CERÂMICAS

1. CERÂMICAS • As Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas. • Cerâmica vem da palavra grega keramus que significa coisa queimada • Numa definição simplificada, materiais cerâmicos são compostos de elementos metálicos e não metálicos, com exceção do carbono. Podem ser simples ou complexos. • Exemplos: SiO2( sílica), Al2O3 (alumina), Mg3Si4O10(OH)2 (talco)

2. CLASSIFICAÇÃO

3. CLASSIFICAÇÃO • Convencionais • Estruturais • Vidros • Louças • Cimentos • Avançadas • Eletrônicos • Ópticos • Biomateriais

4. CARACTERÍSTICAS GERAIS • Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços; • Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e polímeros; • São menos densas que a maioria dos metais e suas ligas; • Os materiais usados na produção das cerâmicas são abundantes e mais baratos; • A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica.

5. PROPRIEDADES TÉRMICAS As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são: capacidade calorífica (  ) coeficiente de expansão térmica (  ) condutividade térmica átomos Ligação Química

6. Material Capacidade calorífica (J/Kg.K) Coeficiente linear de expansão térmica ((°C)-1x10-6) Condutividade térmica (W/m.K) Alumínio 900 23,6 247 Cobre 386 16,5 398 Alumina (Al2O3) 775 8,8 30,1 Sílica fundida (SiO2) 740 0,5 2,0 Vidro de cal de soda 840 9,0 1,7 Polietileno 2100 60-220 0,38 Poliestireno 1360 50-85 0,13 PROPRIEDADES TÉRMICAS

7. PROPRIEDADES TÉRMICAS -Aplicação 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: 1,27-8,89cm

8. PROPRIEDADES ELÉTRICAS As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser: • isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2) • semicondutores: SiC, B4C • supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11

9. PROPRIEDADES MECÂNICAS • Descreve a maneira como um material responde a aplicação de força, carga e impacto. • Os materiais cerâmicos são: • Duros • Resistentes ao desgaste • Resistentes à corrosão • Frágeis (não sofrem deformação plástica)

10. Estáveis • Estrutura Cristalina • Pode ser definida pela: • magnitude da carga elétrica de cada íon; • os tamanhos relativos dos cátions e ânions; • Cerâmicas estáveis : todos os ânions estão em contato com os cátions. Instável

11. Número de Coordenação • Para um número de coordenação específico há uma razão crítica rc/ra para a qual o contato entre os íons é mantido. NC rc/ra geometria NC rc/ra geometria

12. A relação rc/ra pode ser calculada por meio de uma análise geométrica simples: NC = 3

13. Estrutura cristalina : Como determinar? • Técnica da translação (NC = 6 ou 8): • Corpo Centrado: 0 0 0; ½ ½ ½; • Face Centrada: 0 0 0; 0 ½ ½ ; ½ 0 ½ ; ½ ½ 0; • Base Centrada: 0 0 0; ½ ½ 0 • Exemplo: Cs Br Por exclusão: rede cúbica simples (CS)

14. Estrutura cristalina do tipo AX : Sal-gema rc = rNa = 0,102 nm ra = rCl = 0,181 nm rc/ra = 0,56 NC = 6 Testando as translações: CFC

15. Estrutura cristalina do tipo AX : Cloreto de Césio rc = rCs = 0,170 nm ra = rCl = 0,181 nm rc/ra = 0,94 NC = 8 Testando as translações: CS

16. Estrutura cristalina do tipo AX : Blenda de Zinco rc = rZn = 0,074 nm ra = rS = 0,184 nm rc/ra = 0,40 NC = 4 Rede tetraédrica

17. Estrutura cristalina do tipo AmXp rc = rCa = 0,100 nm ra = rF = 0,133 nm rc/ra = 0,40 NC = 4 rc/ra = 0,75 NC = 8 Testando as translações: CS

18. Cálculos da densidade da cerâmica n´ = Número de unidades da fórmula /Cel.Unitária; ∑AC = Soma dos pesos atômicos de todos os cátions na unidade de fórmula; ∑AA= Soma dos pesos atômicos de todos os ânions na unidade de fórmula; Vc = Volume da célula unitária; NA = Número de Avogadro: 6,023x1023 unidades de fórmula/mol

19. Cerâmicas à base de silicato • Composta principalmente de Si e O; • Estrutura básica: SiO4 - tetraedro; • A ligação Si-O é bastante covalente, mas a estrutura básica tem carga -4: SiO4-4; • Várias estruturas de silicatos – diferentes maneiras dos blocos de SiO4-4 se combinarem; • A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica.

20. Sílica • Cada átomo de oxigênio é compartilhado por um tetraedro adjacente; • Pode ser cristalina ou amorfa, como na forma de vidros.

21. 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; • Alguns outros óxidos (TiO2 e Al2O3) substituem os silício e se tornam parte da rede – chamados óxidos intermediários.

22. Carbono • O Carbono não é uma cerâmica; • A grafita, uma de suas formas polimórficas, é alhures classificada como cerâmica; • A estrutura cristalina do diamante, outra forma polimórfica do C, é semelhante à da blenda de zinco. diamante grafite buckminsterfullereno Nanotubo de carbono

23. Exemplos de nanotubos Junção em T de nanotubos Nanotubes como reforço compósitos reforçados com fibras Nano-engrenagens

24. Imperfeições em cerâmicas • Defeitos pontuais: • Defeito de Frenkel: par formado por uma lacuna de cátion e um cátion intersticial; • Defeito de Schottky: par formado por uma lacuna de cátion e outra de ânion. Ambos não alteram a estequiometria do composto

25. Imperfeições em cerâmicas • Defeitos pontuais – não estequiométricos: ocorrem quando um íon pode assumir mais de uma valência. • Exemplo: No FeO o Fe tem geralmente valência +2. Se dois íons de Fe com valência +3 ocupam a rede, então teremos menos íons de Fe presentes e a estequiometria do material fica alterada.

26. Imperfeições em cerâmicas : Impurezas • Impurezas podem ser intersticiais ou substitucionais: • Impureza substitucional – substituição de íon com carga elétrica semelhante; • Impureza intersticial – o raio atômico da impureza deve ser pequeno em comparação ao do ânion; • Solubilidade de impurezas aumenta se os raios iônicos e as cargas da impureza e dos íons hospedeiros é semelhante; • A incorporação de uma impureza com carga elétrica diferente do íon hospedeiro gera defeitos pontuais.

27. Resistência à flexão σ = M.c/I σ = tensão M = momento fletor máximo I = momento de inércia da secção reta transversal c = distância entre a linha neutra e a superfície do corpo de prova Secção retangular Secção circular

28. Deformação plástica em cerâmicas • Cerâmicas Cristalinas: • O deslocamento de discordâncias é muito difícil – íons com mesma carga elétrica são colocados próximos uns dos outros – REPULSÂO; • No caso de cerâmicas onde a ligação covalente predomina o escorregamento também é difícil – LIGAÇÃO FORTE. • Cerâmicas Amorfas: • Não há uma estrutura cristalina regular –NÃO HÁ DISCORDÂNCIAS; • Materiais se deformam por ESCOAMENTO VISCOSO. • A resistência à deformação em um material não-cristalino é medida por intermédio de sua viscosidade.

29. Influência da porosidade • A ruptura de materiais cerâmicos resulta de falhas estruturais: • Fissuras superficiais geradas no acabamento da peça; • poros: reduzem resistência mecânica do material. σrf = σ0 exp (-nP) E = E0(1 – 1,9P + 0,9P2) σ0 e n = constantes experimentais