Cap12 - Ciencia_dos_materiais_-_James_F _Shackel

Prévia do material em texto

Cerâmicas e vidros
Capítulo 
12
Cerâmicas e vidros representam alguns dos ma-
teriais mais antigos e mais ambientalmente duráveis 
para a engenharia. Eles também representam alguns 
dos materiais mais avançados, sendo desenvolvidos 
para as indústrias aeroespacial e eletrônica. Neste ca-
pítulo, dividimos essa coleção altamente diversificada 
de materiais de engenharia em três categorias prin-
cipais. Cerâmicas cristalinas incluem os silicatos tra-
dicionais e os muitos compostos óxidos e não-óxidos 
bastante usados em tecnologias tradicionais e avança-
das. Vidros são sólidos não-cristalinos com composi-
ções comparáveis às cerâmicas cristalinas. A ausência 
de cristalinidade, que resulta de técnicas de processa-
mento específicas, fornece um conjunto exclusivo de 
propriedades mecânicas e ópticas. Quimicamente, os 
vidros são subdivididos convenientemente em silica-
tos e não-silicatos. Vitrocerâmicas, a terceira catego-
ria, são outro tipo de cerâmicas cristalinas formadas 
inicialmente como vidros e, depois, cristalizadas de 
uma maneira cuidadosamente controlada. Esse pro-
cesso de cristalização será discutido com algum deta-
lhe. Composições um tanto específicas prestam-se a 
essa técnica, e o sistema Li2–Al2O3–SiO2 é o exemplo 
comercial mais importante.
Assim como a discussão dos metais no Capítulo 11, 
o tratamento das cerâmicas neste capítulo se baseia nos 
conceitos estabelecidos na Parte I. A grande variedade 
de estruturas cristalinas das cerâmicas foi ilustrada no 
Capítulo 3. Os defeitos pontuais nessas estruturas (Ca-
pítulo 4) foram identificados como a base do transpor-
te difusional no Capítulo 5. A natureza frágil caracte-
rística das cerâmicas, discutida no Capítulo 6, deve-se 
às suas estruturas de discordâncias complexas, apre-
sentadas no Capítulo 4. O comportamento térmico do 
Capítulo 7 foi especialmente importante para as cerâ-
micas, que normalmente são usadas em temperaturas 
elevadas, e foi um foco especial da questão de falha por 
choque térmico no Capítulo 8. Assim como os metais, 
equilíbrio de fase (Capítulo 9) e cinética (Capítulo 10) 
desempenham papéis importantes no processamento 
ideal dos materiais cerâmicos.
Da mesma forma que os metais, o processamento 
das cerâmicas e vidros pode afetar profundamente 
seu desempenho como materiais estruturais. Os mé-
todos tradicionais de processamento de cerâmica in-
cluem fusão e fundição por suspensão, sinterização e 
prensagem a quente. Métodos tradicionais de forma-
ção de vidro, às vezes, são seguidos por desvitrificação 
controlada para produzir vitrocerâmicas. Métodos de 
processamento mais recentes incluem técnicas de sol-
gel e biomiméticas e síntese autopropagante em altas 
temperaturas (SHS).
12.1 Cerâmicas – materiais cristalinos
É apropriado começar nossa discussão sobre ce-
râmicas cristalinas examinando os silicatos à base 
de SiO2. Como silício e oxigênio juntos são respon-
sáveis por aproximadamente 75% dos elementos 
na crosta da Terra (Figura 12.1), esses materiais são 
abundantes e baratos. Muitas das cerâmicas tradicio-
As cerâmicas tradicionalmente 
têm sido usadas em 
aplicações de engenharia 
de alta temperatura. Para a 
arquitetura interior de fornos, 
o carbeto de silício fornece 
boa estabilidade dimensional 
em temperaturas de até 
1.650 °C, com alta resistência 
a choque térmico e corrosão 
e uma baixa densidade. 
(Cortesia da Bolt Technical 
Ceramics.)
12.1 Cerâmicas – materiais cristalinos
12.2 Vidros – materiais não-cristalinos
12.3 Vitrocerâmicas 
12.4 Processamento de cerâmicas e vidros
12 shac1107_ch12.indd 277 5/30/08 3:26:18 PM
278 • Ciência dos materiais
nais que usamos estão nessa categoria. Uma das me-
lhores ferramentas para caracterizar as antigas civi-
lizações é a louça, argila queimada que tem sido um 
produto comercial desde aproximadamente 4.000 
a.C. A louça é uma parte da categoria das cerâmi- 
cas conhecida como louças brancas, que são cerâ-
micas queimadas comerciais com uma microestru- 
tura normalmente branca e com grãos finos. Um 
exemplo bem conhecido é a porcelana translúcida 
da qual a china fina é composta. Além das louças 
brancas, a argila é a base dos produtos estruturais 
de argila, como tijolos, telhas e canos de esgoto. A 
gama de cerâmicas de silicato reflete a diversidade 
dos minerais de silicatos que, normalmente, estão 
disponíveis a fábricas de manufatura locais. A Ta-
bela 12.1 resume as composições gerais de alguns 
exemplos comuns. Essa listagem inclui refratários 
baseados na argila queimada. Refratários são mate-
riais estruturais resistentes à alta temperatura, que 
desempenham papéis fundamentais na indústria 
(por exemplo, no processo de fabricação do aço). 
Cerca de 40% da produção da indústria de refratários 
consiste de silicatos baseados em argila. A Tabela 12.1 
também contém uma lista representativa da indústria 
do cimento. O exemplo é o cimento portland, uma 
mistura complexa que pode ser descrita, em geral, como 
um aluminossilicato de cálcio.
A Tabela 12.2 lista diversos exemplos de cerâmi-
cas de óxidos de não-silicatos, que incluem alguns 
materiais tradicionais como magnésia (MgO), um re-
fratário bastante usado na indústria do aço. Em geral, 
porém, essa tabela inclui muitos dos materiais cerâ-
micos mais avançados. Óxidos puros são compostos 
com níveis de impureza às vezes menores que 1% p e, 
em alguns casos, níveis de impureza na faixa de ppm. 
O custo da separação química e subseqüente proces-
samento desses materiais é um nítido contraste com a 
economia das cerâmicas de silicato fabricadas de ma-
teriais localmente disponíveis e geralmente impuros. 
Esses materiais têm muitas aplicações em áreas como 
a indústria eletrônica, onde existem especificações ri-
gorosas. No entanto, muitos dos produtos na Tabela 
12.2 com um óxido predominante podem conter a adi-
ção de apreciáveis proporções de óxidos e impurezas. 
Na Tabela 12.2, UO2 é nosso melhor exemplo de uma 
cerâmica nuclear. Esse composto contém urânio ra-
diativo e é largamente usado como combustível para 
reator. A zircônia parcialmente estabilizada (ZrO2) 
(PSZ) é uma candidata importante a aplicações estru-
turais avançadas, incluindo muitas executadas tradi-
cionalmente por metais. Uma chave para o potencial 
de substituição dos metais é o mecanismo de aumen-
to de tenacidade à fratura por transformação, que foi 
discutido na Seção 8.2. Cerâmicas eletrônicas, como 
o BaTiO3, e magnéticas, como a NiFe2O4 (ferrita de 
níquel), representam a maior parte do mercado de ce-
râmica industrial; elas serão discutidas nos capítulos 
15 e 18, respectivamente.
Tabela 12.1 Composiçõesa de algumas cerâmicas de silicatos
Composição (% p)
Cerâmica SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO Outros
Refratário de sílica 96 4
Refratário de argila 50–70 45–25 5
Refratário de mulita 28 72 –
Porcelana elétrica 61 32 6 1
Porcelana esteatita 64 5 30 1
Cimento portland 25 9 64 2
a Estas são composições aproximadas, indicando os componentes principais. Os níveis de impu-
reza podem variar significativamente de um produto para outro.
Elemento
O
0
10
20
30
40
50
Si Al Fe Ca Na K Mg H
Po
rc
en
ta
ge
m
 d
a 
cr
os
ta
 te
rr
es
tr
e
Figura 12.1 A abundância relativa de elementos na crosta 
terrestre ilustra a disponibilidade dos minerais cerâmicos, 
especialmente os silicatos.
