Aula Materiais Cerâmicos

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ESTRUTURA E 
PROPRIEDADES DAS 
CERÂMICAS
Profª. Joyce Azevedo
Abril 2018
DEFINIÇÃO
Cerâmica (Keramikos) = matéria-prima queimada.
As propriedades só são atingidas após um tratamento 
térmico de alta temperatura 
 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 
eletricidade
 São mais resistêntes à altas temperaturas
(devido ao elevado PF) e à ambientes
severos que metais e polímeros
 Com relação às propriedades mecânicas
as cerâmicas são duras, porém frágeis
 Em geral são leves
ALUMINA
CARACTERÍSTICAS GERAIS
Atualmente, as cerâmicas são associadas a uma série de características:
DEFINIÇÃO
 Apresentam uma “mistura” de ligações: uma combinação de ligações iônicas, 
covalentes e algumas vezes metálicas.
 Consistem de um arranjo de átomos interconectados. 
 São compostos de metais, semi-metais e não-metais. 
 Geralmente forma óxidos, carbetos e nitretos.
Os Materiais cerâmicos são materiais
inorgânicos e não-metálicos.
DEFINIÇÃO
 Argila
 Feldspato
 Talco
 Silicatos
 Grafite
 etc.
 Fragilidade
 Dureza
 Estabilidade química
 Alto ponto de fusão
 Transparência
Isolantes elétricos
Isolantes térmicos
Resistentes à corrosão
Ligações iônicas, ou
Ligações covalentes
EM GERAL as cerâmicas apresentam as seguintes características:
PEÇAS CERÂMICAS – GRÉCIA ANTIGA
1050 AC 1100 AC
Peça primitiva, moldada na 
Idade das Trevas
Antigamente
matéria-prima era a argila
CERÂMICAS TRADICIONAIS
OS DIAS ATUAIS
Desenvolvimento de 
tecnologias
Acessibilidade a 
materiais adequados
Vida 
confortável
Um dia de vidro
Os dias atuais
Componentes eletrônicos, de 
computadores, de aeroespaciais, 
de comunicação... 
CERÂMICAS AVANÇADAS
CERÂMICAS AVANÇADAS
Cerâmicas
Vidros
Semicondutores
Supercondutores
PEÇAS CERÂMICAS – ATUALIDADE
CERÂMICA TRADICIONAL X AVANÇADA
Cerâmica Matérias-
primas
Estrutura Proprie-
dades
Processa-
mento
Aplicações
Tradicional
(silicatos)
naturais,
minerais
industriais
(<98%
pureza)
não-uniforme,
porosa
mecânica,
estética
olaria,
colagem,
prensagem,
extrusão,
queima
construção,
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
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Materiais cerâmicos
Vidros Produtos 
argilosos
Refratários Abrasivos Cimentos Cerâmicas 
avançadas
Produtos 
argilosos 
estruturais
Vitrocerâmicas Louças 
sanitárias
Fonte: Callister, 2002.
55%
17%
10%
9%
7%
2%
Vidros Cerâmicas
Avançadas
Cerâmica
branca
Porcelanas Refratários Argilas
Estruturais
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
As cerâmicas naturais mais utilizadas industrialmente são:
argila, caulim, quartzo, feldspato, filito, talco, calcita, dolomita,
magnesita, cromita, bauxito, grafita e zirconita.
As cerâmicas sintéticas incluem entre outras alumina
(óxido de alumínio) sob diferentes formas (calcinada,
eletrofundida); carbeto de silício e produtos químicos inorgânicos
os mais diversos.
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Cerâmicos tradicional
Argila (Al2O3SiO2H2O)
Sílica (SiO2)
Feldspato (K2OAl2O36SiO2)
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
 Óxido de alumínio (Alumina Al2O3)
 Óxido de zircônio (Zircónia ZrO2)
 Carbeto de silício (SiC)
 Nitreto de silicio (Si3N4)
CERÂMICA TÉCNICA
APLICAÇÕES
Haste 
Femoral
Prótese de Quadril
Ex: Alumina 99,9% de pureza
Selos mecânicos e sedes de 
válvulas em Carbeto de Silício 
Cerâmica porosa em cilindros para uso 
em aquários. Realiza a filtragem 
biológica e eliminação do amoníaco e 
dos nitritos da água. 
