ESTRUTURAS E PROPRIEDADES DE CERÂMICAS

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Curso: Engenharia de Produção / Engenharia Civil 
 
MATERIAIS CERÂMICOS 
 
1. ESTRUTURAS E PROPRIEDADES DE CERÂMICAS 
 
Materiais cerâmicos são materiais inorgânicos e não-metálicos. A maioria dos materiais 
cerâmicos são compostos por elementos metálicos e não-metálicos, para os quais as ligações 
interatômicas são totalmente iônicas ou predominantemente iônicas mas tendo algum caráter 
covalente. O termo ‘cerâmica’ vem da palavra grega keramikos, que significa "material queimado", 
indicando que as desejáveis propriedades destes materiais são normalmente encontradas através de 
um processo de tratamento térmico de alta temperatura denominado queima. 
 
1.1. ESTRUTURAS CERÂMICAS 
 
A ligação atômica em materiais cerâmicos é parcialmente ou totalmente iônica, a maioria 
das estruturas cerâmicas é composta de íons eletricamente carregados em vez de átomos. Os íons 
metálicos, ou cátions, são positivamente carregados, eles cedem os seus elétrons de valência aos 
íons não-metálicos, ou ânions, que são negativamente carregados. Cerâmicas são formadas de pelo 
menos dois elementos, suas estruturas cristalinas são geralmente complexas. 
 
1.2. ESTRUTURAS CRISTALINAS 
 
Duas características influenciam a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos: magnitude da 
carga elétrica em cada um dos íons e os tamanhos relativos dos cátions e ânions. Com relação à 
primeira característica, o cristal deve ser eletricamente neutro; isto é, todas as cargas positivas do 
cátion devem ser contrabalançadas por igual número de cargas negativas do ânion. O segundo 
critério envolve os tamanhos ou os raios iônicos dos cátions e ânions, rC e rA, respectivamente. Uma 
vez que os elementos metálicos fornecem elétrons quando ionizados, cátions são menores do que 
ânions e, consequentemente, a razão rC/rA é menor do que um. 
As estruturas cristalinas cerâmicas estáveis se formam quando os ânions que circundam um 
cátion estão todos em contato com aquele cátion, como ilustrado na Figura 1. O número de 
coordenação está relacionado à razão entre os raios iônicos do cátion e do ânion. Para um número 
de coordenação específico, existe uma razão crítica ou mínima para a qual este contato cátion-ânion 
é estabelecido (Figura 1), cuja razão pode ser determinada a partir de considerações puramente 
geométricas. 
 
 
Figura 1 - Configurações de coordenação ânion-cátion estáveis e não-estáveis. 
 
1.2.1. Estruturas Cristalinas Tipo AX 
 
Alguns dos materiais cerâmicos comuns são aqueles nos quais existem iguais números de 
cátion e de ânion. Estes são conhecidos como os compostos AX, onde A denota o cátion e X o 
ânion. Existem várias diferentes estruturas cristalinas para os compostos AX; cada uma é 
normalmente denominada de acordo com um material comum que assume a particular estrutura. 
 
- Estrutura de Sal-gema. Talvez a estrutura cristalina AX mais comum é a do tipo cloreto de 
sódio (NaCl) ou do sal de rocha. O número de coordenação tanto para cátions quanto para ânions é 
6 e, portanto, a razão de raios iônicos se situa entre aproximadamente 0,414 e 0,732. Uma célula 
unitária para esta estrutura cristalina (Figura 2) é gerada a partir de um arranjo CFC de ânions com 
um cátion situado no centro do cubo e um no centro de cada uma das arestas do cubo. Uma 
estrutura cristalina equivalente resulta, a partir de um arranjo cúbico de face centrada de cátions. 
Assim, pode-se pensar que a estrutura cristalina de sal de rocha seja constituída de duas redes CFC 
interpenetrantes. Uma composta de cátions e a outra composta de ânions. Alguns dos materiais 
cerâmicos comuns que formam esta estrutura cristalina são NaCl,MgO, MnS, LiF e FeO. 
 
Figura 2 - Uma célula unitária de estrutura cristalina do sal de rocha, ou cloreto de sódio (NaCl). 
 
