CTM AULA 5

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO
CENTRO DE CIENCAIS EXATAS E TECNOLOGIAS
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA QUIMICA
CTM: Materiais cerâmicos
Prof. Dr. Leonardo Mendonça
Materiais Cerâmicos
Introdução
Cubo de sílica 
de isolamento 
térmico. O 
interior do cubo 
está a 1250ºC e 
pode ser 
manuseado sem 
protecção.
Usada no 
isolamento 
térmico do 
Space Shuttle
Introdução
História
▪ 2 milhões de anos atrás o Homo Erectus tem contato com
os primeiros materiais cerâmicos;
▪ Lascas de quartzo e obsidiana (vidro vulcânico) utilizadas como 
armas.
Ponta de lança feita de quartzo
Introdução
História
Cerâmicas ao longo da história: Egito e China (5000 
anos); Japão (8000 anos).
Introdução
Atualidade
Supercondutores
Vidros
Cerâmicas
Introdução
Definição
Cerâmica (Keramikos) = matéria-prima queimada.
As propriedades só são atingidas após um tratamento 
térmico de alta temperatura – conhecido como ignição.
Introdução
Definição
▪ São materiais inorgânicos. A característica comum a estes materiais é 
serem constituídos de elementos metálicos e elementos não 
metálicos, ligados por ligações iônicas e/ou covalentes;
▪ Apresentam composições químicas muito variadas, desde compostos 
simples a misturas de várias fases complexas ligadas entre si;
▪ As propriedades variam muito devido a diferenças de ligação 
química;
▪ Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis, com 
pouca tenacidade e pouca ductilidade;
Introdução
Definição
▪ São geralmente isolantes térmicos e elétricos (devido à ausência de 
elétrons de condução)
▪ embora existam materiais cerâmicos semicondutores, 
condutores e até mesmo supercondutores (estes dois 
últimos, em faixas específicas de temperatura);
▪ Apresentam alto ponto de fusão e são comumente 
▪ quimicamente estáveis sob condições ambientais severas 
→ (devido à estabilidade das suas fortes ligações químicas).
Introdução
Exceções
▪ Fragilidade: cerâmicas 
superplásticas. Ex: ZrO2
(zircônia) estabilizado com 
Y2O3 (óxido de ítrio); 
▪ “The zirconia oxide stabilized by 
yttrium oxide offers except for its 
extremely high strength also the 
advantage that it is white, light-
permeable material. 
Furthermore, its excellent 
biocompatibility and low thermal 
conductivity make it to be an 
ideal material for accurate 
prostheses.” Kralodent
Introdução
Exceções
▪ Isolantes Térmicos: diamante 
(alta condutividade térmica –
VERIFICAR);
▪ Isolantes Elétricos:
semicondutores e 
supercondutores.
Bismuth strontium calcium copper oxide
Introdução
Atenção
▪ O grafite e o diamante são tratados muitas vezes como 
cerâmicas!
▪ Apesar de compostos unicamente de carbono, ambos os 
materiais são formas de carbono inorgânicas, não sendo 
produzidas por nenhum tipo de organismo vivo.
Introdução
Classificação quanto a aplicação
▪ Materiais Cerâmicos Tradicionais: cerâmicas estruturais, louças, 
refratários (provenientes principalmente de matérias-primas 
argilosas e de outros tipos de silicatos);
▪ Vidros e Vitro-Cerâmicas;
▪ Abrasivos;
▪ Cimentos;
▪ Cerâmicas “Avançadas”: aplicações eletro-eletrônicas, térmicas, 
mecânicas, ópticas, químicas, bio-médicas.
Introdução
Classificação quanto a aplicação
Classificação dos Materiais Cerâmicos de acordo com a aplicação
Introdução
Cerâmicas Tradicionais e Avançadas
▪ Telhas e tijolos 
(cerâmica vermelha)
ainda são produzidos 
com matéria-prima não 
beneficiada. 
▪ Ex.: tijolos, blocos, 
telhas, ladrilhos de 
barro, vasos, filtros, 
tubos, manilhas.
Introdução
Cerâmicas Tradicionais
Introdução
Cerâmicas Tradicionais
▪ Cerâmica branca, produtos refratários e 
vidrados. 
▪ São produzidos com matérias-primas 
beneficiadas por diversas etapas de 
moagem até um tamanho que permita a 
separação por meio de
▪ sedimentação, 
▪ separação magnética 
▪ e eliminação de fases indesejáveis. 
▪ Ex.: louças, porcelanas, azulejos, louça sanitária, porcelana refratária, 
doméstica, elétrica ou artística.
Introdução
Cerâmicas Avançadas
▪ Utilizam matérias-primas que sofrem uma série de processos químicos 
e mecânicos
▪ que permitem obter produtos de pureza elevada ( > 99,5%) e 
pequeno tamanho de partícula (< 1µm).
▪ Óxidos, nitretos e carbetos podem 
ser obtidos.
▪ A matéria-prima para as cerâmicas 
avançadas pode também ser 
sintética,
▪ ou seja, obtida por processos de 
síntese química (alumina com 
pureza> 99,99%).
▪ Cerâmica eletrônica: circuitos integrados, instrumentos e sensores de 
laboratório, geradores de faísca.
▪ Cerâmica estrutural: rotores para motor turbo, ferramentas de corte, 
mancais, pistões, bocais de extrusoras, bicos de queimadores.
▪ Alta dureza à quente (1600oC);
▪ Não reage quimicamente com o aço;
▪ Longa vida da ferramenta;
▪ Usado com alta velocidade de corte;
▪ Não forma gume postiço.
Introdução
Cerâmicas Avançadas
▪ Pó finíssimo de Al2O3 (partículas compreendidas 
entre 1 e 10 mícrons) mais ZrO2 (confere tenacidade 
a ferramenta de corte) é prensado, porém apresenta-
se muito poroso. Para eliminar os poros, o material é 
sinterizado a uma tempertura de 1700oC ou mais. 
Durante a sinterização as peças experimentam uma 
contração progressiva, fechando os canais e 
diminuindo a porosidade.
▪ Outras Aplicações
▪ Material de polimento, isolante elétrico (BN, B4C).
▪ Eixos, bicos pulverizadores, selos mecânicos, ferramentas de corte, 
implantes ósseos, meios de moagem ( Al2O3).
▪ Matrizes de extrusão e fundição, tesouras, facas (ZrO2).
▪ Moderador nuclear, revestimento de câmeras de combustão de 
foguetes, cadinhos para fusão de Ni e Pt, elemento protetor de 
resistências de aquecimento (BeO)
Introdução
Cerâmicas Avançadas
Introdução
Cerâmicas Tradicionais e Avançadas
Diferenças
▪ Custo muito maior das avançadas; a matéria-prima das cerâmicas 
avançadas é muito mais pura (> 99,5%) e os grãos são muito 
menores (< 1µm).
▪ Processos de fabricação são mais sofisticados: torneamento, 
prensagem de pós, injeção, prensagem isostática à quente, colagem 
sob pressão, tape casting, CVD, sol-gel.
Introdução
Tipos Matérias Primas
▪ Naturais (brutas) – não sofrem nenhum tipo de beneficiamento (telhas 
e tijolos).
▪ Refinadas (industrializadas) – são beneficiadas por diversas etapas de 
moagem até um tamanho que permita a separação por meio de 
sedimentação, separação magnética e eliminação de fases indesejáveis
(cerâmica branca, produtos refratários e vidrados).
▪ Industrializadas por processos químicos e mecânicos – Obtenção de 
pureza elevada (> 99,5%) e pequeno tamanho de partícula (< 1µm) 
(cerâmica avançada: óxidos, nitretos, carbetos etc).
▪ Sintéticas – Pós resultantes com características controladas (uso em 
cerâmicas avançadas).
Introdução
Tipos Matérias Primas
Introdução
Tópicos a serem desenvolvidos
▪ Estruturas Cerâmicas:
▪ Estruturas Cristalinas;
▪ Cerâmicas à Base de Silicato;
▪ Imperfeições nas Cerâmicas.
▪ Propriedades Mecânicas
▪ Fratura Frágil das Cerâmicas;
▪ Comportamento Tensão-Deformação;
▪ Mecanismos da Deformação Plástica.
Introdução
Objetivos
ligações covalente/iônica (lembrar do caso do Fe3C)
↓
imobilidade de discordâncias
↓ 
ausência de zona plástica → materiais frágeis
↓
Defeitos presentes (poros, inclusões, grãos grandes, trincas 
superficiais) atuam como concentradores de tensão
↓ 
Grande variação nos valores de resistência mecânica 
encontrados nos catálogos dos fabricantes para produtos 
nominalmente iguais. 
Aula 02: Estrutura e 
Propriedades das 
Cerâmicas
Estruturas Cerâmicas
▪ Cerâmicas Cristalinas:
▪ O deslocamento de discordâncias é muito difícil – íons com mesma
carga elétrica são colocados próximos uns dos outros – REPULSÃO;
▪ No caso de cerâmicas onde a ligação covalente predomina o
escorregamento também é difícil – LIGAÇÃO FORTE.
▪ Cerâmicas Amorfas:
▪ Não há uma estrutura cristalina regular – NÃO HÁ DISCORDÂNCIAS;
▪ Materiais se deformam por ESCOAMENTO VISCOSO.
▪ A resistência à deformaçãoem um material não-cristalino é medida
por intermédio de sua viscosidade.
Estruturas Cerâmicas
Estruturas 
Cristalinas
▪ Em geral, a estrutura 
cristalina dos materiais 
cerâmicos é mais 
complexa que a dos 
metais. 
→ São compostos pelo 
menos por dois 
elementos, em que cada 
tipo de átomo ocupa 
posições determinadas no 
reticulado cristalino.
Estruturas Cristalinas
▪ Onde a ligação é predominantemente iônica – lembrando que ela pode 
variar de puramente iônica até totalmente covalente –
→As estruturas cristalinas são compostas por íons eletricamente 
carregados ao invés de átomos.
▪ O nível de caráter iônico depende das eletronegatividades dos átomos. 
▪ Percentual de Caráter Iônico das 
Ligações Interatômicas para Vários 
Materiais Cerâmicos.
→ Ele é calculado da seguinte maneira:
Onde XA e XB são as eletronegatividades
para os respectivos elementos
▪ Ligação atômica predominantemente iônica→ Estruturas 
cristalinas compostas por íons, ao invés de átomos.
