materiais cerâmicos

1. 1
Estrutura e Propriedades dos
Materiais
MATERIAIS CERÂMICOS
Prof. Rubens Caram

2. R. Caram - 2
MATERIAIS DE CERÂMICOS
CERÂMICAS SURGIRAM DO PRIMEIRO EXERCÍCIO DE
ENGENHARIA DE MATERIAIS DO HOMEM, HÁ MAIS DE
9.000 ANOS
A PALAVRA “CERÂMICA” SE ORIGINA DA PALAVRA
GREGA “KERAMIKOS”: MATERIAL QUEIMADO

3. R. Caram - 3
MATERIAIS DE CERÂMICOS
MATERIAIS CERÂMICOS: COMPOSTOS QUÍMICOS
E SOLUÇÕES ENVOLVENDO ELEMENTOS
METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS
VARIEDADE DE PROPRIEDADES MECÂNICAS E
FÍSICAS PERMITE APLICAÇÕES EM CAMPOS
DISTINTOS: TIJOLOS, LOUÇAS, REFRATÁRIOS,
MATERIAIS MAGNÉTICOS, DISPOSITIVOS
ELETRÔNICOS, FIBRAS, ABRASIVOS,
COMPONENTES AEROESPACIAIS

4. R. Caram - 4
CARACTERÍSTICAS DAS CERÂMICAS
RESISTÊNCIA MECÂNICA AUMENTA QUANDO O
PRODUTO É AQUECIDO EM ALTAS TEMPERATURAS:
REAÇÕES TERMOQUÍMICAS
ALTA DUREZA
ALTA FRAGILIDADE
ESTRUTURA CRISTALINA COMPLEXA
ELEVADO PONTO DE FUSÃO
BOM ISOLANTE TÉRMICO E ELÉTRICO
MATÉRIA PRIMA DE CUSTO RELATIVAMENTE BAIXO

5. R. Caram - 5
COMPORTAMENTO MECÂNICO
EFEITO DE TENSÕES EM METAIS E EM CERÂMICAS

6. R. Caram - 6
COMPORTAMENTO TÉRMICO
ÔNIBUS ESPACIAL: NA REENTRADAS, SUPERFÍCIE ATINGE TEMPERATURAS
SUPERIORES A 1.000 oC.
PROTEÇÃO TÉRMICA É FEITA COM PLACAS CERÂMICAS DE FIBRAS DE
QUARTZO. EFICIÊNCIA TÉRMICA DESSAS PLACAS: 10 s APÓS SUA RETIRADA
DE UM FORNO A 1260 oC É POSSÍVEL TOCÁ-LAS COM AS MÃOS.

7. R. Caram - 7
NATUREZA DAS CERÂMICAS
MATERIAIS CERÂMICOS SÃO SUBSTÂNCIAS
INORGÂNICAS, NÃO-METÁLICAS CONSTITUÍDAS
DE ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS
VARIAM EM FUNÇÃO DE SUAS LIGAÇÕES
QUÍMICAS
EM GERAL, MATERIAIS CERÂMICOS USADOS
INDUSTRIALMENTE SE DIVIDEM EM DOIS
GRUPOS:
CERÂMICAS TRADICIONAIS
CERÂMICAS AVANÇADAS

8. R. Caram - 8
EVOLUÇÃO DAS CERÂMICAS
ATÉ A METADE DO SÉCULO XX, OS MATERIAIS
CERÂMICOS ENVOLVIAM APENAS PRODUTOS
TRADICIONAIS, COMO TIJOLOS, AZULEJOS,
LOUÇA, VIDROS E REFRATÁRIOS
COMPREENSÃO DA NATUREZA INTERNA DESSES
MATERIAIS, ALIADA A NOVOS PROCESSOS DE
FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO PERMITIU
APLICAÇÕES EM INDÚSTRIAS AVANÇADAS:
AEROESPACIAL, DE COMUNICAÇÕES,
ELETRÔNICA, MÉDICA

9. R. Caram - 9
APLICAÇÕES DE MATERIAIS
CERÂMICOS
CERÂMICASTRADICIONAIS
CERÂMICASAVANÇADAS
TIJOLOS
TELHAS
LOUÇAS
AZULEJOS
VIDROS
JOIAS
ARTIFICIAIS
PEDRAS
SINTÉTICAS
DIAMANTE
ARTIFICIAL
COMPONENTES
PARA SISTEMAS
NUCLEARES
SUPERCONDUTORES
OSSOS
ARTIFICIAIS
DENTES
ARTICULAÇÕES
SENSORES
SEMICONDUTORES
CIRCUITOS
INTEGRADOS
OSCILADORES
CAPACITORES
BATERIAIS
FIBRAS ÓPTICAS
MONITORES
LÂMPADAS
MATERIAIS PARA
POLIMENTO
MATERIAIS
ABRASIVOS
MATERIAIS PARA
CORTE E
USINAGEM
TECNOLOGIA
MOTORES DE
AUTOS
TURBINAS A GÁS
TURBO-
COMPRESSORES