12 shac1107_ch12.indd 278 5/30/08 3:26:18 PM
 CAPÍTULO 12 Cerâmicas e vidros • 279
Enquanto discutimos materiais cerâmicos produzidos por 
engenheiros para diversas aplicações estruturais, também 
podemos olhar para dentro e focalizar o material cerâmico 
‘desenvolvido’ pelo corpo para desempenhar um papel funda-
mental em nossa estrutura esquelética. A hidroxiapatita (HA), 
cuja fórmula química é Ca
10
(HPO
4
)
6
(OH)
2
, é o principal con-
teúdomineral do osso, compreendendo 43% de seu peso 
total. Fosfatos de cálcio precursores se precipitam dos fluidos 
no osso e, depois, sofrem transformações de fase para formar 
a HA. A estrutura e as propriedades mecânicas da HA podem 
variar como resultado de diversas substituições químicas: K, 
Mg, Sr e Na por Ca; carbonato por fosfato; e F por OH.
O osso é formado por células chamadas osteoblastos. 
Essas células criam uma matriz orgânica que contém água 
no lugar do mineral. Após cerca de dez dias, o osteóide 
‘amadurece’, permitindo a precipitação de cristais minerais. 
Nos humanos, o osso novo atinge aproximadamente 70% 
de seu grau possível de mineralização (capacidade mineral) 
em um período de poucos dias. Esse processo é chamado 
de mineralização primária. A mineralização secundária ocor-
re lentamente por vários meses e geralmente alcança cerca 
de 90% da capacidade mineral. Aparentemente, as células 
chamadas osteócitos, osteoblastos que se tornam aprisio-
nados nos ossos em formação, têm uma função de con-
trole, mantendo esse conteúdo mineral ‘normal’. A morte 
dos osteócitos permite a ocorrência da hipermineralização 
(100% da capacidade mineral), tornando o osso mais frágil 
e menos resistente que o normal.
A estrutura geral dos ossos longos em nosso esqueleto é 
semelhante a uma vara de bambu, e a camada externa densa 
é chamada osso compacto. Esse material possui uma densi-
dade de 2,1 x 106 g/cm3 e um módulo elástico de 20 GPa, um 
valor bem pequeno em comparação com o da maioria dos 
materiais de engenharia sintéticos neste livro, mas bastante 
adequado para nossos propósitos fisiológicos. A geometria 
global do osso faz com que as propriedades mecânicas se-
jam altamente direcionais. O osso compacto tracionado ao 
longo de uma direção paralela ao eixo cilíndrico geral possui 
uma resistência típica de 135 MPa, novamente modesta em 
Tabela 12.2 Algumas cerâmicas de óxidos de não-silicatos
Composição principala Nomes comuns de produto
Al2O3 Alumina, refratário de alumina
MgO Magnésia, refratário de magnésia, refratário de 
magnesita, refratário de periclásio
MgAl2O4 (= MgO · Al2O3 ) Espinélio
BeO Berília
ThO2 Tória
UO2 Dióxido de urânio
ZrO2(estabilizada
b com CaO) Zircônia estabilizada (ou parcialmente estabilizada)
BaTiO3 Titanato de bário
NiFe2O4 Ferrita de níquel
a Alguns produtos, como os refratários industriais, podem ter vários acréscimos percentuais em peso de óxidos e impurezas.
b O ZrO2 puro sofre uma transformação de fase em 1.000 °C onde a mudança de estrutura cristalina produz uma varia-
ção catastrófica no volume. O material é literalmente reduzido a pó. A adição de 10% p CaO produz uma estrutura 
cristalina cúbica estável até o ponto de fusão (~ 2.500 °C), tornando a zircônia ‘estabilizada’ um refratário altamente 
útil. A Figura 9.30 ilustrou esse ponto com o diagrama de fases do CaO–ZrO2. Adições menores de CaO podem pro-
duzir uma microestrutura bifásica, com a zircônia cúbica sendo uma das fases. Essa zircônia ‘parcialmente estabilizada’ 
possui propriedades mecânicas ainda superiores, conforme discutimos na Seção 8.2.
O MUNDO DOS MATERIAIS
Hidroxiapatita – A cerâmica do próprio corpo
(Cortesia de R. B. Martin, Orthopaedic Research Laboratories. 
Califórnia: Universidade da Califórnia.)
12 shac1107_ch12.indd 279 5/30/08 3:26:20 PM
280 • Ciência dos materiais
comparação com a de muitos materiais de engenharia, mas 
geralmente adequada para nossa estrutura esquelética. Em-
bora as propriedades mecânicas do osso possam não ser 
impressionantes se comparadas às dos materiais sintéticos, 
como um tecido vivo, o osso tem a vantagem substancial de 
ser capaz de se reparar e se remodelar. As variações nos 
mecanismos celulares envolvidos na formação do osso são a 
base do reparo e da remodelagem.
O comportamento mecânico do osso depende bastan-
te do mineral cerâmico HA, mas também é afetado por sua 
microestrutura complexa e uma significante fase orgânica. 
O principal componente polimérico do osso será o foco 
de uma caixa em destaque no próximo capítulo, e a natu-
reza geral de compósito do osso e substitutos sintéticos 
serão o foco de uma caixa em destaque no Capítulo 14.
SOLUÇÃO
Usando dados do Apêndice 1, temos
peso molar Al2O3 = [2(26,98) + 3(16,00)] uma
 = 101,96 uma
e
peso molar SiO2 = [28,09 + 2(16,00)] uma
 = 60,09 uma.
Portanto,
fração em peso Al2O3 = 
3 101 96
3 101 96 2 60 09
( , )
( , ) ( , )+
 = 0,718.
PROBLEMA PRÁTICO 12.1
Qual é a fração em peso do Al2O3 no espinélio 
(MgAl2O4)? (Veja o Exemplo de Problema 12.1.) 
12.2 Vidros – materiais não-cristalinos
O conceito do sólido não-cristalino ou vidro foi 
discutido na Seção 4.5. Conforme visto, os exemplos 
tradicionais desse tipo de material são os vidros de si-
licatos. Assim como os silicatos cristalinos, esses vidros 
geralmente têm custo moderado devido à abundância 
dos elementos Si e O na crosta terrestre. Para gran-
de parte da manufatura rotineira do vidro, o SiO2 está 
prontamente disponível em depósitos de areia locais 
com pureza adequada. De fato, a manufatura de vários 
produtos de vidro representa um peso muito maior 
que aquele envolvido na produção de cerâmicas cris-
talinas. A Tabela 12.4 lista os principais exemplos de 
 Esquema de células ósseas em uma matriz de osso primária. 
(De R. B. Martin, “Bone as a Ceramic Composite Material”, 
in Bioceramics – Applications of Ceramic and Glass Materials in 
Medicine, J. F. Shackelford (ed.), Suíça: Trans Tech Publications, 1999.)
A Tabela 12.3 lista exemplos de cerâmicas de 
não-óxidos. Alguns deles, como o carbeto de silício, 
são materiais industriais comuns há várias décadas. 
O carbeto de silício tem servido como elemento de 
aquecimento de fornos e como material abrasivo. 
O nitreto de silício e materiais relacionados (por 
exemplo, o SiAlON contendo oxigênio) são, com a 
zircônia parcialmente estabilizada, o foco de pes-
quisa e desenvolvimento substancial durante as três 
últimas décadas para fins de produção de compo-
nentes melhores para turbinas a gás. O desenvolvi-
mento de um motor de cerâmica para automóveis é 
um objetivo atraente, porém geralmente impreciso. 
Apesar disso, os compósitos de cerâmica de matriz 
de carbeto de silício ainda são candidatos atraentes 
para motores a jato para operação em ultra-altas 
temperaturas.
Tabela 12.3 Algumas cerâmicas de não-óxidos
Composição principala Nomes comuns de produto
SiC Carbeto de silício
Si3N4 Nitreto de silício
TiC Carbeto de titânio
TaC Carbeto de tântalo
WC Carbeto de tungstênio
B4C Carbeto de boro
BN Nitreto de boro
C Grafite
a Alguns produtos podem ter vários acréscimos percentuais em 
peso ou impurezas.
