Aula 7 Tipos de Materiais Cerâmicas e Compósitos

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Aula 7 – Tipos de Materiais
Cerâmicas e Compósitos
Profa. Me. Camila Lopes Maler
Ciência dos Materiais 2
Sobre a Unidade
UE 3 - TIPOS DE MATERIAIS
Objetivos: 
Classificar os materiais de acordo com suas características e 
propriedades
Conteúdo:
•Classificação dos materiais 
•Metais: características, obtenção e processamento.
•Cerâmicas: características, obtenção e processamento.
•Polímeros: características, obtenção e processamento.
•Compósitos: características, obtenção e processamento. 
•Materiais avançados.
Materiais Cerâmicos
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Cerâmicas
Ciência dos Materiais
As Cerâmicas compreendem todos os materiais
inorgânicos obtidos geralmente após tratamento térmico
em temperaturas elevadas.
Cerâmicas em geral são compostos formados entre
elementos metálicos e não metálicos.
A variedade de propriedades mecânicas e físicas
permite aplicações em campos distintos: tijolos, louças,
refratários, dispositivos eletrônicos, fibras, abrasivos.
Exemplos: SiO2 (sílica), Al2O3 (alumina),
Mg3Si4O10(OH)2 (talco).
Ciência dos Materiais 5
Cerâmicas
São duras porém frágeis
Altamente resistentes à temperatura (refratários)
São isolantes térmicos e elétricos
Possuem estrutura cristalina complexa
São menos densas em relação aos metais
Matéria prima de custo relativamente baixo
Resistência mecânica é maior quando o produto é
aquecido em altas temperaturas.
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Cerâmicas – Caráter Iônico e Covalente
Ciência dos Materiais
As ligações interatômicas que constituem as cerâmicas são
predominantemente iônicas, o que confere pontos de fusão
elevados.
Devido à predominância iônica das ligações, a estrutura
cristalina das cerâmicas é composta por cátions e ânions.
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Cerâmicas – Caráter Iônico e Covalente
Ciência dos Materiais
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Cerâmicas - Aplicações
Ciência dos Materiais
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Cerâmicas - Classificação
Ciência dos MateriaisFigura 1: Materiais cerâmicos: um dos três grandes grupos de materiais utilizados em engenharia.
Convencionais
Estruturais
Vidros
Louças
Cimentos
Avançadas
Eletrônicos
Ópticos
Biomateriais 
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Cerâmicas – Tradicionais x Avançadas
Ciência dos Materiais
Cristalinos
Incluem os cerâmicos à 
base de Silicatos, Óxidos, 
Carbonetos e Nitretos.
Amorfos
Vidros. Em geral tem a 
mesma composição dos 
cristalinos, diferem apenas 
no processamento.
Cerâmicos Avançados 
São baseados em óxidos, 
carbonetos e nitretos com 
elevados graus de pureza.
Vidro-Cerâmicos
Formados inicialmente 
como amorfos e tratados 
termicamente.
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Cerâmicas – Tradicionais x Avançadas
Ciência dos Materiais
Tradicionais
Avançadas
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Cerâmicas – Produtos
Ciência dos Materiais
Tradicionais
Avançadas
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Cerâmicas – Estruturas Cristalinas
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Sal-gema
N.C. = 6
Ex: NaCl, MgO, 
MnS, LiF, FeO.
Cloreto de Césio
N.C. = 8
Blenda de Zinco
N.C. = 4
Ex: ZnS, ZnTe, 
SiC.
 Materiais cerâmicos com números iguais de cátions e ânions.
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Cerâmicas à base de silicato - Sílica
Ciência dos Materiais
 A Sílica é, quimicamente, o silicato
mais simples – dióxido de silício
(SiO2)
Cada átomo de silício é
compartilhado por um tetraedro
adjacente;
 Pode ser cristalina ou amorfa,
como na forma de vidros;
Formas cristalinas polimórficas:
quartzo, cristobalita e tridimita.
