRIAIS – REVESTIMENTOS CERÂMICOS
O Brasil é um dos maiores produtores mundiais de revestimentos cerâmicos.
40
SETORES INDUSTRIAIS – REFRATÁRIOS
Compreende vários produtos que têm como finalidade suportar temperaturas
elevadas nas condições específicas de processo e de operação dos
equipamentos industriais, que em geral envolvem esforços mecânicos, ataques
químicos, variações bruscas de temperatura e outras solicitações. Quanto à
composição, existem muitos produtos refratários, de acordo com as condições
de operação que devem suportar : de sílica, sílico-aluminosos, aluminosos,
magnesiano-cromíticos e cromítico-magnesianos, de carbeto de silício, de
grafita, de zircônia, ...
Seiji
Realce
41
SETORES INDUSTRIAIS – ISOLANTES TÉRMICOS
Os produtos isolantes podem ser classificados em:
 Refratários isolantes que se enquadram no segmento de refratários;
 Isolantes térmicos não refratários, tais como vermiculita expandida, sílica 
diatomácea, diatomito, silicato de cálcio, lã de vidro e lã de rocha, 
podendo ser utilizados até 1100º C em alguns casos;
 Fibras ou lãs cerâmicas apresentam composições tais como sílica, sílica-
alumina, alumina e zircônia, podendo chegar a temperaturas de 
utilização de 2000º C ou mais.
Seiji
Realce
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SETORES INDUSTRIAIS – VIDRO
43
SETORES INDUSTRIAIS – VIDRO
Lâmpadas
44
SETORES INDUSTRIAIS – ABRASIVOS
Entre os produtos mais conhecidos estão o óxido de alumínio eletrofundido e o
carbeto de silício
Seiji
Nota
abrasivo é algo que causa desgaste por raspagem
45
SETORES INDUSTRIAIS – CIMENTO E CAL
São importantes segmentos industriais e que, por suas particularidades, são
muitas vezes considerados à parte da Indústria Cerâmica.
46
SETORES INDUSTRIAIS – CERÂMICAS DE ALTA TECNOLOGIA
• Os processos de fabricação desses materiais podem diferir muito 
daqueles das cerâmicas tradicionais.
• As matérias-primas são muito mais caras, porque tem qualidade muito 
melhor controlada (controle do nível de impurezas é crítico).
• As aplicações são baseadas em propriedades mais específicas:
– elétricas
• sensores de temperatura (NTC, PTC)
• ferroelétricos (capacitores, piezoelétricos)
• varistores (resistores não lineares)
• dielétricos (isolantes)
– térmicas
– químicas
• sensores de gases e vapores
– magnéticas
– ópticas
– biológicas
Seiji
Nota
n grifei pq ta dificil, mas estudar essas aplicações
47
Materiais 
Piezoelétricos
Estrutura Cristalina do 
titanato de bário (BaTiO3)
Exemplo de Aplicação:
Microfone
Princípio de Funcionamento
48
Materiais Piezoelétricos
49
– principais materiais: ZrO2(O2) , ZnO, SnO2, Fe2O3 (H2O)
– alarme de vazamento de gases venenosos e hidrocarbonetos
– sensor de oxigênio em veículos automotores
– sensor de oxigênio na fabricação do aço
Sensores de Gases
50
REFERÊNCIAS
• Ashby, MF, Jones, DRH, Engineering Materials 2. An Introduction to 
microstructures, processing and design. Pergamon Press, Oxford (1986).
• William D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering – An
Introduction, John Wiley, NY, 8ª ed (2010), Cap. 12 e 13.
• Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia. Hemus. São Paulo. (1997).
• *IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book").
51
APÊNDICE
52
53
SiO2 OSi O ou :Ӧ::S::Ӧ:Não existe
SiO
O
O
O
-
+
--
-
-4
Amorfo
CristalinoSi
O
OO
O
O
O
O
OO
OO
OO
OO
O
O
O
O
Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Notação de Lewis mostrando 
a origem do caráter iônico 
nas ligações atômicas.