- Estrutura de Cloreto de Césio. A Figura 3 mostra uma célula unitária para a estrutura 
cristalina do cloreto de sódio (CsCl); o número de coordenação é 8 para ambos os tipos de íons. Os 
ânions estão localizados em cada um dos cantos de um cubo, enquanto que no centro do cubo se 
encontra um único cátion. Intertroca de ânions com cátions, e vice-versa, produz a mesma estrutura 
cristalina. Esta não é uma estrutura CCC porque íons de 2 diferentes tipos estão envolvidos. 
 
Figura 3 - Uma célula unitária da estrutura cristalina do cloreto de césio (CsCl). 
 
- Estrutura da Blenda de Zinco. Uma terceira estrutura AX é uma na qual o número de 
coordenação é 4; isto é, todos os íons estão tetraedricamente coordenados. É denominado estrutura 
de blenda de zinco, ou esfarelita, de acordo com o termo mineralógico para o sulfeto de zinco 
(ZnS). Uma célula unitária está apresentada na Figura 4; todas as posições dos cantos e das faces da 
célula cúbica estão ocupadas por átomos de S, enquanto que os átomos de Zn preenchem as 
posições tetraédricas interiores. Uma estrutura equivalente resulta quando as posições dos átomos 
de Zn e de S forem revertidas. Assim cada átomo de Zn está ligado a 4 átomos de S e vice-versa. Na 
maioria das vezes, a ligação atômica é altamente covalente em compostos exibindo esta estrutura 
cristalina, os quais incluem ZnS, ZnTe e SiC. 
 
Figura 4 - Uma célula unitária para a estrutura cristalina da blenda de zinco (ZnS). 
 
1.2.2. Estruturas Cristalinas do Tipo AmXp: Cátions e ânions com cargas diferentes, podem 
gerar compostos com a fórmula AmXp , onde m e/ou p são diferentes de 1. Um exemplo seria AX2 , 
para a qual uma estrutura cristalina comum é encontrada na fluorita (CaF2) (Figura 5). A razão de 
raios iônicos rC / rA para CaF2 é de cerca de 0,8 que dá um número de coordenação de 8. Íons cálcio 
estão posicionados nos centros de cubos, com íons fluoreto nos cantos. A fórmula química mostra 
que o número de íons Ca
2+
 que existem é apenas a metade do número de íons F
-
 e, portanto, a 
estrutura cristalina seria similar àquela do CsCl (Figura 3), exceto que apenas a metade das posições 
de centros dos cubos são ocupadas por íons Ca
2+
. Outros compostos que têm esta estrutura cristalina 
incluem UO2, PuO2 e ThO2. 
 
Figura 5 - Uma célula unitária para a estrutura cristalina da fluorita (CaF2). 
 
1.2.3. Estruturas Cristalinas do Tipo AmBnXp: É também possível para compostos cerâmicos 
terem mais de um tipo de cátion; para dois tipos de cátions (representados por A e B), suas fórmulas 
químicas podem ser designadas por AmBnXp. Titanato de bário (BaTiO3), tendo cátions tanto de 
Ba
2+
 quando de Ti
4+
, cai nesta classificação. Este material tem uma estrutura cristalina de perovskita 
e propriedades eletromecânicas bastante interessantes. Em temperaturas superiores a 120ºC (248ºF), 
a estrutura cristalina é cúbica. Uma célula unitária desta estrutura é mostrada na Figura 6; íons Ba
2+
 
estão situados em todos os oito cantos do cubo e um único cátion Ti
4+
 encontra-se no centro do 
cubo, com íons O
2-
 localizados no centro de cada uma da 6 faces. 
 
Figura 6: Uma célula unitária para a estrutura cristalina da perovskita. 
 
A Tabela 1 sumaria as estruturas cristalinas de sal de rocha, cloreto de césio, blenda de 
zinco, fluorita e perovskita em termos de razões de raios iônicos cátion-ânion e números de 
coordenação e dá exemplos para cada. Naturalmente, muitas outras estruturas cristalinas cerâmicas 
são possíveis. 
 
