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ESTO006-17SB Materiais e suas Propriedades 
Aula: 
 
 Estruturas Cerâmicas 
Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências 
Sociais Aplicadas – CECS 
 
Profa. Dra. Christiane Ribeiro 
ESTO006-17SB Materiais e suas Propriedades 
Histórico 
Cerâmicas (keramus): artefato de barro queimado 
propriedades são atingidas após tratamento térmico 
 
 
 - 5000 A.C.: artefatos de argila e louça de barro 
 - 3500 A.C.: torno de olaria 
 - 1000 A.C.: porcelana (China) 
Vaso japonês para 
armazenamento de comida, 
datado de ~2500-1500 a.C. 
 
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Classificação temporal: melhora de 
 propriedades 
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Classificação das cerâmicas baseada 
na aplicação 
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Cerâmica Tradicional 
 
Ex. Cerâmica vermelha, cerâmica branca, materiais de revestimento e refratários 
materiais à base de argilas Al2O3. SiO2. H2O, sílica (SiO2) e feldspato (K2O. 
Al2O3. 6 SiO2) 
 
Telhas e tijolos são fabricados a partir de argila natural que contém os três 
componentes básicos 
 
Cerâmica branca  os três componentes básicos apresentam composição 
controlada, sendo que a argila contém baixo teor de ferro 
 
Refratários  à base de argila refratária e magnesita 
 
Cerâmica de Alta Tecnologia (Cerâmica Avançada ou de Alto Desempenho) 
 
Classificadas por função (estrutural, eletro-eletrônica, térmica, química, nuclear, 
etc. ) ou por tipo de material (óxidos, carbetos, nitretos, etc) 
 
Em um grande número de aplicações são utilizados materiais à base de óxidos de 
alumínio e de zircônio, carbetos e nitretos de silício 
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Cerâmica tradicional 
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Cerâmica Avançada 
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vidros
avançada
branca
refratária
argila
,
de engenharia
eletro/eletrônica
capacitores/substratos
porcelanas elétricas
biocerâmica
outros
Demanda de acordo com o tipo de cerâmica (a) , de acordo 
com a aplicação das cerâmicas (b). 
(a) 
(b) 
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Cerâmica (definição atualizada Barsoum-1997) 
Materiais cerâmicos são compostos sólidos formados pela aplicação de 
calor, algumas vezes, calor e pressão, que podem ser constituídos por 
metais (M), não metais (NM) ou elementos intermediários (I). 
Exs: M + NM: MgO, Al2O3, BaTiO3 
 M + I: TiC 
 I + NM : SiO2, Si3N4 
 I + I: SiC, B4C 
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Estrutura Atômica 
 
Desde puramente iônica  até totalmente covalente 
 
(caráter iônico depende da eletronegatividade dos átomos) 
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Estrutura atômica - caráter iônico 
Exemplo: SiC 
 
XSi= 1.8 e XC= 2.5 
Onde X = eletronegatividade 
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Ligação Iônica & Estrutura Cristalina 
 
Configurações de coordenação ânion-cátion 
Neutralidade de carga 
 
 
Fórmula geral: 
 
f (Tamanho relativo (rc/ra < 1) e Magnitude da carga elétrica) 
 
Influência das Características dos cátions e ânions 
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FATORES QUE DETERMINAM O 
TIPO DE ESTRUTURA CRISTALINA 
1) Estequiometria do cristal 
Fórmula química do composto, que reflete a neutralidade 
elétrica das cargas dos íons; impõe limitações no tipo de 
estrutura que os íons podem assumir (MX, MX2, M2X, 
M2X3, ABX3, AB2X4) 
 