▪ Íons Metálicos: Cátions
▪ Íons Não-metálicos: Ânions
→ Duas características dos íons influenciam a estrutura do 
cristal:
▪ A magnitude da carga elétrica (o cristal deve ser eletricamente 
neutro → cargas + = cargas -);
▪ Os tamanhos relativos dos Cátions (rC) e dos Ânions (rA).
Estruturas Cristalinas
A magnitude da carga elétrica
Cristal Eletricamente Neutro
▪ Fluoreto de Cálcio, por exemplo
▪ Cada íon Cálcio possui uma carga elétrica +2 (Ca2+)
▪ Cada íon Flúor possui uma única carga negativa (F-)
→ Dessa forma deve existir duas vezes mais íons F- do que íons 
Ca2+. 
▪ Pode-se ver isso pela fórmula química do Fluoreto de Cálcio, CaF2.
Os Tamanhos Relativos dos Cátions e 
dos Ânions.
▪ Os Cátions são menores que os Ânions, por que?
rC/rA < 1 
→ Cada Cátion quer ter o máximo de Ânions como vizinhos mais 
próximos e vice-versa.
▪ Estruturas Cristalinas Cerâmicas Estáveis: Todos os ânions estão em 
contato com o Cátion.
Os Tamanhos Relativos dos Cátions e 
dos Ânions.
▪ O que vai determinar o número de vizinhos que um cátion 
pode ter?
▪ Ou seja, qual será o número de coordenação?
▪ Ele sempre será o mesmo para cátions e para ânions?
▪ Preciso saber os valores dos raios do Cátion e do Ânion. 
Os Tamanhos Relativos dos Cátions e dos 
Ânions.
▪ Para um número de coordenação específico → há uma razão rc/ra
crítica ou mínima para a qual o contato entre os íons é mantido →
razões puramente geométricas. Assim podemos determinar o NC!!!
Os Tamanhos Relativos dos 
Cátions e dos Ânions.
▪ Quanto mais elétrons de valência perder um íon, menor o íon. 
Exemplo: 
Ferro Fe: 0,124 
nm
Fe2+: 0,077 nm
Fe3+: 0,069 nm
Exemplo
▪ Mostre que a razão mínima entre os raios do cátion e do ânion 
para um número de coordenação 3 é de 0,155 
Exemplo
▪ Mostre que a razão mínima entre os raios do cátion e do ânion 
para um número de coordenação 3 é de 0,155 
Exemplo
▪ Mostre que a razão mínima entre os raios do cátion e do ânion 
para um número de coordenação 3 é de 0,155 
Para essa coordenação, o pequeno 
cátion é envolvido por três ânions para 
formar um triângulo equilátero, 
triângulo ABC, os centros de todos os 
quatro íons se encontram no mesmo 
plano.
Exemplo
Exemplo
Exemplo
Exemplo
Estruturas Cristalinas do Tipo AX
Estrutura do Sal-gema
▪ Estruturas do tipo AX: Números iguais de Cátions (A) e Ânions (X)
▪ Estrutura do Sal-gema
▪ Cloreto de Sódio (NaCl), ou sal-gema. 
▪ Número de coordenação tanto para cátions quanto para ânions é 6, 
então, rC / rA está entre aproximadamente 0,414 e 0,732.
▪ Configuração tipo CFC dos ânions com um cátion no centro do cubo 
e outro em cada uma das 12 arestas do cubo → cátions centrados 
nas faces.
Estruturas Cristalinas do Tipo AX
Estrutura do Sal-gema
▪ Uma estrutura cristalina equivalente resulta de um arranjo onde os 
cátions estão centrados nas faces.
▪ Assim, a estrutura pode ser considerada como sendo composta por 
duas redes CFC que se interpenetram (uma composta por cátions e 
outra por ânions).
▪ NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO. 
Estruturas Cristalinas do Tipo AX
Estrutura do Cloreto de Césio
1. Calcule a razão 
rC/rA para o 
Cloreto de Césio.
2. Determine o 
Número de 
Coordenação.
3. Indique uma 
possível estrutura.
Como ela deve se 
parecer?
Estruturas Cristalinas do Tipo AX
Estrutura do Cloreto de Césio
1. Calcule a razão rC/rA para o Cloreto de Césio.
2. Determine o Número de Coordenação.
3. Indique uma possível estrutura. Como ela deve se parecer?
Estruturas Cristalinas do Tipo AX
Estrutura do Cloreto de Césio
▪ CsCl. rC/rA = 0,9392
▪ Número de coordenação para os dois tipos de íons é 8.
▪ Ânions localizados em cada um dos vértices dos cubos, enquanto o 
centro do cubo contém um único cátion.
▪ O intercâmbio de ânions com cátions e vice-versa produz a mesma 
estrutura cristalina.
Estruturas Cristalinas do Tipo AX
Estrutura do Cloreto de Césio
▪ Em uma célula CCC qual é o 
número de coordenação?
▪ IMPORTANTE: 
▪ ESSA NÃO É UMA ESTRUTURA 
CRISTALINA CCC, POIS ESTÃO 
ENVOLVIDOS ÍONS DE DUAS 
ESPÉCIES DIFERENTES.
Estruturas Cristalinas do Tipo AX
Estrutura da Blenda de Zinco
▪ Número de coordenação para todos os átomos é 4 (todos os átomos 
estão coordenados tetraedricamente).
▪ Estrutura da Blenda de Zinco ou Esfalerita (termo mineralógico para 
o sulfeto de zinco – ZnS)
▪ Todos os vértices e posições faciais da célula cúbica estão ocupados 
por átomo de S, enquanto os átomos de Zn preenchem posições 
tetraédricas interiores. Ocorre uma posição equivalente se as 
posições dos átomos de Zn e S forem invertidas. 
▪ Dessa forma, cada átomo de Zn está ligado a quatro átomos de S, e 
vice-versa.
Estruturas Cristalinas do Tipo AX
Estrutura da Blenda de Zinco
▪ Na maioria das vezes, a ligação atômica nos compostos que exibem 
essa estrutura cristalina é altamente covalente (ver tabela), estando 
incluídos entre esses compostos o ZnS, o ZnTe (semicondutor) e o SiC
(Abrasivos --- Freio de veículos, colete a prova de bala – quando 
sinterizado).
Estruturas Cristalinas do Tipo AX
Estrutura da Blenda de Zinco
▪ ZnTe
Estruturas Cristalinas do Tipo 
AmXp
▪ Cargas dos Cátions e Ânions não são iguais, onde m e/ou p ≠ 1.
▪ Exemplo: Composto AX2 (Fluorita – CaF2). 
▪ rC / rA = 0,8 → Número de coordenação = 8.
▪ Íons de cálcio estão posicionados nos centros do cubos, com os 
íons de flúor nos vértices.
▪ Para cada íon F- existe metade deste número de íons Ca2+, e por 
tanto, a estrutura seria semelhante a do CsCl, exceto que apenas 
metade das posições centrais no cubo estariam ocupadas por 
íons Ca2+.
Estruturas Cristalinas do Tipo AmXp
Exemplos: UO2, PuO2, ThO2. Combustíveis Nucleares.
Dióxido de Urânio.
Uma célula unitária consiste em oito cubos.
Estruturas Cristalinas do Tipo AmXp
Exemplos: UO2, PuO2, ThO2. Combustíveis Nucleares.
Dióxido de Urânio.
Estruturas Cristalinas do Tipo AmXp
Exemplos: UO2, PuO2, ThO2. Combustíveis Nucleares.
Óxido de Plutônio.
Estruturas Cristalinas do Tipo AmXp
Exemplos: UO2, PuO2, ThO2. Combustíveis Nucleares.
Dióxido de Tório
Estruturas Cristalinas do Tipo 
AmBnXp
▪ Possuem dois tipos de Cátions (A e B)
▪ Titanato de Bário (BaTiO3), com os cátions Ba
2+ e Ti4+.
▪ Possui a estrutura cristalina da Perovskita (CaTiO3).
▪ Acima de 120oC a estrutura cristalina é cúbica.
Perovskita é um mineral de óxido 
de cálcio titânio, composto de 
titanato de cálcio.
Estruturas Cristalinas do Tipo 
AmBnXp
▪ Os íons Ba2+ estão 
localizados em todos os 8 
vértices do cubo, enquanto 
um único íon Ti4+ encontra-
se posicionado no centro do 
cubo, com os íons de O2
-
localizados no centro de 
cada uma das 6 faces.
▪ Captador Piezoelétrico
Estruturas Cristalinas
Resumo
ANOTEM OS DETALHES PRA BLENDA DE ZINCO!!!
Estruturas Cristalinas da 
Compactação Densa de Ânions
▪ No caso dos metais, o empilhamento de planos de átomos densamente 
compactados uns sobre os outros gera estruturas cristalinas tanto do tipo 
CFC como do tipo HC.
▪ De maneira semelhante,várias estruturas cristalinas cerâmicas podem ser 
consideradas em termos de planos de íons densamente compactados, 
bem como de células unitárias.
▪ Normalmente, os planos densamente compactados são 
compostos pelos ânions, de maiores dimensões. 
▪ À medida que esses planos são empilhados uns sobre os outros, 
pequenos sítios intersticiais são criados entre eles, onde os 
cátions podem ser alojados.
Estruturas Cristalinas da 
Compactação Densa de Ânions
Essas posições intersticiais existem em dois tipos diferentes:
▪ Posição Tetraédrica (número de coordenação 4).
Quatro átomos (3 em um plano e 1 no plano adjacente) circundam um dos 
tipos de posições. Essa posição é chamada tetraédrica pois as linhas retas 
traçadas a partir dos centros das esferas circundantes formam um tetraedro 
com quatro lados.
▪ Posição Octaédrica (número de coordenação 6).
Envolve seis esferas de íons, três em cada um dos dois planos. Uma vez que 
um octaedro é produzido pela união desses seis centros de esferas, esse 
tipo de sítio é chamado uma posição octaédrica. 
IMPORTANTE → Para cada uma dessas esferas de ânions, irão existir uma 
posição octaédrica e duas posições tetraédricas.
Estruturas Cristalinas da 
Compactação Densa de Ânions
Estruturas Cristalinas da 
Compactação Densa de Ânions
Estruturas cerâmicas cristalinas desse tipo dependem de dois fatores:
1. O empilhamento das camadas densamente compactadas de ânions
(são possíveis tanto arranjos CFC quanto HC, os quais correspondem às 
sequencias ABCABC... E ABABAB..., respectivamente – sessão 3.11 
Callister – CFC x HC local onde a terceira camada está localizada) e
2. A maneira a qual os sítios intersticiais são preenchidos com os cátions. 
→ P.e., a estrutura cristalina do sal-gema
→ A célula unitária possui uma simetria cúbica, e cada cátion (íon Na+) 
possui seis íons Cl- como vizinhos mais próximos (NC=6). 