Tabela 1 - Resumo de algumas estruturas cristalinas cerâmicas comuns. 
Estrutura Tipo de 
Estrutura 
Empacotamento 
do ânion 
Nº de 
Coordenação 
Exemplos 
Cátion Ânion 
Sal-gema (cloreto 
de sódio) 
AX CFC 6 6 NaCl, MgO, FeO 
Cloreto de césio AX Cúbica simples 8 8 CsCl 
Blenda de zinco AX CFC 4 4 ZnS, SiC 
Fluorita AX2 Cúbica simples 8 4 CaF2, UO2,ThO2 
PerovskitaABX3 CFC 12 (A) 
6 (B) 
6 BaTiO3, SrZrO3, SrSnO3 
Espinélio AB2X4 CFC 4 (A) 
6 (B) 
4 MgAl2O4, FeAl2O4 
 
2. CERÂMICAS DE SILICATO 
 
Silicatos são materiais compostos principalmente de silício e oxigênio, os dois mais 
abundantes elementos na crosta terrestre; consequentemente, a maior parte dos solos, rochas, argilas 
e areias se enquadram na classificação de silicato. Em lugar de caracterização das estruturas 
cristalinas destes materiais em termos de células unitárias, é mais conveniente usar vários arranjos 
de um tetraedro de SiO4
4-
 (Figura 7). Cada átomo de silício está ligado a quatro átomos de oxigênio, 
que estão situados nos cantos do tetraedro; os átomos do silício estão posicionados no centro. Uma 
vez que esta é a unidade básica dos silicatos, ela é às vezes tratada com uma entidade negativamente 
carregada. 
 
Figura 7: Um tetraedro silício-oxigênio (SiO4
4-
). 
 
2.1. SÍLICA 
 
Quimicamente, o material silicato mais simples é o dióxido de silício (SiO2). 
Estruturalmente, ele é uma rede tri-dimensional que é gerada quando cada átomos de oxigênio do 
canto em cada tetraedro é compartilhado por tetraedros adjacentes. Assim, o material é 
eletricamente neutro e todos os átomos têm estruturas eletrônicas estáveis. Sob estas circunstâncias 
a razão de átomos de Si para átomos de O é de 1:2, como indicado pela fórmula química. Se esses 
tetraedros forem arranjados de uma maneira regular e ordenada, uma estrutura cristalina é formada. 
Existem três principais formas cristalinas polimorfas de sílica: quartzo, cristobalita (Figura 8) e 
tridimita. Suas estruturas são relativamente complicadas e comparativamente abertas; isto é, os 
átomos estão estreitamente compactados entre si. Como uma consequência, estas sílicas cristalinas 
têm relativamente baixas densidades; por exemplo, à temperatura ambiente o quartzo tem uma 
densidade de apenas 2,65 g/cm
3
. A resistência das ligações interatômicas Si-O está refletida numa 
relativamente alta temperatura de fusão, 1710ºC (3110ºF). 
 
 
Figura 8: O arranjo de átomos de silício e de oxigênio numa célula unitária de cristobalita, um polimorfo do 
SiO2. 
2.2. VIDROS À BASE DE SÍLICA 
 
A sílica também pode existir como um sólido ou vidro não-cristalino, tendo um alto grau de 
aleatoriedade atômica, que é característico do líquido; tal material é chamado sílica fundida ou 
sílica vítrea. 
Os vidros inorgânicos comuns que são usados para recipientes, janelas e assim por diante, 
são vidros de sílica aos quais foram adicionados óxidos, tais como CaO e Na2O. Esses óxidos não 
formados por redes poliédricas. Ao invés disso, os seus cátions são incorporados e modificam a 
rede de SiO4
-4
; por esta razão, esses óxidos aditivos são denominados modificadores de rede. 
Outros óxidos tais como o TiO2 e o Al2O3, ainda que não sejam formadores de rede, 
substituem o silício e se tornam uma parte da rede e a estabilizam; esses são chamados de 
intermediários. De uma perspectiva práticas, a adição desses modificadores e intermediários reduz o 
ponto de fusão e a viscosidade de um vidro, tornando mais fácil a sua conformação em temperaturas 
mais baixas. 
 
