Materiais Cerâmicos

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO VALE DO IPOJUCA
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
MYLENA RODRIGUES
MARIA CLARA NARO
NATALLY MARIA
MÁRCIA SOARES
BRENO ANTONY
MATERIAIS CERÂMICOS
CARUARU
2020
1 INTRODUÇÃO
Fazer introdução
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 ESTRUTURAS CRISTALINAS
A estrutura cristalina de um sólido é a designação dada ao conjunto de propriedades que resultam da forma como estão espacialmente ordenados os átomos ou moléculas que o constituem. Uma molécula vai apresentar uma regularidade estrutural se as ligações covalentes determinar um número específico de vizinhos para cada átomo e a orientação no espaço do mesmo. A grande maioria dos materiais comumente utilizados na engenharia, particularmente os metálicos, exibe um arranjo geométrico de seus átomos bem definido, constituindo uma estrutura cristalina.
As estruturas cristalinas estão presentes em diversos materiais, em que os átomos distribuídos dentro de sua estrutura formam uma rede chamada retículo cristalino. As estruturas cristalinas são formadas por células unitárias que são sua unidade básica, pois constituem o menor conjunto de átomos associados encontrados numa estrutura cristalina.
Há sete tipos de sistemas cristalinos que abrangem as substâncias conhecidas pelo homem:
· Cúbico: em que todos os ângulos são iguais a 90º
· Tetragronal: em que todos os ângulos são iguais a 90º
· Ortorrômbico:  em que todos os ângulos são iguais a 90º
· Monoclínico: em que há dois ângulos iguais a 90º e dois ângulos diferentes de 90º
· Triclínico: em que todos ângulos são diferentes e nenhum é igual a 90º
· Hexagonal: em que dois ângulos são iguais a 90º e um ângulo é igual a 120º
· Romboédrico: em que todos os ângulos são iguais, mas diferentes de 90º.
A estrutura cúbica é uma das que ocorrem com maior frequência nas substâncias cristalinas e é considerada a de maior importância. Dependendo da posição que os átomos ocupam na estrutura cúbica, a mesma pode ser classificada em cúbica simples (CS), cúbica de corpo centrado (CCC) e cúbica de face centrada (CFC). As estruturas cristalinas hexagonais, juntamente com as estruturas cúbicas, formam os arranjos atômicos dos principais cristais elementares ou aqueles formados por 1 único átomo. Destes cristais, aproximadamente 52% apresentam estrutura cúbica, 28% exibem estrutura hexagonal e os 20% restantes estão distribuídos entre os outros 5 tipos estruturais. Isto faz com que a estrutura hexagonal tenha grande importância em cristalografia. Existem dois tipos de arranjo hexagonal, que são: hexagonal simples (HS) e hexagonal compacto (HC).
2.2 ESTRUTURA E PROPRIEDADES DAS CERÂMICAS
Materiais cerâmicos são substâncias inorgânicas, não-metálicas constituídas de elementos metálicos e não-metálicos que na maioria das vezes possuem ligações de natureza iônica. As cerâmicas podem ser cristalinas, que incluem cerâmicos à base de silicatos, carbonetos, óxidos e nitretos, parcialmente cristalinas ou amorfas (vidros), que, em geral, possuem a mesma composição dos cristalinos, diferindo no processamento. As cerâmicas cristalinas exibem centenas de estruturas cristalinas diferentes. Em geral, a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa que a dos metais, uma vez que eles são compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de átomo ocupa posições determinadas no reticulado cristalino. A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da natureza das suas ligações atómicas iônicas ou covalentes.
A característica comum a estes materiais é serem constituídos de elementos metálicos e elementos não metálicos, ligados por ligações de caráter misto, iônico-covalente. São geralmente isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutoras, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos, em faixas específicas de temperatura) e possuem dilatação térmica baixa quando comparada com metais e polímeros, sendo comumente estáveis sob condições ambientais severas. Esses materiais apresentam baixa resistência ao choque, sendo duros e frágeis em relação à tração (aproximadamente 17 kgf/mm²) e resistentes em relação à compressão, apresentando alta dureza e alta resistência ao desgaste.