→ Ou seja, o íon Na+, no centro, possui como vizinhos mais próximos os 
seis íons Cl- que residem nos centros de cada uma das seis faces do 
cubo. 
Estruturas Cristalinas da 
Compactação Densa de Ânions
▪ A estrutura cristalina, que possui simetria cúbica, pode ser 
considerada em termos de uma matriz CFC de planos de ânions 
densamente compactados, onde todos os planos são do tipo {111} –
Seção 3.9.
▪ Os cátions se alojam em posições octaédricas, pois eles possuem 
seis ânions como vizinhos mais próximos. 
▪ Além do mais, todas as posições octaédricas estão preenchidas, 
uma vez que 
▪ existe um único sítio octaédrico por ânion, 
▪ e a relação de ânions para cátions é de 1:1. 
▪ Para esta estrutura cristalina, a relação entre célula unitária e os 
esquemas de empilhamento de planos de ânions densamente 
compactados é mostrada a seguir.
Estruturas Cristalinas da 
Compactação Densa de Ânions
Uma seção da estrutura 
cristalina do sal-gema onde 
um dos vértices foi 
removido. 
O plano de ânions que está 
exposto (esferas verdes do 
triângulo) consiste em um 
plano do tipo {111}; os 
cátions (esferas vermelhas) 
ocupam as posições 
octaédricas intersticiais.
▪ Outras estruturas cristalinas cerâmicas (porém não todas), podem ser 
tratadas de uma maneira semelhante; dentre elas a da blenda de zinco 
e a da perovskita.
▪ A estrutura do espinélio, é uma daquelas do tipo AmBnXp, que é 
encontrada para o aluminato de magnésio ou espinélio (MgAl2O4). 
→ Com essas estruturas, os íons O2- formam uma rede cristalina 
CFC, enquanto os íons Mg2+ preenchem sítios tetraédricos, e os 
íons Al3+ se alojam em posições octaédricas.
▪ As cerâmicas magnéticas, ou ferritas, possuem uma estrutura cristalina 
que é uma ligeira variação dessa estrutura do espinélio; e as 
características magnéticas são afetadas pela ocupação das posições 
tetraédricas e octaédricas.
Estruturas Cristalinas da 
Compactação Densa de Ânions
Com base nos raios iônicos, qual a estrutura cristalina você 
esperaria para o FeO? 
Qual o tipo do composto?
Exemplo
Com base nos raios iônicos, qual a estrutura cristalina você 
esperaria para o FeO?
Solução
FeO é um composto do tipo AX. Por que?
Exemplo
Exemplo
Com base nos raios iônicos, qual a estrutura cristalina você 
esperaria para o FeO?
Solução
FeO é um composto do tipo AX. Por que?
Razão entre os raios do Cátion e do Ânion.
rFe2+ 0,077 nm
-------- = ------------------------------ = 0,550
rO2+ 0,140 nm
Está entre 0,414 e 0,732. NC = 6.
Será como a estrutura do Sal-gema.
Cálculos da densidade da cerâmica
n´ = Número de unidades da fórmula /Cel.Unitária;
∑AC = Soma dos pesos atômicos de todos os cátions na unidade de 
fórmula;
∑AA = Soma dos pesos atômicos de todos os ânions na unidade de 
fórmula;
Vc = Volume da célula unitária;
NA = Número de Avogadro: 6,023x10
23 unidades de fórmula/mol
Com base na estrutura cristalina, calcule a densidade teórica para o cloreto de 
sódio. Como o valor encontrado para a densidade teórica se compara à 
densidade obtida através de medições experimentais?
Exemplo
Com base na estrutura cristalina, calcule a densidade teórica para o cloreto de 
sódio. Como o valor encontrado para a densidade teórica se compara à 
densidade obtida através de medições experimentais?
Exemplo
Com base na estrutura cristalina, calcule a densidade teórica para o cloreto de 
sódio. Como o valor encontrado para a densidade teórica se compara à 
densidade obtida através de medições experimentais?
Exemplo
Com base na estrutura cristalina, calcule a densidade teórica para o cloreto de 
sódio. Como o valor encontrado para a densidade teórica se compara à 
densidade obtida através de medições experimentais?
Exemplo
Cerâmicas à Base de Silicato
▪ Os silicatos são materiais compostos principalmente por silício e 
oxigênio, os dois elementos mais abundantes na crosta terrestre; 
consequentemente, a maior parte dos solos, rochas, argilas e areia se 
enquadram na classificação de silicatos.
▪ Em vez de se caracterizar as estruturas cristalinas desses materiais em 
termos de células unitárias, é mais conveniente usar vários arranjos 
de um tetraedro composto por SiO4
4-. 
Cerâmicas à Base de Silicato
▪ Cada átomo de silício está ligado a quatro átomos de oxigênio, os quais 
estão localizados nos vértices do tetraedro; 
▪ o átomo de silício está posicionado no centro do tetraedro. 
▪ Uma vez que essa é a unidade básica dos silicatos, ela é tratada 
normalmente como uma entidade carregada negativamente.
Cerâmicas à Base de Silicato
▪ Frequentemente, os silicatos não são considerados como iônicos, pois 
as ligações interatômicas Si-O exibem um caráter covalente significativo, 
o que torna essas ligações direcionais e relativamente fortes.
▪ Independente da natureza da ligação Si-O, existe uma carga de -4 
associada a cada tetraedro de SiO4
4-, uma vez que cada um dos quatro 
átomos de oxigênio exige um elétron extra para atingir uma estrutura 
eletrônica estável → Quais as valências de ambos?. 
▪ Várias estruturas de silicatos surgem das diferentes maneiras de 
segundo as quais as unidades de SiO4
4- podem ser combinadas em 
arranjos unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais.
Cerâmicas à Base de Silicato
Cerâmicas à Base de Silicato
Sílica
▪ O Dióxido de Silício ou Sílica (SiO2) é o mais simples silicato.
▪ Forma arranjo tridimensional, onde os átomos de Oxigênio dos 
vértices são divididos com os tetraedros adjacentes.
▪ O material é eletricamente neutro e apresenta estrutura 
eletrônica estável. 
▪ Sob essas circunstâncias, a razão entre o número de átomos 
de silício e o número de átomos de O é 1:2, como indicado 
pela fórmula química. 
Cerâmicas à Base de Silicato
Sílica
▪ Se esses tetraedros forem 
arranjados de maneira regular e 
ordenada, forma-se uma estrutura 
cristalina. 
▪ Existem três formas cristalinas 
polimórficas principais para a 
Sílica: Cristobalita, Quartzo e 
Tridimita.
→ São estruturas complicadas e 
abertas (átomos não densamente 
compactados) → densidade baixa. 
→ Força de ligação alta (Tfusão = 
1710oC)
Cerâmicasà Base de Silicato
Vidros à Base de Sílica
▪ A sílica também pode ser constituída na forma de um sólido não-cristalino 
ou vidro, com um elevado grau de aleatoriedade atômica, o que é uma 
característica dos líquidos; tal maneira é conhecida por sílica fundida ou 
sílica vítrea.
▪ A estrutura tetraédrica é SiO4
4- é a unidade básica (como na sílica cristalina); 
além dessa estrutura existe uma desordem considerável.
(a) (b)
Esquemas bidimensionais da estrutura do dióxido de silício cristalino (a) e do 
dióxido de silício não-cristalino (b).
Cerâmicas à Base de Silicato
Vidros à Base de Sílica
▪ Outros óxidos (p.e. B2O3 e GeO2) podem também formar estruturas 
vítreas; 
▪ Esses materiais, como o SiO2, são conhecidos como formadores de 
rede.
▪ Os vidros inorgânicos comuns que são usados para recipientes, janelas, e 
assim por diante, são vidros à base de sílica, aos quais foram adicionados 
outros óxidos, tais como CaO e Na2O. 
▪ Esses óxidos não formam redes poliédricas (seus cátions são 
incorporados no interior e modificam a rede do SiO4
4-) e são 
conhecidos como modificadores de rede.
Cerâmicas à Base de Silicato
Vidros à Base de Sílica
▪ Ainda outros óxidos, como o TiO2 e o 
Al2O3 que não são formadores de rede, 
substituem o silício e se tornam parte 
da rede, a estabilizando → óxidos 
intermediários. 
Qual o efeito deles???
▪ A adição desses modificadores e 
óxidos intermediários diminui o ponto 
de fusão e a viscosidade de um vidro, 
tornando mais fácil a sua conformação 
a temperaturas mais baixas.
Cerâmicas à Base de Silicato
Vidros à Base de Sílica RESUMO
1. As estruturas atômicas de materiais podem não estar regularmente 
dispostas como em redes cristalinas → Estruturas amorfas ou 
vítreas.
2. Este tipo de estrutura, entretanto, não é completamente 
desordenada. 
▪ Ela é formada por blocos constitutivos dispostos de maneira 
desordenada. 
▪ Porém a estrutura destes blocos é regular. 
▪ Assim, pode-se dizer que as estruturas vítreas possuem 
desordem de longo alcance e ordem de curto alcance.
Cerâmicas à Base de Silicato
Vidros à Base de Sílica RESUMO
3. Nem todos os materiais podem apresentar uma estrutura vítrea, 
▪ porém todos os materiais que apresentam estrutura vítrea 
também apresentam estrutura cristalina. 
▪ Pode-se dizer que a estrutura vítrea é uma fase metaestável e a 
estrutura cristalina é a fase estável.
4. Óxidos que podem apresentar estrutura vítrea são ditos 
formadores de rede. Exemplos de formadores de rede são: SiO2, 
GeO2, P2O5 e As2O5. 
▪ Outros cátions podem substituir os cátions dos formadores de 
rede, porém eles mesmos não conseguem formar redes vítreas.
Cerâmicas à Base de Silicato
Vidros à Base de Sílica RESUMO
5. Em redes cristalinas, os blocos constitutivos formam arranjos 
regulares. 
▪ Isto ocorre porque cada bloco está conectado a um número 
grande de blocos vizinhos, formando um arranjo tridimensional. 
▪ Quando a conectividade de cada bloco constitutivo cai, torna-se 
possível que o arranjo de blocos não seja ordenado. 
Cerâmicas à Base de Silicato
Vidros à Base de Sílica RESUMO
▪ A estrutura vítrea é então um arranjo tridimensional 
desordenado de baixa conectividade. 