Cristobalita
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Argilas
Ciência dos Materiais
 É uma das matérias-primas cerâmicas mais utilizadas;
 Forma massa, em água, de fácil modelagem;
Classificação dos produtos de argilas:
 Produtos estruturais à base de argila: Aplicada onde a integridade
estrutural é importante. Exemplo: Tijolos, telhas, etc.
 Louças brancas: Passam por cozimento. Exemplo: Porcelana, louças
de barro, louças sanitárias, etc.
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Processamento de Cerâmicos
O processamento de materiais cerâmicos é feito pela 
compactação de pós ou partículas do material e posterior 
aquecimento a temperaturas apropriadas.
Preparação do material: A matéria prima deve ter tamanho de 
partícula controlado, uniforme.
Moldagem: etapa realizada a feito a seco ou a úmido.
Secagem: produto conformado é submetido à secagem para 
eliminação de água e ligantes.
Sinterização: tratamento térmico do produto conformado para 
densificação.
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Processamento de Cerâmicos – Base Argila
Preparação da matéria prima
Moldagem  Hidroplástica ou fundição por 
suspensão
Secagem  Eliminação de água ou ligantes
Sinterização  Tratamento térmico
Moldagem
a. Montagem do molde
b. Suspensão despejada no 
molde
c. Drenagem do molde
d. Corte da rebarba superior
e. Peça acabada
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Processamento de Cerâmicos – Base Argila
Secagem
a. Corpo molhado
b. Corpo parcialmente 
seco
c. Corpo completamente 
seco 
 Plasticidade observada em argilas: O
material úmido pode ser deformado sem
romper. Com a adição de água as
ligações fracas entre as camadas são
rompidas, causando o escorregamento
entre elas.
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Liberação da água
restante no centro das
partículas argilosas
Eliminação da matéria
orgânica, oxidação do ferro
bivalente e aumento do
tamanho das peças
Liberação de gases
Processamento de Cerâmicos – Queima
200°C 350°C 900°C 1200°C
Quanto maior a temperatura de queima 
(entre 900 e 1400°C) menor a porosidade 
da cerâmica – maior resistência, 
durabilidade e densidade.
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Processamento de Cerâmicos – Queima
Plasticidade x Secagem
Quanto maior a plasticidade: ↑ Volume de água retido 
↑ Retração de secagem 
↑Consumo energético
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Processamento de Cerâmicos – Vidros
Aquecimento das matérias primas
Conformação
Prensagem: Peças com paredes espessas
Insuflação: Pressão através da injeção de ar
Estiramento: Conformação de lâminas, tubos,
fibras, etc.
Tratamento térmico
Recozimento
Têmpera de vidro
Vídeo
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Materiais Avançados
São materiais utilizados em aplicações de tecnologia de ponta, ou
seja, na fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam
ou operam usando princípios sofisticados.
 Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos eletrônicos
(CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica,
foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal
líquido, indústria aeroespacial, etc.
 Estes materiais são geralmente materiais tradicionais cujas
propriedades são otimizadas ou materiais novos de alto
desempenho.
Materiais que apresentem características como o alto
desempenho; baixo peso e alta resistência; resistência à altas
temperaturas; menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de
serem reciclados ou regenerados.
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Materiais Avançados
Cerâmica complexa de fórmula MgO-Al2O3-
SiO2. Material transparente, de grande dureza e
baixa densidade, poderá ser utilizado em telas
de tablets e smartphones ou em vidros
blindados.
Nanofibras, inspiradas no colágeno encontrado no interior
dos ossos, são produzidas a partir de dois polímeros.
As nanofibras conseguem absorver até 98 joules por
grama, em comparação com 80 joules por grama do
conhecido Kevlar.
Polímero híbrido
Carbeto de Silício em metal fundido: Compósito Metal-
Cerâmica
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As folhas, fabricadas com
espessuras entre 25 e 100
nanômetros, são feitas de
óxido de alumínio, um material
cerâmico geralmente muito
quebradiço.