APLICAÇÕES
PRODUTOS CERÂMICOS
Cerâmica vermelha ou 
produtos cerâmicos 
estruturais
Cerâmica branca
Tijolos, azulejos, telhas, 
ladrilhos de piso e 
tubulações de esgoto
Porcelanas, louças de 
mesa, azulejos, pastilhas 
para revestimento externo 
e louça sanitária
Refratários
Tijolos refratários para 
fornos e churrasqueiras
O que dizem as pesquisas!!!!!!!!!!
“As cerâmicas avançadas são definidas como materiais que
necessitam de matérias-primas de alta pureza com composição
química e cristalina rigorosamente controladas e cujos processos de
conformação e sinterização são também conduzidos e controlados
de forma extensiva. São cerâmicas com métodos de processamento
e fabricação mais sofisticados e mais caros.”
CERÂMICAS AVANÇADAS
CERÂMICAS AVANÇADAS- APLICAÇÕES
ESTRUTURA CRISTALINA
ESTRUTURAS EM CERÂMICAS DEPENDEM DO TIPO DE LIGAÇÃO 
QUÍMICA PREDOMINANTE.
CERÂMICAS EXIBEM COMBINAÇÃO DE LIGAÇÕES COM 
CARÁTER IÔNICO E COVALENTE E O TIPO DE ESTRUTURA 
CRISTALINA DEPENDE DO QUANTIDADE DESSAS LIGAÇÕES
ESTRUTURA CRISTALINA
Na (metal) 
instável
Cl (não metal) 
instável
elétron 
+ -
Coulombic
Attraction
Na (cation) 
estável
Cl (anion) 
estável
• Iônica
• Os elétrons de valência são 
transferidos entre átomos 
produzindo íons
• Forma-se com átomos de 
diferentes eletronegatividades 
(um alta e outro baixa) 
• A ligação é forte= 150-300 
Kcal/mol (por isso o PF dos 
materiais com esse tipo de 
ligação é geralmente alto)
• A ligação predominante nos 
materiais cerâmicos é iônica
Características que influenciam a estrutura cristalina dos 
materiais cerâmicos
MAGNITUDE DA CARGA ELÉTRICA DOS ÍONS
O cristal deve ser eletricamente neutro
Exemplo: Fluoreto de cálcio
Ca+2
F -1
CaF2
Estruturas cerâmicas cristalinas estáveis se formam quando 
aqueles ânions que circulam um cátion estão todos em contato 
com aquele cátion.
TAMANHO RELATIVO DOS CÁTIONS 
e ÍONS: rC/rA
Estrutura Cristalina predominantemente:
Estrutura cristalina do tipo AX
Estrutura cristalina do tipo Am Xp
Estrutura cristalina do tipo Am B nXp
Onde:
A e B = cátion
X = ânion
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO TIPO AX
Ocorre em materiais cerâmicos onde:
Número de cátions
A
Número de ânions
X
=
Cloro
Sódio
ESTRUTURA CRISTALINA DO TIPO AMXP
Cálcio
flúor
Fluorita (CaF2)
m e/ou p ≠ 1
AX2
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO 
TIPO AmBnXp
Ocorre em materiais cerâmicos quando a sua fórmula 
química possui mais de um cátion.
 BaTiO3
 CaTiO3
 MgAl2O4
 LiMn2O4
 Caulinita
 Bentonita
ESPINÉLIO
 Sistema cúbico / octaédrico;
Propriedades eletroquímicas;
 Propriedades magnéticas;
 Espinélio = MgAl2O4;
Fórmula geral = AB2O4
PRODUTOS CERÂMICOS
Cerâmica moderna
PRODUTOS A BASE 
DE ARGILA
DEFINIÇÃO
Argila: Matéria-prima natural constituída principalmente de
argilominerais, tendo outros minerais como impurezas.
