Cerâmica_ Estruturas e Propriedades

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Material Cerâmico
Estruturas e Propriedades
Profa. Márcia Silva de Araújo
Definição
Qualquer material sólido inorgânico, não metálico 
submetido , em seu processamento, a algum 
tratamento a alta temperaturas. São materiais de 
emprego em engenharia, excluindo, por exemplo, 
sais inorgânicos, solúveis em água ou higroscópicos e 
materiais inorgânicos utilizados como reagentes 
químicos.
Todo material sólido que tem como componentes 
majoritários e essenciais, compostos inorgânicos não 
metálicos.
Classificações
 De acordo com a sua estrutura: 
 Materiais vítreos (amorfos)
 Materiais cristalinos
 De acordo com a composição química:
 Cerâmicas de silicatos
Ex.: cerâmicas vermelhas, porcelanas.
 Cerâmicas de óxidos não-silicatos
Ex.:ZnO, Al2O3, TiO 2
 Cerâmicias não-óxidos (covalentes)
Ex.: TiC, WC, diamante, grafite
 Cerâmicas químicamente ligadas
Ex.: cimento, gesso, cal
 Vidros e vitrocerâmicas
Classificações
 De acordo com as matérias-primas, propriedades e áreas de utilização 
(ABCERAM):
 Cerâmica Vermelha
Ex.: tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e argilas expandidas. 
 Materiais de Revestimento (Placas Cerâmicas)
Ex: azulejo, pastilha, porcelanato, grês, lajota, piso, etc. 
 Cerâmica Branca
Ex. : louça sanitária, louça de mesa, isoladores elétricos para alta e baixa tensão,cerâmica artística 
(decorativa e utilitária), cerâmica técnica para fins diversos, tais como: químico, elétrico, térmico e 
mecânico. 
 Materiais Refratários
Ex.: sílica, sílico-aluminoso, aluminoso, mulita, magnesianocromítico, cromítico-magnesiano, carbeto
de silício, grafita, carbono, zircônia, zirconita, espinélio e outros. 
 Isolantes Térmicos
Ex.: refratários isolantes, isolantes térmicos não refratários utilizados até 1100 ºC (vermiculita
expandida, sílica diatomácea, diatomito, silicato de cálcio, lã de vidro e lã de rocha), fibras ou lãs 
cerâmicas utilizados a 2000º C ou mais (sílica, sílica-alumina, alumina e zircônia) 
 Fritas e Pigmento
Ex.: vidrado ou esmalte, pigmentos (óxidos inorgânicos)
 Abrasivos
Ex.: óxido de alumínio eletrofundido e o carbeto de silício. 
 Vidro, Cimento e Cal
 Cerâmica de Alta Tecnologia/Cerâmica Avançada
Ex.: naves espaciais, satélites, usinas nucleares, materiais para implantes em seres humanos, 
aparelhos de som e de vídeo, suporte de catalisadores para automóveis, sensores (umidade, gases e 
outros), ferramentas de corte, brinquedos, acendedor de fogão, etc.
Empacotamento Atômico
Estrutura Cristalina
Fatores que definem a estrutura cristalina:
• Valência
• Relação entre menor raio iônico e maior 
raio iônico
Raio Iônico
Principais Estruturas 
Cristalinas
Estrutura Sal de Rocha
NC = 6 : 6;
2 estruturas CFC que se interpenetram;
NaCl, LiF, MgO, CaO, BaO, MnO e FeO.
Raio atômico do 
Na+ = 0,102 nm
Raio atômico do 
Cl- = 0,181 nm
Razão= 0,563
Estrutura Cloreto de Césio
NC = 8 : 8;
Estrutura cúbica simples;
CsCl, CsBr, CsI.
Raio atômico do 
Cs+ = 0,170 nm
Raio atômico do 
Cl- = 0,181 nm
Razão= 0,939
Estrutura Blenda de Zinco
Raio atômico do 
Zn++ = 0,074 nm
Raio atômico do 
S2- = 0,184 nm
Razão= 0,248
NC = 4 : 4;
CFC ;
ZnS (blenda), SiC, BeO, GaAs.