10. R. Caram - 10
APLICAÇÕES DE MATERIAIS
CERÂMICOS
CERÂMICASTRADICIONAIS
CERÂMICASAVANÇADAS

11. R. Caram - 11
PROCESSAMENTO DAS CERÂMICAS
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS É FEITO PELA
COMPACTAÇÃO DE PÓS OU PARTÍCULAS E AQUECIDO A
TEMPERATURAS APROPRIADAS
PREPARAÇÃO DO MATERIAL: MATÉRIA-PRIMA DEVE
TER TAMANHO DE PARTÍCULA CONTROLADO
MOLDAGEM: PODE SER FEITA A SECO, A ÚMIDO OU
PLÁSTICA
SECAGEM: PRODUTO CONFORMADO É SUBMETIDO À
SECAGEM PARA ELIMINAÇÃO DE ÁGUA OU/E LIGANTES
SINTERIZAÇÃO: PRODUTO CONFORMADO É SUBMETIDO
A TRATAMENTO TÉRMICO PARA DENSIFICAÇÃO

12. R. Caram - 12
CERÂMICAS
TRADICIONAIS X AVANÇADAS
MATÉRIA PRIMA
TRADICIONAIS
AVANÇADAS

13. R. Caram - 13
CERÂMICAS
TRADICIONAIS X AVANÇADAS
TRADICIONAIS
CONFORMAÇÃO/SINTERIZAÇÃO
AVANÇADAS

14. R. Caram - 14
CERÂMICAS
TRADICIONAIS X AVANÇADAS
PRODUTOS
TRADICIONAIS
AVANÇADAS

15. R. Caram - 15
CERÂMICAS
TRADICIONAIS X AVANÇADAS
MICROESTRUTURA
TRADICIONAIS
AVANÇADAS

16. R. Caram - 16
CERÂMICAS TRADICIONAIS
SÃO CONSTITUÍDAS BASICAMENTE DE:
ARGILA: Al2O3-SiO2-H2O COM OUTROS ÓXIDOS
(TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O)
SÍLICA: SiO2
FELDSPATO: K20-Al2O3-6SiO2
PRODUTOS ESTRUTURAIS COMO TIJOLOS E
PISOS TÊM OS TRÊS COMPONENTES
CERÂMICAS BRANCAS COMO AS PORCELANAS E
PEÇAS SANITÁRIAS TAMBÉM TÊM OS TRÊS
COMPONENTES, MAS O TEOR DE FELDSPATO É
CONTROLADO

17. R. Caram - 17
CERÂMICAS AVANÇADAS
SÃO CONSTITUÍDAS BASICAMENTE DE:
ÓXIDOS: Al2O3
CARBETOS: SiC
NITRETOS: Si3N4
Al2O3: DESENVOLVIDA COMO MATERIAL REFRATÁRIO,
ATUALMENTE TEM DIVERSOS USOS – VELAS DE IGNIÇÃO
SiC: É MUITO DURO, TEM ALTA RESISTÊNCIA À OXIDAÇÃO E É
USADO COMO REFORÇO EM COMPÓSITOS COM METAIS OU
CERÂMICOS
Si3N4: DENTRE OS MATERIAIS CERÂMICOS, É O QUE EXIBE
MELHOR CONJUNTO DE PROPRIEDADES E É USADO EM
COMPONENTES DE MOTORES
ZrO2: ZIRCÔNIA PURA É POLIMÓRFICA E SE TRANSFORMA DE
TETRAGONAL PARA MONOCLÍNICA EM 1170 OC, CAUSANDO
EXPANSÃO DE VOLUME E TRINCAS. COMBINANDO ZrO2 COM Y2O3

18. R. Caram - 18
CERÂMICAS
TRADICIONAIS X AVANÇADAS
110 – 10.000CUSTO
11 – 1.000RESISTÊNCIA
MICROSCOPIA
ÓPTICA
MICROSCOPIA
ELETRÔNICA
ANÁLISE
COM FASE VÍTREASEM FASE VÍTREASINTERIZAÇÃO
POUCO
CONTROLADA
ALTAMENTE
CONTROLADA
CONFORMAÇÃO
POUCO
CONTROLADO
ALTAMENTE
CONTROLADO
TIPO DE PÓ
0,5 – 1.000 µm1,0 µmPARTÍCULAS
NATURALSINTÉTICAMATÉRIA PRIMA
TRADICIONAISAVANÇADASCARACTERÍSTICA