 Argilominerais são geralmente
cristalinos. São essencialmente
silicatos de alumínio hidratados,
contendo outros elementos como
ferro, magnésio, cálcio, sódio,
potássio e lítio. Estes elementos
estão presentes geralmente na
forma de óxidos.
 Podem ser encontradas na natureza e em grande abundância, em
uma diversidade de cores.
 Podem ser encontradas no local onde se formaram, ou removidas
do local original de formação e depositadas em outro lugar. As
primeiras são denominadas de RESIDUAIS ou PRIMÁRIAS e as
últimas de TRANSPORTADAS, SECUNDÁRIASou SEDIMENTARES.
 São muito baratas e frequentemente são usadas na forma como é
extraída, sem qualquer melhoria na sua qualidade.
ARGILA: PRINCIPAL MATÉRIA PRIMA
 São muitos os tipos de argila.
 Segundo o “American Ceramic Society” as argilas podem 
ser divididas em 58 tipos.
 Os tipos de maior interesse são as argilas CAULÍNITICAS, 
ILÍTICAS, BENTONÍTICAS e BALL CLAYS.
 Possuem estruturas relativamente complicadas.
 Estrutura em camadas.
TIPOS DE ARGILA
 Uma argila é composta quimicamente pelos seguintes óxidos:
Determinações Argila para 
cerâmica vermelha
Argila para 
cerâmica branca
Perda ao fogo (%) 6,0 27,3
SiO2 (%) 74,4 48,8
Al2O3 (%) 6,8 20,5
TiO2 (%) --- 0,21
Fe2O3 (%) 9,6 0,52
CaO (%) 0,18 Traços
MgO (%) 0,82 Traços
Na2O + K2O (%) 2,04 0,56
Fonte: Souza Santos, 1989.
PROPRIEDADE DAS ARGILAS: PLASTICIDADE
 É a propriedade que um sistema possui de se deformar pela
aplicação de uma força e de manter essa deformação quando
a força aplicada é retirada.
 Facilidade com que os produtos à base de argila podem ser
conformados  quando misturados nas proporções corretas, a
argila e a água formam uma massa plástica que pode ser
moldada.
PROCESSAMENTO DE ARGILAS
Hidroplasticidade
Argila (pó)
Água
Massa Plástica
C
O
N
F
O
R
M
A
Ç
Ã
O
+
É comum a expressão “água de 
plasticidade”...
 Se o sistema argila + água não fosse plástico não seria 
possível fazer tijolos por extrusão (método de conformação 
que veremos adiante).
 É muito importante durante as operações de conformação.
 ... e significa a quantidade de água necessária para tornar 
uma argila suficientemente plástica para ser moldada por 
um determinado método.
 Quanto menos plástica é uma argila, maior é a água de 
plasticidade e também o limite de plasticidade, isto é, maior 
é a quantidade de água necessária para formar uma massa 
plástica.
Obtenção de produtos a base de 
materiais argilosos
MASSA CERÂMICA
BARBOTINA
CONFORMAÇÃO
SECAGEM
Secagem: remoção da água existente 
entre as partículas de argila
Peça 
úmida
Peça 
parcialmente 
seca
Peça 
completamente 
seca
F
o
n
te
: 
C
a
ll
is
te
r,
 2
0
0
2
.
 O corpo cerâmico experimenta alguma contração de volume e 
deve apresentar resistência para o seu manuseio. Após 
secagem, é conhecido como corpo cru.
 O controle da taxa de remoção da água é de extrema
importância.
 A secagem é feita de dentro para fora, ou seja, do interior para
o exterior da peça cerâmica.
 No interior da peça a secagem ocorre pela difusão das
moléculas de água até a superfície, onde ocorre a evaporação.