EXEMPLO DE PROBLEMA 12.1
A Mulita é 3Al2O3 · 2SiO2. Calcule a fração em peso 
do Al2O3 em um refratário de mulita.
12 shac1107_ch12.indd 280 5/30/08 3:26:21 PM
 CAPÍTULO 12 Cerâmicas e vidros • 281
artigos de vidro de silicatos comerciais. A Tabela 12.5 
ajuda a interpretar o significado das composições da 
Tabela 12.4, listando os óxidos que são formadores de 
rede, modificadores de rede e intermediários.
Os formadores de rede incluem óxidos que for-
mam poliedros de óxido, com baixos números de 
coordenação. Esses poliedros podem se conectar 
com a rede de tetraedros SiO4
4– associada ao SiO2 
vítreo. Óxidos alcalinos e alcalinos terrosos, como 
Na2O e CaO, não formam esses poliedros na estru-
tura do vidro, mas, em vez disso, tendem a romper 
a continuidade da rede tipo polímero de SiO2. É 
possível referir-se ao esquema de uma estrutura 
de um vidro de silicato alcalino na Figura 4.25. O 
rompimento da rede leva ao termo modificador de 
rede. Esses modificadores tornam o artigo de vidro 
mais fácil de se conformar em determinada tempe-
ratura, mas aumentam sua reatividade química em 
ambientes de operação. Algunsóxidos, como Al2O3 
e ZrO2, por si sós, não são formadores de vidro, mas 
o cátion (Al3+ ou Zr4+) pode substituir o íon Si4+ em 
um tetraedro da rede, contribuindo, assim, para a 
estabilidade da rede. Esses óxidos, que não são for-
madores nem modificadores, são conhecidos como 
intermediários.
Tabela 12.5 Papel dos óxidos na formação do vidro
Formadores 
de rede
Intermediários Modificadores 
de rede
SiO2 Al2O3 Na2O
B2O3 TiO2 K2O
GeO2 ZrO2 CaO
P2O5 MgO
BaO
PbO
ZnO 
Retornando à Tabela 12.4, podemos considerar a 
natureza dos principais vidros de silicato comerciais:
1. Sílica vítrea é SiO2 de alta pureza. Vítrea significa 
‘vitrificada’ e geralmente é usada com o sentido de 
amorfa e não-cristalina. Com a ausência de quais-
quer modificadores de rede significativos, a sílica 
vítrea pode suportar temperaturas de trabalho su-
periores a 1.000 °C. Cadinhos de alta temperatura 
e janelas de forno são aplicações típicas.
2. Vidros de borossilicatos envolvem uma combina-
ção de poliedros triangulares BO3
3– e tetraedros 
SiO4
4– na rede formadora de vidro. Cerca de 5% p 
Na2O fornece boa conformabilidade do artigo de 
vidro sem sacrificar a durabilidade associada aos 
óxidos de formação de vidro. Os borossilicatos são 
bastante usados por essa durabilidade em aplica-
ções como artigos de laboratório químico e artigos 
para cozinhar. Grande parte da indústria do vidro 
gira em torno de uma composição sílica–cal–soda 
de, aproximadamente, 15% p Na2O, 10% p CaO e 
70% p SiO2. A maioria dos vidros de janela e reci-
pientes de vidro comuns pode ser encontrada den-
tro de um moderado intervalo de composições.
3. A composição do Vidro-E da Tabela 12.4 repre-
senta uma das fibras de vidro mais comuns. Esse 
será um exemplo central dos sistemas de reforço 
de compósitos por fibra no Capítulo 14.
 4. Esmaltes são camadas de vidro aplicadas a cerâ-
micas, como as porcelanas. O esmalte geralmente 
fornece uma superfície substancialmente mais 
impermeável do que o material não-esmaltado 
sozinho. É possível um grande controle de apa-
rência da superfície, conforme discutiremos no 
Capítulo 16, sobre propriedades ópticas.
5. Vernizes são camadas de vidro aplicadas aos me-
tais. Esse termo precisa ser diferenciado do ver-
niz aplicado a tintas com base polimérica. Cons-
tantemente, mais importante do que a aparência 
da superfície fornecida pelo verniz é a barreira 
protetora que ele oferece contra ambientes cor-
rosivos ao metal. Esse sistema de prevenção de 
corrosão será discutido, com mais detalhes, no 
Capítulo 19. A Tabela 12.4 lista a composição de 
esmaltes e vernizes típicos.
Tabela 12.4 Composições de alguns vidros de silicatos
Composição (% p)
Vidro SiO2 B2O3 Al2O3 Na2O CaO MgO K2O ZnO PbO Outros
Sílica vítrea 100 –
Borossilicato 76 13 4 5 1 1
Janela 72 1 14 8 4 1
Recipiente 73 2 14 10 1
Fibra (Vidro-E) 54 8 15 22 1
Esmalte de cerâmica 60 16 7 11 6 –
Verniz de cobre 34 3 4 17 42 –
12 shac1107_ch12.indd 281 5/30/08 3:26:21 PM
282 • Ciência dos materiais
A Tabela 12.6 lista diversos vidros de não-silicatos. 
Os vidros de óxidos de não-silicatos, como B2O3, ge-
ralmente possuem pouco valor comercial devido à sua 
reatividade com ambientes típicos, como o vapor de 
água. No entanto, eles podem ser aditivos úteis aos vi-
dros de silicatos (por exemplo, os vidros de borossilicato 
comuns). Alguns dos vidros de não-óxidos se tornaram 
comercialmente significativos. Por exemplo, vidros de 
calcogenetos freqüentemente são semicondutores, e se-
rão discutidos no Capítulo 17. O termo calcogeneto vem 
da palavra grega chalco, que significa ‘cobre’, e está asso-
ciado a compostos de S, Se e Te. Todos estes três elemen-
tos formam compostos fortes com cobre e com muitos 
outros íons metálicos. As fibras de vidro de tetrafluoreto 
de zircônio (ZrF4) provaram ter propriedades superio-
res para transmissão de luz na região do infravermelho 
em comparação com os silicatos tradicionais.
Tabela 12.6 Alguns vidros de não-silicatos
B2O3 As2Se3 BeF2
GeO2 GeS2 ZrF4
P2O5
EXEMPLO DE PROBLEMA 12.2
O vidro de sílica de cal de soda comum é feito pela 
fusão de Na2CO3, CaCO3 e SiO2. Os carbonatos se 
rompem, liberando bolhas do gás CO2 que ajudam 
a misturar o vidro fundido. Para 1.000 kg de vidro 
para recipiente (15% p Na2O, 10% p CaO, 75% p 
SiO2), qual é a fórmula do lote da matéria-prima 
(percentual em peso de Na2CO3, CaCO3 e SiO2)?
SOLUÇÃO
1.000 kg de vidro consiste em 150 kg de Na2O, 100 
kg de CaO e 750 kg de SiO2.
Usando dados do Apêndice 1, temos
 peso molar Na2O = 2(22,99) + 16,00
 = 61,98 uma,
peso molar Na2CO3 = 2(22,99) + 12,00 + 3(16,00)
 = 105,98 uma,
 peso molar CaO = 40,08 + 16,00
 = 56,08 uma,
e
 peso molar CaCO3 = 40,08 + 12,00 + 3(16,00)
 = 100,08 uma,
 Na2CO3 exigido = 150 kg × 
105 98
61 98
,
,
 = 256 kg,
 CaCO3 exigido = 100 kg × 
100 08
56 08
,
,
 = 178 kg,
e
 SiO2 exigido = 750 kg.
A fórmula do lote é
256
256 178 750
kg
kg( )+ +
× 100 = 21,6% p Na2CO3,
178
256 178 750
kg
kg( )+ +
× 100 = 15,0% p CaCO3,
e
750
256 178 750
kg
kg( )+ +
× 100 = 63,3% p SiO2.
PROBLEMA PRÁTICO 12.2
No Exemplo de Problema 12.2, calculamos uma fór-
mula do lote para um vidro de sílica de cal de soda co-
mum. Para melhorar a resistência química e as proprie-
dades funcionais, Al2O3 normalmente é acrescentado 
ao vidro pela inclusão de feldspato de soda (albita), 
Na(AlSi3)O8, à fórmula de lote. Calcule a fórmula do 
vidro produzido quando 2.000 kg da fórmula de lote 
forem suplementados com 100 kg desse feldspato.