2) Razão entre raios (cátion/ânion) 
Determina o número de coordenação, número de ânions 
(cátions) ao redor do cátion (ânion) 
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Fatores que determinam o tipo 
de estrutura 
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Estrutura cristalina cerâmica 
Obedecem às estruturas descritas pelas redes de Bravais 
Ânions, por serem maiores, ocupam posições da rede 
Cátions, por serem menores, ocupam posições intersticiais 
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Sítios octaédricos Sítios tetraédricos 
Os círculos indicados por “O” 
representam os centros dos 
interstícios octaédricos no 
arranjo CFC dos ânions. 
Os círculos indicados por “T” 
representam os centros dos 
interstícios tetraédricos no 
arranjo CFC dos ânions. 
Estruturas Cristalinas Cerâmicas 
ESTO006-17SB Materiais e suas Propriedades 
Estruturas Cristalinas Cerâmicas 
ESTO006-17SB Materiais e suas Propriedades 
Estruturas Cristalinas Cerâmicas 
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Principais tipos de estruturas 
cerâmicas 
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Estrutura cerâmica do tipo AX 
Sal gema 
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Estrutura cerâmica do tipo AX 
Ânions no vértice e cátion no centro do cubo. 
 
Intercâmbio de ânions e cátions produz a mesma 
estrutura cristalina. 
 
 Não é CCC, pois estão envolvidos íons de 
duas espécies diferentes. 
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Estrutura cerâmica do tipo AX 
Blenda de zinco ou esfalerita 
• Número de coordenação é 4; isto é, todos os 
átomos estão coordenados tetraedricamente. 
 
• Todos os vértices e posições faciais da célula 
cúbica estão ocupados por átomos de S. 
 
• Enquanto os átomos de Zn preenchem posições 
tetraédricas interiores. 
 
• Ocorre um estrutura equivalente se as posições 
dos átomos de Zn e de S forem invertidas. 
 
Compostos: ZnS, SiC, ZnTe. 
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Estrutura cerâmica do tipo AX2 
-Os íons cálcio estão posicionados nos centros de 
cubos, com os íons flúor localizados no vértice. 
 
- A fórmula química mostra que para um 
determinado número de íons F- existe apenas 
metade de íons Ca2+ e, portanto, a estrutura 
cristalina seria semelhante àquela apresentada 
pelo CsCl. 
NC = 8 
Mesma estrutura: UO2, PuO2 
e o ThO2. 
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Estrutura cerâmica do tipo ABX3 
Estrutura cristalina cúbica (tipo CFC) 
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Resumo das Estruturas Cristalinas mais Comuns 
Nome da estrutura Tipo de Estrutura Compactação do ânion 
Exemplos 
Sal-Gema AX CFC NaCl, 
MgO 
Cloreto de Césio AX CS 
CsCl 
Blenda de Zn (esfalerita) AX CFC ZnS, 
SiC 
Fluorita AX2 CS CaF2, 
UO2 
Perovskita ABX3 CFC 
BaTiO3 
 
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Determinação da relação 
rcation/ranion (NC = 3) 
 
Vértice de um triângulo 
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Solução ... 
ArAP 
CA rrAO 
2
3
30cos 

 o
CA
A
rr
r
AO
AP
cos
AO
AP
B 
A 
C 
O 
P 
 
rC/rA = 0,155 
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Determinação da relação 
rcation/ranion (NC = 6) 
 
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Determinação da relação 
rcation/ranion(NC = 6) 
 
Vértice de um octaédro 
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Cálculo da densidade para materiais 
cerâmicos 
n = número de unidades da fórmula dentro da célula unitária 
ΣAc = soma do peso atômico de todos os cátions da célula (g/mol) 
ΣAA = soma do peso atômico de todos os ânions da célula (g/mol) 
Vc = volume da célula unitária 
NA = númerode Avogadro = 6,02 x 10
-23unidades da fórmula/ mol 
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Exemplo – cálculo de densidade em 
cerâmicas 
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Cálculo do fator de empacotamento 
iônico do CsCl 
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ESTRUTURA CRISTALINA DE CERÂMICAS – 
 
 CERÂMICAS IÔNICAS 
 
A maioria das estruturas iônicas é densamente empacotada (íons 
podem ser aproximados pelo modelo de esferas rígidas) 
 
 Em relação às propriedades: 
 
• Apresentam baixa condutividade elétrica a baixa temperatura e 
condutividade iônica a alta temperatura 
 