Se a taxa de evaporação for maior do que a taxa de difusão, a
superfície irá secar mais rapidamente do que o interior,
podendo gerar defeitos como empenamentos, distorção ou
trincas.
Secagem: remoção da água existente 
entre as partículas de argila
ESMALTAÇÃO
ESMALTAÇÃO
QUEIMA/SINTERIZAÇÃO
QUEIMA/SINTERIZAÇÃO
REFRATÁRIOS
DEFINIÇÃO
As propriedades características desses materiais incluem a
capacidade de resistir a temperaturas elevadas sem fundir ou
decompor, e a capacidade de permanecer não-reativo e inerte
quando são expostos a ambientes severos.
CARACTERÍSTICAS
Resistência a altas temperaturas;
Resistência a atmosferas corrosivas;
Oferecem isolamento térmico.
POROSIDADE
Resistência.
Capacidade de suportar carga.
POROSIDADE DÚVIDA
Variação microestrutural que deve ser controlada para produzir um
tijolo refratário adequado.
APLICAÇÃO 
• Siderurgia:
– Alto forno a coque e carvão 
vegetal;
– Panela de aço;
• Química e Petroquímica:
– Incinerador;
– Reator;
– Chaminé;
– Caldeira.
• Cerâmica:
– Forno intermitente;
– Forno túnel;
– Secador;
– Forno de queima rápida.
• Usina de 
açúcar/álcool/alimentícios:
– Caldeira;
– Gerador de calor.
VIDROS
Grupo familiar de materiais cerâmicos
VIDROS
Produto inorgânico que após
sofrer fusão é resfriado até
atingir condição de rigidez, sem
sofrer cristalização.
SÍLICAS – SiO2
VIDROS
• As estruturas dos vidros são baseadas, na sua maioria, numa
cadeia de tetraedros de SiO2.
Composição do Vidro
Formadores de rede Intermediários Modificadores 
SiO2 Al2O3 MgO 
B2O3 TiO2 K2O 
GeO2 PbO BaO 
P2O5 BeO CaO 
As2O5 ZnO Na2O 
 
 
Vitrificantes Estabilizantes Fundentes
Óxidos que podem formar 
estruturas vítreas
Óxidos adicionados a vidros orgânicos,
seus cátions são incorporados no
interior e modificam a rede da sílica.
Substituem o silício
estabilizando a rede.
TIPOS DE VIDROS 
TIPOS DE VIDROS 
CONFORMAÇÃO DOS VIDROS
Prensagem
pratos
Sopro
garrafas
Laminação ou estiramento
vidro plano
Fiação
fios, fibras
PRENSAGEM
SOPRO
VIDROS PLANOS
FIOS E TUBOS
Platina 
Fibra de 
vidro 
Vidro 
fundido
Vidro fundido
Mandril
Fluxo de ar
Tubo 
Fiação Fabricação de tubos
FABRICAÇÃO DE VIDROS
Vidros planos
Artesanal e Industrial
VITROCERÂMICAS
PROCESSAMENTO DOS 
MATERIAIS CERÂMICOS
FABRICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Muitos materiais cerâmicos têm
elevado ponto de fusão e apresentam
dificuldade de conformação.
A plasticidade necessária para sua
moldagem é conseguida antes da
queima, por meio de mistura das
matérias primas em pó com um
líquido.
ETAPAS PROCESSAMENTO
Preparação da matéria prima em pó
Mistura do pó com um líquido (geralmente 
água) para formar um material 
conformável : suspensão de alta fluidez 
(“barbotina”) ou massa plástica
Conformação da mistura (existem diferentes processos)
Secagem das peças conformadas
Queima das peças após secagem
Acabamento final (quando necessário)
FABRICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Prensagem simples: pisos e azulejos;
Prensagem isostática: vela do carro;
Extrusão(conformação hidroplástica): tubos e capilares, tijolos;
Injeção: pequenas peças com formas complexas e rotor de turbinas;
Colagem de barbotina: sanitários, pias, vasos, artesanato;
Torneamento: xícaras e pratos.
