Lista_de_exerccios materiais ceramicos

Prévia do material em texto

LISTA DE EXERCÍCIOS 
 
1) Calcule os percentuais de caráter iônico das ligações interatômicas nos compostos 
Al2O3, Si3O4 e SiC e defina qual composto tem maior ponto de fusão, maior resistência 
mecânica e maior dureza. 
 
 
2- Calcule a força de atração entre um íon K
+
 e um íon O
2-
 cujos centros encontram-se 
separados por uma distância de 1,5 nm. 
 
3- Sabe-se que para o par iônico Na
+ 
- F
-
 as energias atrativas e repulsivas EA e ER 
dependem da distância entre os íons, determine matematicamente os valores de r e E, 
sabendo-se que: A = 0,81; B = 5,4 x10
-8
; n = 10. 
 
4- A célula unitária para o Al2O3 possui simetria hexagonal com os seguintes 
parâmetros de rede cristalina: a = 0,4759 nm e c = 1,2989 nm. Se a densidade desse 
material é de 3,99 g/cm3, calcule o seu fator de empacotamento atômico. 
Dados: rAl3+ = 0,053 nm; rO2- = 0,140 nm; PAAl = 27 g/mol; PAO = 16,0 g/mol; NA = 
6,022x1023 unidade de formula/mol; ρ = n’ (ΣAC + ΣAA) / (VCNA); VC = (Área x 
Altura); FEI = volume dos átomos em uma célula unitária / volume total da célula 
unitária. 
 
5- Usando os dados a seguir, que se relacionam à formação de defeitos de Schottky em 
alguns óxidos cerâmicos (com fórmula química MO), determine o seguinte: 
a) A energia para a formação de defeitos (em eV) 
b) O número de defeitos de Schottky em equilíbrio, por metro cúbico, em 1000°C. 
 
 
6) a) Qual a principal diferença que existe entre a estrutura cristalina de um produto 
cerâmico cristalino (tijolos) e um produto cerâmico não cristalino (vidro)? 
b) Por que os materiais cerâmicos cristalinos geralmente não podem ser fabricados 
como os materiais metálicos? 
 
7) Suponha que determinados átomos intersticiais se movam de um sítio para outro a 
taxas de 5x10
8
 saltos/s a 500 °C e 8x10
10
 saltos/s a 800 °C. Calcule a energia de 
ativação para o processo. 
 
8) Descreva e dê exemplos de compostos cerâmicos dos seguintes tipos: 
a) Compostos cerâmicos do tipo AX; 
b) Compostos cerâmicos do tipo AmXp; 
c) Compostos cerâmicos do tipo AmBnXp. 
 
9) Quais são os tipos de defeitos que podem ser encontrados nas estruturas dos materiais 
cerâmicos? Como esses defeitos podem influenciar nas suas propriedades físicas, 
mecânicas e tecnológicas? 
 
10) Calcule o fator da compactação atômica para a estrutura cristalina cúbica do 
diamante (Figura abaixo). Suponha que os átomos de ligação se tocam uns nos outros, 
que o ângulo entre ligações adjacentes é de 109,5
0 
e que cada átomo no interior da 
célula unitária está posicionado a a/4 da distância para as duas faces da célula mais 
próximas (a representa o comprimento da aresta da célula unitária). Dado: a = 4ysen. 
 
 
 
11) Suponha que o CaCl2 seja adicionado ao CaO como uma impureza. Se os íons de 
Cl
-
 substituem os O
2-
, seria esperada a formação de qual tipo de lacuna? Quantas dessas 
lacunas são criadas para cada íon Cl
-
 adicionado? 
 
12) Para o sistema ZrO2-CaO escreva todas as reações invariantes para o resfriamento. 
 
 
13) Uma zircônia parcialmente estabilizada é composta de 4% p de CaO. Esse produto 
contém um pouco de fase monoclínica junto com a fase cúbica, que é a base da zircônia 
totalmente estabilizada. Estime o percentual molar de cada fase presente na temperatura 
ambiente. 
 
14) a) Para o sistema SiO2-Al2O3, qual é a temperatura máxima que é possível sem a 
formação de uma fase líquida. b) Em qual composição ou para qual faixa de 
composições essa temperatura máxima será atingida? 
 
 
15) Para o sistema CaO-Al2O3 escreva todas as reações invariantes para o resfriamento. 
 
16) O diagrama MgO – Al2O3 possui o espinélio como fase intermediária. 
Responda? 
a) Qual a composição molar do espinélio, quando sua composição é exatamente 
MgAl2O4? 
b) Para uma liga com 30% em peso de Al2O3, quais as fases presentes em 1600ºC? 
c) Qual a composição em peso de cada fase presente nas condições apontadas no item 
anterior? 
d) Qual a composição em peso de cada fase presente em 1600ºC em uma liga de 
composição 90% em peso de Al2O3? 
e) Qual a quantidade da fase MgO presente na liga do item b e a quantidade da fase 
Al2O3 do item d? 
 