• Compostos com íons monovalentes dos grupos IA (Li, Na, K) e 
VIIA (F, Cl, Br), como NaCl e LiF, são fortemente iônicos, mas 
apresentam valores de resistência mecânica, temperatura de 
fusão e dureza relativamente baixos, quando comparados com os 
demais materiais cerâmicos 
 
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Suas estruturas não são densamente empacotadas 
 
Átomos de eletronegatividade intermediária (C, N, S, Ge, Te) 
formam estruturas com caráter fortemente covalente 
 
Em relação às propriedades: 
 
• As cerâmicas covalentes usualmente apresentam alta 
resistência mecânica, dureza e temperatura de fusão, devido 
 às suas fortes ligações interatômicas 
 
• Apresentam baixos valores de coeficiente de expansão térmica, 
devido às suas estruturas “abertas” 
 
• Apresentam baixa condutividade elétrica a baixa temperatura 
 
ESTRUTURA CRISTALINA DE CERÂMICAS- 
 
 CERÂMICAS COVALENTES 
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IMPLICAÇÕES DO CARÁTER IÔNICO – COVALENTE 
Propriedades 
• O coeficiente de expansão térmica de um sólido varia inversamente 
com sua energia de ligação ou temperatura de fusão 
 
• Em geral, as cerâmicas apresentam valores de coeficiente de 
expansão térmica (CET) menor do que os dos metais 
 
• O CET aumenta com o aumento da temperatura. Assim, é 
importante especificar a faixa de temperatura na qual o CET é 
medido 
 
• As cerâmicas covalentes, como SiC e Si3N4, apresentam menores 
 valores de CET do que as cerâmicas iônicas densamente 
empacotadas, como NaCl e MgO, pois as suas estruturas mais 
abertas possibilitam acomodar as vibrações dos átomos pela 
mudança dos ângulos de ligação 
 
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ESTRUTURA CRISTALINA DE MATERIAIS 
CERÂMICOS E PROPRIEDADES 
 
Estrutura cristalina afeta o comportamento de: 
 
• Difusão: geralmente depende do tamanho e do número dos 
sítios intersticiais, ambos função da estrutura 
 
• Deformação por escorregamento (slip) ou maclação (twinning): 
 o sistema de escorregamento é usualmente definido pela 
direção e pelo plano mais densamente empacotados, desde 
que não haja superposição de íons com cargas de mesmo sinal 
(restrição eletrostática) 
 
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Propriedades Gerais dos Materiais Cerâmicos 
• Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão. 
 
• São geralmente isolantes elétricos, embora possam existir 
materiais cerâmicos semicondutores, condutores e até mesmo 
supercondutores (estes dois últimos, em 
 faixas específicas de temperatura). 
 
• São quimicamente estáveis sob condições 
 ambientais severas. 
 
• Os materiais cerâmicos são geralmente 
 duros e frágeis. 
 
• Se destacam pelo comportamento mecânico 
 de alta resistência a compressão. 
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Vidros 
O vidro apresenta estrutura não cristalina 
(amorfa) moléculas não estão dispostas 
em ordem repetitiva ou regular a longa 
distância 
A estrutura amorfa ocorre pela adição de 
óxidos modificadores de rede: CaO, Na2O, 
K2O e MgO. 
Cerâmicas a base de silicatos 
Elementos mais abundantes na crosta terrestre: Si e O 
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- TiO2 e Al2O3- substituem o Si, 
tornando parte da rede, estabilizando-a, 
são chamados de intermediários 
- Adição de óxidos nos vidros  
intuito de reduzir aTF e a 
viscosidade, tornando mais fácil sua 
conformação a T mais baixas 
Catedral de 
Nowich 
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Cerâmicas a base de silicatos 
- Silicatos em camadas: caolinita, 
talco-Mg3(Si2O5)2(OH)2, micas-
KAl3Si3O10(OH)2. 
-3 átomos de O são compartilhados 
-Lâminas ligadas por van der Waals, 
porém suas ligações internas são 
fortes 
forsterita aquermanita 
Mineral argiloso mais 
comum - caolinita 
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Composições dos vidros 
 