▪ Apenas alguns óxidos podem formar este tipo de arranjo. 
6. Existem óxidos que, quando introduzidos na estrutura vítrea, 
diminuem a conectividade da estrutura, quebrando ligações entre 
os blocos constitutivos.
▪ Estes óxidos são chamados de modificadores de rede e abaixam a 
viscosidade do vidro. Exemplos destes óxidos são: Na2O, K2O, 
CaO, BaO.
Cerâmicas à Base de Silicato
Os Silicatos
▪ Para os vários minerais à base de silicato, um, dois ou três dos átomos de 
oxigênio nos vértices dos tetraedros de SiO4
4- são compartilhados por 
outros tetraedros para formar algumas estruturas consideravelmente mais 
complexas, tais como SiO4
4-, Si2O7
6-, Si3O9
6-, e assim por diante.
▪ Também são possíveis estruturas de cadeia única (e).
Nessas estruturas, cátions carregados positivamente, como Ca2+, Mg2+ e Al3+ 
servem a dois propósitos:
▪ Compensam as cargas negativas da unidade de SiO4
4-
→ neutralidade de 
cargas.
▪ Esses cátions ligam ionicamente entre si os tetraedros de SiO4
4-. 
Cerâmicas à Base de Silicato
Os Silicatos
Cinco estruturas de 
íon silicato formadas a 
partir de tetraedros 
de SiO4
4- .
Cerâmicas à Base de Silicato
Os Silicatos – Silicatos Simples
▪ Os mais simples silicatos → envolvem tetraedros 
isolados (a), 
▪ como a Forsterita (Mg2SiO4), que apresenta 
dois íons Mg2+ associados a cada tetraedro, 
de forma que cada íon Mg2+ possui seis 
oxigênios como átomos vizinhos mais 
próximos.
▪ O silicato Si2O7
6- forma-se quando dois tetraedros 
compartilham um Oxigênio comum (b). 
▪ A aquermanita (Ca2MgSi2O7), é um mineral 
que apresenta o equivalente a dois íons Ca2+ e 
um Mg2+ ligados a cada unidade Si2O7
6-.
(a)
(b)
Cerâmicas à Base de Silicato
Os Silicatos – Silicatos em Camadas
▪ Uma estrutura bidimensional em lâminas ou camadas, pode também ser 
produzida quando os três íons Oxigênio são compartilhados em cada 
tetraedro, sendo a fórmula que se repete o (Si2O5)
2-.
→ A carga negativa líquida está associada aos átomos de Oxigênio que 
não estão ligados, e que se projetam para fora do plano da página (figura).
→ A eletro neutralidade é estabelecida ordinariamente por uma segunda 
estrutura laminar planar que possui um excesso de cátions, que se 
ligam a esses oxigênios. 
→ Tais materiais são conhecidos como silicatos em lâminas ou camadas.
→ Esta estrutura é característica das argilas, e de outros minerais.
Cerâmicas à Base de Silicato
Os Silicatos – Silicatos em Camadas
▪ Representação esquemática da 
lâmina de silicato 
bidimensional, que possui uma 
unidade de fórmula repetida e 
equivalente a (Si2O5)
2-.
Cerâmicas à Base de Silicato
Os Silicatos – Silicatos em Camadas
▪ Um dos minerais argilosos mais comuns (com estrutura laminar de 
silicato com duas camadas), a caolinita, apresenta fórmula 
Al2Si2O5(OH)4 e a neutralidade elétrica da camada tetraédrica de 
sílica (Si2O5)
2- é obtida por uma camada adjacente de Al2(OH)4
2+.
▪ Um plano médio é formado por íons de O2- da camada de (Si2O5)
2- e 
íons OH- que compõe parte da camada de Al2(OH)4.
Cerâmicas à Base de Silicato
Os Silicatos – Silicatos em Camadas
Uma única lâmina é mostrada abaixo
▪ Enquanto a ligação dentro 
dessa lâmina com duas 
camadas é forte e 
intermediária entre 
covalente e iônica, 
▪ as lâminas adjacentes estão 
apenas fracamente ligadas
umas às outras através de 
forças de van der Waals
fracas.
Carbono
▪ O Carbono é um elemento que existem em diversas formas 
polimórficas e também no estado amorfo.
▪ Esse grupo de materiais não se enquadra, na realidade, dentro de 
qualquer um dos esquemas de classificação tradicionais para 
metais, cerâmicas e polímeros.
▪ Porém são discutidos nessa seção, já que a grafita (forma polimórfica 
do C) é algumas vezes classificada como cerâmica.
▪ Além disso, o diamante apresenta estrutura cristalina semelhante 
àquela da blenda de zinco.
▪ Veremos a Grafita, o Diamante e os novos Fullerenos. 
Carbono
Diamante▪ O diamante é uma forma alotrópica metaestável do Carbono em 
temperatura e pressão ambiente.
▪ A estrutura do Diamante é similar à 
blenda de zinco, em que o Carbono 
ocupa as posições do Zn e do S.
▪ Cada átomo de Carbono está 
(totalmente) covalentemente ligado à 
outros quatro átomos de Carbono. A 
estrutura é referida como a estrutura 
cristalina cúbica do Diamante.
▪ É o material de maior dureza que se 
conhece (7000HK).
Cond. Elétrica baixa.
Cond. Térmica anormalmente alta 
para um material não-metálico.
Carbono
O que diferencia o Diamante da 
Grafita???
Carbono – Grafita
▪ Um outro polimorfo do carbono é 
a Grafita. 
▪ É mais estável em temperatura e 
pressão atmosférica ambiente 
em relação ao Diamante. → Mais 
comum.
▪ A estrutura da grafita é compostapor camadas de átomos de 
carbono em um arranjo 
hexagonal.
Carbono – Grafita
▪ Neste arranjo, dentro das camadas, 
cada átomo de carbono estabelece 
ligações covalentes (fortes) a 
outros três átomos vizinhos de 
carbono coplanares.
▪ O quarto elétron de valência 
participa de uma ligação fraca do 
tipo van der Waals entre as 
camadas. → A clivagem 
interplanar é fácil → excelentes 
propriedades lubrificantes da 
grafita. 
▪ Cond. Elétrica relativamente alta em direções cristalográficas 
paralelas às lâminas hexagonais. 
Carbono – Grafita
▪ Elevada resistência e boa estabilidade química a temperaturas 
elevadas e em atmosferas não-oxidantes.
▪ Elevada condutividade térmica.
▪ Baixo coeficiente de expansão térmica.
▪ Alta resistência à choques térmicos.
▪ Elevada adsorção de gases.
▪ Boa usinabilidade.
Carbono
Fullerenos
▪ É outra forma polimórfica descoberta 
em 1985. 
▪ Consiste em um aglomerado 
esférico oco com 60 átomos de 
Carbono. 
▪ Uma molécula é referida com o C60.
▪ Cada molécula é composta por 
grupos de átomos de Carbono, que 
são ligados um ao outro, formando 
configurações geométricas tipo 
hexágono (6 átomos de C) e 
pentágono (5 átomos de C).
Carbono
Fullerenos▪ São 20 estruturas hexagonais e 12 estruturas Pentagonais. 
▪ A estrutura é tal que dois 
pentágonos não podem estar 
lado a lado.
▪ O material composto por 
moléculas de C60 é conhecido por 
buckminsterfullereno.
▪ É eletricamente isolante, mas 
com uma adição adequada de 
impurezas, ele pode ser tornado 
altamente condutor e 
semicondutor. 
“The first fullerene molecule to be 
discovered, and the family's 
namesake, buckminsterfullerene(C60), 
was prepared in 1985 by Richard 
Smalley, Robert Curl, James 
Heath, Sean O'Brien, and Harold 
Kroto at Rice University.”
Imperfeições nas Cerâmicas
Defeitos Pontuais Atômicos
▪ São possíveis lacunas e intersticiais (como nos metais); 
▪ como eles contém íons de ao menos dois tipos diferentes, podem ocorrer 
defeitos para cada espécie de íon.
▪ P.e. NaCl → lacunas e intersticiais para Na e Cl.
Muito improvável 
concentrações apreciáveis de 
intersticiais do ânion. →
relativamente grande →
deformações substanciais 
sobre os íons vizinhos para 
se ajustar numa posição 
intersticial (pequena).
Imperfeições nas Cerâmicas
Defeitos Pontuais Atômicos
▪ Estrutura de Defeitos → usada para designar os tipos e concentrações dos 
defeitos atômicos das cerâmicas. → condições de eletroneutralidade (já que 
temos íons) devem ser mantidas (cargas + iguais -). → assim os defeitos nas 
cerâmicas não ocorrem sozinhos!
▪ Defeito de Frenkel → par composto por uma lacuna de cátion e um cátion 
intersticial.
▪ Cátion deixa sua posição normal e se move para um interstício. → Não 
existe alteração de carga (cátion mantém a mesma carga dentro do 
interstício).
▪ Defeito de Schottki → AX → par consistindo de lacuna de cátion e lacuna 
de ânion.
▪ Remoção do cátion e do ânion do interior do cristal, seguido pela 
colocação de ambos os íons numa superfície externa.→ cátions e 
ânions possuem mesma carga e temos lacunas para ambos →
Neutralidade.
Imperfeições nas Cerâmicas
Defeitos Pontuais Atômicos
▪ Em ambos os defeitos apresentados acima, a razão entre o número de cátions 
e o de ânions não é alterada. → material estequiométrico (quando não tiver 
outro defeito presente) → existe razão exata entre cátions e ânions prevista na 
fórmula química (estequiometria).
Imperfeições nas Cerâmicas
Impurezas nas Cerâmicas
▪ Como em metais, átomos de impureza podem formar soluções sólidas 
(substitucional e intersticial) em cerâmicas.
▪ Em solução sólida intersticial, o raio iônico da impureza deve ser 
relativamente pequeno em comparação ao ânion.
▪ Uma vez que existem ânions e cátions, uma impureza substitucional irá 
substituir um íon hospedeiro que seja mais semelhante a ela no 
aspecto elétrico: se o átomo da impureza forma normalmente um 
cátion em um material cerâmico, ele irá, mais provavelmente, substituir 
um cátion hospedeiro.
▪ Exemplo: NaCl (Na+Cl-) → seriam substituídos por → Ca2+ e O2-
respectivamente.
Imperfeições nas Cerâmicas
Impurezas nas Cerâmicas
▪ Solubilidade sólida apreciável de impureza substitucional → tamanho e carga 
iônica da impureza devem ser muito próximos daqueles dos íons hospedeiros!