 
17) Para o sistema abaixo, responda: 
a) Qual o campo de cristalização do ponto M? 
b) Qual o triângulo de compatibilidade que o ponto M pertence e qual é o ponto 
invariante deste triangulo? 
c) Descreva a cristalização, em termos de quantidade de fases, do ponto M. 
 
 
 
18) Descreva a cristalização de um líquido M com 23% CST + 62% CS + 15% CAS2. 
Onde: CS = volastonita (CaO.SiO2); CAS2 = anortita (CaO.Al2O3.2SiO2); CST= esfena 
(CaO.SiO2.TiO2) 
 
 
 
 
19) Considerando o diagrama de fases SiO2 – Al2O3 como você explicaria o aumento da 
resistência à álcalis e o aumento da sensibilidade à álcalis em materiais refratários a 
base de alumina e sílica. 
 
 
 
20) Considerando o diagrama abaixo como você explicaria a corrosão existente em 
tijolos refratários de sílica, quando usados em alto-fornos. 
 
 
 
21) Considerando o diagrama abaixo como você explicaria a atuação do feldspato como 
fundente em revestimentos cerâmicos. 
 
 
 
22) Considerando o diagrama explique o que ocorre com os argilominerais (caulinita e 
montmorilonita) durante o aquecimento. 
 
 
 
23) Um ensaio de flexão em três pontos foi realizado com uma amostra de óxido de 
alumínio com seção transversal circular de 3,5 mm de raio. O corpo de provas fraturou 
sob uma carga de 950 N quando a distância entre os pontos de apoio era de 50 mm. 
Outro ensaio deve ser realizado em uma amostra desse mesmo material, porém com 
seção transversal quadrada com 12 mm de comprimento de aresta. Sob qual carga seria 
esperada a fratura dessa amostra se a separação entre os pontos de apoio é de 40 mm? 
 
24) a) Cite os principais fatores de processamento que podem influenciar na porosidade. 
b) Por que em cerâmicas frágeis o comportamento tensão-deformação não é em geral 
avaliado por ensaio de tração? Quais os ensaios mais utilizados? 
c) Os metais em geral apresentam condutividade térmica maior que as cerâmicas. Isto 
está relacionado à quais mecanismos de transporte de calor. 
 
25) Relacione as principais propriedades dos cerâmicas com a sua densidade e a sua 
porosidade. 
 
26) Defina porosidade aberta em materiais cerâmicos. Cite dois métodos utilizados para 
determinar a densidade de materiais cerâmicos. 
 
27) Uma amostra de solo foi deixada para secar ao ar, até que fosse atingida sua 
umidade higroscópica (umidade em equilíbrio com o ambiente). Foi retirada uma 
alíquota de 60 g para a execução do ensaio de densidade relativa. Os seguintes dados 
foram obtidos: massa do picnômetro + água = 620,47 g e massa do picnômetro + água + 
solo = 656,59 g. O ensaio foi realizado a temperatura de 20º C, para a qual a massa 
específica da água é 0,9982 g/cm
3
. Pede-se: a densidade relativa do solo. 
 
28) O diagrama tensão x deformação mostrado na figura refere-se a um material 
cerâmico. Determine o alongamento de uma barra com 3 pés de comprimento e área de 
seção transversal de 0,875 pol
2
 se ela é fabricada com este material e submetida a uma 
carga axial de 2,5 kip. Calcule o Módulo de Tenacidade se o material cerâmico vai a 
ruptura sob a tensão de 3 ksi. 
 
 
 
29) Uma barra de material homogêneo e isotrópico tem 500mm de comprimento e 16 
mm de diâmetro. Sob a ação da carga axial de 12 kN, o seu comprimento aumenta de 
300μm e seu diâmetro se reduz de 2,4μm. Determinar o coeficiente de Poisson do 
material. 
 
30) Compare o módulo de elasticidade deum material cerâmico com o de um material 
metálico e comente com essa diferença influencia nas suas propriedades mecânicas. 
 
31) Uma garrafa de vidro é conformada a uma temperatura de 800 
o
C com uma 
viscosidade de 10
7
 P, se sua energia de ativação para a conformação viscosa for de 460 
KJ/mol, calcule o intervalo de amolecimento para esse produto. 
 
 
 
32) Como pode ser produzido o vidro temperado? Justifique sua resposta com base na 
figura abaixo. 
 
