8 - Materiais ceramicos

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03/08/2018
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Ciência dos materiais
Tarcio Manfrim, Prof˚ Me.
Callister W. – Ciência e engenharia de materiais: uma introdução
Cap. 12
Parte 8 – Materiais Cerâmicos
Introdução
As Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos,
obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas.
• Cerâmica vem da palavra grega keramikus que significa coisa queimada
• Numa definição simplificada, materiais cerâmicos são compostos de
elementos metálicos e não metálicos.
• Exemplos: SiO2( sílica), Al2O3 (alumina), Mg3Si4O10(OH)2 (talco)
Introdução
Convencionais
Estruturais
Vidros
Louças
Cimentos
Avançadas
Eletrônicos
Ópticos
Biomateriais
Cerâmicas
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Classificação dos Materiais
Cerâmicas
Propriedades básicas
• São uma combinação de metais 
com O, N, C, P, S 
• São altamente resistentes à 
temperatura (refratários) 
• São isolantes térmicos e elétricos 
• São frágeis (quebram sem 
deformar) 
• São menos densas do que metais 
• Podem ser transparentes
Introdução
Comparação de alguns propriedades térmicas dos 
metais, cerâmicas e polímeros
Uma interessante aplicação, que leva em conta as propriedades térmicas das
cerâmicas, é o seu uso na indústria aeroespacial.
Temperatura °C
* Temperaturas de subida
Revestimento exterior com fibra amorfas 
de sílica de alta pureza.
Espessura: 1,27-8,89 cm
Introdução
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Tipos de ligações: iônica
Representação esquemática da ligação iônica do cloreto 
de sódio (NaCl)
Estruturas cristalinas
Uma vez que as cerâmicas são compostas por pelo menos dois elementos, e 
frequentemente mais do que isso, as suas estruturas cristalinas são, em geral, mais 
complexas do que aquelas para os metais. 
O material deve ser 
eletricamente neutro.
Todas as cargas positivas dos 
cátions devem ser 
contrabalanceadas por um 
número igual de cargas 
negativas dos ânions
A estrutura cristalina da cerâmica pode (e será) ser definida pela:
• Magnitude da carga elétrica de cada íon;
• Os tamanhos relativos dos cátions e ânions (número de coordenação);
Ânion
Cátion
Cerâmicas estáveis : Somente é formada quando 
os ânions estão em contato com os cátions.
Estruturas cristalinas
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Estruturas cristalinas
Por exemplo:
Cloreto de sódio
Cada íon de sódio (metal) possui uma carga positiva +1 (Na+)
Cada íon de cloro (ametal) possui uma carga negativa -1 (Cl-)
Dessa forma deve existir 1 íon de Na1+
para cada 1 íon de Cl-1
O que reflete na fórmula química do composto NaCl
Fluoreto de cálcio
Cada íon de cálcio (metal) possui duas cargas positivas +2 (Ca2+)
Cada íon de fluor (ametal) possui uma carga negativa -1 (F-)
Dessa forma deve existir 2 íons de F- para 
cada 1 íon de Ca+2
O que reflete na fórmula química do composto CaF2
Magnitude da carga elétrica de cada íon;
Estruturas cristalinas
Estruturas cristalinas do tipo 
AX
Números iguais de cátions e ânions. 
Por exemplo: NaCl, MgO, FeO, CsCl, 
ZnS, Sic, etc 
Estrutura AX
A
cátion ânion
X
Na+ Cl-
NaCl
Estruturas cristalinas do tipo AmXp
Números diferentes de cátions e ânions. 
Por exemplo AX2: CaF2, ZrO2, UO2, 
PuO2, etc 
Estrutura AX
A
cátion ânion
X
Mg2+ O2-
MgO
Estrutura AX2
A
cátion ânion
X2
Ca2+ F-
CaF2
Magnitude da carga elétrica de cada íon;
Número de Coordenação
É o número de ânions que são os vizinhos mais próximos para um cátion.
O número de coordenação (NC) de um composto pode ser obtido através da razão do raio 
iônico do cátion (rc) e do raio iônico do ânion (ra).
Estruturas cristalinas
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Estruturas cristalinas
Estruturas cristalinas
Estruturas cristalinas do tipo AX
Estrutura do Sal-gema
O número de coordenação é 6.
Razão entre os raios 0,414 e 0,732.
Estrutura do Cloreto de Césio
O número de coordenação é 8.
Razão entre os raios 0,732 e 1,0.
Estrutura da Blenda de Zinco
O número de coordenação é 4.
Razão entre os raios 0,225 e 0,414.
Exemplo: NaCl, MgO, FeO
Exemplo: CsCl
Exemplo: ZnS
Estruturas cristalinas
Estruturas cristalinas do tipo AmXp
O número de coordenação tanto para os 
cátions quanto para os ânions é 6.
Razão entre os raios 0,414 e 0,732.
