Comportamento elétrico dos
materiais cerâmicos – Condutividade
iônica
Objetivos:
Estudar o comportamento elétrico e iônico
dos materiais cerâmicos
Ver exemplos das aplicações das cerâmicas

ionicamente condutoras.
Comportamento Elétrico das Cerâmicas
Comportamento Elétrico das Cerâmicas

EXISTE UMA GRANDE DIVERSIDADE DOS
MATERIAIS CERÂMICOS :
Maioria são Isolantes;

Alguns são semi-condutores;

Poucos são condutores.
Condutividade Elétrica (s )
Condutividade Elétrica (s )
É determinada pelo número de
transportadores de cargas (“n”), carga
transportada por cada carregador (“q”) e a
mobilidade das espécies transportadoras
(“m”), ou “carregadores”.

Condutores Elétricos
Condutores Elétricos
A maioria dos metais, alguns cerâmicos e
poucos polímeros (orgânicos) recaem na
categoria de CONDUTORES ELÉTRICOS.


A maioria dos materiais CERÂMICOS são
ISOLANTES ELÉTRICOS, bem como os
materiais poliméricos.
Condutores Elétricos
Alguns materiais cerâmicos apresentam
comportamento intermediário e possuem um
nível moderado de condutividade e são
chamados de
SEMI-CONDUTORES.


A maioria deles são CERÂMICAS
COVALENTES
Condutores Elétricos
Material
Condutor metálico
Resistividade (ohm.cm)
1,7 . 10-6
10 . 10-6
5,5 . 10-6
Cobre
Ferro
Tungstênio
Semi-condutores
SiC
B4C
Ge
Fe3O 4
10
0
40
10-2
Isolantes
SiO2
Porcelana (Steatita)
Al2O3
Si3N4
Teflon
Nylon
> 1014
> 1014
> 1014
> 1014
1016
1014
Condutividade Eletrônica
Condutividade Eletrônica
Banda de energia está vazia ou cheia a
condutividade eletrônica é ZERO.
Banda parcialmente preenchida é chamada

de BANDA DE CONDUÇÃO.
Condutividade Eletrônica
Acontece predominantemente nos metais
onde os transportadores são elétrons que se
movem através da BANDA DE CONDUÇÃO.

Condutividade Eletrônica
Excitação de um elétron (por um campo elétrico pex.)
para a banda de condução
Condutividade Eletrônica
A condutividade eletrônica também aparece
em alguns cerâmicos óxidos de metais de
transição (ReO3, CrO2, TiO e VO) que
possuem uma superposição de orbitais
incompletos “d” e “ f” formando a banda de
condução.

Condutividade Eletrônica
Nos isolantes e semi-condutores existe um
“GAP” de energia entre a camada mais
externa preeenchida por elétrons (BANDA DE
VALÊNCIA COMPLETA) e banda vazia
adjacente (BANDA DE CONDUÇÃO).

Condutividade Eletrônica
Nesses materiais esse “GAP” impede o fluxo
de elétrons entre a banda de valência e de
condução, não havendo condução eletrônica.

Condutividade Eletrônica
Para um isolante ou mesmo um semicondutor a energia
necessária para excitar um elétron é muito grande normalmente
vindo de calor ou luz
Condutividade Eletrônica
ISOLANTES: O “GAP” é muito grande e os
elétrons não saltam.
SEMI-CONDUTORES: O “GAP” é pequeno e

os elétrons podem saltar em alta temperatura
e alta voltagem.
Condutividade Eletrônica
SEMI-CONDUTORES: São materiais covalentes em
geral do grupo IV (Si, Ge) e compostos formados
entre os grupos III e V (GaAs, PbTe, PbS).
Para serem úteis em temperatura ambiente devem

ser DOPADOS (Resistividade entre 10-2 e 102 .cm).
Condutividade Eletrônica
SEMI-CONDUTOR tipo p
3+ ao Si4+ onde cada íon de
Adicionando-se Al

alumínio contém uma valência a menos
quando substitui o silício.

