1. Materiais Cerâmicos
Estrutura Propriedades e aplicações

2. MATERIAIS CERÂMICOS
Cubo de sílica de
isolamento térmico. O
interior do cubo está a
1250ºC e pode ser
manuseado sem protecção.
Usada no isolamento
térmico dos ônibus
espaciais se eles falham...

3.  Materiais cerâmicos são geralmente
uma combinação de elementos
metálicos e não-metálicos (formam
óxidos, nitretos e carbetos)
 Geralmente a ligação predominante é
iônica
 Geralmente são isolantes de calor e
eletricidade
 São mais resistêntes à altas
temperaturas (devido ao elvado PF) e à
ambientes severos que metais e
polímeros
 Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são duras,
porém frágeis
 Em geral são leves
ALUMINA
MATERIAISCERÂMICOS
Características Gerais
SiC

4. OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA
Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais

5.  Forma-se com átomos de diferentes
eletronegatividades (um alta e outro baixa)
 Os elétrons de valência são “transferidos” entre
átomos produzindo íons
 A ligação iônica não é direcional, a atração é
mútua
 A ligação é forte, por isso o Ponto de Fusão dos
materiais com esse tipo de ligação é geralmente
alto
A LIGAÇÃO IÔNICA E AS
ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS
Como conseqüência da ligação ser predominantemente
iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas
por íons carregados eletricamente (CÁTIONS E ÂNIONS)

6. LIGAÇÃO IÔNICA
 As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é
não-direcional , os átomos num material iônico
arranjam-se de forma que todos os íons positivos têm
como vizinho mais próximo íons negativos, sendo as
forças atrativas igual em todas as direções.
 A magnitude da força obedece a Lei de Coulomb

7. FORÇAS DE ATRAÇÃO E REPUSÃO
ENVOLVIDAS EM SÓLIDOS IÔNICOS
FA= -A/r2
FR= B/rn
A, B e n são valores que
dependem do sistema iônico em
questão

8. LEI DE COULOMB
 Forças atrativas FA= -A/r2
 r é a distância interatômica
 z1 e z2 são as valências dos 2 tipos de íons
 e é a carga do elétron (1,602x10-19 C)
 0 é a permissividade do vácuo (8,85x10-12 F/m)
FA

10. CARACTERÍSTICAS DOS ÍONS QUE
AFETAM A ESTRUTURA CRISTALINA
 CARGA
 TAMANHO (RAIO IÔNICO)

11. CONSIDERAÇÕES SOBRE
CARGA
 Como o cristal deve ser eletronicamente
neutro todas as cargas positivas devem
ser contrabalançadas com um número
igual de cargas negativas
Ex: CaF2 A relação deve ser de um
átomo de Ca para dois de F pois:
 Carga do Ca: +2
 Carga do F= -1

12. CONSIDERAÇÕES SOBRE
RAIO IÔNICO (Rc e RA)
 Rc: em geral são menores porque cedem
elétrons
 RA: em geral são maiores porque
recebem elétrons
 Então: Rc/ RA <1

13. Número de coordenação
(número de vizinhos)
Depende da razão: Rc/ RA

14. ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS
A extrema fragilidade e
dureza dos cerâmicos vem
da natureza das suas
ligações atómicas iônicas
ou covalentes
As estruturas cristalinas,
quando presentes,são
extremamente complexas
Exemplo: O óxido de Silício
(SiO2) pode ter três formas
cristalinas distintas:
quartzo, cristobalite e
tridimite

15. MATERIAIS CERÂMICOS
 PROPRIEDADES TÉRMICAS E FÍSICAS
 Densidade: 2-3 g/cm3
 Embora os materiais cerâmicos sejam em geral
isolantes de calor e eletricidade, há uma classe de
materiais cerâmicos que são supercondutores
 A dilatação térmica é baixa comparada com metais
e polímeros

16. MATERIAIS CERÂMICOS
PROPRIEDADES MECÂNICAS
 Apresentam baixa resistência ao choque
 São duros e frágeis em relação à tração (~17
kgf/mm2)
 São resistentes em relação à compressão
 O módulo de elasticidade é alto: ~45.500kgf/mm2
(aço: 20.000 kgf/mm2)
 Têm alta dureza e alta resistência ao desgaste

17. COMPORTAMENTO MECÂNICO DE CERÂMICOS E VIDROS
COMPORTAMENTO FRÁGIL
• Característica típica dos
cerâmicos: melhor
resistência em compressão
que em tracção.
• Comportamento partilhado
por ferros fundidos
Al2O3 policristalina
• Ensaio de tracção é difícil de
fazer e dá dispersão de
resultados muito grande
• Fazem-se ensaios de flexão!

18. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
VIDRO-CERÂMICOSCRISTALINOS AMORFOS (VIDROS)
Incluem os cerâmicos à
base de Silicatos,
Óxidos, Carbonetos e
Nitretos
Em geral com a mesma
composição dos
cristalinos, diferindo no
processamento
Formados inicialmente
como amorfos e
tratados termicamente
O Silício e o Oxigênio
formam cerca de 75%
da crosta terrestre,
sendo materiais de
ocorrência comum na
natureza e de baixo
custo !
Os cerâmicos avançados
são baseados em óxidos,
carbonetos e nitretos
com elevados graus de
pureza

19. CERÂMICOS CRISTALINOS DE SILICATOS
264925
Cimento
Portland
130564
Porcelana
steatite
163261
Porcelana
eléctrica
----7228
Mulita
refractária
545-2550-70
Tijolo
refractário
496
Sílica
refractária
Outr
os
CaOMgOK2OAl2O3SiO2
Composição (% em peso)
Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos
não são usados como materiais estruturais
(não são considerados cerâmicos avançados)