12.3 Vitrocerâmicas
Entre os materiais cerâmicos mais sofisticados 
estão as vitrocerâmicas, que combinam a natureza 
das cerâmicas cristalinas com o vidro. O resultado é 
um produto com qualidades especialmente atraen-
tes. Vitrocerâmicas começam como artigos de vidro 
relativamente comuns. Uma vantagem significativa é 
sua capacidade de ser conformada de uma maneira 
barata e precisa como os vidros. Por um tratamento 
térmico cuidadosamente controlado, mais de 90% do 
material vítreo se cristaliza (veja a Figura 10.37). Os 
tamanhos finais dos grãos de cristalito geralmente es-
tão entre 0,1 e 1 µm. A pequena quantidade da fase 
vítrea residual preenche efetivamente o volume dos 
contornos de grão, criando uma estrutura sem poros. 
O produto final de vitrocerâmica é caracterizado por 
resistências mecânica e a choque térmico muito supe-
rior às das cerâmicas convencionais. No Capítulo 6, 
discutimos a sensibilidade dos materiais cerâmicos à 
falha frágil. A resistência das vitrocerâmicas ao cho-
que mecânico deve-se, em grande parte, à eliminação 
dos poros concentradores de tensão. A resistência a 
choque térmico resulta dos coeficientes de expansão 
térmica tipicamente baixos desses materiais. O signifi-
cado desse conceito foi demonstrado na Seção 7.4.
Fizemos referência à importância de um trata-
mento térmico cuidadosamente controlado para 
produzir a microestrutura uniformemente granular 
12 shac1107_ch12.indd 282 5/30/08 3:26:22 PM
 CAPÍTULO 12 Cerâmicas e vidros • 283
da vitrocerâmica. A teoria do tratamento térmico 
(a cinética das reações no estado sólido) foi tratada 
no Capítulo 10. Por enquanto, precisamos relembrar 
que a cristalização de um vidro é um processo de es-
tabilização. Essa transformação começa (ou é nuclea- 
da) em algum limite de fase de impureza. Para um 
vidro comum no estado fundido, a cristalização ten-
derá a se nuclear em poucos pontos isolados ao lon-
go da superfície do recipiente que contém o material 
fundido. Esse processo é seguido pelo crescimento de 
alguns cristais grandes. A microestrutura resultante 
é grosseira e não-uniforme. A vitrocerâmica difere 
na presença em vários percentuais em peso de um 
agente nucleante como o TiO2. Uma dispersão finade 
pequenas partículas de TiO2 fornece uma densidade 
de núcleos tão alta quanto 1012 por milímetro cúbico. 
Existe alguma controvérsia a respeito do papel exato 
dos agentes nucleantes como o TiO2. Em alguns casos, 
parece que o TiO2 contribui para uma segunda fase 
finamente dispersa de vidro TiO2–SiO2, que é instável 
e se cristaliza, iniciando, assim, a cristalização do sis-
tema inteiro. Para determinada composição, existem 
temperaturas ideais para nucleação e crescimento 
dos pequenos cristalitos.
A Tabela 12.7 lista as principais vitrocerâmicas 
comerciais. De longe, o exemplo mais importante é 
o sistema Li2O–Al2O3–SiO2. Diversos materiais co-
merciais nessa faixa de composição exibem excelente 
resistência a choque térmico devido ao coeficiente de 
expansão térmica da cerâmica cristalizada. Alguns 
exemplos são Corning Ware de Corning e Ceran de 
Schott Glaswerke. A presença de cristalitos de b -es-
podumênio (Li2O · Al2O3 · 4SiO2), que tem um coefi-
ciente de expansão caracteristicamente pequeno, ou 
b -eucriptita (Li2O · Al2O3 · SiO2), que na realidade 
possui um coeficiente de expansão negativo, contribui 
para o baixo coeficiente de expansão.
EXEMPLO DE PROBLEMA 12.3
Qual seria a composição (em percentual em peso) 
de um composto de vitrocerâmica inteiramente de 
b–espodumênio?
SOLUÇÃO
b -espodumênio é Li2O · Al2O3 · 4SiO2. Usando da-
dos do Apêndice 1, temos
 peso molar Li2O = [2(6,94) + 16,00] uma
 = 29,88 uma,
peso molar Al2O3 = [2(26,98) + 3(16,00)] uma
 = 101,96 uma,
e
 peso molar SiO2 = [28,09 + 2(16,00)] uma
 = 60,09 uma,
gerando
% p Li2O = 
29 88
29 88 101 96 4 60 09
,
, , ( , )+ +
 × 100 = 8,0%,
% p Al2O3 = 
101 96
29 88 101 96 4 60 09
,
, , ( , )+ +
 × 100 = 27,4%,
e
% p SiO2 = 
4 60 09
29 88 101 96 4 60 09
( , )
, , ( , )+ +
 × 100 = 64,6%.
PROBLEMA PRÁTICO 12.3
Qual seria o percentual molar de Li2O, Al2O3, SiO2 e 
TiO2 na primeira composição comercial de vitrocerâmi-
ca da Tabela 12.7? (Veja o Exemplo de Problema 12.3.) 
12.4 Processamento de cerâmicas e vidros
A Tabela 12.8 resume algumas das principais técni-
cas de processamento para cerâmicas e vidros. Muitas 
dessas técnicas são correspondentes diretos do proces-
samento de metais apresentado na Tabela 11.10. No 
entanto, o processo de forjamento não existe por si só 
para as cerâmicas. A conformação por deformação das 
cerâmicas é limitada por sua fragilidade inerente. Em-
bora os trabalhos a frio e a quente não sejam práticos, 
uma variedade maior de técnicas de fundição está dis-
ponível. A fundição por fusão refere-se a um processo 
Tabela 12.7 Composições de algumas vitrocerâmicas
Composição (% p)
Vitrocerâmica SiO2 Li2O Al2O3 MgO ZnO B2O3 TiO2
a P2O5
a
Sistema Li2O–Al2O3 –SiO2 74 4 16 6
Sistema MgO–Al2O3 –SiO2 65 19 9 7
Sistema Li2O–MgO–SiO2 73 11 7 6 3
Sistema Li2O–ZnO–SiO2 58 23 16 3
Fonte: Dados de P.W. McMillan, Glass-Ceramics, 2. ed. Nova York: Academic Press, Inc., 1979.
 a Agentes nucleantes.
12 shac1107_ch12.indd 283 5/30/08 3:26:23 PM
284 • Ciência dos materiais
equivalente à fundição do metal. Essa técnica não é 
predominante para as cerâmicas devido a seus pontos 
de fusão geralmente altos. Alguns refratários de baixa 
porosidade são formados dessa maneira, mas a um cus-
to relativamente alto. A fundição por suspensão, mos-
trada na Figura 12.2, é uma técnica de processamento 
de cerâmica mais típica. Aqui, a fundição é feita em 
temperatura ambiente. A ‘suspensão’ é uma mistura 
de pó e água que é derramada em um molde poroso. 
Grande parte da água é absorvida pelo molde, deixando 
uma forma de pó relativamente rígida, que pode ser re-
movida do molde. Para desenvolver um produto forte, 
a peça precisa ser aquecida. Inicialmente, a água absor-
vida restante é descartada. A queima é feita em tempera-
turas mais altas, normalmente acima dos 1.000 °C. Assim 
como na metalurgia do pó, grande parte da resistência 
da peça queimada deve-se à difusão no estado sólido. 
Para muitas cerâmicas, especialmente artigos de argila, 
são envolvidas reações adicionais a altas temperaturas. 
A água quimicamente combinada pode ser removida, 
diversas transformações de fase podem ocorrer, e fases 
substancialmente vítreas, como silicatos, podem ser for-
madas. Sinterização é o correspondente direto da me-
talurgia do pó. Esse assunto foi apresentado na Seção 
10.6. Os altos pontos de fusão das cerâmicas comuns 
tornam a sinterização uma técnica de processamento 
Figura 12.2 (a) Esquema da fundição por suspensão de cerâmicas. A suspensão é uma mistura de pó e água. (De F. H. Norton, 
Elements of Ceramics, 2. ed., Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Co., Inc., 1974.) (b) Grande parte da água é absorvida 
pelo molde poroso. A forma final precisa ser queimada em temperaturas elevadas para produzir uma peça estruturalmente 
forte. (De W. D. Kingery, H. K. Bowen e D. R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, 2. ed., Nova York: John Wiley & Sons, Inc., 1976.)