2.3 IMPERFEIÇÕES DAS CERÂMICAS
As propriedades dos materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições. Assim, é muito importante ter-se um conhecimento dos tipos de imperfeições que existem. Um sólido cristalino ideal de um material possui um ordenamento perfeito na escala atômica, entretanto, este sólido ideal não existe. Todos os materiais possuem um grande número e vários tipos de defeitos e imperfeições. As propriedades dos materiais nem sempre são prejudicialmente influenciadas pelos defeitos, características específicas podem ser introduzidas pela adição controlada de uma determinada imperfeição.
Defeitos pontuais são descontinuidades localizadas nos arranjos atômicos ou iônicos, teoricamente considerados perfeitos, de uma estrutura cristalina. Embora sejam denominados defeitos pontuais, as imperfeições afetam uma região que envolve vários átomos ou íons. Ocorrem em materiais cerâmicos o defeito de Frenkel, que é um par lacuna-interstício que se forma quando um íon salta de um ponto normal da rede para um espaço intersticial, deixando uma lacuna em seu lugar, e o defeito de Schottky, que é exclusivo dos materiais iônicos, sendo comumente encontrado em materiais cerâmicos e ocorre quando lacunas ocorrem em materiais com ligações iônicas, uma quantidade idêntica, estequiométrica, de ânions e cátions deve estar ausente nas posições atômicas regulares, se a neutralidade tiver de ser preservada.
As cerâmicas cristalinas contêm discordâncias, no entanto, devido à rigidez das ligações atômicas e nos vetores de Burgers tipicamente grandes dos materiais cerâmicos em comparação com os metais, é difícil que as discordâncias se propaguem. A natureza altamente direcional das ligações covalentes e as cargas alternadas presentes em materiais ligados de forma iônica também impedem a propagação das discordâncias. Essas características ocasionam alto nível de propriedade de dureza, resistência à compressão e módulo elástico mais elevado
2.4 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS
A tenacidade à fratura é a capacidade de um material que contém imperfeições resistir a uma carga aplicada. Quando o fator de intensidade de tensão supera a tenacidade à fratura de um material, a trinca se propaga de forma instável. No caso de materiais frágeis, só conseguimos prever a probabilidade de defeito em uma determinada tensão, e não a tensão real em que o defeito ocorre.
Nos materiais cerâmicos, as ligações iônicas ou covalentes permitem pouco ou nenhum deslizamento de planos cristalinos. Dessa forma, a fratura é quase sempre do tipo frágil. A maioria das cerâmicas cristalinas fratura por clivagem ao longo dos planos densamente empacotados, mas bastante espaçados. Em geral, a superfície de fratura é uniforme e não há indícios característicos de superfície que apontem para a origem da fratura. Como a tensão de cisalhamento crítica resolvida necessária para propagar discordâncias em cerâmicas é alta, as cerâmicas são suscetíveis a defeitos, como entalhes, trincas e poros.
A resistência a fratura para os materiais cerâmicos é substancialmente inferior à estimada pela teoria das forças de ligação Inter atômicas. O grau de amplificação depende do comprimento da trinca e do raio de curvatura da extremidade da trinca. Já no caso de defeitos longos e pontiagudos os concentradores de tensão pode ser diminutas trincas de superfície ou internas (microtrincas), poros internos e aresta de grão, os quais são impossíveis de serem eliminados ou controlados, umidade e os contaminantes presentes na atmosfera podem introduzir trincas de superfícies em fibras de vidro recentemente estiradas e concentração de tensões na extremidade de um defeito pode causar a formação de uma trinca, a qual pode se propagar até uma fratura real.
Os poros representam o defeito mais importante das cerâmicas policristalinas. A presença de poros geralmente éprejudicial para as propriedades mecânicas de corpos cerâmicos, já que os poros são locais potenciais para a iniciação de trincas. O módulo de elasticidade e a resistência diminuem à medida que a porosidade aumenta. A presença de poros é um dos motivos para as cerâmicas exibirem um comportamento frágil sob cargas de tração. Como há uma distribuição do tamanho de poros e o grau de porosidade muda, as propriedades mecânicas das cerâmicas variam.