2.3. OS SILICATOS 
 
Para os vários minerais à base de silicato, um, dois ou três átomos de oxigênio nos vértices 
dos tetraedros SiO4
4-
 são compartilhados por outros tetraedros para formar estruturas bastantes 
complexas. Algumas destas, representadas na Figura 9. Cátions positivamente carregados tais como 
Ca
2+
, Mg
2+
 e Al
3+
 servem para dois propósitos, primeiro, eles compensam as cargas negativas das 
unidades SiO4
4-
 de maneira que a neutralidade elétrica seja encontrada; e, segundo, estes cátions 
unem ionicamente os tetraedros SiO4
4- 
entre si. 
 
Figura 9: Cinco estruturas iônicas formadas a partir de tetraedros SiO4
4-
. 
 
 
 
3. IMPERFEIÇÕES EM CERÂMICAS 
 
3.1. DEFEITOS PONTUAIS ATÔMICOS 
 
Os compostos cerâmicos também podem apresentar defeitos atômicos envolvendo átomos 
hospedeiros. Tal como com metais, são possíveis tanto defeitos por lacunas quanto intersticiais; 
entretanto, uma vez que materiais cerâmicos contenham íons de pelo menos dois tipos, podem 
ocorrer defeitos para cada um dos tipos de íons (Figura 10). Por exemplo, em NaCl, podem existir 
defeitos intersticiais e de lacunas para o Na e defeitos intersticiais e de lacunas para o Cl. É 
altamente improvável que existam consideráveis concentrações de ânions intersticiais para o ânion 
(Cl
-1
). 
 
 
Figura 10: Representação esquemática de lacunas catiônicas e aniônicas, e de um cátion intersticial. 
 
A expressão estrutura de defeito é utilizada para designar os tipos e concentrações de 
defeitos atômicos em cerâmicas. Uma vez que átomos existem como íons carregados, quando 
estruturas de defeitos são consideradas, condições de eletroneutralidade devem ser mantidas. 
Eletroneutralidade é o estado que existe quando tem-se iguais números de cargas positivas e 
negativas dos íons. Como uma consequência, defeitos em cerâmicas não ocorrem sozinhos. Um 
destes tipos de defeito envolve o par constituído de uma lacuna catiônica e um cátion intersticial. 
Este tipo de defeito é chamado de defeito de Frenkel (Figura 11). Podemos considerar ele, como 
sendo, formado por um cátion que deixa a sua posição normal e se movendo para um sítio 
intersticial. Um outro tipo de defeito encontrado em materiais cerâmicos do tipo AX consiste em 
um par composto por uma lacuna catiônica e uma lacuna aniônica; esse defeito é conhecido como 
um defeito Schottky (Figura 11). Este defeito pode ser considerado como tendo sido criado pela 
remoção de um cátion e de um ânion do interior do cristal, seguido pela colocação de ambos os íons 
em uma superfície externa. 
 
Figura 11: Diagrama esquemático mostrando defeitos de Frenkel e Schottky. 
 
3.2. IMPUREZAS EM CERÂMICAS 
 
Átomos de impureza podem formar soluções sólidas em materiais cerâmicos do mesmo 
modo que eles fazem em metais. São possíveis soluções sólidas dos tipos substitucional e 
intersticial (Figura 12). 
 
 
Figura 12: Representações esquemáticas de átomos de impurezas intersticial, substitucional aniônica e 
substitucional catiônica em um composto iônico. 
 
 
 
 
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 
Na temperatura ambiente, tanto as cerâmicas cristalinas quanto as cerâmicas não-cristalinas 
quase sempre fraturam antes que qualquer deformação plástica possa ocorrer em resposta à 
aplicação de um carga de tração. 
O processo de fratura frágil consiste na formação e na propagação de trincas ao longo da 
seção transversal de um material, em uma direção perpendicular a da carga aplicada. O crescimento 
das trincas nas cerâmicas cristalinas pode ser tanto transgranular (através dos grãos) como 
intergranular (ao longo dos contornos de grãos). Nas fraturas transgranulares, as trincas se 
propagam ao longo de planos cristalográficos específicos, que são planos com alta densidade 
atômica. 
 