A nanoestruturação de sua
superfície permite que elas
sejam dobradas e até torcidas,
sem se quebrar.
Nanotecnologia
Membranas de Óxido de AlumínioCompósitos
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Compósitos
Tecnologias modernas exigem materiais com combinações
incomuns de propriedades que não podem ser atendidas
pelas ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos
convencionais.
Exemplo: Materiais com baixa densidade mas fortes e rígidos,
resistentes à abrasão e ao impacto e que não corroam.
Material multifásico possuindo proporções significativas 
das propriedades de cada uma das fases conseguindo-se 
uma melhor combinação de propriedades. 
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Compósitos - Propriedades
 Os compósitos são constituídos por uma fase de
reforço, que é constituída por fibras, partículas ou
folhas (elementos de reforço), dispersa numa matriz
(fase contínua)
 As propriedades dos compósitos dependem de alguns fatores:
 Propriedades das fases constituintes
 Das quantidades relativas das fases constituintes
 Da geometria da fase dispersa
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Compósitos – Aplicações
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Concreto – Compósito Reforçado por Partículas
Concreto
Cimento (mole e dúctil)
Brita e areia (dureza)
Combinação de 
ductilidade e 
resistência mecânica
Concreto armado: aumento da resistência 
pela introdução de barras e malhas de ferro.
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Madeira – Compósito Natural
A madeira é um compósito natural 
constituído essencialmente por:
 Celulose: Polímero linear de alto 
peso molecular. Fibras flexíveis e 
resistentes.
 Lignina: Resina que mantém as 
fibras unidas. Substância amorfa.
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Ossos – Compósito Natural
 Componente Orgânico: Colágeno
 Componente Inorgânico a base de
Cálcio e Fosfato
Flexibilidade e Resiliência
aliados à dureza
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1. A classificação dos três grupos de materiais sólidos: metais, cerâmico e
polimérico é baseado na:
a) Propriedade térmica e elétrica
b) Estrutura atômica e ligações químicas
c) Forma e tamanho
d) Propriedade deteriorativa e densidade
e) Estrutura atômica e forma
2. Sabemos que a grafite e o diamante são formados pelo mesmo elemento e por
ligações covalentes. O que explica a grande diferença entre as propriedades
mecânicas destes materiais?
3. Porque os materiais poliméricos são bons isolantes elétricos?
4. Porque ao aquecer um polímero ele amolece com facilidade?
Introdução à Ciência dos Materiais 
Profa. Camila Maler
1. Ligações químicas são forças de atração interatômicas que fazem com que os
átomos permaneçam unidos, formando compostos que constituem os materiais. Com
base nas informações sobre o tema, analise as alternativas abaixo e assinale a
alternativa INCORRETA:
a) A coesão da matéria nos estados físicos sólido, líquido e gasoso é consequência da
atração entre moléculas através das ligações intermoleculares.
b) As moléculas de polímeros são formadas predominantemente por ligações iônicas.
c) As ligações interatômicas que constituem as cerâmicas são predominantemente
iônicas, o que confere pontos de fusão elevados a estes materiais.
d) A interação entre o hidrogênio e um átomo pequeno e muito eletronegativo, como
F, N, O, Cl é chamada de Ponte de Hidrogênio.
e) No diamante os átomos de carbono que o constitui são unidos por ligações
covalentes.
2. Nenhuma teoria convencional de ligação química é capaz de justificar as 
propriedades dos compostos metálicos. Assim, uma das teorias utilizadas atualmente 
indica que os sólidos metálicos são compostos de um arranjo regular de íons positivos, 
no qual os elétrons das ligações estão apenas parcialmente localizados. Isto significa 
dizer que se tem um arranjo de íons metálicos distribuídos em um "mar" de elétrons 
móveis. 
