23 Materiais Cerâmicos

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Materiais Cerâmicos
Prof. Dr. José Henrique Alano
Cerâmicas e Vidros
✓ Cerâmicas são materiais inorgânicos, na grande maioria
compostos por elementos metálicos e não-metálicos;
✓ Apresentam ligação totalmente ou predominantemente
iônica;
✓ São ambientalmente duráveis e normalmente sinterizadas.
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Cerâmicas e Vidros
Se dividem em três categorias principais:
✓ Cerâmicas cristalinas:
▪ Silicatos tradicionais; óxidos e não-óxidos;
✓ Vidros:
▪ Silicatos;
▪ Não-silicatos;
✓ Vitrocerâmicas:
▪ Cerâmicas cristalinas formadas inicialmente como vidros e
despois cristalizadas (Ex: 𝐿𝑖2 − 𝐴𝑙2𝑂3 − 𝑆𝑖𝑂2)
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Cerâmicas Cristalinas
✓ Os silicatos à base de SiO2 → são matérias primas
abundantes→ Si e O correspondem ≈75% dos elementos da
crosta terrestre.
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A abundância relativa de elementos na crosta
terrestre ilustra a disponibilidade dos minerais
cerâmicos, especialmente os silicatos.
Cerâmicas Cristalinas
Estrutura dos Silicatos
✓ Silicatos são materiais formados principalmente por silício e
oxigênio;
✓ Para este tipo de material é mais conveniente caracterizar a
estrutura cristalina em termos de um arranjo de tetraedros
de SiO4
4-.
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Tetraedro SiO4
4-.
Cerâmicas Cristalinas
Estrutura dos Silicatos
✓ O tetraedro é carregado negativamente, 1 átomo de Si no centro
cercado por 4 átomos de O (Si4+ 4O2- = -4);
✓ Devido a carga do tetraedro, várias estruturas podem ser
combinadas em arranjos uni, bi e tridimensionais.
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Tetraedro SiO4
4-.
Cerâmicas Cristalinas
Estrutura dos Silicatos
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Cinco estruturas diferentes montados com o tetraedro SiO4
4-.
Cerâmicas Cristalinas
Silicatos em Camadas
8Cinco estruturas diferentes montados com o tetraedro SiO4
4-.
Mineral utilizado na
fabricação de porcelanas.
Argila caolinita (caolim) →
Al2(Si2O5)(OH)4. 
A neutralidade é feita por uma 
camada adjacente de Al2(OH)4
2+;
Cerâmicas Cristalinas
Produtos a base de silicatos
✓ Há uma série de produtos e matérias primas a base de silicatos:
▪ Argila é a base de muitos produtos estruturais: tijolos, telhas...
▪ Louças brancas: cerâmicas queimadas com microestrutura de
grãos finos.
▪ Refratários: materiais resistentes à altas temperaturas
fundamentais para?
▪ Cimento portland: aluminossilicato de cálcio.
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Cerâmicas Cristalinas
Produtos a base de silicatos
Composições de algumas cerâmicas de silicatos
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Mulita → refratário com alto percentual de alumina.
Cerâmicas Cristalinas
Cerâmicas de óxidos de não-silicatos
✓ Óxidos não-silicatos com alto grau de pureza são geralmente
empregados em áreas como a indústria eletrônica →
especificações rigorosas.
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Material refratário altamente útil.
Cerâmica nuclear
Uma aplicação?
Cerâmicas Cristalinas
Cerâmicas de não-óxidos
✓ Muitas aplicações como revestimentos resistentes ao desgaste,
abrasivos...
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Vidros – materiais não-cristalinos
Vidros de silicatos
✓ A sílica também pode existir no estado não-cristalino/amorfo;
✓ O estado amorfo apresenta alto grau de aleatoriedade atômica →
chamada de sílica fundida, ou sílica vítrea;
✓ SiO4
4- também é a unidade básica, mas com uma desordem
considerável;
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Vidros – materiais não-cristalinos
Vidros de silicatos
✓ Custo moderado devido à abundância dos elementos Si e O.