20. CERÂMICOS CRISTALINOS SEM SILICATOS
NiFe2O4
BaTiO3
ZrO2
UO2
Cr2O3
MgO.Al2O3
MgO
Al2O3
Comp.
Componentes “magnéticos”
Componentes electrónicos
Isolamento térmico (estab. com 10%CaO)
Combustível em reactores nucleares
Revestimentos para resist. ao desgaste
Idem
Resistência ao desgaste
Isolamento térmico e eléctrico
Utilização
Dióxido de urânio
Zircónia (parcial.)
estabilizada
Titanato de Bário
Ferrite de Níquel
Óxido de Crómio
Spinel
Magnésia, magnésia
refractária
Alumina, alumina refractária
Nome comum
BN
B4C
WC
TaC
TiC
Si3N4
SiC
Comp
AbrasivosCarboneto de Boro
IsolamentoNitreto de Boro
Ferramentas de corteCarboneto de Tungsténio
Resistência ao desgasteCarboneto de Tântalo
Resistência ao desgasteCarboneto de Titânio
Resistência ao desgasteNitreto de Silício
AbrasivosCarboneto de Silício
UtilizaçãoNome comum

21. VIDROS (CERÂMICOS AMORFOS)
Revestimento p/
metais
Fibras p/ compósitos
Vidro p/ química
Vidro alta pureza(*)
Utilização
61171660Verniz
Na2O
14
14
5
4
15
2
1
4
Al2O3
3
8
13
B2O3
34
54
73
72
76
100
SiO2
4217Enamel
22Fibra vidro E
10
Vidro
(conten.)
48Vidro (janelas)
1Borosilicato
Sílica vítrea
PbOZnOK2OMgOCaO

22. MATERIAIS CERÂMICOS
PRINCIPAIS APLICAÇÕES

23. MATERIAIS CERÂMICOS
PRINCIPAIS APLICAÇÕES
• Ind. Mecânica, elétrica e química
-
NITRETO
DE SILÍCIO
ALUMINA
SiC

24. MATERIAIS
CERÂMICOS
Materiais cerâmicos são extremamente duros
podendo atingir 9,5 na escala Mohs

25. O processamento de materiais cerâmicos à base de argila é feito a
partir da compactação de pós ou partículas e aquecimento à
temperaturas apropriadas.
Principais etapas:
Preparação da matéria-prima
Tamanho e pureza
controlados
Moldagem (conformação) Hidroplástica ou fundição por
suspensão
Secagem Eliminação de água ou ligantes
Sinterização Tratamento térmico
PROCESSAMENTO

26. Aquecimento das matérias-primas
Conformação
o Prensagem Fabricação de peças com paredes espessas
o Insuflação Pressão através da injeção de ar
o Estiramento
Conformação de lâminas, tubos, fibras etc.
Tratamento térmico
o Recozimento
o Têmpera de vidro
PROCESSAMENTO DE VIDROS

27. Prensagem do pó
Fabricação de argilosos, não-argilosos.
Cerâmicas eletrônicas. Cerâmicas
magnéticas.
Compactação através de pressão.
Grau de compactação X espaço vazio
(partículas)
Fundição em fita
Produção de substratos para
circuito integrados e
capacitores.
Lâminas delgadas são
produzidas através de
fundição.
OUTROS PROCESSAMENTOS

28. Três procedimentos básicos
Uniaxial
Compactação do pó em
molde metálico. Pressão
aplicada em uma única
direção
Isostático
Material pulverizado
contido em envelope de
borracha.
Pressão feita por fluido
aplicado isostaticamente.
Prensagem a quente
Conformação e
sinterização ao
mesmo tempo.
Temperatura e
pressão uniaxial.
PROCESSAMENTO – PRENSAGEM DO PÓ

29. A mistura passa por uma lâmina, a qual regula a espessura do
filme, sendo derramada numa esteira rolante. O filme é seco em
um forno e as lâminas são posteriormente separadas.
PROCESSAMENTO – FUNDIÇÃO EM FITA

30. Sinterização - Densificação
• Mecanismo de união:
• Calor aumenta a difusão entre
as partículas.
• Redução da energia de
superfície pela redução da área
exposta entre as partículas de
pó que se unem no processo
• Temperatura correta de
sinterização para o Si3N4: 1750
C
• Quando se utiliza 1650 resta
muita porosidade
• Quando se utiliza 1850 há
muito crescimento de grão.
• Processo de ligação entre as
partículas por difusão de
átomos entre elas
acompanhada de uma
remoção de poros entre as
partículas e de uma diminuição
de volume.
• Volume reduz em
aproximadamente 50%
• Sempre realizada em altas
temperaturas para acelerar o
processo difusional.

31. Sinterização - Densificação
• Estágios da sinterização:
• Primeiro estágio:
• Rearranjo: leve movimento de rotação
das partículas adjacentes para aumentar
os pontos de contato
• Formação do pescoço: Difusão nos
pontos de contato
• Segundo estágio:
• Crescimento do pescoço: os tamanhos
dos pontos de contato cresce e a
porosidade decresce.
• Crescimento de grão: Partículas maiores
agora chamadas de grão crescem
consumindo os grãos menores.
• Terceiro estágio:
• Sinterização final: Remoção final da
porosidade por difusão de vazios ao
longo dos contornos de grão

32. Sinterização - Densificação
(a) Compressão de partículas
(b) Coalescência das partículas e
formação de poros
(c) Como a sinterização prossegue
o tamanho de poro diminui
bem como a sua forma.

33. As partículas se ligam
através de pontos de
contato.
Grande números de poros.
Formação de pescoço
entre as partículas, o que
torna a peça mais densa. Final: poros arredondados
com menor espaço entre
eles.
SINTERIZAÇÃO DE CERÂMICOS