Suspensão
Partículas de
argila suspensas
Camadas fundidas Molde de
gesso de Paris
JH2O
(i) Molde montado (ii) Suspensão é 
 despejada no molde
(iii) Drenagem (iv) Corte (v) Remoção do molde
(a)
(b)
x
Capilares
Pm
Ps
12 shac1107_ch12.indd 284 5/30/08 3:26:24 PM
 CAPÍTULO 12 Cerâmicas e vidros • 285
largamente difundida. Assim como na metalurgia do 
pó, a compressão isostática a quente tem encontrando 
cada vez mais aplicações nas cerâmicas, especialmente 
fornecendo produtos totalmente densos com proprie-
dades mecânicas superiores. Os processos típicos de 
conformação do vidro são mostrados nas figuras 12.3 e 
12.4. A natureza viscosa do estado vitrificado desempe-
nha um papel fundamental nesse processamento (veja 
também a Seção 6.6). A devitrificação controlada (ou 
seja, a cristalização) leva à formação das vitrocerâmi-
cas. Esse tópico foi levantado anteriormente (veja as 
seções 10.6 e 12.3). O processamento por sol–gel está 
entre as novas tecnologias que se desenvolvem mais 
rapidamente para a fabricação de cerâmicas e vidros. 
Para as cerâmicas, o método resulta na formação de 
particulados uniformes e finos de alta pureza a tem-
peraturas relativamente baixas. Esses pós podem sub-
seqüentemente ser sinterizados até altas densidades 
com propriedades mecânicas relativamente boas. Nes-
sas técnicas, a característica essencial é a formação de 
uma solução organometálica. A fase ‘sol’ dispersada 
é, então, convertida para um ‘gel’ rígido que, por sua 
Tarugo
Molde
vazio
Molde
de
insuflação
Injeção
de ar
Pinça
Anel do
pescoço Ponta
Cabeça de
insuflação
Tarugo caindo
no molde vazio
Massa no
molde vazio
Insuflação para
baixo no molde vazio
Parison no molde
de insuflação
Resfriamento da
garrafa insuflada
Garrafa acabada
removida com pinça
Ar
Defletor
Insuflação invertida
no molde vazio
Molde de
insuflação invertido
Parison (forma temporária)
suspenso no anel do pescoço
reaquecido durante a transferência
Ar
Figura 12.3 A conformação de um recipiente de vidro requer controle cuidadoso da 
viscosidade do material em vários estágios. (De F. H. Norton, Elements of Ceramics, 2. ed., 
Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Co., Inc., 1974.)
12 shac1107_ch12.indd 285 5/30/08 3:26:24 PM
286 • Ciência dos materiais
vez, é reduzido para uma composição final por vários 
tratamentos térmicos. Uma vantagem importante do 
processo de sol–gel é que o produto formado inicial-
mente por essa rota de fase líquida pode ser cozido em 
temperaturas mais baixas, em comparação com as tem-
peraturas usadas nos processos cerâmicos convencio-
nais. A economia no custo final usando temperaturas 
de cozimento mais baixas pode ser significativa.
Tabela 12.8 Alguns dos principais métodos de processamento 
para cerâmicase vidros
Fundição por fusão
Fundição por suspensão
Sinterização
Compressão isostática a quente (HIP)
Conformação do vidro
Devitrificação controlada
Processo sol–gel
Processo biomitético
Síntese autopropagante em altas temperaturas (SHS)
Recentemente, os engenheiros de cerâmica obser-
varam que certos processos naturais de fabricação de 
cerâmica, como a formação de conchas do mar, to-
mam a rota de processamento em fase líquida para 
sua conclusão final. A Figura 12.5 ilustra a formação 
de uma concha de abalone que ocorre em um meio 
inteiramente aquoso em temperatura ambiente, sem 
qualquer etapa de cozimento. Recursos atraentes des-
sa biocerâmica natural, além da fabricação em condi-
ções ambientes de materiais prontamente disponíveis, 
incluem uma microestrutura final que é microgranu-
Figura 12.4 O alto grau de planicidade alcançado nas placas 
de vidro usadas na arquitetura moderna é o resultado do 
processamento flutuante do vidro, onde a camada de vidro 
é estirada através de um banho de estanho fundido. (De 
Engineered Materials Handbook, Ceramics and Glasses, Ohio: 
ASM International, vol. 4, 1991.)
Comporta Aquecedores Atmosfera
Vidro
Bico
RefratárioBlindagem
metálica
Estanho
Figura 12.5 (a) Um esquema da formação de uma concha de abalone. Podemos ver uma camada de madrepérola, 
composta de plaquetas de CaCO3 ligadas por moléculas orgânicas (proteínas e açúcares). A produção dessas 
estruturas resistentes à fratura por meios sintéticos é conhecida como processamento biomimético. [De A. 
Heuer e outros, Science, 255 1098–1105 (1992).] (b) Uma micrografia eletrônica de varredura da estrutura de 
plaquetas da madrepérola. (Cortesia de Mehmet Sarikaya, Universidade de Washington.)
Células de manto
Componentes insolúveis da matriz
Fase mineral (CaCO3)
Componentes solúveis da matriz
(a) (b)
12 shac1107_ch12.indd 286 5/30/08 3:26:25 PM
 CAPÍTULO 12 Cerâmicas e vidros • 287
lada com ausência de porosidade e microtrincas e 
uma alta resistência e tenacidade à fratura resultante. 
Essas biocerâmicas normalmente são produzidas em 
uma baixa taxa de crescimento a partir de um interva-
lo limitado de composições, normalmente carbonato 
de cálcio, fosfato de cálcio, sílica ou óxido de ferro.
Processamento biomimético é o nome dado às 
estratégias de fabricação para cerâmicas de enge-
nharia que imitam processos como aquele ilustrado 
na Figura 12.5 (ou seja, baixa temperatura, sínteses 
aquosas de óxidos, sulfetos e outras cerâmicas pela 
adaptação de princípios biológicos). Três aspectos 
fundamentais desse processo foram identificados: (1) 
a ocorrência dentro de microambientes específicos 
(implicando na estimulação da produção de cristais 
em certos sítios funcionais e na inibição do proces- 
so em outros sítios), (2) a produção de um mineral 
específico com tamanho e orientação cristalina defi-
nidos e (3) crescimento macroscópico pela união de 
muitas unidades incrementais (resultando em uma 
estrutura compósita ímpar e acomodando estágios 
posteriores de crescimento e restauração). Esse pro-
cesso natural ocorre para o osso e o esmalte dentá-
rio, além das conchas. Os processos biomiméticos em 
engenharia ainda não foram capazes de reproduzir o 
sofisticado nível de controle exibido nos materiais na-
turais. Mesmo assim, resultados promissores vieram 
de esforços nessa direção. Um exemplo simples é a 
adição de polímeros solúveis em água a misturas de 
cimento portland, reduzindo, assim, os estragos cau-
sados por ciclos de congelamento–descongelamento, 
inibindo o crescimento de grandes cristais de gelo. As 
partículas de cimento tipo cerâmica se assemelham 
ao tecido duro biológico. A adição de polímeros pode 
mudar as reações de endurecimento, microestrutura e 
propriedades de produtos de cimento da mesma for-
ma como os biopolímeros extracelulares contribuem 
para as propriedades de ossos e conchas. A pesquisa 
atual em processamento biomimético está centrada 
no controle da nucleação e no crescimento cristalino 
em cerâmicas avançadas, usando polímeros inorgâni-
cos e orgânicos, além de biopolímeros.
Uma última nota de importância com relação ao 
processamento biomimético é que um recurso atrati-
vo adicional da formação natural dos ossos e conchas 
é que ela representa o processamento em forma final 
(ou seja, o ‘produto’, uma vez formado, não exige uma 
operação de modelagem final). Grande parte do es-
forço nos últimos anos, tanto para metais quanto para 
cerâmicas projetadas, pode ser descrita como um pro-
cessamento em forma quase final, no qual o objetivo 
é minimizar qualquer operação de modelagem final. 
