Materiais cerâmicos

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Profa.: Camila Fukuda 
Materiais Cerâmicos 
 
 
 
 
- Definição, características e usos 
2 
3 
 Compostos entre elementos 
metálicos e não-metálicos 
(óxidos, nitretos e carbetos) 
 Isolantes à passagem de 
eletricidade e de calor, mais 
resistentes a altas 
temperaturas. 
 Apresentam baixa densidade. 
 Podem existir no estado 
cristalino ou vítreo (amorfo). 
Cerâmicas – características gerais 
ALUMINA
4 
 Com relação ao comportamento 
mecânico, cerâmicas são duras e 
muito frágeis. 
 
 Argilas, cimento, abrasivos, 
ferramentas de corte e vidro. 
 
 Matéria prima de custo 
relativamente baixo 
Cerâmicas – características gerais 
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Cerâmicas – características gerais 
 Forma-se com átomos de diferentes 
eletronegatividades (um alta e outro baixa). 
 Os elétrons de valência são “transferidos” entre 
átomos produzindo íons. 
 A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua. 
 A ligação é forte, por isso o PF dos materiais com esse 
tipo de ligação é geralmente alto. 
 
Como conseqüência da ligação ser predominantemente 
iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas 
por íons carregados eletricamente (CÁTIONS E ÂNIONS) 
6 
Cerâmicas – classificação geral 
 Cerâmicas tradicionais 
barro, argila, porcelanas, tijolos, ladrilhos e vidros. 
 
 Cerâmicas avançadas 
Utilizadas em inúmeras aplicações tecnológicas tais como 
encapsulamento de chips, isolamento térmico do ônibus 
espacial, revestimento de peças, fibras óticas, etc... 
Ônibus espacial: superfície atinge 
temperaturas superiores a 1000°C. 
Proteção térmica com placas cerâmicas 
com fibras de quartzo. (10s após sua 
retirada de um forno de 1260°C é 
possível tocá-la com as mãos. 
7 
• A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da 
natureza das suas ligações atomicas iônicas ou 
covalentes. 
• Estruturas cristalinas cerâmicas estáveis: aniôns que 
circundam o cátion estão todos em contato com ele. 
 
 
8 
Cerâmicas – Estrutura cristalina 
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Cerâmicas – Estrutura cristalina 
As estruturas cristalinas, 
quando presentes, são 
extremamente complexas. 
Exemplo: O óxido de Silício 
(SiO2) pode ter três formas 
cristalinas distintas: quartzo, 
cristobalite e tridimite 
Cerâmicas – Estrutura cristalina 
Estutura sal-gema. Duas 
redes cristalinas CFC que se 
interpenetram, uma 
composta de cátions outra de 
ânions. Ex. NaCl, MgO, MnS, 
LiF e FeO 
Estrutura cloreto de césio. CS. 
Não é uma CCC, pois estão 
envolvidos íons de espécies 
diferentes. 
Cerâmicas – Estrutura cristalina 
Blenda de Zinco 
(ZnS) 
Cerâmicas – Estrutura cristalina 
Fluorita 
(CaF2) 
Perovskita 
(BaTiO3) 
13 
Cerâmicas – Estrutura cristalina 
14 
Cerâmicas – Estrutura cristalina 
 
 Densidade: 2-3 g/cm3 
 Embora os materiais cerâmicos sejam em geral 
isolantes de calor e eletricidade, há uma classe de 
materiais cerâmicos que são supercondutores 
 A dilatação térmica é baixa comparada com metais e 
polímeros. 
 Alta resistência a agentes químicos. 
 
 
Cerâmicas – Propriedades Térmicas e 
Físicas 
 
 Apresentam baixa resistência ao choque 
 São duros e frágeis em relação à tração (~17 kgf/mm2) 
 São resistentes em relação à compressão (5 a 10x mais 
que a tração) 
 O módulo de elasticidade é alto: ~45.500kgf/mm2 (aço: 
20.000 kgf/mm2) 
 Têm alta dureza e alta resistência ao desgaste. 
 
