Materiais Cerâmicos e suas Estruturas

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
 
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16. MATERIAIS CERÂMICOS 
 
 Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos e não-metálicos. A maioria 
das cerâmicas consiste em compostos que são formados entre elementos metálicos 
e elementos não-metálicos, para os quais as ligações interatômicas ou são totalmente 
iônicas ou são predominantemente iônicas com alguma natureza covalente. O termo 
"cerâmica" vem da palavra grega keramikos, que significa "matéria-prima queimada", 
indicando que as propriedades desejáveis desses materiais são normalmente 
atingidas através de um processo de tratamento térmico a alta temperatura conhecido 
por ignição. 
Até aproximadamente os últimos cinquenta anos; os materiais mais importantes que 
se enquadram nessa categoria eram conhecidos por "cerâmicas tradicionais", e eram 
aqueles para os quais a matéria prima primária é a argila; os produtos considerados 
cerâmicas tradicionais são a louça, a porcelana, os tijolos, as telhas e os azulejos e, 
ainda, os vidros e as cerâmicas de alta temperatura. Recentemente, houve um 
progresso significativo em relação à compreensão da natureza fundamental desses 
materiais e dos fenômenos que ocorrem neles e que são responsáveis pelas suas 
propriedades únicas. Consequentemente, uma nova geração desses materiais foi 
desenvolvida, e o termo "cerâmica" tomou um significado muito mais amplo. Em um 
determinado nível ou outro, esses novos materiais possuem um efeito 
consideravelmente dramático sobre as nossas vidas; as indústrias de componentes 
eletrônicos, de computadores, de comunicação, a indústria aeroespacial e uma gama 
de outras indústrias dependem do uso desses materiais. 
 
17. ESTRUTURAS CERÂMICAS 
 
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 as dos metais. A ligação atômica nesses materiais varia desde 
puramente iônica até totalmente covalente; muitas cerâmicas exibem uma 
 
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combinação desses dois tipos de ligação, sendo o nível do caráter iônico dependente 
das eletronegatividades dos átomos. 
 
17.1 CERÂMICAS A 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, torna-se mais conveniente usar vários arranjos de um tetraedro 
composto por (Fig. 14). 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. 
 
Figura 14 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Livro Introdução ao Material Cerâmico – Oxford 1970. 
Frequentemente, os silicatos não são considerados como iônicos, pois as ligações 
interatômicas Si-O exibem um caráter covalente significativo, o que toma essas 
ligações direcionais e relativamente fortes. Independente da natureza da ligação Si-
O, existe uma carga de - 4 associada a cada tetraedro uma vez que cada um 
dos quatro átomos de oxigênio exige um elétron extra para atingir uma estrutura 
eletrônica estável. Várias estruturas de silicatos surgem das diferentes maneiras 
 
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segundo as quais as unidades de SiO podem ser combinadas em arranjos 
unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais. 
17.2 SÍLICA 
 
Quimicamente, o material mais simples à base de silicato é o dióxido de silício, 
ou sílica (SiO2). Estruturalmente, ela consiste em uma rede tridimensional que é 
gerada quando todos os átomos de oxigênio localizados em vértices, em cada 
tetraedro, são compartilhados por tetraedros adjacentes. Dessa forma, o material é 
eletricamente neutro e todos os átomos possuem estruturas eletrônicas estáveis. Sob 
essas circunstâncias, a razão entre o número de átomos de silício e o número de 
átomos de O é de 1 :2, como indicado pela fórmula química. Se esses tetraedros forem 
arranjados de maneira regular e ordenada, forma-se uma estrutura cristalina. Existem 
três formas cristalinas polimórficas principais para a sílica: quartzo, cristobalita (Fig. 
15) e tridimita. As suas estruturas são relativamente complicadas e comparativamente 
abertas; isto é, os átomos não estão densamente compactados. Como consequência, 
essas sílicas cristalinas possuem densidades relativamente baixas. 
 
FIGURA 15 - Arranjo dos átomos de silício e de oxigênio em uma célula Unitária de 
cristobalita, um polimorfo do Si02. 
 
Fonte: Livro Introdução ao Material Cerâmico – Oxford 1970. 
 
17.3 VIDROS A BASE DE SÍLICA 
 
 
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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 material é conhecido por sílica fundida ou sílica vítrea. Como ocorre com 
a sílica cristalina, a estrutura tetraédrica de é a unidade básica; além dessa 
estrutura, existe uma desordem considerável. Outros óxidos (por exemplo, B203 e 
GeO2) podem também formar estruturas vítreas ( e estruturas poliédricas de óxidos 
semelhantes àquela mostrada na Fig. 14); esses materiais, bem 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. Ao 
contrário, os seus cátions são incorporados no interior e modificam a rede de 
por essa razão, esses aditivos óxidos são conhecidos como modificadores de rede. 
Ainda outros óxidos, como o TiO2 e o Al203, que não sejam formadores de rede, 
substituem o silício e se tornam parte da rede, estabilizando-a; esses óxidos são 
conhecidos como intermediários. De um ponto de vista prático, a adição desses 
modificadores e intermediários diminui o ponto de fusão e a viscosidade de um vidro, 
tornando mais fácil a sua conformação a temperaturas mais baixas. 
 