A conformação de superplástica das ligas metálicas e 
o processo sol–gel para cerâmicas e vidros são alguns 
exemplos. Ao contrário, os biominerais são formados 
como partes relativamente grandes e densas em um 
processo de ‘frente móvel’, em que unidades incre-
mentais definidas em uma matriz são mineralizadas 
seqüencialmente. A produção resultante em forma 
final de um material denso representa um nível ex-
cepcional de controle microestrutural.
Um último tipo de processamento de cerâmica, a 
síntese autopropagante em altas temperaturas (SHS), 
é ilustrado na Figura 12.6. Essa nova técnica envolve 
o uso do calor substancial liberado por certas reações 
químicas, uma vez iniciadas, para sustentar a reação 
e produzir o produto final. Por exemplo, a ignição de 
uma reação entre pó de titânio em uma atmosfera de 
nitrogênio gasoso produz uma quantidade inicial de 
nitreto de titânio [Ti(s) + 1/2 N2(g) = TiN(s)]. O calor 
liberado nessa reação altamente exotérmica pode ser 
suficiente para produzir uma onda de combustão que, 
através do pó de titânio restante, sustenta a reação e 
converte todo o titânio em TiN. Embora altas tempe-
raturas sejam envolvidas, a SHS compartilha a van-
tagem dos processos sol–gel e biomimético de tem-
peraturas relativamente baixas (ou seja, economia de 
energia, porque grande parte da alta temperatura na 
SHS vem das reações auto-sustentáveis). Além disso, 
a SHS é um processo simples que fornece materiais 
relativamente puros e a possibilidade de formação e 
densificação simultâneas do produto. Uma grande va-
riedade de materiais é formada dessa maneira. Esses 
materiais geralmente são produzidos em forma de pó, 
embora produtos densos possam ser formados pela 
subseqüente sinterização ou aplicação simultânea de 
operações de compressão ou fundição durante a com-
bustão. Além da formação de cerâmicas, compostos 
intermetálicos (por exemplo, TiNi) e compósitos po-
dem ser produzidos pela SHS.
Figura 12.6 A ignição no topo dessa pastilha de pó de Ti em uma 
atmosfera de N2 gasoso leva a uma reação auto-sustentável 
por toda a amostra e a completa conversão em TiN. A síntese 
autopropagante em altas temperaturas (SHS) é um exemplo 
das novas técnicas de processamento de materiais avançados. 
(Cortesia de Zuhair Munir, Universidade da Califórnia, Davis.)
12 shac1107_ch12.indd 287 5/30/08 3:26:26 PM
288 • Ciência dos materiais
EXEMPLO DE PROBLEMA 12.4
Na queima de 5 kg de caulinita, Al2(Si2O5)(OH)4, em 
um forno de laboratório para produzir uma cerâmi-
ca de aluminossilicato, quanto H2O é liberado?
SOLUÇÃO
Assim como no Exemplo de Problema 9.12, obser-
ve que
Al2(Si2O5)(OH)4 = Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O
e
Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O 
calor → Al2O3 · 2SiO2 + 2H2O ↑.
Então,
1 mol Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O = [2(26,98) + 3(16,00)] uma
 + 2[28,09 + 2(16,00)] uma
 + 2[2(1,008) + 16,00] uma
 = 258,2 uma,
e
2 mol H2O = 2[2(1,008) + 16,00] uma = 36,03 uma.
Como resultado, a massa de H2O liberada será
mH2O = 
36 03
258 2
,
,
uma
uma
 × 5 kg = 0,698 kg = 698 g.
EXEMPLO DE PROBLEMA 12.5
Suponha que a garrafa de vidro produzida na Fi-
gura 12.3 seja conformada a uma temperatura de 
680 °C com uma viscosidadede 107 P. Se a energia 
de ativação para a deformação viscosa para o vidro 
for de 460 kJ/mol, calcule o intervalo de recozimen-
to para esse produto.
SOLUÇÃO
Seguindo os métodos descritos na Seção 6.6, temos 
uma aplicação para a Equação 6.20:
η = η0e+Q/RT.
Para 680 °C = 953 K,
107 P = η0e+(460×10
3 J/mol)/[8,314 J/(mol·K)](953 K), 
ou
η0 = 6,11 × 10–19 P.
Para o intervalo de recozimento, η = 1012,5 a 1013,5 P. 
Para η = 1012,5 P,
T
J/mol
J/(mol K)
= ×
⋅
460 10
8 314 10 6
3
12 5[ , ]ln( /, ,, )11 10 19× −
 = 782 K = 509 °C.
Para η = 1013,5 P,
T
J/mol
J/(mol K)
= ×
⋅
460 10
8 314 10 6
3
13 5[ , ]ln( /, ,, )11 10 19× −
 = 758 K = 485 °C.
Portanto,
intervalo de recozimento = 485 °C a 509 °C.
PROBLEMA PRÁTICO 12.4
Expandindo a operação de queima em laboratório do 
Exemplo de Problema 12.4 para um nível de produ-
ção, 6,05 × 103 kg de caulinita são queimados. Quanto 
de H2O é liberado nesse caso?
PROBLEMA PRÁTICO 12.5
Para a produção da garrafa de vidro descrita no 
Exemplo de Problema 12.5, calcule o intervalo de fu-
são para esse processo de manufatura.
• RESUMO •
Cerâmicas e vidros representam uma família di-
versificada de materiais da engenharia. O termo ce-
râmicas é associado a materiais predominantemente 
cristalinos. Silicatos são exemplos abundantes e eco-
nômicos usados em diversos produtos de consumo 
e industriais. Os óxidos de não-silicatos, como MgO, 
são bastante usados como refratários, combustíveis 
nucleares e materiais eletrônicos. A PSZ é uma das 
principais candidatas para componentes de motores 
para altas temperaturas. Cerâmicas de não-óxidos in-
cluem o nitreto de silício, outro candidato para com-
ponentes de motores.
Vidros são sólidos não-cristalinos quimicamen-
te semelhantes às cerâmicas cristalinas. A categoria 
predominante é a dos silicatos, que inclui materiais 
desde a cara sílica vítrea de alta temperatura até o 
vidro de janela de sílica de cal de soda comum. Cama-
das de vidro protetoras e decorativas nas cerâmicas e 
metais são chamadas de esmaltes e vernizes. Muitos 
vidros de silicatos contêm quantidades substanciais 
de outros componentes óxidos, embora exista pouco 
uso comercial para vidros de óxidos de não-silicato. 
Alguns vidros de não-óxidos têm encontrado aplica-
ções comerciais (por exemplo, vidros de calcogenetos 
como semicondutores amorfos).
As vitrocerâmicas são produtos distintos que, 
inicialmente, são processados como vidros e, de-
pois, cristalizados cuidadosamente para formar um 
12 shac1107_ch12.indd 288 5/30/08 3:26:27 PM
 CAPÍTULO 12 Cerâmicas e vidros • 289
material cerâmico denso, microgranulado, com ex-
celentes resistências mecânica e a choque térmico. 
A maioria das vitrocerâmicas comerciais está no 
sistema Li2O–Al2O3–SiO2, caracterizado por com-
postos com coeficientes de expansão térmica ex-
cepcionalmente baixos.
As cerâmicas podem ser conformadas por fundição 
por fusão, semelhante à fundição de metal. A fundição 
por suspensão é mais comum. A suspensão é uma mis-
tura de argila e água queimada em um processo seme-
lhante à metalurgia do pó. Esse processo altamente em 
estado sólido geralmente é muito menos dispendioso 
do que a fundição por fusão, que, para determinado 
material, precisa ser feita em temperaturas substan-
cialmente mais altas. Sinterização e HIP são direta-
mente análogas aos métodos de metalurgia do pó. A 
conformação de vidro envolve o cuidadoso controle da 
viscosidade do silicato líquido super-resfriado. Vitro-
cerâmicas exigem a etapa adicional de desvitrificação 
controlada para formar um produto microgranulado 
totalmente cristalino. O processo sol–gel é um método 
para fabricar cerâmicas, vidros e vitrocerâmicas come-
çando com uma rota sol (solução líquida). O processa-
mento biomimético, que imita os processos naturais de 
fabricação, faz uso de uma rota com uma fase líquida 
para a produção econômica de produtos superiores. A 
SHS usa o calor desenvolvido por certas reações quí-
micas para produzir a cerâmica resultante. O processo 
de economia de energia gera produtos baratos com 
alta pureza.