Estrutura Fluorita
Raio atômico do 
Ca2+ = 0,100 nm
Raio atômico do 
F- = 0,133 nm
Razão= 0,752
Cúbica simples
NC = 8 : 4, ½ dos cúbicos
CaF2, ZrO2, UO2, PuO2, ThO2
Estrutura Peroviskita
Raio atômico do 
Ti4+ = 0,061 nm
Raio atômico do 
Ba2+ = 0,136 nm
Raio atômico do 
O2- = 0,140 nm
Razão= 0,436, 
Razão= 0,957CFC
NC = 12 : 6 : 6 
CaTiO3, BaTiO3
SILICATOS
Silicato
Composição Química/Estrutura
Estrutura básica tetraédrica
Silicato
Composição Química/Estrutura
Estrutura O/Si Exemplos
(a) SiO4 4 Ortosilicatos
(b) Si2O7 3,5 Pirosilicatos
(c) Si3O9 3 Piroxenos 
anel
(d) Si6O18 3 Piroxenos 
anel
(e) SiO3 3 Piroxenos 
cadeia
(f) Si4O11 2,75 Asbesto
Silicato
Composição Química/Estrutura
O/Si= 2,5
Ex.: talco, mica 
caolinita, 
montmorilunita, 
argilas, 
verniculitas
Alumino Silicato
Sílica
Composição Química/Estrutura
O/Si= 2
Ex.: quartzo, 
tridimita, 
cristobalita
Agente Função Exemplo
Formador de 
rede
Forma a rede do 
vidro
SiO2, B2O3, GeO2
Modificador Diminuir a 
temperatura de 
processo
CaO, Na2O
Intermediário Altera as 
propriedades do 
vidro
Al2O3 aumenta RT
TiO2 cristaliza
PbO aumenta 
índice de refração
Composição
Silicato de Sódio
Efeito do Na2O no SiO2: amorfização
Silicato - Cristalinidade
Cristalino Amorfo
Diamante
3D
O material mais duro, mas frágil
Altíssimo índice de refração
Não é condutor elétrico
sp3
Grafite
3D
Amorfa ou cristalina ou em 
lâminas (escamas)
Macio
Condutor de calor e 
eletricidade
Baixo coeficiente de fricção
Grafite Minério de grafite
sp2
Fulereno
0D
Cristalino
Condutor de calor
Condutor de eletricidade
Aplicação em bioquímica 
e medicina, quando 
funcionalizado 
sp2
Fulereno funcionalizado
Fulereno cristalino
Grafeno
2D
Forte
Leve
Cristalino
Quase transparente
Condutor de calor
Condutor de eletricidade
sp2
Nanotubo de carbono
1D
Forte
Cristalino
Condutor de calor
Condutor de eletricidade
sp2
REVISÃO
Defeitos/ Imperfeições em Metais
 Tipos de defeitos
a) Pontuais: vacâncias, intersticiais, substitucionais e 
auto-intersticial
 Tipos de defeitos
b) Lineares: discordâncias 
em cunha
REVISÃO
Defeitos/ Imperfeições em Metais
 Tipos de defeitos
b) Lineares: movimento de discordâncias 

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REVISÃO
Defeitos/ Imperfeições em Metais
REVISÃO
Defeitos/ Imperfeições em Metais
 Tipos de defeitos
b) Lineares: espiral 
REVISÃO
Defeitos/ Imperfeições em Metais
 Tipos de defeitos
b) Lineares: mista 
Revisão
Defeitos/ Imperfeições
 Tipos de defeitos
c) Superficiais
superfície externa (ex. cimento
ARI) e contornos de grãos (pro-
priedades dependentes de fenô-
menos de contornos de grãos.
 Tipos de defeitos
d) Volumétricos
poros, trincas, precipitados,
inclusões.
REVISÃO
Defeitos/ Imperfeições em Metais
Defeitos Pontuais em Cerâmicas
Vacâncias e Cátion Intersticial
Defeitos Pontuais em Cerâmicas 
Frenkel e Scottky
Defeitos Pontuais em 
Cerâmicas
Defeitos Pontuais em Cerâmicas
Impurezas
Sistema Al2O3 – Cr2O3
Isomorfo
Valência: 
Al = 3 
Cr = 3
Raio iônico:
Al = 0,053 nm 
Cr = 0,062 nm
Eletronegatividade:
Al = 1,5 
Cr = 1,6
Estrutura Corundum Solução sólida substitucional
Ex:rubi
REVISÃO
Metal Isomorfo
Sistema Al2O3 – MgO
Valência: 
Al = 3 
Mg= 2
Raio iônico:
Al = 0,053 nm
Mg = 0,072 nm
Eletronegatividade:
Al = 1,5 
Mg = 1,2
EspinélioLimite de solubilidade ?
? ?
Sistema ZrO2 – CaO
?
? ?
Tenacidade à Fratura
Zircônia parcialmente estabilizada (3% CaO) e 
totalmente (7% CaO).
Tetragonal 
Volume aumenta
Monoclínica
Sistema Al2O3 – SiO2
Limite de solubilidade ? ?
Refratários 
até 1700 oC ? 
até 1800 oC ? 
até 2000 oC ?
Revisão
Propriedades Mecânicas
 Curva Tensão x Deformação
TR
PE offset 
0,002mm
empescoçamento
Propriedades Mecânicas
 Curva Tensão x Deformação
Tenacidade 
elástico+plástico
Módulo de Resiliência 
regime elástico
Ensaio de Resistência à Flexão
T T
C
Distribuição de frequência de falha
Curva Tensão X Deformação 
em Cerâmicas
Qual possui maior 
módulo ?
Qual possui maior 
deformação elástica?
Qual o mais rígido?Por que os materiais 
cerâmicos são frágeis ?
 Ligação iônicas 
Repulsão elétrica
 Ligações covalentes
Retículo complexo
1. As ligações não se refazem
2. Poucos sistemas de escorregamento de plano
3. Presença de poros
Por que os materiais 
cerâmicos são frágeis ?
3. Presença de poros, que são concentradores de 
tensão
Tenacidade à Fratura (Kc)
Tenacidade à Fratura
Tenacidade à Fratura
Deformação plástica em vidros
A alta temperatura escoamento viscoso
Propriedades
Módulo de Elasticidade X 
Densidade de Poros
Tensão de Ruptura X 
Densidade de Poros
Dureza
Dureza
Dureza
Fluência
Fluência
Tensão Taxa de 
Fluência
Temperatura Taxa de 
Fluência
Fluência
Poros Taxa de 
Fluência
Tamanho de grão Taxa de 
Fluência