2.5 COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO
A denominação “corpo rígido” é uma abstração matemática conveniente, pois toda substância real em maior ou menor medida sofre deformações sob os efeitos de forças que forem aplicadas a ela. A mudança de forma, volume, comprimento, etc. de um corpo sob a ação de forças externas é determinada pelas forças entre as moléculas que o formam. Se um corpo sólido está sujeito a forças que tendem a esticá-lo, cortá-lo ou comprimi-lo, sua forma se altera. Se depois de removidas as forças o corpo volta à forma original, diz-se que ele é elástico. Em geral, os corpos são elásticos se as forças estiverem abaixo de um certo máximo, ou limite elástico. Se as forças excederem esse limite, o corpo não retorna a forma original e fica permanentemente deformado. Para cada tipo de deformação se define uma grandeza chamada tensão, que caracteriza a intensidade das forças que produzem a dilatação, a compressão ou a torção, usualmente descrita como força por unidade de área. A deformação, é a outra grandeza utilizada neste tipo de analises. A relação de tensão-deformação é a denominada cisalhamento e uma tensão de cisalhamento tende a deformar o corpo. 
A curva tensão-deformação é uma descrição gráfica do comportamento de deformação de um material sob carga de tração uniaxial. A curva é obtida no chamado ensaio de tração. O ensaio consiste em carregar um corpo de prova, submetendo-o a uma carga de tração que aumenta gradativamente. Pode-se dizer que para materiais metálicos existem dois formatos típicos de curvas: as curvas para os metais dúcteis e as curvas para os metais frágeis. Em termos genéricos pode-se dizer que: 
· Um material dúctil é aquele que pode ser alongado, flexionado ou torcido, sem se romper. Ele admite deformação plástica permanente, após a deformação elástica. A deformação plástica em geral é acompanhada de encruamento, que será explicado adiante. Na curva tensão deformação destes materiais, a região plástica é identificável O ponto de escoamento determina a transição entre as fases elástica e plástica (com ou sem patamar na curva).
· Um material frágil rompe-se facilmente, ainda na fase elástica. Para estes materiais o domínio plástico é praticamente inexistente, indicando sua pouca capacidade de absorver deformações permanentes. Na curva tensão deformação, a ruptura se situa na fase elástica ou imediatamente ao fim desta, não havendo fase plástica identificável.
Analisando o comportamento da tensão em função da deformação no caso de um material dúctil, por exemplo de barra sólida, a tensão é de tração e a deformação é a percentagem da deformação. Vemos que a representação desses valores possui um comportamento linear até um ponto A. De A a B a tensão e deformação não são mais proporcionais, mas se a carga sobre o material for retirada em qualquer ponto entre 0 e B, o material voltará ao seu comprimento original. Na região 0B diz-se que o material é elástico, ou que apresenta um comportamento elástico, e o ponto B é chamado limite de elasticidade. Até esse ponto as forças são conservativas, mas, quando o material volta a sua forma primitiva, o trabalho realizado na produção de deformação é recuperado e as deformação é reversível. Aumentando-se ainda mais a carga sobre o material, a deformação crescerá rapidamente, mas quando a carga for retirada em algum ponto além de B, por exemplo em C, o material não retorna ao seu comprimento original e diz-se que o material apresenta uma deformação permanente. Maior aumento de carga além de C produz maior aumento na deformação até que o ponto D seja alcançado, quando então ocorre uma ruptura. De B a D diz-se que o material sofre um fluxo de deformação plástica, durante o qual ocorrem deslizamentos dentro do material ao longo dos planos de tensão máxima de cisalhamento. Se uma grande deformação plástica ocorrer entre o limite de elasticidade e o ponto de ruptura, diz-se que o material é dúctil. Se, entretanto, a ruptura ocorrer logo depois do limite de elasticidade, diz-se que o material é frágil.