17.4 OS SILICATOS 
 
Para os vários minerais à base de silicato, um, dois ou três dos átomos de 
oxigênio nos vértices dos tetraedros de são compartilhados por outros 
tetraedros paraformar algumas estruturas consideravelmente mais complexas. 
Algumas dessas estruturas, que estão representadas na Fig. 16, possuem fórmulas 
e assim por diante; também são possíveis estruturas de cadeia única, 
como está mostrado na Fig. 16. Cátions carregados positivamente, como Ca2+, Mg2+ 
e Ali+, servem a dois propósitos. Em primeiro lugar, eles compensam as cargas 
negativas das unidades de modo tal que é atingida uma neutralidade de 
cargas; em segundo lugar, esses cátions ligam ionicamente entre si os tetraedros de 
 
 
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Figura 16 - Cinco estruturas do íon silicato formadas a partir de tetraedros de 
 
Fonte: Livro Introdução ao Material Cerâmico – Oxford 1970. 
 
17.4.1 Tipos de Silicatos 
 
• Silicato simples: Dentre esses silicatos, aqueles mais estruturalmente 
simples envolvem tetraedros isolados; 
• Silicatos em Camadas: Uma estrutura bidimensional em lâminas ou 
camadas pode também ser produzida pelo compartilhamento de três 
íons oxigênio em cada um dos tetraedros. 
 
 
18. CARBONO 
 
O carbono é um elemento que existe em várias 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. Entretanto uma das formas da Grafita 
polimórficas, é algumas vezes classificada como uma cerâmica e, além disso, a 
estrutura cristalina do diamante, uma outra forma polimórfica do carbono, é 
semelhante àquela apresentada pela blenda de zinco. O tratamento dos 
 
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materiais feitos de carbono se concentrará nas estruturas e nas características 
da grafita, do diamante e dos novos fullerenos, além dos usos atuais e potenciais 
desses materiais. 
 
 
18.1 DIAMANTE 
 
A temperatura e pressão atmosférica ambientes, o diamante é um polimorfo 
metaestável do carbono. A sua estrutura cristalina é uma variação da blenda de zinco, 
onde os átomos de carbono ocupam todas as posições (tanto do Zn como do S), como 
está indicado na célula unitária mostrada na Fig. 17. Dessa forma, cada átomo de 
carbono se liga a quatro outros átomos de carbono, e essas ligações são totalmente 
covalentes. Isso é chamado, de maneira apropriada, de estrutura cristalina cúbica do 
diamante, e também é encontrada para outros elementos do Grupo IV A na tabela 
periódica [por exemplo, germânio, silício e estanho esfarelado abaixo de 13ºC (55ºF)]. 
Figura 17 - Uma célula unitária para a estrutura cristalina cúbica do diamante. 
 
Fonte: Livro Introdução ao Material Cerâmico – Oxford 1970. 
As propriedades físicas do diamante o tornam um material extremamente 
atrativo. Ele é extremamente duro (o material mais duro conhecido) e possui uma 
condutividade elétrica muito baixa; essas características são devidas à sua estrutura 
cristalina e às fortes ligações interatômicas covalentes. Além disso, ele possui uma 
condutividade térmica anormalmente alta para um material não-metálico, é oticamente 
transparente nas regiões visível e infravermelha do espectro eletromagnético, e possui 
um elevado índice de refração. Monocristais de diamante relativamente grandes são 
 
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usados como pedras preciosas. Industrialmente, os diamantes são utilizados para 
triturar ou cortar outros materiais mais moles. Desde a metade da década de 1950, 
foram desenvolvidas técnicas para produção de diamantes sintéticos, as quais foram 
refinadas até o ponto em que, nos dias de hoje, urna grande proporção dos materiais 
com qualidade industrial é feita artificialmente pelo homem, além de algumas daquelas 
peças com qualidade de pedra preciosa. 
As propriedades mecânicas, elétricas e óticas das películas de diamante se 
aproximam daquelas do diamante bruto. Essas propriedades desejáveis foram e 
continuarão a ser exploradas de modo a criar produtos novos e melhores. Por 
exemplo, as superfícies de perfuratrizes, matrizes, mancais e facas, além de outras 
ferramentas, têm sido revestidas com películas de diamante com o objetivo de 
aumentar a dureza superficial desses materiais; algumas lentes e redomas podem ser 
tornadas mais resistentes, enquanto as suas propriedades de transparência ainda são 
mantidas pela aplicação de revestimentos à base de diamante; tais revestimentos 
também têm sido aplicados em tweeters de alto-falantes e a micrômetros de alta 
precisão. Aplicações potenciais para essas películas de diamante incluem a aplicação 
à superfície de componentes de máquinas, tais como engrenagens, cabeças e discos 
de gravação ótica, e como substratos para dispositivos semicondutores. 
 