 
Cerâmicas – Propriedades Mecânicas 
COMPORTAMENTO FRÁGIL 
 
• Característica típica dos cerâmicos: 
melhor resistência em compressão que 
em tração. 
• Comportamento partilhado por ferros 
fundidos. 
Al2O3 policristalina 
 
• Ensaio de tração é difícil de fazer 
e dá dispersão de resultados 
muito grande 
 
• Utiliza-se ensaios de flexão! 
 
Cerâmicas – Propriedades Mecânicas 
Cerâmicas – Propriedades Mecânicas 
Materiais cerâmicos: E entre 
70 e 500 GPa 
22
3
bd
LFf
rf 
3R
LFf
rf

 
19 
Cerâmicas – classificação geral 
VIDRO-CERÂMICOS CRISTALINOS AMORFOS (VIDROS) 
Incluem os cerâmicos à 
base de Silicatos, Óxidos, 
Carbonetos e Nitretos 
Em geral com a mesma 
composição dos 
cristalinos, diferindo no 
processamento 
Formados inicialmente 
como amorfos e tratados 
termicamente 
O Silício e o Oxigênio 
formam cerca de 
75% da crosta 
terrestre, sendo 
materiais de 
ocorrência comum 
na natureza e de 
baixo custo ! 
Os cerâmicos avançados são 
baseados em óxidos, 
carbonetos e nitretos com 
elevados graus de pureza 
Cerâmicas – classificação 
CERÂMICOS CRISTALINOS DE SILICATOS 
2 64 9 25 
Cimento 
Portland 
1 30 5 64 
Porcelana 
steatite 
1 6 32 61 
Porcelana 
eléctrica 
---- 72 28 
Mulita 
refractária 
5 45-25 50-70 Tijolo refractário 
4 96 Sílica refractária 
Outro
s 
CaO MgO K2O Al2O3 SiO2 
Composição (% em peso) 
Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos 
não são usados como materiais estruturais 
(não são considerados cerâmicos avançados) 
• Ind. Mecânica, elétrica e química 
 
- 
 
NITRETO 
DE SILÍCIO 
ALUMINA 
SiC 
Cerâmicas – aplicações 
Materiais cerâmicos são extremamente duros 
podendo atingir 9,5 na escala Mohs 
Cerâmicas – aplicações 
Óxidos: podem ser simples ou mistos 
EXEMPLOS DE ÓXIDO SIMPLES: 
Alumina (Al2O3), 
Berília (óxido de berilo), 
 - Magnésia (óxido de Mg), 
 - Zirconia (óxido de zircônio), 
Tória (óxido de tório) 
Sílica (SiO2) 
ÓXIDO MISTOS: são misturas de alumina, 
magnésia e sílica 
ALUMINA 
CARACTERÍSTICAS: 
Baixo custo 
Boas propriedades mecânicas 
Excelente resitividade elétrica e dielétrica 
Resistente à ação química 
Aplicações: isoladores elétricos, aplicações 
aeroespaciais, componentes resistentes à abrasão,…. 
BERÍLIA 
• CARACTERÍSTICAS: 
- Apresenta boa condutividade térmica 
- Alta resistência Mecânica 
- Boas propriedades dielétricas 
- É cara e difícil de trabalhar 
- A poeira é tóxica 
- Aplicações: giroscópios, transistores, resistores, 
… 
MAGNÉSIA 
• CARACTERÍSTICAS: 
 
- Têm aplicações limitadas porque não é suficientemente 
resistente e é susceptível ao choque térmico, devido sua 
elevada dilatação térmica. 
ZIRCÔNIA 
• CARACTERÍSTICAS: 
- Apresenta-se em várias formas (monoclínica, cúbica 
estabilizada,..) 
 A zircônica estabilizada apresenta: 
 Alta tempratura de fusão (2760°C) 
 Baixa condutividade térmica 
 Alta resistência à ação química 
TÓRIA 
CARACTERÍSTICAS: 
 É o material cerâmico mais estável e o de mais alto ponto 
de fusão (3315°C) 
 Aplicado em reatores nucleares 
 