• PRINCIPAIS TERMOS •
argila (278)
cerâmica cristalina (277)
cerâmica de não-óxidos (280)
cerâmica de óxido de não-silicato 
(278)
cerâmica eletrônica (278)
cerâmica magnética (278)
cerâmica nuclear (278)
conformação do vidro (285)
devitrificação controlada (285)
esmalte (281)
formador de rede (281)
fundição por fusão (283)
fundição por suspensão (284)
intermediário (281)
louça branca (278)
modificador de rede (281)
óxido puro (278)
processamento biomimético (287)
processamento em forma final (287)
processamento em forma quase fi-
nal (287)
processamento por sol–gel (285)
queima (284)
recipiente de vidro (281)
refratário (278)
sílica vítrea (281)
silicato (277)
síntese autopropagante em altas 
temperaturas (SHS) (287)
verniz (281)
vidro (280)
vidro de borossilicato (281)
vidro de janela (281)
vidro de não-silicato (282)
vidro de sílica de cal de soda (281)
vidro de silicato (280)
vidro-E (281)
vitrocerâmica (282)
zircônia parcialmente estabilizada 
(278)
• REFERÊNCIAS •
Chiang, Y; Birnie iii, DP; KingerY, WD. Physical Ce-
ramics, Nova York: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
Doremus, RH. Glass Science, 2. ed. Nova York: John 
Wiley & Sons, Inc., 1994.
Engineered Materials Handbook, Ceramics and Glas-
ses, Ohio: ASM International, vol. 4, 1991.
reeD, JS. Principles of Ceramic Processing, 2. ed. 
Nova York: John Wiley & Sons, Inc., 1995.
• PROBLEMAS •
12.1 • Cerâmicas – materiais cristalinos
12.1. Conforme indicamos na discussão referente ao 
diagrama de fases do sistema Al2O3–SiO2 (Figu-
ra 9.23), uma mulita rica em alumina é desejável 
para garantir um produto mais refratário (resis-
tente à temperatura). Calcule a composição de 
um refratário feito acrescentando-se 2,5 kg de 
Al2O3 a 100 kg de mulita estequiométrica.
12.2. Um refratário de argila de composição simples 
pode ser produzido pelo aquecimento da cau-
linita bruta, Al2(Si2O5)(OH)4, liberando a água 
de hidratação. Calcule a composição (com base 
em percentual em peso) para o refratário resul-
tante. (Observe que esse processo foi apresen-
tado no Exemplo de Problema 9.12 em relação 
ao diagrama de fases do sistema Al2O3–SiO2.)
12.3. Usando os resultados do Problema 12.2 e o 
Exemplo de Problema 9.12, calcule o percen-
tual em peso de SiO2 e de mulita presente na 
microestrutura final de um refratário de argila 
fabricado pelo aquecimento da caulinita.
12 shac1107_ch12.indd 289 6/2/08 5:47:45 PM
290 • Ciência dos materiais
12.4. Estime a densidade de (a) uma PSZ (com 
4% p CaO) como uma média ponderada das 
densidades do ZrO2 (= 5,60 × 106 g/m3) e CaO 
(= 3,35 × 106 g/m3) e (b) uma zircônia totalmen-
te estabilizada com 8% p CaO.
12.5. O motivo principal para introduzir componen-
tes cerâmicos em projetos de motores de auto-
móvel é a possibilidade de maiores temperatu-
ras de operação e, portanto, maior eficiência. 
No entanto, um subproduto dessa substituição 
é a redução de massa. Para o caso de 2 kg de 
ferro fundido (densidade = 7,15 × 106 g/m3) se-
rem substituídos por um volume equivalente de 
PSZ (densidade = 5,50 × 106 g/m3), calcule a re-
dução de massa.
12.6. Calcule a redução de massa obtida se o nitreto 
de silício (densidade = 3,18 × 106 g/m3) for usa-
do no lugar de 2 kg de ferro fundido (densidade 
= 7,15 × 106 g/m3).
12.2 • Vidros – materiais não-cristalinos
12.7. Uma fórmula de lote para um vidro de janela 
contém 400 kg Na2CO3, 300 kg CaCO3 e 1.300 
kg SiO2. Calcule a fórmula do vidro resultante.
12.8. Para o vidro de janela do Problema 12.7, cal-
cule a fórmula do vidro se o lote for suplemen-
tado por 100 kg de feldspato sódico (anortita), 
Ca(Al2Si2)O8.
12.9. Um substituto econômico para a sílicavítrea é 
um vidro de alta sílica feito pela lixiviação da 
fase rica em B2O3 de um vidro de borossilicato 
bifásico. (A microestrutura porosa resultante é 
densificada por aquecimento.) Uma composi-
ção inicial típica tem 81% p SiO2, 4% p Na2O, 
2% p Al2O3 e 13% p B2O3. Uma composição 
final típica tem 96% p SiO2, 1% p Al2O3 e 3% 
p B2O3. Quanto de produto (em quilogramas) 
seria produzido por 100 kg de material inicial, 
supondo que nenhum SiO2 seja perdido pela li-
xiviação?
12.10. Quanto B2O3 (em quilogramas) é removido 
pela lixiviação no processo de manufatura de 
vidro descrito no Problema 12.9?
12.11. Um novo material eletrônico envolve a disper-
são de pequenas partículas de silício em uma 
matriz de vidro. Esses pontos quânticos serão 
discutidos na Seção 17.5. Se 4,85 × 1016 partícu-
las de Si são dispersadas por mm3 de vidro cor- 
respondendo a um conteúdo total de 5% p, 
calcule o tamanho de partícula médio dos pon-
tos quânticos. (Considere partículas esféricas e 
observe que a densidade da matriz de vidro de 
silicato é de 2,60 × 106 g/m3.)
12.12. Calcule a distância de separação média entre 
os centros de partículas de Si adjacentes no 
material com os pontos quânticos do Problema 
12.11. (Para simplificar, considere uma matriz 
cúbica simples de partículas dispersas.)
12.3 • Vitrocerâmicas
12.13. Supondo que TiO2 em uma vitrocerâmica de 
Li2O–Al2O3–SiO2 esteja distribuído uniforme-
mente com uma dispersão de 1012 partículas por 
milímetro cúbico e uma quantidade total de 6% p, 
qual é o tamanho médio das partículas de TiO2? 
(Considere partículas esféricas. A densidade da 
vitrocerâmica é 2,85 × 106 g/m3 e a densidade do 
TiO2 é 4,26 × 106 g/m3.)
12.14. Repita o Problema 12.13 para uma dispersão 
de 3% p de P2O5 com uma concentração de 10
12 
partículas por milímetro cúbico. (A densidade 
do P2O5 é de 2,39 × 106 g/m3.)
12.15. Qual é a porcentagem do volume total de TiO2 
na vitrocerâmica descrita no Problema 12.13?
12.16. Qual é a porcentagem do volume total de P2O5 
na vitrocerâmica descrita no Problema 12.14?
12.17. Calcule a distância de separação média entre 
os centros de partículas adjacentes de TiO2 na 
vitrocerâmica descrita nos problemas 12.13 e 
12.15. (Observe o Problema 12.12.)
12.18. Calcule a distância de separação média entre 
os centros de partículas adjacentes de P2O5 na 
vitrocerâmica descrita nos problemas 12.14 e 
12.16. (Observe o Problema 12.12.)
12.4 • Processamento de cerâmicas e vidros
12.19. Para a cerâmica no Exemplo de Problema 12.4, 
use o diagrama de fases do sistema Al2O3–SiO2 
do Capítulo 9 para determinar a temperatura 
de queima máxima que impede a formação de 
um líquido rico em sílica.
12.20. Como sua resposta ao Problema 12.19 mudaria 
se a cerâmica queimada fosse composta de duas 
partes de Al2O3 em combinação com uma parte 
de caulinita?