▪ Íon de impureza com 
carga diferente do 
hospedeiro → cristal deve 
compensar para que a 
eletroneutralidade seja 
mantida. → pode ser 
realizado através da 
produção de novos 
defeitos da rede cristalina 
(lacunas e intersticiais).
Imperfeições nas Cerâmicas
Exemplo
Se a eletroneutralidade deve ser preservada, quais defeitos pontuais são 
possíveis no NaCl quando um íon Ca2+ substitui um íon Na+? Quantos desses 
defeitos é necessário existir para cada íon Ca2+?
Imperfeições nas Cerâmicas
Exemplo
Se a eletroneutralidade deve ser preservada, quais defeitos pontuais são 
possíveis no NaCl quando um íon Ca2+ substitui um íon Na+? Quantos desses 
defeitos é necessário existir para cada íon Ca2+?
Solução
A substituição de um íon Na+ por um íon Ca2+ introduz uma carga positiva 
adicional. A eletroneutralidade é mantida quando uma única carga positiva é 
eliminada ou quando uma única carga negativa é adicionada.
A remoção de uma carga positiva é conseguida pela formação de uma lacuna de 
Na+.
Alternativamente, um átomo intersticial de Cl- irá fornecer uma carga negativa 
adicional, anulando o efeito de cada íon Ca2+. Entretanto, como mencionado 
anteriormente, a formação desse defeito é muito improvável.
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
▪ Os materiais cerâmicos tem sua aplicabilidade limitada em certos aspectos 
devido às suas propriedades mecânicas, que em muitos aspectos são 
inferiores àquelas apresentadas pelos metais.
▪ A principal desvantagem é uma disposição à fratura catastrófica de uma 
maneira frágil, com muito pouca absorção de energia.
DEVEMOS ESPERAR DIFERENÇAS NO COMPORTAMENTO DA 
FRATURA PARA TENSÕES TRATIVAS E COMPRESSIVAS?
PORQUE?
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ À temperatura ambiente, tanto cerâmicas cristalinas como as não-
cristalinas quase sempre fraturam antes que qualquer deformação 
plástica possa ocorrer em resposta à aplicação de uma carga de 
tração.
▪ Fratura Frágil → formação e propagação de trincas através da seção 
reta do material em uma direção perpendicular à carga aplicada.
→ crescimento da trinca em cerâmicas cristalinas se dá através 
dos grãos (transgranular) e ao longo de planos cristalográficos (ou 
de clivagem) específicos, planos de elevada densidade atômica.
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ As resistências à fratura medidas para os materiais cerâmicos são 
substancialmente inferiores àquelas estimadas pela teoria a partir 
das forças de ligação interatômicas.
Porque?
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ Isso pode ser explicado pela presença de defeitos muito pequenos e 
onipresentes no material, os quais servem como fatores de concentração 
de tensões, ou seja, pontos onde a magnitude de uma tensão de tração 
aplicada é amplificada.
▪ Como 
estimamos 
essa tensão 
máxima???
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ O grau de amplificação da tensão depende do comprimento da trinca e do 
raio de curvatura da extremidade da trinca, de acordo com a equação,
▪ sendo maior no caso de defeitos longos e pontiagudos.
▪ Esses concentradores de tensões podem ser diminutas trincas de superfície 
ou internas (microtrincas), poros internos e arestas de grãos, os quais são 
virtualmente impossíveis de serem eliminados ou controlados.
▪ Fibras de vidro → umidade e contaminantes presentes na atmosfera podem 
introduzir trincas de superfícies em fibras recentemente estiradas.
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ O grau de amplificação da tensão depende do comprimento da trinca e do 
raio de curvatura da extremidade da trinca, de acordo com a equação,
▪ sendo maior no caso de defeitos longose pontiagudos.
▪ Esses concentradores de tensões podem ser diminutas trincas de superfície 
ou internas (microtrincas), poros internos e arestas de grãos, os quais são 
virtualmente impossíveis de serem eliminados ou controlados.
▪ Fibras de vidro → umidade e contaminantes presentes na atmosfera podem 
introduzir trincas de superfícies em fibras recentemente estiradas.
Tensão máxima na extremidade da trinca σm
Magnitude da tensão de tração nominal aplicada σ0
Raio de curvatura da extremidade da trinca ρe
Comprimento de uma trinca superficial, ou C/2 de uma trinca interna a
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ A medida de habilidade de um material cerâmico em resistir à fratura quando 
uma trinca está presente é especificada em termos da tenacidade à fratura.
▪ A tenacidade à fratura em deformação plana, KIc, é definida pela expressão:
▪ A propagação da trinca não irá ocorrer enquanto o lado direito da eq. for 
inferior à tenacidade à fratura em deformação plana do material.
▪ Os valores da tenacidade à fratura em deformação plana para os materiais 
cerâmicos são menores do aqueles apresentados pelos metais; tipicamente 
eles são menores do que 10 MPa/m².
Parâmetro ou função adimensional que depende tanto da amostra 
como das geometrias da trinca Y
Tensão aplicada σ
Comprimento de uma trinca superficial, ou C/2 de uma trinca interna a
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ Fadiga estática ou fratura retardada (ocorrem sob algumas 
circunstâncias) → fratura ocorrendo pela propagação lenta das 
trincas, quando as tensões são de natureza estática e quando o 
lado direito da equação anterior é menor do que KIc. 
→ Então ocorre fadiga (?) → fratura pode ocorrer na ausência 
de tensões cíclicas!
→ Fratura especialmente sensível às condições do ambiente 
(especificamente umidade).
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ Fadiga estática ou fratura retardada (ocorrem sob algumas 
circunstâncias)
▪ Mecanismo → ocorre provavelmente um processo de corrosão 
sob tensão nas extremidades da trinca 
▪ (tensão de tração + dissolução do material → afilamento e 
aumento do comprimento das trincas → cresce até a 
apresentar rápida propagação).
▪ Especialmente suscetíveis → vidros à base de silicato, 
porcelana, cimento portland, etc.
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ Tensões de compressão → não existe qualquer amplificação de 
tensões associada com qualquer defeito existente. 
▪ Assim, as cerâmicas frágeis exibem resistências muito maiores 
em compressão do que em tração (da ordem de um fator de 
10),
▪ e elas são geralmente utilizadas quando as condições de 
carregamento são compressivas.
Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
▪ Tensões de compressão → não existe qualquer amplificação de 
tensões associada com qualquer defeito existente. 
▪ Como posso melhorar a resistência à fratura de uma cerâmica 
frágil?
▪ Ainda, a resistência à fratura de uma cerâmica frágil pode ser 
melhorada substancialmente pela imposição de tensões 
residuais de compressão na superfície (revenimento térmico).
→ Por isso veremos mais adiante a questão de tratamentos térmicos 
nos cerâmicos.
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
RESITÊNCIA À FLEXÃO
Em cerâmicas frágeis → comportamento tensão-deformação NÃO é 
em geral é avaliado por ensaio de tração.
▪ Difícil preparo de amostras que tenham a geometria exigida.
▪ Difícil prender e segurar materiais frágeis sem fraturá-los.
▪ As cerâmicas falham após uma deformação de apenas aprox. 
0,1%
▪ isso exige que os corpos de prova estejam perfeitamente 
alinhados para evitar tensões de dobramento ou flexão, que 
não são facilmente calculadas.
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
RESITÊNCIA À FLEXÃO
▪ Portanto aplicamos, na maioria das vezes, ensaio de flexão 
transversal :
→Mais adequado para tais casos 
→ corpo de prova na forma de uma barra (com seção reta circular 
ou retangular) é flexionado até sua fratura, utilizando uma 
técnica de carregamento em três ou quatro pontos (ASTM 
C1161).
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
RESITÊNCIA À FLEXÃO
▪ No ponto de carregamento, a 
superfície superior do corpo 
de prova é colocada em um 
estado de compressão, 
enquanto a superfície inferior 
encontra-se em tração. 
▪ A tensão é calculada a partir 
da espessura do corpo de 
prova, do momento fletor e do 
momento de inércia (ver 
figura).
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
RESITÊNCIA À FLEXÃO
▪ A tensão de tração máxima 
(pelas expressões de tensão) 
existe na superfície inferior do 
corpo de prova, diretamente 
abaixo do ponto de aplicação 
da carga.
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
RESITÊNCIA À FLEXÃO
▪ Uma vez que os limites de 
resistência à tração dos 
materiais cerâmicos 
equivalem a prox. 1/10 das 
suas resistências à 
compressão, 
▪ e uma vez que a fratura ocorre 
na face do CP que está sendo 
submetida a tração, o ensaio 
de flexão é um substituto 
razoável para o ensaio de 
tração.
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
RESITÊNCIA À FLEXÃO
▪ A tensão no momento da fratura no ensaio de flexão é conhecida por 
resistência à flexão, módulo de ruptura, resistência à fratura ou resistência à 
dobra → importante parâmetro mecânico para materiais frágeis. 
▪ Para seção reta retangular e circular, à resistência à flexão, σrf é igual a, 
respectivamente:
Ff representa a carga no momento da Fratura
L é a distância entre os pontos de suporte
Outros Parâmetros Dados na Figura
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
RESITÊNCIA À FLEXÃO
▪ Valores característicos para resistência à flexão de vários cerâmicos são dados 
a seguir, no próximo slide.
→ Considerações Importantes
▪ Uma vez que durante a flexão, um CP está sujeito tanto a tensões 
compressivas como trativas, a magnitude de sua resistência à flexão é 
maior do que a por tração. 
▪ Além disso, σrf dependerá do tamanho do corpo de prova. 
Com o aumento do volume do corpo de prova (sob tensão) 
existe um aumento na severidade do defeito e, 
consequentemente, uma diminuição na resistência á flexão.
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
COMPORTAMENTO ELÁSTICO
→ Se formos comparar com os metais o 
→ comportamento elástico tensão-deformação para os cerâmicos 
quando se utilizam testes de flexão 
→é semelhante aos resultados apresentados pelos ensaios de 
tração realizados com metais: 
→existe uma relação linear entre a tensão e a deformação.
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
COMPORTAMENTO ELÁSTICO
▪ A figura compara o comportamento tensão-deformação até a 
fratura para o óxido de alumínio (alumina) e para o vidro. 
▪ O coef. angular (inclinação) da curva na região elástica é o módulo 
de elasticidade; 
▪ a faixa para ele nos materiais cerâmicos encontra-se entre 
aproximadamente 70 e 500 GPa, sendo ligeiramente maior do 
que para os metais.
▪ A tabela anterior lista valores para vários materiais cerâmicos.