19. R. Caram - 19
LIGAÇÕES QUÍMICAS EM CERÂMICAS
ESTRUTURAS EM CERÂMICAS DEPENDEM DO TIPO DE LIGAÇÃO
QUÍMICA PREDOMINANTE
ALTAS DUREZAS E ELEVADAS TEMPERATURAS DE FUSÃO
RESULTAM DA NATUREZA DESSAS LIGAÇÕES
CERÂMICAS EXIBEM COMBINAÇÃO DE LIGAÇÕES COM CARÁTER
IÔNICO E COVALENTE E O TIPO DE ESTRUTURA CRISTALINA
DEPENDE DO QUANTIDADE DESSAS LIGAÇÕES
1.605TiO22.500SiC
1.900Si3N42.798MgO
1.715SiO22.850WC
2.050Al2O33.120TiC
2.450B4C4.150HfC
TFUSÃO (oC)COMPOSTOTFUSÃO (oC)COMPOSTO

20. R. Caram - 20
CARÁTER DA LIGAÇÃO EM
CERÂMICAS
FRAÇÃO DO CARÁTER IÔNICO OU COVALENTE DEPENDE
DA DIFERENÇA DE ELETRONEGATIVIDADE DOS ÁTOMOS
ENVOLVIDOS
CÁLCULO DO % DO CARÁTER IÔNICO É FEITO DE ACORDO
COM A EQUAÇÃO DE PAULING:
XA – ELETRONEGATIVIDADE DO ÁTOMO A
XB – ELETRONEGATIVIDADE DO ÁTOMO B
( )
%100.e1IÔNICOCARÁTER%
2
BXAX
4
1








−=
−−

21. R. Caram - 21
CARÁTER DA LIGAÇÃO EM
CERÂMICAS
COMPOSTOS CERÂMICOS DE ALTO % DE CARÁTER IÔNICO EXIBEM
ESTRUTURA QUE DEPENDE DO TAMANHO RELATIVO DOS ÍONS E
DA NECESSIDADE DE BALANÇO ELETROSTÁTICO
COMPOSTOS CERÂMICOS DE ALTO % DE CARÁTER COVALENTE
EXIBEM ESTRUTURA QUE DEPENDE DA DIRECIONALIDADE DAS
LIGAÇÕES
89110,7Si-CSiC
70301,2Si-NSi3N4
49511,7Si-OSiO2
37632,0Al-OAl2O3
27732,3Mg-OMgO
%
COVALENTE
%
IÔNICA
∆
ELETRONEG.
ÁTOMOCOMPOSTO

22. R. Caram - 22
ESTRUTURAS CRISTALINAS DE
CERÂMICAS
ESTRUTURAS BASEIAM-SE NAS ESTRUTURAS
CRISTALINAS PRINCIPAIS, ONDE A OCUPAÇÃO
DAS CÉLULAS É PARCIAL INTERSTÍCIOS
F.E.=0,74F.E.=0,74F.E.=0,68F.E.=0,52
HCCFCCCCCS

23. R. Caram - 23
OCUPAÇÃO DE INTERSTÍCIOS
CÁTION DA LIGAÇÃO LOCALIZA-SE NOS INTERSTÍCIOS DO
ARRANJO FORMADO PELOS ÂNIONS
ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS É BASEADA NO
NÚMERO DE COORDENAÇÃO DE ÍONS INTERSTICIAIS
≥0,732≥0,414≥0,225≥0,155r/R
8643N.C

24. R. Caram - 24
RAIOS IÔNICOS

25. R. Caram - 25
EXERCÍCIO
DETERMINE A RELAÇÃO IDEAL r/R PARA NÚMERO DE
COORDENAÇÃO IGUAL A 3

26. R. Caram - 26
EXERCÍCIO
DETERMINE A RELAÇÃO r/R PARA NOS COMPOSTOS
IÔNICOS CsCl E NaCl

27. R. Caram - 27
ESTRUTURA DO CLORETO DE CÉSIO
O CLORETO DE CÉSIO CONSISTE DE ÍONS Cl- OCUPANDO POSIÇÕES
DE UMA CÉLULA CS ENQUANTO O O Cs+ OCUPA O INTERSTICIO
CENTRAL. O N.C. DESSA ESTRUTURA É 8
EXEMPLOS: AgMg, LiMg, AlNi