Em a) vê-se um material dúctil típico, como um aço de baixo carbono recozido. Entre os materiais dúcteis existem aqueles que não mostram claramente o patamar de escoamento, como em b). As figuras c) e d) mostram possíveis curvas de comportamento para materiais frágeis. No caso c) aparece um comportamento não linear em baixos níveis de tensão, que é característica dos ferros fundidos. Já em d) o comportamento é elástico e linear até próximo da ruptura, característica de materiais cerâmicos e ligas fundidas de elevada dureza.
3 ESTUDO DE CASO: SISTEMA DE PROTEÇÃO TÉRMICO DO ÔNIBUS ESPACIAL
No regresso à terra, as naves espaciais são puxadas violentamente pela força da gravidade. Do vácuo do espaço até a volta ao envoltório de ar que respiramos, a nave espacial atinge mais de 20 mil quilômetros por hora e sua estrutura deve suportar temperaturas da ordem de 1600 °C. Acontece que a carcaça do ônibus espacial americano é feita de alumínio, metal leve que se funde aos 660 °C. Para suportar o calor da reentrada, a espaçonave é revestida com dois tipos de proteções isolantes. Placas de diversos tamanhos e formas coladas no nariz, na borda das asas e por toda a fuselagem.
Até na hora do lançamento, os ônibus espaciais precisam ter força suficiente para aguentar as fortes vibrações provocadas pelos foguetes lançadores em plena propulsão. Um foguete como o Ariane, da Agência Espacial Europeia, é feito em 98% de ligas de alumínio, mesmo material empregado nos ônibus espaciais. Em pontos críticos das naves, onde o calor é muito forte, as ligas de alumínio não dão conta do recado. É quando entram em cena as cerâmicas, capazes de resistir a temperaturas muito maiores. Nos foguetes Ariane, a cerâmica é empregada especialmente nos cilindros externos do fundo do motor do foguete principal. No lançamento, os gases expelidos na queima do combustível (hidrogênio e oxigênio líquidos) pelo motor estão a temperaturas muito elevadas, em torno de 3 000°C. Para evitar que esses gases subam e atinjam a parte posterior da nave, um escudo com cerâmica é instalado para protegê-la.
O ônibus espacial é composto por uma estrutura de alumínio, sendo coberto/revestido por uma superfície de isolamento, em forma de placas cerâmicas adensadas ou sílica, de cor preta. Estas placas resistem aos 2.500ºC da reentrada e são peças únicas, projetadas uma a uma, individualmente, por computador, e coladas manualmente com um adesivo térmico especial ao corpo da espaçonave, em especial no dorso da fuselagem da espaçonave, nas asas e em outras partes que frequentemente, na reentrada, sofriam intenso atrito com o ar. O nariz, parte das asas e toda a parte inferior da nave estão cobertos por pequenas peças de cerâmica, a fim de resistir à elevada temperatura gerada através do acentuado atrito com a atmosfera quando o veículo regressava à Terra. Estas peças eram numeradas, colocadas manualmente, e não existem duas peças iguais. Eles variaram em espessura de 2,5 a 12,7 cm, dependendo da carga de calor encontrada durante a reentrada. Com exceção das áreas de fechamento, estes ladrilhos eram normalmente quadrados de 15 por 15 cm. A telha era composta de fibras de sílica de alta pureza. Noventa por cento do volume da peça estava vazio, dando-lhe uma densidade muito baixa (140 kg/m3) tornando-a leve o suficiente para o voo espacial. Os ladrilhos não revestidos tinham uma aparência branca brilhante e pareciam mais uma cerâmica sólida do que o material de espuma que eram.
Foi exatamente a falta de algumas dessas placas que causou o desastre do ônibusespacial Columbia, em 1º de fevereiro de 2003. Ao ser atingida por um pedaço do revestimento do tanque de combustível que se desprendeu no lançamento, ela se despedaçou e a nave desintegrou-se pelo calor da reentrada, 16 dias depois. É que apesar do ótimo desempenho sob altas temperaturas, as cerâmicas têm um ponto fraco: a pouca resistência mecânica. Os ônibus espaciais americanos mais novos, como o Endeavour, já não são mais revestidos com cerâmicas, mas são cobertos com carbono-carbono, especialmente no bico.
4 CONCLUSÃO
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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