Propriedades Mecânicas
Comportamento Tensão-Deformação
COMPORTAMENTO 
ELÁSTICO
▪ Comportamento típico 
tensão-deformação até a 
fratura para o óxido de 
alumínio e o vidro.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
▪ Embora à Tambiente a maioria dos cerâmicos sofra fratura antes do 
surgimento de qualquer deformação plástica, é necessário ver 
rapidamente os seus mecanismos. 
▪ A deformação plástica difere para cerâmicas cristalinas e não-
cristalinas.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
CERÂMICAS CRISTALINAS
▪ Ocorre como nos metais, pela movimentação de discordâncias.
→Uma razão para a dureza e a fragilidade desses materiais é a 
dificuldade de escorregamento (ou movimento da discordância).
→Quando a ligação é predominantemente iônica, existem muito 
poucos sistemas de escorregamento (planos e direções 
cristalográficasdentro daqueles planos) ao longo dos quais as 
discordâncias podem se mover.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
CERÂMICAS CRISTALINAS
▪ Por que isso acontece???
→ Isso é uma consequência da natureza eletricamente carregada dos 
íons .
→ Para o escorregamento em algumas direções, os íons de mesma 
carga são colocados próximos uns aos outros; 
→ devido à repulsão eletrostática, essa modalidade de 
escorregamento é muito restrita.
Metais → isso não ocorre pois todos os átomos são eletricamente 
neutros.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
CERÂMICAS CRISTALINAS
▪ Cerâmicas com ligação altamente covalente → o escorregamento 
também é difícil, eles são frágeis pelas seguintes razões:
1. As ligações covalentes são relativamente fortes;
2. Existe também um número limitado de sistemas de 
escorregamento;
3. As estruturas das discordâncias são complexas.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS
▪ A deformação plástica NÃO ocorre pelo movimento das 
discordâncias, 
→POIS NÃO EXISTE UMA ESTRUTURA ATÔMICA REGULAR!
▪ Eles se deformam através de um escoamento viscoso, que é a 
maneira segundo a qual os líquidos se deformam; 
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS
▪ A taxa de deformação é proporcional à tensão aplicada. 
▪ Em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento, os 
átomos ou íons deslizam uns sobre os outros através da quebra 
e da reconstrução de ligações interatômicas.
▪ Contudo, não existe uma maneira ou direção predeterminada 
segundo a qual fenômeno ocorre, como é o caso para as 
discordâncias.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS
▪ Representação do 
escorregamento viscoso 
(demonstrado em escala 
macroscópica) de um 
líquido ou vidro fluido 
em resposta à aplicação 
de uma força de 
cisalhamento.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
▪ As camadas adjacentes, deslocam-se paralelamente umas às outras 
com diferentes velocidades.
▪ Pode ser definido por meio da situação ideal conhecida como 
escoamento de Couette, onde uma camada de fluido é retido entre 
duas placas horizontais, uma fixa e outra se movimentando 
horizontalmente a uma velocidade constante.
▪ Assume-se que as placas são muito grandes, de modo que não é 
preciso considerar que ocorre próximo dos seus bordos.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
▪ Se a velocidade da placa superior é suficientemente baixa, as 
partículas do fluido se movem em paralelo a ela, e a sua velocidade 
irá variar linearmente a partir de zero, na parte inferior para a parte 
superior.
▪ Cada camada de fluido se move mais rapidamente do que a camada 
imediatamente abaixo, e o atrito entre elas irá dar origem a uma 
força resistindo a esse movimento relativo.
▪ Em particular, o fluido vai aplicar sobre a placa superior uma força na 
direção oposta ao seu movimento, e uma força igual, mas em direção 
oposta à placa de fundo.
▪ Uma força externa é então necessária para manter a placa superior 
em movimento a uma velocidade constante.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS
▪ A propriedade característica para um escoamento viscoso, a 
viscosidade, representa uma medida de resistência à deformação de 
um material não-cristalino.
▪ Para o escoamento viscoso de um líquido que tem sua origem nas 
tensões de cisalhamento impostas por duas chapas planas e 
paralelas:
Ver Figura Anterior
Viscosidade η representa a razão entre a:
τ tensão de cisalhamento aplicada, e 
dv alteração na velocidade em função da
dy distância em uma direção perpendicular e se afastando das 
chapas → Taxa de deformação.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS
▪ Quanto maior a viscosidade, menor será a velocidade em que o fluido 
se movimenta.
▪ Viscosidade é a propriedade associada a resistência que o fluido 
oferece a deformação por cisalhamento.
Propriedades Mecânicas
Mecanismos da Deformação Plástica
CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS
▪ Líquidos → viscosidades relativamente baixas.
▪ Vidros → viscosidades extremamente elevadas à temperatura 
ambiente.
temperatura → magnitude da ligação → movimento de 
escorregamento ou escoamento dos átomos ou íons ficam facilitados.
→ Viscosidade.
Exercícios Propostos
1 – Demonstre que a razão mínima entre os raios do cátion e do ânion para um 
número de coordenação de 8 é de 0,732.
2 – A estrutura cristalina da blenda de zinco é uma que pode ser gerada a partir 
de planos de ânions densamente compactados.
(a) A estrutura de empilhamento para essa estrutura será CFC ou HC? Por quê?
(b) Os cátions irão preencher posições tetraédricas ou octaédricas? Por quê?
(c) Qual fração das posições será ocupada?
3 – Explique sucintamente (a) por que pode haver uma dispersão significativa na 
resistência à fratura para alguns dados materiais cerâmicos, e (b) por que a 
resistência à fratura aumenta em função de uma diminuição do tamanho da 
amostra.
4 – Cite uma razão pela qual os materiais cerâmicos são, em geral, mais duros, 
porém mais frágeis, do que os metais?
Propriedades Mecânicas
Influência da Porosidade
▪ Em alguns casos, para a fabricação de materiais cerâmicos o material 
de origem se encontra na forma de pó;
▪ Após a compactação ou conformação dessas partículas pulverizadas 
na forma desejada, existirão poros ou espaços vazios entre as 
partículas do pó.
▪ Durante T. T. a maior parte da porosidade será eliminada, entretanto 
ele será incompleto em alguns casos resultando numa porosidade 
residual.
▪ Porosidade terá influência negativa sobre as propriedades 
elásticas e a resistência.
Propriedades Mecânicas
Influência da Porosidade
→ Foi observado para alguns cerâmicos que o módulo de elasticidade E
diminui em função da fração volumétrica da porosidade, P, de acordo com 
a expressão:
▪ Onde E0 representa o 
módulo de elasticidade para 
o material sem porosidade. 
▪ A influência da fração 
volumétrica da porosidade 
sobre o módulo de 
elasticidade para o óxido de 
alumínio é mostrada na 
figura, onde a curva está de 
acordo com a eq. anterior.
Fração volumétrica da porosidade
Propriedades Mecânicas
Influência da Porosidade
▪ A porosidade exerce um efeito negativo por dois motivos: 
1. Os poros reduzem a área de seção reta através da qual uma 
carga é aplicada, e 
2. Eles também atuam como concentrados de tensões (no caso de 
um poro esférico isolado, uma tensão de tração que seja 
aplicada é amplificada por um fator de 2).
→A influência da porosidade sobre a resistência é relativamente 
drástica; 
→p.e., não é incomum que uma porosidade de 10% vol seja 
responsável por uma diminuição em 50% na resistência à flexão 
em relação ao material sem porosidade. 
Propriedades Mecânicas
Influência da Porosidade
▪ O grau de influência do 
volume de poros está 
mostrado na figura, 
novamente para o óxido de 
alumínio. 
▪ Experimentalmente tem 
sido mostrado que a 
resistência à flexão 
diminui exponencialmente 
em função da fração 
volumétrica de porosidade 
(P), de acordo com a 
relação:
Fração volumétrica da porosidade
→ σ0 e n representam constantes 
experimentais.
Materiais Não Metálicos
TM334
Aula 03: Aplicações e 
Processamento das 
Cerâmicas
Prof. Felipe Jedyn
DEMEC – UFPR
Aplicações e Processamento
das Cerâmicas
▪ Características Metais x Cerâmicos → muito diferentes → aplicações 
totalmente diferentes → materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos se 
completam nas suas utilizações.
▪ Processamento (em comparação aos metais)
▪ Fundição de cerâmicos → normalmente impraticável (Tfusão muito alta).
▪ Deformação → impraticável (fragilidade).
Aplicações e Processamento
das Cerâmicas
Processamento dos Cerâmicos
▪ Algumas peças cerâmicas são conformadas a partir de pós (ou 
aglomerados particulados) que devem ao final ser secados e 
levados a ignição (cozidos)▪ Vidros → formas conformadas a altas temperaturas a partir de 
uma massa fluida que se torna viscosa com o resfriamento.
▪ Cimentos → são conformados pela colocação de uma pasta fluida 
no interior dos moldes, que endurece e assume uma pega 
permanente em virtude de reações químicas.
Aplicações e Processamento
das Cerâmicas
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Vidros
▪ Grupo Familiar de Materiais Cerâmicos → recipientes, janelas, 
lentes e fibra de vidro.
▪ Consistem em silicatos não cristalinos que também contém outros 
óxidos (CaO, Na2O, K2O, Al2O3) que influenciam suas 
propriedades.
▪ Características principais → transparência ótica e a relativa 
facilidade com as quais eles podem ser fabricados.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Vidros
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Propriedades dos Vidros
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS VÍTREOS SENSÍVEIS A ALTERAÇÕES DE 
TEMPERATURA
▪ Materiais vítreos (ou não-cristalinos) não se solidificam do mesmo 
modo que os materiais cristalinos:
→ com o resfriamento, um vidro se torna continuamente mais e 
mais viscoso; 
→não existe uma temperatura definida na qual o líquido se 
transforma em um sólido, como ocorre com os materiais 
cristalinos.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Propriedades dos Vidros
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS VÍTREOS SENSÍVEIS A ALTERAÇÕES DE 
TEMPARURA
▪ Diferença entre Cristalinos x Não-
cristalinos: Dependência do volume 
específico em relação a 
temperatura.
▪ Cristalinos: diminuição 
descontínua no volume quando 
se atinge Tf.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Propriedades dos Vidros
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS VÍTREOS SENSÍVEIS A ALTERAÇÕES DE 
TEMPARURA
▪ Materiais vítreos: volume diminui continuamente em função de 
uma redução na temperatura. 
▪ Ocorre uma pequena diminuição na inclinação da curva no que 
é conhecido por temperatura de transição vítrea, Tv, ou 
temperatura fictícia. 