MÉTODOS DE CONFORMAÇÃO
PRENSAGEM UNIAXIAL
Características: Produção em massa, tecnologia madura
Molde: Matriz metálica, relevo superficial no estampo
Produtos: Estruturais, eletrônicos, magnéticos, refratários
(a) A cavidade do molde é preenchida com o pó.
(b) O pó é compactado por meio de pressão aplicada sobre a parte superior do molde.
(c) A peça compactada é ejetada pela ação de elevação do punção inferior.
(d) A sapata de enchimento empurra a peça compactada para fora do molde, e a etapa de 
enchimento é repetida.
 Neste método de conformação o teor de água na massa
cerâmica é baixo, de 5 a 15% e a pressão é alta.
 Geralmente, são usados lubrificantes e plastificantes para
aumentar a plasticidade da massa cerâmica e reduzir o atrito
nas paredes do molde.
 As peças são conformadas, mediante pressão, em moldes que
reproduzem a forma desejada. Os moldes são confeccionados
geralmente em ferro fundido ou aço.
PRENSAGEM UNIAXIAL
Processo produtivo 
Portobello
PRENSAGEM E POROSIDADE: ESQUEMA
PRENSAGEM ISOSTÁTICA
Características: Densidade uniforme, mecanizado, tamanhos grandes/pequenos
Molde: Molde de borracha, forma simples/complexa
Produtos: Estruturais, eletrônicos, químicos, refratários
EXTRUSÃO
Características: Produção em massa, tamanhos grandes/ pequenos
Molde:Matriz metálica, seção transversal constante
Produtos:Refratários, eletrônicos, cilindros, tubos, produtos celulares
 Neste método de conformaçãoa massa cerâmica plástica é forçada
através de um orifício de uma matriz que possui a geometria
desejada. A seguir, já com a forma desejada, a peça é cortada em
comprimentos apropriados.
 A massa cerâmica encontra-se na forma de uma pasta plástica,
porém rígida.
EXTRUSÃO
Como se fabrica tijolos
INJEÇÃO
Características: Forma complexa,
precisão dimensional
Molde: Matriz metálica
Produtos: Componentes estruturais 
avançados, bicos atomizadores
COLAGEM
Características: Variedade de formas,
facilidade de instalação, mecanização
disponível
Molde: Gesso/polímero poroso
Produtos: Refratários, tubos fechados,
produtos avançados/tradicionais
Colagem
COLAGEM OU FUNDIÇÃO POR SUSPENSÃO 
(a) Fundição sólida – Quando a 
cavidade total do molde se torna 
sólida.
(b) Fundição com dreno –Quando a 
casca sólida atinge uma espessura 
desejada e o molde é vertido para 
escoamento do excesso de 
suspensão.
 Quando a peça fundida seca, se 
contrai em volume e se separa da 
parede do molde. Neste momento, o 
molde pode ser desmontado e a peça 
removida.
SECAGEM
É uma etapa de grande importância, pois se for muito rápida ou 
ineficiente, poderá gerar defeitos.
SECAGEM DOS MATERIAIS CERÂMICOS
•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.
As peças são queimadas geralmente entre 900oC e 1400oC. Esta
temperatura depende da composição da peça e das propriedades
desejadas.
Eliminação do material orgânico (dispersantes, ligantes, material
orgânico nas argilas);
Decomposição e formação de novas fases de acordo com o diagrama de
fases (formação de alumina, mulita e vidro a partir das argilas);
Sinterização (eliminação da porosidade e densificação).
COZIMENTO OU QUEIMA
Durante a queima ocorre um aumento da densidade e da resistência mecânica
devido à combinação aos diversos fatores, mencionados abaixo:
SINTERIZAÇÃO DURANTE A QUEIMA
Representação esquemática
de etapas do processo de 
sinterização
Formação de pescoço
Produto cerâmico
Alumina sinterizada
1 2
3 4
FORNOS