Com base nestas informações, é CORRETO afirmar que os metais, geralmente: 
a) têm elevada condutividade elétrica e baixa condutividade térmica. 
b) são solúveis em solventes apolares e possuem baixas condutividades térmica e 
elétrica. 
c) são insolúveis em água e possuem baixa condutividade elétrica. 
d) conduzem com facilidade a corrente elétrica e são solúveis em água. 
e) possuem elevadas condutividades elétrica e térmica.
Introdução à Ciência dos Materiais 
Profa. Camila Maler
3. O Kevlar é um polímero sintético de alto rendimento, cinco vezes mais resistente 
que o aço, que desde a sua chegada ao mercado em 1965 foi muito utilizada pelas 
forças de segurança e o Exército, especialmente na fabricação de coletes à prova de 
bala e de ataques com arma branca. É obtido a partir da polimerização do ácido 
tereftálico (ácido p-benzenodioico) com a p-benzenodiamina.
Com base em seus conhecimentos sobre polímeros, assinale a alternativa INCORRETA.
a) Polimerização por condensação ocorre pela reação entre duas ou mais substâncias 
diferentes e envolve a eliminação de subprodutos, como a água por exemplo.
b) Polímeros termoplásticos podem ser amolecidos pelo calor quantas vezes forem 
necessárias e, ao resfriarem, voltam a apresentar as mesmas propriedades iniciais. 
c) Polímeros que apresentam cadeias lineares se cristalizam mais facilmente em 
relação aos que apresentam ligações cruzadas.
d) Polímeros não cristalinos são, em geral, mais resistentes à dissolução e ao 
amolecimento pelo calor.
e) Proteínas e polissacarídeos, como o amido, são exemplos de polímeros naturais.
Introdução à Ciência dos Materiais 
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4. O alumínio e o cobre são largamente empregados na produção de fios e
cabos elétricos. A condutividade elétrica é uma propriedade comum dos
metais. Este fenômeno deve-se:
a) à presença de impurezas de ametais que fazem a transferência de elétrons.
b) ao fato de os elétrons nos metais estarem fracamente atraídos pelo núcleo.
c) à alta afinidade eletrônica destes elementos.
d) à alta energia de ionização dos metais.
e) ao tamanho reduzido dos núcleos dos metais.
Introdução à Ciência dos Materiais 
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5. O aço e o ferro fundido são ligas de Ferro e Carbono. Sobre o aço e o ferro
fundido, julgue as assertivas abaixo:
I. Os ferros fundidos são mais aplicáveis para a construção de eixos e chapas.
II. Em geral, os aços têm característica de fratura dúctil, enquanto que os
ferros fundidos rompem de forma frágil.
III. Os ferros fundidos são mais dúcteis do que os aços convencionais.
IV. Os aços têm teores de carbono inferiores a 2,1%.
V. A resistência mecânica de um aço aumenta com o aumento do teor de
carbono.
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Ciência dos Materiais 38
6. Alotropia é o fenômeno que envolve diferentes substâncias:
a) Simples, formadas pelo mesmo elemento químico.
b) Compostas, formadas por diferentes elementos químicos.
c) Puras e compostas.
d) Compostas, com a mesma fórmula molecular.
e) Compostas, formadas pelos elementos químicos.
Ciência dos Materiais 39
7. Os compósitos são materiais multifásicos que possuem proporções
significativas das propriedades de cada uma das fases conseguindo-se uma
melhor combinação de propriedades.
Com base nas informações sobre este tema, assinale a alternativa CORRETA:
a) Nos compósitos reforçados por fibras, o comprimento das fibras não influencia
nas propriedades finais do material.
b) Compósitos reforçados por fibras podem ter apenas polímeros como fase
matriz
c) Os materiais compósitos são muito utilizados em aplicações que exigem
resistência mecânica e alta densidade.
d) O concreto é um exemplo de material compósito no qual se combina a
ductilidade do cimento à resistência do pedrisco e da areia.