▪ Abaixo dessa temperatura o material é considerado como sendo 
um vidro; acima dessa temperatura, o material é primeiro um 
líquido super-resfriado, e finalmente um líquido.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Propriedades dos Vidros
▪ Contraste do comportamento volume 
específico-temperatura apresentado 
por materiais cristalinos e não-
cristalinos. 
▪ Os materiais cristalinos se solidificam 
na temperatura de fusão Tf . 
▪ Uma característica do estado não-
cristalino é a temperatura de 
transição vítrea, Tv. 
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Propriedades dos Vidros
CARACTERÍSTICAS VISCOSIDADE x 
TEMPERATURA
1. O ponto de fusão corresponde 
à temperatura na qual a 
viscosidade é de 10 Pa-s (100 
P); o vidro é fluido o suficiente 
para ser considerado um 
líquido.
2. O ponto de operação
representa a temperatura na 
qual a viscosidade é de 10³ 
Pa-s (104 P); o vidro é 
facilmente deformado nessa 
viscosidade.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Propriedades dos Vidros
CARACTERÍSTICAS VISCOSIDADE-
TEMPERATURA
3. O ponto de amolecimento, a 
temperatura na qual a viscosidade é 
de 4 x 106 Pa-s (4 x 107 P), é a 
temperatura máxima na qual uma 
peça de vidro pode ser manuseada 
sem causar alterações dimensionais 
significativas.
4. O ponto de recozimento é a 
temperatura na qual a viscosidade é 
de 1012 Pa-s (1013 P). Nessa 
temperatura, a difusão atômica é 
suficientemente rápida, tal que 
quaisquer tensões residuais podem 
ser removidas dentro de um intervalo 
de aproximadamente 15 min.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Propriedades dos Vidros
CARACTERÍSTICAS VISCOSIDADE-
TEMPERATURA
5. O ponto de deformação
corresponde à temperatura na 
qual a viscosidade se torna 3 x 
1013 Pa-s (3 x 1014 P). Para 
temperaturas abaixo do ponto de 
deformação, a fratura irá ocorrer 
antes do surgimento da 
deformação plástica. A 
temperatura de transição vítrea 
será superior à temperatura do 
ponto de deformação (1013 Pa.s).
Logaritmo da viscosidade em função da 
temperatura para vidros de sílica fundida e 
vários vidros à base de sílica.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Propriedades dos Vidros
CARACTERÍSTICAS VISCOSIDADE-
TEMPERATURA
A maioria das operações de 
conformação dos vidros é 
conduzida dentro da faixa de 
operação, entre as temperaturas 
de operação e de amolecimento.
A capacidade de um vidro em ser 
conformado pode ser em grande 
parte modificada pela alteração de 
sua composição (T amolecimento, 
Cal de soda x 96% sílica)→
operações de conformação → T 
para cal de soda.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Conformação do Vidro
▪ O vidro é produzido pelo aquecimento das matérias-primas até 
uma temperatura elevada, acima da qual ocorre a fusão.
▪ A maioria dos vidros comerciais é do tipo sílica-soda-cal.
▪ Para a maioria das aplicações, especialmente quando a 
transparência ótica é um fator importante, torna-se essencial que 
o vidro produzido seja homogêneo e esteja isento de poros.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Conformação do Vidro
▪ A homogeneidade é atingida através da fusão e da mistura 
completa dos ingredientes brutos.
▪ A porosidade resulta de pequenas bolhas de gás que são 
produzidas; 
▪ essas devem ser absorvidas pelo material fundido 
▪ ou de outra maneira eliminadas, o que exige um ajuste 
apropriado da viscosidade do material fundido.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Conformação do Vidro
Quatro diferentes métodos de conformação são usados para fabricar 
produtos à base de vidro (prensagem, insuflação, estiramento e 
conformação das fibras):
▪ Prensagem: é usada na fabricação de peças com paredes 
relativamente espessas, tais como pratos e louças. 
▪ A peça de vidro é conformada pela aplicação de pressão em 
um molde de ferro fundido revestido com grafita, que possui a 
forma desejada; 
▪ o molde é normalmente aquecido para assegurar uma 
superfície uniforme.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Conformação do Vidro
Quatro diferentes métodos de conformação são usados para fabricar 
produtos à base de vidro (prensagem, insuflação, estiramento e 
conformação das fibras):
▪ Insuflação: Embora em alguns casos seja feita manualmente 
(especialmente no caso de objetos de arte), o processo foi 
completamente automatizado. 
▪ Usado para a produção de jarras, garrafas e lâmpadas de vidro. 
As várias etapas envolvidas são mostradas na figura a seguir: 
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Conformação do Vidro
▪ A partir de um tarugo de 
vidro, um parison, ou 
forma temporária, é 
moldado por prensagem 
mecânica em um molde. 
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Conformação do Vidro
▪ Essa peça é inserida dentro 
de um molde de acabamento
ou de insuflação, e então é 
forçada a se conformar com 
os contornos do molde pela 
pressão que é criada por uma 
injeção de ar.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Conformação do Vidro
Quatro diferentes métodos de conformação são usados para fabricar produtos à 
base de vidro (prensagem, insuflação, estiramento e conformação das fibras):
▪ Estiramento: é usado para conformar longas peças de vidro, como 
lâminas, barras, tubos e fibras, as quais possuem uma seção reta 
constante.
▪ Um processo segundo 
o qual são formadas 
lâminas de vidro está 
ilustrado na figura; 
elas podem ser 
fabricadas por 
laminação a quente.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Conformação do Vidro
▪ Estiramento
▪ O grau de planificação e o acabamento da superfície podem ser 
melhorados de maneira significativa:
▪ Uma maneira é pela 
flutuação em um 
banho de estanho 
fundido a uma 
temperatura elevada; 
▪ A peça é resfriada 
lentamente e depois 
tratada termicamente 
por recozimento.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Conformação do Vidro
Quatro diferentes métodos de conformação são usados para fabricar 
produtos à base de vidro (prensagem, insuflação, estiramento e 
conformação das fibras):
▪ Conformação das fibras: Fibras de vidro contínuas são conformadas 
segundo uma operação de estiramento que é um tanto sofisticada.▪ O vidro fundido é colocado em uma câmara de aquecimento de 
platina. 
▪ As fibras são conformadas pelo estiramento do vidro derretido
através de muitos orifícios pequenos na base da câmara. 
▪ A viscosidade do vidro, que é crítica, é controlada pelas 
temperaturas da câmara e dos orifícios.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Tratamento Térmico dos Vidros
RECOZIMENTO
▪ Quando o material cerâmico é resfriado desde T elevada 
▪ ocorre diferença na taxa de resfriamento e na contração térmica
entre as regiões da superfície e do interior da peça
▪ o que resulta em tensões internas (tensões térmicas)
▪ as quais podem enfraquecer o material, e levá-lo a fratura (em 
casos extremos) → choque térmico.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Tratamento Térmico dos Vidros
RECOZIMENTO
▪ Para evitar que isso ocorra:
→ Resfriamento da peça a uma taxa suficientemente lenta de forma a 
evitar tensões térmicas.
▪ Tensões já introduzidas:
→ Consegue-se eliminação ou redução delas através do tratamento 
térmico de recozimento.
→ Peça de vidro é aquecida até o ponto de recozimento e então 
lentamente resfriada até a temperatura ambiente.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Tratamento Térmico dos Vidros
TÊMPERA DO VIDRO
▪ Indução intencional de tensões residuais de superfície de natureza 
compressiva de forma a melhorar a resistência de uma peça de 
vidro.
→A peça de vidro é aquecida até uma temperatura acima da 
região de transição vítrea, porém abaixo do ponto de 
amolecimento.
→ Ela é então resfriada até a temperatura ambiente em meio a 
um jato de ar ou, em alguns casos, em meio a um banho de 
óleo.
▪ As tensões residuais surgem de diferenças nas taxas de resfriamento
para as regiões de superfície e interior da peça.
→No início a superfície resfria mais rapidamente e torna-se rígida,
quando resfria a uma T abaixo do ponto de deformação.
→ Interior se resfriou mais lentamente encontra-se a uma T mais 
elevada (> ponto de deformação) e portanto ainda em condição 
plástica.
→Com a continuação do resfriamento, o interior tenta se contrair 
em maior grau do que o agora rígido exterior irá permitir.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Tratamento Térmico dos Vidros
→O interior tende então contrair o exterior ou impor tensões 
radiais voltadas para dentro.
→Como consequência, com o resfriamento completo até a T 
ambiente, a peça mantém tensões compressivas sobre a 
superfície, com tensões de tração nas regiões interiores (figura).
▪ Falha de materiais cerâmicos → quase sempre resulta de uma trinca 
iniciada na superfície pela aplicação de uma tensão de tração.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Tratamento Térmico dos Vidros
▪ Para causar a fratura de uma peça de 
vidro temperado, a magnitude de 
uma tensão de tração aplicada 
externamente deve ser grande o 
suficiente para:
→em primeiro lugar, superar a 
tensão residual de superfície de 
natureza compressiva e, 
→além disso, para tencionar a 
superfície em tração o suficiente 
para dar início a uma trinca, a 
qual poderá então se propagar.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Tratamento Térmico dos Vidros
Distribuição das tensões residuais à 
T ambiente ao longo da seção reta 
de uma lâmina de vidro temperado.
▪ Aplicação dos vidros temperados:
→Onde é importante alta 
resistência.
→Portas grandes, para-brisas de 
automóveis e lentes de óculos.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Tratamento Térmico dos Vidros
Distribuição das tensões residuais à 
T ambiente ao longo da seção reta 
de uma lâmina de vidro temperado.
▪ A maioria dos vidros inorgânicos pode ser transformada de um 
estado não-cristalino para um estado cristalino mediante um 
tratamento térmico apropriado a alta temperatura.
→DEVITRIFICAÇÃO→ O seu produto consiste em um material 
policristalino com grãos finos → VITROCERÂMICA.
▪ Um agente de nucleação (frequentemente o dióxido de titânio) 
deve ser adicionado para induzir o processo de cristalização ou 
devitrificação.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Vitrocerâmicos
→Características dos Vitrocerâmicos:
▪ Baixo coeficiente de expansão térmica (não apresenta choque 
térmico).
▪ Resistência mecânica e condutividade térmica relativamente 
elevadas.
▪ Tanto transparentes como opacos.
▪ Facilidade de fabricação (processos convencionais para vidros com 
peças isentas de poros).