 
5. VIDROS 
 
Os vidros são um grupo de cerâmicas familiares; recipientes, janelas, lentes e fibra de vidro, 
representam aplicações típicas deste grupo. Eles são silicatos não cristalinos contendo outros 
óxidos, como CaO, Na2O, K2O e Al2O3, os quais influenciam em suas propriedades. Um vidro de 
soda de cal consiste, tipicamente, de aproximadamente 70% p SiO2, e o restante sendo basicamente 
Na2O (soda) e CaO (cal). As composições de vários materiais de vidro estão contidas na Tabela 2. 
 
Tabela 2: Composições e Características de Alguns dos Vidros Comerciais Comuns. 
Tipo de vidro Composição (%p) Características e Aplicações 
SiO2 NaO CaO Al2O3 B2O3 Outros 
Sílicafundida >99,5 Alta temp. de fusão, baixa resistência a 
choques térmicos. 
96% de sílica 
(Vycor
TM
) 
96 4 Resistência a choques térmicos e a ataque 
químico (vidraria lab.) 
Borossilicato 
(Pyrex
TM
) 
81 3,5 2,5 13 Resistência a choques térmicos e a ataque 
químico (vidraria para fornos). 
Recipientes 
(cal de soda) 
74 16 5 1 4MgO Baixa temp. de fusão, facilmente 
trabalháveis e duráveis. 
Fibra de vidro 55 16 15 10 4MgO Facilmente estirada na forma de fibra 
(compósito de fibra de vidro e resina) 
Sílex óptico 54 1 37PbO, 
8K2O 
Alta massa específica e índice de refração 
(lentes ópticas) 
Vidrocerâmica 
(Pyroceram
TM
) 
43,5 14 30 5,5 6,5TiO2, 
0,5As2O3 
Facilmente fabricada, resistente, resistência 
a choques térmicos. 
 
A maioria dos produtos a base de argila se enquadra em duas classificações abrangentes: os 
produtos estruturais a base de argila e as louças brancas. Os produtos estruturais a base de argila 
incluem tijolos de construção, as telhas e tubulações de esgoto. As cerâmicas das louças brancas se 
tornam brancas após um cozimento em alta temperatura, como exemplo, teremos a louça de barro, 
louça de mesa, louças vitrificadas e louças de sanitário. 
- Cerâmicas refratárias: 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; proporcionam isolamento térmico. 
- Cerâmicas abrasivas: utilizadas para desgastar, polir ou cortar outros materiais. 
- Cimentos: quando misturado a água, ele forma uma pasta que pode assumir qualquer forma 
desejada. 
Fibras ópticas: feita em sílica com pureza extremamente elevada. 
 
6. FABRICAÇÃO DO VIDRO 
 
O vidro é produzido pelo aquecimento da matéria-prima até uma temperatura elevada, acima 
daquela na qual ocorre a fusão. A maioria dos vidros comerciais é do tipo sílica-soda-cal. Existem 
quatro tipos de conformação diferentes para a fabricação do vidro: a prensagem, sopro, estiramento 
e conformação de fibras. 
 
6.1. TRATAMENTO TÉRMICO DE VIDROS 
 
Quando um material cerâmico é resfriado a partir de uma temperatura elevada, tensões 
internas, denominadas tensões térmicas, podem ser introduzidas como um resultado da diferença na 
taxa de resfriamento e contração térmica entre as regiões da superfície e do interior. Estas tensões 
térmicas são importantes em cerâmicas frágeis, especialmente vidros, uma vez que elas podem 
enfraquecer o material ou, em casos extremos, conduzir à fratura, que é denominada choque 
térmico. Normalmente, tentativas são feitas para evitar tensões térmicas, o que podem ser 
realizadas por resfriamento da peça numa taxa suficientemente baixa. Uma vez tais tensões sejam 
introduzidas, sua eliminação, ou pelo menos a redução da sua magnitude, é possível por um 
tratamento de recozimento no qual a vidraria é aquecida ao ponto de recozimento e em seguida 
resfriada lentamente até à temperatura ambiente.