 
33) Um reator de paredes planas foi construído em aço inox, com formato cúbico e área 
de 24 m
2
. A temperatura no interior do reator é 600 
o
C e o coeficiente de película 
interno é 45 kcal/h.m
2
.
o
C. Devido ao alto fluxo de calor, deseja-se isola-lo com lã de 
rocha (k = 0,05 kcal/h.m.
o
C). Considerando desprezível a resistência térmica da parede 
de aço inox e que o ar ambiente está a 20 
o
C e tem um coeficiente de película 5 
kcal/h.m
2
.
o
C, calcular a redução (em %) do fluxo de calor após o isolamento. 
 
34) A parede interna de um forno é composta com tijolos refratários (k = 0,3 
Btu/h.ft.
o
F) e parede externa é composta por um material isolantes (k = 0,05 Btu/h.ft.
o
F 
). A temperatura da face interna do refratário é 1600 
o
F e a da face externa do isolante é 
80 
o
F. A parede do forno tem formato de prisma retangular com comprimento de 8,0 ft, 
largura de 4,5 ft e altura de 5,0 ft. A espessura total da parede é 1,3 ft. Considerando 
uma perda de calor de 36000 Btu/h apenas pelas paredes laterais, pede-se : 
a) a espessura do isolante e do refratário que compõem a parede; 
b) colocando-se uma janela de inspeção circular de 0,5 ft de diâmetro, feita com vidro 
refratário de 6" de espessura ( k = 0,65 Btu/h.ft.oF ) em uma das paredes do forno, 
determinar o novo fluxo de calor 
c) qual deveria ser a espessura dos tijolos isolantes, no caso do item anterior, para que o 
fluxo de calor fosse mantido em 36000 Btu/h. 
 
35) a) Cite os fatores químicos e mecânicos que influenciam nas propriedades dos 
refratários. 
b) Para uma dada combinação refratário/escória como a velocidade de corrosão pode ser 
diminuída? 
c) Cite as principais matérias-primas naturais e sintéticas para produção de refratários. 
d) Descreva sobre a classificação dos refratários. 
e) Cite os mecanismos indutores de tensões nos refratários. 
 
36) a) Sabendo-se que a formula química da mulita é 3Al2O3.2SiO2, calcule a fração em 
peso do Al2O3 em um refratário de mulita. b) Calcule a massa de água que é eliminada 
de 5 kg de bauxita (Al2O3.2SiO2.2H2O), quando a mesma é submetida a uma 
temperatura elevada. 
. 
37) Os diagramas de Weibull, para dois corpos de prova laboratoriais (CP1 e CP2) estão 
mostrados abaixo. Se σ1 e σ2 representarem as tensões suportadas pelos corpos de prova 
laboratoriais dos dois materiais, de quanto deverão ser alteradas as respectivas tensões 
se o volume dos componentes reais de cada material forem 10x maiores do que os dos 
corpos de provas laboratoriais? 
 
 
38) Para que a prensagem uniaxial de um compacto cilíndrico cerâmico (com a razão 
H/D igual a 0,8) produza uma boa compactação, é necessária a aplicação de uma 
pressão axial média (transmitida a uma profundidade H) igual a 40 MPa. Considerando 
que Kh/v = 0,39 para os grânulos e que f = 0,26 para o atrito com a parede da matriz, 
qual seria o valor necessário para a pressão média Pa aplicada? 
 
39) Um alto valor para a razão de compactação RC implica num longo percurso do 
pistão e numa grande quantidade de ar na peça compactada. Certos grânulos de alumina 
produzidos por “spray drying” apresentam uma densidade após a prensagem de 53% e 
uma densidade de preenchimento da matriz de 27%. Seriam esses grânulos apropriados 
para processamento cerâmico? 
 
40) Faça um texto sucinto sobre os seguintes temas: 
a) Cerâmicas tradicionais: principais matérias-primas, propriedades, processamento e 
aplicações. 
b) Cerâmicas avançadas: principais matérias-primas, propriedades, processamento e 
aplicações. 
c) Materiais cimenticios (Cimento Portland): produção, composição, processo de 
hidratação e propriedades do concreto fresco e endurecido. 
 
41) A resistência à fratura para de uma cerâmica pode ser aumentada mediante o ataque 
químico para remoção de uma fina película superficial. Acredita-se que o ataque 
químico pode alterar a geometria da trinca de superfície (isto é, reduzir o comprimento 
da trinca e aumentar o raio da sua extremidade). Calcule a razão entre os raios da 
extremidade original e após o ataque químico para um aumento de oito vezes na 
resistência à fratura, se dois terços do comprimento da trinca forem removidos. 
 
42) É necessário selecionar um material cerâmico avançado para ser submetido a tensão 
usando um esquema de carga em três pontos. A amostra deve ter uma seção reta circular 
com raio de 2,5 mm e não deve experimentar uma deflexão superior a 6,2 x 10
-2
 mm no 
seu centro, quando uma carga de 275 N for aplicada. Se a distância entre os pontos de 
suporte é de 45 mm alguns dos materiais listados abaixo são possíveis candidatos? 
Explique.