18.2 GRAFITA 
 
Um outro polimorfo do carbono é a grafita; ela possui uma estrutura cristalina 
(mostrada na Fig. 18.) muito diferente daquela apresentada pelo diamante, e também 
é mais estável do que o diamante à temperatura e pressão atmosférica ambientes. A 
estrutura da grafita é composta por camadas de átomos de carbono em um arranjo 
hexagonal; dentro das camadas, cada átomo de carbono está ligado a três átomos 
vizinhos coplanares através de fortes ligações covalentes. O quarto elétron de ligação 
participa em uma fraca ligação do tipo de van der Waals entre as camadas. Como 
consequência dessas fracas ligações Inter planares, a clivagem Inter planar é fácil, o 
que dá origem às excelentes propriedades lubrificantes da grafita. Ainda, a 
condutividade elétrica é relativamente alta em direções cristalográficas paralelas às 
 
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lâminas hexagonais. Outras propriedades desejáveis da grafita são as seguintes: 
elevada resistência e boa estabilidade química a temperaturas elevadas e em 
atmosferas não-oxidantes, elevada condutividade térmica, baixo coeficiente de 
expansão térmica e alta resistência a choques térmicos, elevada adsorção de gases 
e boas usinabilidade. A grafita é usada frequentemente como elemento de 
aquecimento em fornos elétricos, como eletrodos para soldagem a arco, em cadinhos 
metalúrgicos, em moldes de fundição para ligas metálicas e cerâmicas, para materiais 
refratários e isolamentos de alta temperatura, em bocais de foguetes, em reatores de 
reação química, para contatos elétricos, escovas e resistores, como eletrodos em 
baterias e em dispositivos de purificação do ar. 
Figura 18 – A Estrutura da Grafita. 
 
Fonte: Livro Introdução ao Material Cerâmico – Oxford 1970. 
 
18.3 FULLERENOS 
 
Uma outra forma polimórfica do carbono foi descoberta em 1985. Ela existe 
como uma forma molecular discreta, e consiste em um aglomerado esférico ococontendo sessenta átomos de carbono; uma única molécula é representada por C60. 
Cada molécula é composta por grupos de átomos de carbono que estão ligados uns 
aos outros de modo a formar configurações geométricas tanto hexagonais (com seis 
átomos de carbono), como pentagonais (com cinco átomos de carbono). Uma dessas 
moléculas, que está mostrada na Fig. 19, consiste em 20 hexágonos e 12 pentágonos, 
arranjados de tal modo que não existe o caso em que dois pentágonos compartilham 
 
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um mesmo lado; a superfície molecular exibe dessa forma a simetria de uma bola de 
futebol. O material composto por moléculas de C60 é conhecido por 
buckminste,fullereno, em homenagem a R. Buckminster Fuller, inventor do domo 
geodésico. Cada molécula de C60 é simplesmente uma réplica molecular de tal domo, 
que é conhecido pelo nome abreviado de "bola de bucky" (buckyball). O termo 
fullereno é usado para identificar a classe dos materiais que são compostos por esse 
tipo de molécula. 
Figura 19 – A estrutura de uma molécula de C60. 
 
Fonte: Livro Introdução ao Material Cerâmico – Oxford 1970. 
 
O diamante e a grafita são o que pode ser chamado de sólidos de rede 
cristalina, no sentido em que todos os átomos de carbono formam ligações principais 
com átomos adjacentes ao longo de toda a extensão do sólido. De maneira contrária, 
os átomos de carbono no buckminsterfullereno se ligam uns aos outros de modo a 
formar essas moléculas esféricas. No estado sólido, as unidades de C60 formam uma 
estrutura cristalina e se compactam em um arranjo cúbico de faces centradas. 
Como um sólido cristalino puro, esse material é eletricamente isolante. 
Entretanto, com uma adição adequada de impurezas, esse material pode ser tornado 
altamente condutor e semicondutor. Como uma observação final, foram descobertas 
recentemente outras formas moleculares diferentes daquelas apresentadas pelos 
aglomerados esféricos; essas outras formas incluem estruturas tubulares e poliédricas 
em escala nanométrica. Antecipa-se que com desenvolvimentos adicionais os 
fullerenos irão se tornar materiais tecnologicamente importantes. 
 
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Wachtman, J. B .. Mechanical Properties of Ceramics, John Wiley & Sons. lnc., New 
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