• Vidro de sílica fundida:> 99.5 SiO2 (em massa) 
Baixo coeficiente de expansão, boa resistência ao choque térmico e pequena 
deterioração 
Elevada temperatura de fusão, processamento difícil e de custo elevado 
Utilizado em janelas de veículos espaciais, sistemas ópticos e dispositivos 
espectrofotométricos 
 
• Vycor: 96%SiO2 e 4 % de B2O3 
B2O3 →diminui a temperatura de amolecimento e a expansão térmica 
Resistente a choque térmico e ataque químico 
Usado em vidrarias de laboratório 
 
• Vidro sódico-cálcico -Composição básica: 71 a 73% de SiO2; 12 a 14% de Na2O; 10 
a 12% de CaO 
-1 a 4% de MgO →evita desvitrificação 
-0,5 a 1,5% Al2O3→aumenta durabilidade 
-Na2O e CaO diminuem o pto de amolecimento de 1600 para cerca de 730oC 
 
Representa 90% da produção de vidros. 
É usado na produção de vidros planos, recipientes e produtos para iluminação em que não 
se exige grande resistência química e ao calor 
Facilidade de processamento (prensagem e sopragem) e boa durabilidade 
 
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Vidros boro-silicato (vidro Pirex) 
• 81% SiO2; 3,5% NaO2; 2,5% Al2O3; 13% B2O3 
• Substituição dos óxidos alcalinos por óxido de boro →vidro com 
menor expansão térmica e menor temperatura de amolecimento 
• Apresenta boa resistência a choques térmicos e a ataques 
químicos 
• É usado em vidraria para laboratório 
 
Vidros de chumbo (cristais) 
• 54% SiO2; 1% NaO2; 37% PbO, 8% K2O 
• O óxido de chumbo atua como modificador de rede da sílica 
• Apresentam menor temperatura de fusão →vidros de selagem. 
• Apresentam elevado índice de refração →lentes óticas 
 
 
Composições dos vidros 
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Materiais cristalinos X vítreos 
Materiais cristalinos: 
Cristalizam-se na temperatura 
de fusão (Tf) com diminuição 
signiticativa de volume 
específico 
 
Vidros: O líquido torna-se 
viscoso com a diminuição de 
temperatura passando de um 
estado “pastoso” (facilmente 
deformável) para o estado 
sólido amorfo. Esta transição 
ocorre na temperatura de 
transição vítrea (Tg) dada pela 
intersecção das duas curvas de 
diferentes inclinações 
 
 
Volume específico (1/) vs temperatura (T) 
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Vidro - efeitos da temperatura na 
 viscosidade 
Ponto de fusão:temperatura na qual o vidro é suficientemente 
fluido para ser considerado um líquido. Viscosidade = 102poises 
 
Ponto de trabalho:temperatura de fabricação dos vidros. 
Viscosidade = 104poises 
 
Ponto de amolecimento:temperatura máxima em que o vidro pode 
ser manuseado sem provocar alterações dimensionais 
signiticativas. Viscosidade = 107 poises 
 
Ponto de recozimento:temperatura para alívio das tensões 
internas do vidro (tempo de ~15min). Viscosidade = 1013 poises 
 
Ponto de deformação:abaixo desta temperatura o vidro é rígido 
e a relaxação das tensões ocorre em uma velocidade muito lenta 
Viscosidade = 1014 poises 
 
Temperatura de transição vítrea→ sólido amorfo 
Pontos de referência: 
T
E
M
PE
R
A
T
U
R
A
 
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1P(poise) = 1dine.s/cm2= 0,1 Pa.s 
- Viscosidade diminui com aumento da temperatura 
- Impurezas diminuem Tdeform 
Vidro - efeitos da temperatura 
na viscosidade 
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Tratamento térmico nos vidros 
Recozimento: 
• Elimina tensões internas provocadas por resfriamento rápido 
• A peça é aquecida até o ponto de recozimento e então resfriada lentamente até 
a temperatura ambiente. 
 