28. R. Caram - 28
EXERCÍCIO
DETERMINE A DENSIDADE E FATOR DE EMPACOTAMENTO
PARA O COMPOSTO CsCl

29. R. Caram - 29
ESTRUTURA DO SAL-GEMA
SAL-GEMA OU NaCl É A ESTRUTURA MAIS COMUM NAS CERÂMICAS.
ESSA ESTRUTURA TEM N.C.=6. OS ÍONS CL- OCUPAM POSIÇÕES DE
UMA CÉLULA CFC ENQUANTO OS ÍONS Na+ OCUPAM POSIÇÕES
INTERSTICIAIS OCTAÉDRICAS
EXEMPLOS: LiF, MnS, MgO

30. R. Caram - 30
EXERCÍCIO
DETERMINE A DENSIDADE E FATOR DE EMPACOTAMENTO
PARA O COMPOSTO NaCl

31. R. Caram - 31
ESTRUTURA DA BLENDA DE ZINCO
A BLENDA DE ZINCO OU ESFALERITA TEM N.C.=4, ONDE O Zn OU O
S OCUPAM POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC ENQUANTO O S OU O
Zn OCUPAM INTERSTÍCIOS TETRAÉDRICOS
DE ACORDO COM A EQUAÇÃO DE PAULING, A LIGAÇÃO Zn-S TEM
87% DE CARÁTER COVALENTE
EXEMPLOS: CdS, InAs, InSb, SiC

32. R. Caram - 32
EXERCÍCIO
DETERMINE A ESTRUTURA DO FeO

33. R. Caram - 33
EXERCÍCIO
DETERMINE A DENSIDADE DO SULFETO DE ZINCO.
ASSUMA QUE SUA ESTRUTURA CONSISTE DE ÍONS, ONDE
O RAIO IÔNICO DO Zn2+ É 0,060 nm E DO S2- É 0,174 nm

34. R. Caram - 34
ESTRUTURA DA FLUORITA
FLUORITA TEM FÓRMULA CaF2 COM ESTRUTURA FORMADA
PELO POSICIONAMENTO DOS ÍONS Ca2+ NAS POSIÇÕES DE
UMA CÉLULA CFC E OS ÍONS F- NOS 8 INTERSTÍCIOS
TETRAÉDRICOS
APLICAÇÃO: O UO2 TEM ESTRUTURA DA FLUORITA E É
USADO COMO COMBUSTÍVEL NUCLEAR

35. R. Caram - 35
EXERCÍCIO
DETERMINE A DENSIDADE DO UO2., QUE TEM A
ESTRUTURA DA FLUORITA, ONDE O RAIO IÔNICO DO U4+ É
0,105 nm E DO O2- É 0,132 nm.

36. R. Caram - 36
ESTRUTURA DA PEROVSKITA
A PEROVSKITA CONSISTE DO COMPOSTO CaTiO3 ONDE o íon
Ca2+ E O O2- FORMAM UMA CÉLULA CFC (Ca2+ NOS VÉRTICES
E O2- NAS FACES) O ÍON Ti4+ SE POSICIONA NO INTERSTÍCIO
OCTAÉDRICO NO CENTRO DA CÉLULA.
APLICAÇÃO: MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

37. R. Caram - 37
ESTRUTURA DO CORUNDUM
O CORUNDUM OU ALUMINA, Al2O3, EXIBE ESTRUTURA ONDE
O OXIGÊNIO (O2-)LOCALIZA-SE NAS POSIÇÕES DE UMA
CÉLULA HC. EM ALGUNS DOS INTERSTÍCIOS OCTAÉDRICOS
DESSA CÉLULA SÃO OCUPADOS PELO ALUMÍNIO (Al3+)
APLICAÇÃO: MATERIAL REFRATÁRIO

38. R. Caram - 38
ESTRUTURA DO ESPINÉLIO
DIVERSOS ÓXIDOS EXIBEM ESTRUTURA DO ESPINÉLIO OU
MgAl2O4 COM FÓRMULA GERAL AB2O4, ONDE A É UM ÍON
METÁLICO COM VALÊNCIA +2, B É UM ÍON METÁLICO DE
VALÊNCIA +3.
APLICAÇÕES: MATERIAIS MAGNÉTICOS NÃO-METÁLICOS

39. R. Caram - 39
ESTRUTURA DO ESPINÉLIO
LiMn2O4

40. R. Caram - 40
ESTRUTURA DO GRAFITE
O GRAFITE É UMA VARIAÇÃO POLIMÓRFICA DO CARBONO E
NÃO É UM COMPOSTO DE UM METAL E UM NÃO-METAL.
APESAR DISSO ESSE MATERIAL É ALGUMAS VEZES
CONSIDERADO COMO UMA CERÂMICA.
APLICAÇÕES: ESTRUTURA EM CAMADAS PERMITE SEU USO
COMO LUBRIFICANTE