▪ Aplicação: fabricação de peças para irem ao forno, ou de louças 
para irem á mesa (alta condutividade térmica), isolantes elétricos, 
substrato para placas de circuito impresso, revestimentos em 
trabalhos de arquitetura, trocadores de calor, etc.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Vitrocerâmicos
▪ MEV da microestrutura de 
um vitrocerâmico. 
▪ As longas lâminas aciculares 
fornecem um material com 
resistência e tenacidade não 
usuais.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Vitrocerâmicos
1 – (a) explique porque são introduzidas tensões térmicas residuais em 
uma peça de vidro quando esta é resfriada.
(b) São introduzidas tensões térmicas em um processo de 
aquecimento? Dizer por que sim ou por que não. 
2 – Compare as temperaturas nas quais os vidros dos tipos cal soda, 
borossilicato, 96% sílica, e sílica fundida podem ser recozidos.
3 – Qual a distinção entre temperatura de transição vítrea e 
temperatura de fusão?
Exercícios
▪ Uma das matérias-primas cerâmicas mais amplamente utilizadas é a 
argila.
→ Ingrediente barato, encontrado naturalmente e em grande 
abundância, é usado frequentemente na forma como é extraído, 
sem qualquer melhoria na sua qualidade.
→Podem ser conformados facilmente. Quando misturados nas 
proporções corretas, a argila e a água formam uma massa 
plástica que é muito suscetível a modelagem.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Produtos à base de Argila
→A peça modelada é então secada para remover parte da umidade, e 
após a isso, ela é cozida a uma temperatura elevada para melhorar a 
sua resistência mecânica.
→A maioria dos produtos a base de argila se enquadra dentro de duas 
classificações abrangentes: 
→os produtos estruturais à base de argila (tijolos de construção, 
azulejos, tubulações de esgoto – integridade estrutural 
importante). 
→ louças brancas (se tornam brancos após um cozimento a uma 
temperatura elevada – porcelanas, louças de barro, louças para 
mesa, louça vitrificada, louças sanitárias). 
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Produtos à base de Argila
▪ Além da argila, muitos desses produtos contêm também 
ingredientes não-plásticos que influenciam 
→ tanto as alterações que ocorrem durante os processos de 
secagem e cozimento,
→ como as características da peça acabada.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Produtos à base de Argila
→Os minerais argilosos desempenham DOIS papéis muito importantes 
nos corpos cerâmicos:
▪ Quando a água é adicionada, eles se tornam muito plásticos, uma 
condição conhecida por hidroplasticidade. Essa propriedade é muito 
importante durante as operações de conformação.
▪ A argila se funde ou se derrete ao longo de uma faixa de 
temperaturas; 
▪ dessa forma uma peça cerâmica densa e resistente pode ser 
produzida no cozimento sem que ocorra sua fusão completa, de 
maneira tal que a sua forma desejada seja mantida. 
▪ Essa faixa de temperatura de fusão, obviamente, depende da 
composição da argila.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
As Características das Argila
▪ As argilas são aluminossilicatos, sendo compostas por alumina 
(Al2O3) e sílica (SiO2), as quais contêm água quimicamente ligada.
▪ Impurezas presentes mais comuns: compostos (geralmente 
óxidos) à base de bário, cálcio, sódio, potássio e ferro, e também 
alguns materiais orgânicos.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
As Características das Argila
▪ Possuem uma ampla faixa de 
características físicas, 
composições químicas e 
estruturas.
▪ As estruturas cristalinas são 
relativamente complicadas, e 
prevalece uma estrutura em 
camadas.
Aplicações e Processamento das CerâmicasAs Características das Argila
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
As Características das Argila
▪ Os minerais argilosos mais comuns 
(de interesse) possuem estrutura da 
caolinita. 
▪ Na argila caolinita, quando a água é 
adicionada, as moléculas de água se 
posicionam entre essas lâminas em 
camadas e formam uma película fina 
ao redor das partículas de argila. 
▪ As partículas ficam, dessa forma, livres para se moverem umas 
sobre as outras, o que é responsável pela plasticidade resultante da 
mistura água-argila.
▪ Além da argila, muitos desses produtos (em particular as louças 
brancas) também contêm alguns ingredientes não-plásticos; 
→ os mineras não-argilosos incluem o sílex, ou quartzo finamente 
moído, e um fundente, tal como o feldspato. 
→O quartzo é usado principalmente como material de enchimento, ou 
carga. 
→ Barato e quimicamente não-reativo. 
→ Pouca alteração durante o Trat. Térmico a alta T (possui 
elevada Tfusão); 
→ quando fundido, no entanto, pode formar vidro.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Composições dos Produtos a base Argila
→O fundente, quando misturado com a argila, forma um vidro com 
ponto de fusão relativamente baixo.
→ As proporções de argila, quartzo e fundente influenciam as 
alterações durante a secagem e o cozimento, e também as 
características da peça acabada.
→ Porcelana típica pode conter 50% de argila, 25% de quartzo e 25% de 
feldspato (fundente).
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Composições dos Produtos a base Argila
→Matérias-primas extraídas :
→ devem passar por operação de moagem ou trituração (reduzir 
tamanho das partículas) 
→ seguido por um peneiramento ou classificação por granulometria 
que produz um produto pulverizado que possui uma faixa desejada 
de tamanho de partículas.
→ Para sistemas multicomponentes, os materiais pulverizados devem ser 
completamente misturados com água e, talvez, outros ingredientes
para dar as características de escoamento que são compatíveis com a 
técnica de conformação a ser empregada. 
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
→ A peça conformada deve ter resistência mecânica suficiente para 
permanecer intacta durante as operações de transporte, secagem e 
cozimento.
→ Duas técnicas usuais de modelagem são utilizadas para a 
conformação de composições à base de argila: 
→ Conformação hidroplástica, e;
→ Fundição por suspensão.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA
→Minerais à base de argila, misturados com água se tornam altamente 
plásticos e flexíveis e podem ser moldados sem ocorrerem trincas;
→ Entretanto possuem limite de escoamento extremamente baixos. 
→ A consistência (razão água-argila) da massa hidroplástica deve dar 
um limite de escoamento suficiente para permitir que a peça 
conformada mantenha sua forma durante manuseio e secagem.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA
→ Técnica de conformação hidroplástica mais comum:
→ extrusão: massa cerâmica plástica rígida é forçada (geralmente por 
meio de rosca sem fim acionada por motor – ar removido por 
câmara de vácuo para melhorar densidade da peça) através de um 
orifício de uma matriz que possui a geometria da seção reta 
desejada (semelhante extrusão de metais).
→ Fabrico: Tijolos, tubos, blocos cerâmicos e azulejos.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA
→ Extrusão
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA
→ Telhas: Extrusão + Compressão Prensa para telhas
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA
→ Pratos: Extrusão + Corte + Torneamento
Tubos obtidos por extrusão Corte + Torneamento
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
FUNDIÇÃO POR SUSPENSÃO
→ Suspensão: suspensão de argila e/ou outros minerais não-plásticos
em água.
→Quando derramada dentro de um molde poroso (feito em geral de 
gesso-de-paris), a água da suspensão é absorvida no interior do molde, 
deixando para trás uma sólida camada sobre a parede do molde cuja 
espessura irá depender do tempo.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
FUNDIÇÃO POR SUSPENSÃO
→O processo pode ser continuado até que a totalidade da cavidade do 
molde se torne sólida (fundição sólida) (a).
→Ou ele pode ser interrompido quando a camada sólida atingir a 
espessura desejada, pela inversão do molde e o derramamento da 
suspensão em excesso (fundição com dreno) (b).
→Na medida que a peça seca e se contrai em volume ela se separa do 
molde, que pode ser desmontado e a peça removida.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
FUNDIÇÃO POR SUSPENSÃO
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
FUNDIÇÃO POR SUSPENSÃO → Fabricação de Louças
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Técnicas de Fabricação da Argila
→ A peça cerâmica conformada hidroplasticamente ou através de 
fundição por suspensão:
→ Retém uma porosidade significativa e também possui uma 
resistência insuficiente para maioria das aplicações práticas.
→ Pode conter ainda algum líquido o qual pode ser removido por 
secagem.
→ A densidade e resistência são melhoradas como resultado de um 
Tratamento Térmico a alta Temperatura ou de um procedimento 
de Cozimento 
→Material seco mas não cozido → Cru.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Secagem e Cozimento
→ Secagem e Cozimento são críticas:
→ podem gerar defeitos que tornam a peça imprestável.
→ De onde vem os defeitos???
→ Defeitos (empenamento, distorções e trincas) resultam de tensões 
que são estabelecidas por uma contração de volume não-
uniforme.
→ Veremos então a contração de volume que ocorre no processo de 
SECAGEM!
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Secagem e Cozimento
→ Na medida que um corpo cerâmico à base de argila seca, ocorre
contração de volume.
→No início da secagem as partículas de argila estão virtualmente 
envolvidas e separadas uma das outras por uma fina película de 
água.
→ Com a secagem a separação diminui provocando uma contração 
de volume.
→ Torna-se crítico controlar essa remoção de água durante a 
secagem.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Secagem
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Secagem
Remoção de água. (a) Corpo molhado, (b) corpo parcialmente seco 
e (c) corpo seco
→ A secagem das regiões internas ocorre pela difusão de moléculas de 
água para a superfície, onde ocorre a evaporação.
→ Se a taxa de evaporação > taxa de difusão a superfície irá 
secar (e contrair em volume) mais rapidamente que o interior 
→ poderão se formar defeitos mencionados anteriormente.
→O que FAZER???
→ Taxa de evaporação da superfície deve ser diminuída para, no 
máximo, a taxa de difusão da água. Ela pode ser controlada pela 
temperatura, umidade e taxa de escoamento do ar.
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Secagem
O que mais influi na contração de volume???
→ Espessura do corpo também influencia a contração de volume → peça 
mais espessas, tenho contração de volume não-uniforme e formação 
de defeitos mais pronunciada.
→ Teor de água no corpo também é crítica. Quanto mais água, mais 
intensa a contração de volume. → teor deve ser mantido baixo.
→ Tamanho das partículas de argila também influencia: maior contração 
de volume com menor tamanho da partículas. POR QUE???
→ tamanho de partículas deve ser aumentado, 
→ ou elementos não-plásticos com partículas grandes podem ser 
adicionados à argila. E APÓS A SECAGEM???
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Secagem
→Após a secagem, um corpo é geralmente cozido a uma temperatura 
entre 900 e 1400oC.
→Esta temperatura depende da composição e das propriedades 
desejadas para a