Exemplo: CaF2 , UO2 , ThO2
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Estudo de caso
Qual o estrutura formada pela união de íons de Bário e Bromo?
Estruturas cristalinas
Resumindo
• Composta principalmente de Si e O;
• Os 2 elementos mais abundantes na crosta terrestre.
Cerâmicas à base de silicato
• Estrutura básica: SiO4 - tetraedro;
•1 átomo de silício ligado a 4 átomos de oxigênio;
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• Sílica
• O silicato mais simples é o dióxido de silício, ou sílica (SiO2). Essa cerâmica pode
assumir uma forma cristalina ou amorfa.
• SiO2 cristalina: quartzo, cristobalita e tridimita.
• Cada átomo de oxigênio é SEMPRE compartilhado por um tetraedro adjacente;
Cerâmicas à base de silicato
SiO2 amorfaSiO2 cristalina
SiO2 cristalina
(cristobalita)
Célula unitária
Elevada temperatura de fusão 1710 °C
• Vidros à base de sílica
• A maioria desses vidros é produzida pela adição de 
óxidos (CaO e Na2O) à estrutura básica SiO4-4 – chamados 
modificadores da rede;
• Estes óxidos quebram a cadeia de tetraedros e o 
resultado são vidros com ponto de fusão menor, mais 
fáceis de dar forma;
Cerâmicas à base de silicato
• Alguns outros óxidos (TiO2 e Al2O3) substituem os silício 
e se tornam parte da rede – chamados óxidos intermediários.
• Estes óxidos visam diminuir a viscosidade de um vidro, tornando 
mais fácil a sua conformação a temperaturas mais baixas.
• O Carbono NÃO é uma cerâmica, mas:
• A grafita, uma de suas formas polimórficas, é as vezes classificada como cerâmica;
• A estrutura cristalina do diamante, outra forma polimórfica do C, é semelhante à da 
blenda de zinco.
Carbono
Estruturas alotrópicas do carbono (contém apenas átomo de carbono):
Estrutura do Diamante Estrutura da Grafita Estrutura de uma molécula de 
C60
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Carbono
Estrutura do Diamante
Propriedades:
• Extremamente duro (o material mais duro conhecido);
• Condutividade elétrica muito baixa;
• Condutividade térmica muito alta;
• Opticamente transparente (Vis-IR);
• Elevado índice de refração.
Aplicações:
• Industrialmente são utilizados para polir ou cortar outros 
materiais mais moles.
Carbono
Estrutura da Grafita
Propriedades:
• Clivagem interplanar fácil;
• Condutividade elétrica alta (paralelo ao 
planos hexagonais);
• Condutividade térmica muito alta;
• Baixo coeficiente de expansão térmico;
• Alta resistência ao choque térmico;
• Boa usinabilidade;
Aplicações:
• Na indústria é utilizado como elemento de aquecimento em fornos elétrico, 
como eletrodos de soldagem a arco, em cadinhos metalúrgico, em moldes 
de fundição para ligas metálicas e cerâmicas, etc
Ligações de 
van der Waals 
(fraca)
Carbono
Fulerenos
Propriedades:
• Condutividade elétrica muito baixa 
(isolante);
• Com quantidade certas de impureza 
pode se tornar condutor ou 
semicondutor.
Aplicações:
• Industrias de semicondutores.
Aglomerado esférico e oco.
Buckminsterfulereno (C60)
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• Exemplos de nanotubos (fulerenos)
Junção em T de nanotubos
Nanotubes como reforço 
compósitos reforçados com 
fibras
Nano-engrenagens
Carbono
Propriedades mecânicas
Os materiais cerâmicos têm a sua aplicabilidade um tanto limitada devido às suas 
propriedades mecânicas, que em muitos aspectos são inferiores àquelas dos 
metais.
Fratura frágil das cerâmicas
Na temperatura ambiente, tanto as 
cerâmicas cristalinas como não cristalinas, 
quase sempre fraturam antes que qualquer 
deformação plástica possa ocorrer em 
reposta de uma carga de tração
fs
fs
Ductilidade inferior a 
0.1%
fs = Tensão na ruptura antes de ser atingida a 
tensão máxima
Propriedades mecânicas
Ruptura – superfícies de fratura em tração
A – FRATURA DÚCTIL: metais macios, polímeros e vidros a alta temperatura
B – FRATURA MODERADAMENTE DÚCTIL: a maior parte dos metais
C – FRATURA FRÁGIL: cerâmicas e alguns metais
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Propriedades mecânicas
Retangular
Circular
A propriedade mecânicacomumente avaliada nas 
cerâmicas é a resistência 
a flexão:
Propriedades mecânicas
A presença de porosidade diminui consideravelmente a resistência a flexão 
do material cerâmico.
Porosidade
Propriedades mecânicas
Tabulação da resistência à flexão para dez materiais cerâmicos comuns
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