✓ Formadores de rede: óxidos que formam poliedros que podem se
associar à rede de SiO4
4-;
✓ Modificadores de rede: óxidos que tendem a romper a continuidade da
rede→ Ex: Na2O e CaO→ tornam o vidro mais fácil de conformar;
✓ Intermediários: óxidos por si só não são formadores de rede mas podem
contribuir com a estabilidade da rede de SiO4
4-
→ Ex: Al2O3 e ZrO2.
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Vidros – materiais não-cristalinos
Vidros de silicatos
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Papel dos óxidos na formação do vidro
Vidros – materiais não-cristalinos
Vidros de silicatos
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Representação esquemática
da estrutura de um vidro
Sódio-Silicato.
Cristobalita
Vidros – materiais não-cristalinos
Vidros de silicatos
✓ A adição de modificadores e intermediários reduzem a temperatura de
fusão e a viscosidade, facilitando o processamento.
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Vidros – materiais não-cristalinos
Vidros de silicatos
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Qual o efeito da adição de
Na2O na silica?
Vidros – materiais não-cristalinos
Vidros de borosilicatos
✓ Combinação de poliedros de BO3
3- e tetraedros SiO4
4-
→ 5% de
Na2O fornece ao conformabilidade.
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Vidros – materiais não-cristalinos
Sílica-Cal-Soda
✓ 15% p Na2O, 10% p CaO e 70% p SiO2
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Vidros – materiais não-cristalinos
Vidro-E
✓ Aplicado como reforços em compósitos → fibras de vidro.
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Vidros – materiais não-cristalinos
Esmaltes
✓ Camadas de vidro aplicadas às cerâmicas → porcelanas e
revestimentos → impermeável.
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Vitrocerâmicas
✓ Combinação entre cerâmica cristalina e vidro.
✓ Conformadas como vidros → tratamentos térmicos para
cristalizar (90%).
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História térmica típica para produzir
um cerâmica vítrea através do
controle da nucleação e do
crescimento de grãos cristalinos.
Fase vítrea entre nos CG minimiza poros.
Maior resistência mec. e ao choque térmico.
Vitrocerâmicas
Composições de algumas vitrocerâmicas.
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A cristalização necessita de uma dispersão de agentes nucleantes (TiO2)
Processamento das Cerâmicas e Vidros
✓ Fundição por fusão: Semelhante aos metais → ponto de fusão
alto dificulta o processo.
✓ Fundição por suspensão: mistura de pó e água derramada em
molde poroso. Após removido é feito a queima.
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Processamento das Cerâmicas e Vidros
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Processamento das Cerâmicas e Vidros
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A massa do vidro cai no banho float
que nada mais é do que uma piscina 
de estanho
Processamento das Cerâmicas e Vidros
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Alguns dos principais métodos de processamento para cerâmicas e vidros.
Processamento das Cerâmicas e Vidros
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Comportamento Mecânico
✓ Cerâmicas e vidros têm fratura característica frágil.
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(a), a fratura ocorre em uma tensão de tração de 280 MPa. Em (b), uma resistência 
compressiva de 2.100 MPa é observada. 
Comportamento Mecânico
✓ O parâmetro de resistência é o módulo de ruptura (resistência à
flexão), um valor calculado a partir dos dados em um ensaio de
flexão→ é dado por:
✓ F é a força aplicada e b, h e L são dimensões definidas;
✓ MOR é similar ao LRT 
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Comportamento Mecânico
✓ Para materiais puramente frágeis, o modelo de 
trincas de Griffth se aplica.
✓ s é a tensão aplicada, c é o comprimento da 
trinca e r é o raio da ponta da trinca.
✓ Como o raio da ponta da trinca pode ser tão
pequeno quanto um espaçamento interatômico, 
a intensifcação da tensão pode ser muito grande
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Por cerâmicas são menos resistentes sob tração?
Comportamento Mecânico
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Módulo de elasticidade e resistência (módulo de ruptura) para algumas cerâmicas e vidros
Comportamento Mecânico
Vidro temperado
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O resfriamento lento permite que o interior se contraia mais do que a
superfície, causando uma tensão residual compressiva na superfície,
equilibrada por uma tensão residual de tração menor no interior.