Propriedades típicas de óxidos cerâmicos 
 
 
Outros tipos de materiais cerâmicos 
CARBONETOS: 
Carboneto de Tungstênio, carboneto de silício 
(conhecido como carborundum), carbonto de 
titânio. 
BORETOS: 
Boretos de hafnio, tântalo, tório, titânio, zircônio 
NITRETOS DE BORO E SILÍCIO: 
Os nitretos de boro tem dureza equivalente ao 
diamante e resiste sem oxidação até 1926°C 
Peça recobertas com TiC 
Cerâmica e a Indústria automotibilística 
Nos motores, as peças em cerâmica, resistentes ao calor 
como os componentes de válvulas, apoios nas caixas de 
eixos de manivela e os componentes para água e bombas de 
combustível asseguram maior eficiência, menos desgaste e 
redução de emissão de ruído. Já se usa a muitos anos 
cerâmica na fabricação de velas de ignição e rotores dos 
motores elétricos de veículos. 
Os materiais preferidos são a zircônia parcialmente 
estabilizada (PSZ), o carbeto de silício (SiC), o nitreto de 
silício (Si3N4), o silicato de lítio e alumínio (LAS) e o silicato 
de alumínio. 
http://quatrorodas.abril.com.br/reportagens/novastecnologias/cont
eudo_143930.shtml 
http://quatrorodas.abril.com.br/reportagens/novastecnologias/conteudo_143930.shtml
http://quatrorodas.abril.com.br/reportagens/novastecnologias/conteudo_143930.shtml
Processamento do Material Cerâmico 
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MÉTODO DE CONFORMAÇÃO: 
Sinterização 
• Durante o cozimento a peça moldada apresenta uma 
contração em volume, reduçãoem sua porosidade, 
melhorias mecânicas. 
• Os poros se tornam menores e mais uniformes 
• Temperatura abaixo da temperatura de fusão, não existe 
fase líquida presente 
• Difusão atômica das partículas para as regiões de 
empescoçamento. 
48 
Vitrificação 
• Formação gradual de um vidro líquido que preenche os 
poros 
• A temperatura de formação da fase líquida reduz com a 
adição de materiais fundentes 
• Com o resfriamento, essa fase fundida forma uma matriz 
vítrea que resulta em um corpo denso e resistente 
• Grau de vitrificação: resistencia, durabilidade e densidade 
50 
VIDROS: 
• Produto inorgânico da fusão, que resfriou a uma condição 
rígida sem cristalização 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Bristol.blue.glass.arp.750pix.jpg
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:ObsidianOregon.jpg
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Glass02.jpg
Vidros são definidos como materiais sólidos completamente amorfos, 
desprovido de uma estrutura atômica periódica de longo alcance e que 
apresenta uma região de transição vítrea 
Estrutura do vidro: 
Estrutura dos vidros 
• Óxidos de formação vítrea = formadores de rede 
• Óxidos de modificação vítrea = modificadores de rede 
• Óxidos intermediários nos vidros = intermediários 
 
 
Estrutura dos vidros 
Óxidos intermediários 
Classificação 
Formadores Modificadores Intermediários 
SiO2 Li2O B2O3 
B2O3 Na2O PbO 
P2O5 K2O ZnO 
V2O5 CaO CdO 
BaO TiO2 
MgO 
SrO2 
Matéria prima dos vidros 
• Vitrificantes 
• SiO2: areias de quartzo 
• B2O3: H3BO3, boratos de sódio 
• Fundentes 
• Na2O: Na2CO3, Na2SO4 
• K2O: carbonatos de potássio 
• Li2O: Li2CO3 
• CaO: CaCO3 (calcita), feldspato cálcico (anortita) 
• MgO: CaCO3·MgCO3 (dolomita) 
• BaO: BaCO3 
• Estabilizantes 
• Al2O3: feldspatos 
• PbO: Pb3O4 (zarcão), PbO (litargírio), carbonato básico 
• ZnO: ZnCO3 (smithsonita), ZnO (zinquita) 
 