Têmpera: 
• Melhora da resistência mecânica pela introdução intencional de tensões 
residuais de superfície de natureza compressiva. 
 o vidro é aquecido acima da Tg, porém abaixo do ponto de amolecimento e 
resfriado ( jato de ar ou banho de óleo) 
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A “Nossa Senhora das vidraças” 
Degradação em vidros  corrosão + irisdescência 
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Vitrocerâmicas 
 
- Material policristalino obtido a partir de vidros inorgânicos não-
cristalinos mediante tratamento térmico a alta temperatura 
(processo de devitrificação) 
- Agente de nucleação : ex. óxido de titânio 
-Características: baixo coeficiente de expansão térmica, resistência 
mecânica e condutividade térmica relativamente elevadas 
- Podem ser transparentes ou opacos 
 
Aplicações: louças para fornos, boca para fogão a gás, placas 
aquecedoras 
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Cimentos 
 
Cimento Portland: 
- Material produzido pela moagem e 
mistura de argilas e minerais que 
contém cal e posterior aquecimento a 
1400oC em forno rotativo. 
 
O produto resultante “clinquer” é 
submetido á moagem e adição de gesso 
(CaSO4-2H2O) para retardar o 
processo de enrijecimento (“pega”) 
após hidratação. 
- Patenteado em 1824 por um 
construtor inglês Joseph Aspdin 
 
O nome Portland é decorrente da 
semelhança deste material com as 
rochas desta península. 
 
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PROCESSAMENTO DOS MATERIAIS 
CERÂMICOS 
Após a conformação, ocorrem os seguintes fenômenos 
durante a queima: 
 
• Eliminação do material orgânico (dispersantes, ligantes, 
material orgânico nas argilas) 
 
• Decomposição e formação de novas fases de acordo 
com o diagrama de fases 
 
• Sinterização (eliminação da porosidade e densificação) 
 
• Aumento da densidade e da resistência mecânica, 
devido à combinação dos fatores acima 
 
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Técnicas de Fabricação dos 
Materiais Cerâmicos 
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Fabricação de Materiais Cerâmicos 
Métodos de Conformação 
Extrusão 
Prensagem Uniaxial 
Torneamento 
Prensagem Isostática 
Colagem com barbotina 
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Sinterização durante a queima 
•O potencial para a sinterização é a diminuição da 
quantidade de superfície por unidade de volume. 
•O transporte de massa ocorre por difusão. 
Representação esquemática de etapas 
processo de sinterização 
Formação 
do “pescoço” 
 
(alumina sinterizada) 
1 
3 
2 
4 
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Aplicações dos Materiais Cerâmicos 
ESTO006-17SB Materiais e suas Propriedades 
Aplicações dos Materiais Cerâmicos 
ESTO006-17SB Materiais e suas Propriedades 
Aplicações dos Materiais Cerâmicos 
ESTO006-17SB Materiais e suas Propriedades 
Aplicações dos Materiais Cerâmicos 
ESTO006-17SB Materiais e suas Propriedades 
Aplicações dos Materiais Cerâmicos 
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Características gerais das 
cerâmicas 
 Inércia química 
 estabilidade térmica 
 resistência a corrosão e ao desgaste 
 refratariedade 
 alta dureza 
 resistência a compressão 
 cristalização mais difícil 
 materiais normalmente frágeis 
 diversidade de aplicações 
Fixando... 
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Exercício 
Cátion 
Al 3+ 
Fe 2 + 
Fe 3+ 
Ca 2+ 
 
Ânion 
O 2- 
Cl - 
F - 
Raio iônico (nm) 
0,053 
0,077 
0,069 
0,100 
 
 
0,140 
0,181 
0,133 
Qual o número de coordenação e a geometria para o composto iônico FeO? 
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550,0
140,0
077,0

ânion
cátion
r
r
 Este valor se encontra entre 0,414 e 0,732 
e, portanto, o FeO possui NC de 6 e uma 
estrutura cristalina do tipo AX. 
Resposta