12.21. Para simplificar os cálculos de processamen-
to, a temperatura de modelagem da garrafa 
de vidro na Figura 12.3 pode ser considerada 
12 shac1107_ch12.indd 290 5/30/08 3:26:27 PM
 CAPÍTULO 12 Cerâmicas e vidros • 291
o ponto de amolecimento (em que η = 107,6 P), 
e a temperatura de recozimento subseqüente 
pode ser considerada o ponto de recozimento 
(em que η = 1013,4 P). Se a seqüência de pro-
cessamento da garrafa de vidro da Figura 12.3 
envolver uma temperatura de modelagem de 
700 °C para um vidro com uma energia de ati-
vação para a deformação viscosa de 475 kJ/
mol, calcule a temperatura de recozimento 
apropriada.
12.22. Usando a técnica do Problema 12.21, considere 
que uma mudança nos fornecedores de matéria- 
prima altere a composição do vidro, reduzindo, 
assim, o ponto de amolecimento para 690 °C e a 
energia de ativação para 470 kJ/mol. Recalcule 
a temperatura de recozimento apropriada.
12.23. Quantos gramas de N2 gasoso são consumidos 
na formação de 100 g de TiN pela SHS?
12.24. Quantos gramas de pó de Ti foram exigidos ini-
cialmente no processo SHS do Problema 12.23?
 12.25. Usando os dados sobre módulo de elastici-
dade e resistência (módulo de ruptura) na Ta-
bela 6.5, selecione a cerâmica sinterizada que 
atenderia às especificações de projeto para uma 
aplicação como refratário de forno:
 módulo de elasticidade, E: < 350 × 103 MPa
 e
 módulo de ruptura, MOR: > 125 MPa.
 12.26. Repita o exercício de seleção de materiais 
do Problema 12.25 para qualquer uma das ce-
râmicas e vidros da Tabela 6.5 produzidos por 
qualquer técnica de processamento, incluindo 
compressão a quente e conformação de vidro.
 12.27. No projeto de uma bucha de TiN para uma 
aplicação aeroespacial, o engenheiro de projeto 
determina que a peça deverá ter uma massa de 
78 g. De quanto pó de Ti inicial ele precisaria a 
fim de produzir essa peça pela SHS? (Observe 
também o Problema 12.24.)
 12.28. Quanto nitrogênio gasoso é consumido na 
produção da bucha de TiN do Problema 12.27 
pela SHS?
 12.29. A bucha de TiN do Problema 12.27 precisa 
ser redesenhada com uma massa resultante de 
97 g. Quanto pó de Ti inicial seria exigido nesse 
caso?
 12.30. Quanto nitrogênio gasoso seria consumido na 
produção da bucha de TiN do Problema 12.29?
12 shac1107_ch12.indd 291 5/30/08 3:26:27 PM
 Respostas dos problemas práticos (PP) e problemas ímpares • 539
 10.11 (a) 100% bainita, (b) > 90% martensita, 
restante austenita retida
 10.13 (b) ≈ 710° C, (c) perlita grossa
 10.15 (b) ≈ 225° C, (c) martensita
 10.19 100% perlita fina
 10.23 (a) > ≈ 10° C/s (a 700° C), (b) < ≈ 10° C/s (a 
700° C)
 10.25 84,6% de aumento
 10.27 Rockwell C53
 10.31 Ligas 4340 e 9840
 10.33 (a) 23,5%, (b) fase 
 10.35 ≈ 400° C
 10.37 93,8 kJ/mol
 10.39 Não
 10.41 36% CW
 10.43 209 kJ/mol
 10.45 (a) 503° C, (b) 448° C, (c) 521° C
 10.47 475 kJ/mol
 10.49 59,9 kJ/mol
Capítulo 11
 PP 11.1 NC = 13.851, NMn
 = 668, NSi
 = 3225, NP
 = 189, 
NS
 = 183
 PP 11.2 2,75 x 106 g/m3 (Al 3003), 2,91 x 106 g/m3 
(Al 2048)
 PP 11.3 (a) 34 <% Ni < 79, (b) Liga 34% Ni
 PP 11.4 (a) 63%, (b) 86%
 11.1 (a) 7,85 × 106 g/m3 , (b) 99,7%
 11.3 9,82 × 106 g/m3
 11.5 6,72 × 106 g/m3
 11.7 (a) 5,94%, (b) 4.455 kg
 11.9 332 kg
 11.11 10,1 × 106 g/m3
 11.13 (a) 450 MPa, (b) 8%
Capítulo 12
 PP 12.1 0,717
 PP 12.2 14,8% p Na2O, 9,4% p CaO, 1,1% p Al2O3, 
74,7% pSiO2
 PP 12.3 77,1% mol SiO2, 8,4% mol Li2O, 9,8% mol 
Al2O3, 4,7% mol TiO2
 PP 12.4 845 kg
 PP 12.5 876° C a 934° C
 12.1 72,5% p Al2O3
 , 27,5% p SiO2
 12.3 36,1% p SiO2
 , 63,9% p mulita
 12.5 0,462 kg
 12.7 13,7% p Na2O, 9,9% p CaO, 76,4% p SiO2
 12.9 84,4 kg
 12.11 1,30 nm
 12.13 0,0425 m
 12.15 4,0% vol
 12.17 0,100 m
 12.19 1.587° C
 12.21 520° C
 12.23 22,6 g
 12.25 Berília sinterizada 
 12.27 60,3 g
 12.29 75,0 g
Capítulo 13
 PP 13.1 400
 PP 13.2 (a) 0,243% p, (b) 0,121% p
 PP 13.3 69,0% mol etileno, 31,0% mol cloreto de 
vinila
 PP 13.4 833
 PP 13.5 (a) 15,5%, (b) 33,3%
 PP 13.6 3,76 × 1023
 PP 13.7 25,1% p A, 25,6% p B, 49,3% p S
 PP 13.8 84.100 uma
 PP 13.9 3,37 g
 PP 13.10 0,701 fluoreto de vinilideno, 0,299 hexafluo- 
 ropropileno
 PP 13.11 1,49 × 106 g/m3
 PP 13.12 866
 13.1 21.040 uma
 13.3 1,35 g
 13.5 19,8% p
 13.7 34.060 uma
 13.9 612
 13.11 0,690
 13.13 80,5 nm
 13.15 152 nm
 13.17 (a) 50.010 uma, (b) 4,87 nm, (c) 126 nm
 13.19 393
 13.21 (b) 226,3 uma
 13.23 296 kg
 13.25 4,52 × 1025 uma
 13.27 0,0426
 13.29 (a) 43,5% p, (b) 1,46 Mg/m3
 13.31 45,9%
29 shac1107_RESPOSTAS.indd 539 6/2/08 6:05:28 PM
	Ciência dos materiais null
	Sumário null
	1 Materiais para engenharia null
	Parte I Os Fundamentos null
	2 Ligação atômica null
	3 Estrutura cristalina perfeição null
	4 Defeitos do cristal e estrutura não cristalina Imperfeição null
	5 Difusão null
	6 Comportamento mecânico null
	7 Comportamentotérmico null
	8 Análise e prevenção de falhas null
	9 Diagramas de fases desenvolvimento de microestruturas em equilíbrio null
	10 Cinética tratamento térmico null
	Parte II Os materiais estruturais null
	11 Metais null
	12 Cerâmicas e vidros null
	13 Polímeros null
	14 Compósitos null
	Parte III Os materiais eletrônicos, ópticos e magnéticos null
	15 Comportamento elétrico null
	16 Comportamento óptico null
	17 Materiais semicondutores null
	18 Materiais magnéticos null
	Parte IV Materiais em projetos de engenharia null
	19 Degradação ambiental null
	20 Seleção de materiais null
	Apêndice 1: Dados físicos e químicos para os elementos null
	Apêndice 2: Raios atômicos e iônicos dos elementos null
	Apêndice 3: Constantes e fatores de conversão null
	Apêndice 4: Propriedades dos materiais estruturais null
	Apêndice 5: Propriedades dos materiais eletrônicos, ópticos e magnéticos null
	Apêndice 6: Localizador de caracterização de materiais null
	Apêndice 7: Constantes e fatores de conversão null
	Glossário null
	Respostas dos problemas práticos (PP) e problemas ímpares null
	Índice Remissivo null
	Sobre o Autor null