Estrutura dos vidros 
• Vitrificantes 
• formadores de rede 
• SiO2 , B2O3 
• Fundentes 
• modificadores de rede 
• Na2O, K2O, Li2O, CaO, MgO, BaO 
• Estabilizantes 
• Intermediários 
• Al2O3, PbO, ZnO 
• Outros componentes 
• Corantes, descorantes, opacificantes 
• Água, vidro reciclado 
 
Conformação dos vidros: 
• Prensagem 
• pratos 
• Sopro 
• garrafas 
• Laminação ou estiramento 
• vidro plano 
• Fiação 
• fios, fibras 
Tratamento térmicos dos vidros 
• Recozimento (annealing) 
• Aquecimento a temperatura de recozimento, seguida de 
resfriamento 
• Alívio de tensões térmicas 
• Têmpera (tempering) 
• Aquecimento a T>Tg e < ponto de amolecimento 
• Resfriado a T ambiente com jato de ar ou banho de óleo 
• Tensões residuais compressivas na superfície e de tração no 
interior 
• Têmpera química 
 
Têmpera química 
• Exemplo: 
• Vidro de sódio aluminossilicato 
• Banho de nitreto de potássio (50ºC por 6 a 10 horas) 
• Os íons de sódio próximos a superfície serão substituídos 
pelos íons de potássio. 
 
 
Têmpera térmica 
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Têmpera química 
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Deformação viscosa dos vidros 
Sólido versus líquido 
• Na década de 1980 Plumb, R.C propôs que os vidros de antigas 
catedrais eram mais grossos na base, pois teriam escoado com o 
tempo. 
• Essa ideia perdura até os dias de hoje, muito embora já tenha sido 
provada matematicamente falsa. 
• Edgar D. Zanotto em 1998 publicou artigo na revista American 
Association of Physics, com um calculo a partir da seguinte equação: 
τ = η / G 
• Onde τ é o tempo de relaxação, η é viscosidade (Pa·s) e G o 
Módulo de cisalhamento (Pa). Em 1999 foi publicada uma revisão 
do cálculo tomando como base o valor de viscosidade de equilíbrio 
do vidro na temperatura ambiente. O novo resultado foi de 10²³ anos, 
ou seja bem mais que uns 2 nonilhões), sendo assim impossível 
qualquer escoamento perceptível nos poucos milhares de anos de 
uma catedral. 
http://pt.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9cada_de_1980
http://pt.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A2nica_dos_fluidos
http://pt.wikipedia.org/wiki/Artigo_cient%C3%ADfico
http://pt.wikipedia.org/wiki/Revista
http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Tempo_de_relaxa%C3%A7%C3%A3o&action=edit&redlink=1
http://pt.wikipedia.org/wiki/Viscosidade
http://pt.wikipedia.org/wiki/Pascal_segundo
http://pt.wikipedia.org/wiki/Cisalhamento
http://pt.wikipedia.org/wiki/Pascal_(unidade)
http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo
http://pt.wikipedia.org/wiki/Temperatura_ambiente
http://pt.wikipedia.org/wiki/Nonilh%C3%A3o
http://pt.wikipedia.org/wiki/Catedral
Vitrocerâmica 
Te
m
p
e
ra
t
u
ra
 
Tempo 
Crescime
nto 
Nuclea
ção 
Fusão e 
conformação 
74 
• CALLISTER Jr., W. D. Materials Science and Engineering: an Introduction. Tradução de: 
LTC. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000. 
• CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais (ABM) 
7ª Edição. São Paulo, 2008. 
• COSTA, E., M., Diagrama de Transformações – Departamento de Engenharia Mecânica 
PUC/RS. Aula adaptada. 
 
•REFERÊNCIAS