Como possuem raios atômicos semelhantes,
grande quantidade de alumínio pode
substituir o silício gerando um vazio
eletrônico equivalente a uma carga positiva.
Condutividade Eletrônica
SEMI-CONDUTOR tipo n
5+ ao Si4+ resulta em um
Adicionando-se P

elétron extra que fica livre para a condução.
Condutividade Eletrônica
•
– Exemplos:
– MOSFET
– IGFET
•
O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor) ou transistor de
efeito de campo de semicondutor de óxido metálico. A
palavra "metal" no nome é um anacronismo vindo dos
primeiros chips, onde as comportas (gates) eram de metal.
Os chips modernos usam comportas de polisilício, mas
ainda são chamados de MOSFETs. Um MOSFET é
composto de um canal de material semicondutor de tipo N
ou de tipo P e é chamado respectivamente de NMOSFET
ou PMOSFET. Geralmente o semicondutor escolhido é o
silício, mas alguns fabricantes, principalmente a IBM,
começaram a usar uma mistura de silício e germânio
(SiGe) nos canais dos MOSFETs. Infelizmente muitos
semicondutores com melhores propriedades elétricas do
que o silício, tais como o arsenieto de gálio, não formam
bons óxidos nas comportas e portanto não são adequados
para os MOSFETs. O IGFET é um termo relacionado que
significa Insulated-Gate Field Effect Transistor, e é
quase sinônimo de MOSFET, embora ele possa se referir a
um FET com comporta isolada por um isolante não óxido.
O terminal de comporta é uma camada de polisilício
(silício policristalino) colocada sobre o canal, mas
separada do canal por uma fina camada de dióxido de
silício isolante.
Condutividade Eletrônica
•
– Diodos de
Junção
•
•
•
•
•
Idealmente o díodo comporta-se como um condutor de sentido
único:a corrente só pode fluir do ânodo para o cátodo, mas o
fluxo de corrente é controlado pela tensão aplicada aos seus
terminais
Os díodos são fabricados com material semicondutor.
Tipicamente utiliza-se o silício, embora também se possa utilizar
o germânio
Exemplos de circuitos com díodos:
• Circuitos retificadores
• Circuitos limitadores de tensão
Resultam da junção de silício do tipo-P (silício dopado com
impurezas tri-valentes) com silício do tipo-N (silício dopado com
impurezas penta-valentes)
Aplicação dos semicondutores cerâmicos em lâmpadas de LED –
Light Emitting Diode

Os LEDs consistem de
chips de material
semicondutor dopado com
impurezas para criar uma
junção p-n (diodo). A
corrente flui do lado p
(anodo) para o lado n
(catodo). Elétrons (-) e
buracos (+) fluem para a
junção com diferentes
voltagens (elétrons viajam
pela banda de condução e
buracos pela banda de
valência). Quando um
elétron encontra um buraco
emite energia na forma de
um fóton.
O comprimento de onda da luz emitida, e portanto sua cor, dependem da
energia do GAP entre a banda de valência e a de condução
Condutividade Eletrônica
CONCEITO DE ISOLANTE:
Quando a cerâmica não possui elétrons para

a condução (último nível eletrônico está
completo) e um “GAP” muito grande entre a
banda completa e a vazia e tampouco possui
defeitos suficientes (vazios) para possuir
condutividade iônica.
Condutividade Eletrônica
ISOLANTE:
A elevação da temperatura, bem como a

elevação da quantidade de vazios diminui a
resistividade.
Condutividade Eletrônica
ISOLANTE:
Aplicações: isoladores de componentes e de

circuitos elétricos.

Como isolantes polarizáveis para
capacitores como: BaTiO3, Al2O3, TiO2
As várias estruturas em forma de bandas possíveis em sólidos
Condutividade Eletrônica
Influência da temperatura:
Com a elevação da temperatura a

condutividade diminui (aumenta a
resistividade), pois com o aumento da
vibração térmica, aumenta o número de
choques entre as partículas.

Impurezas e deformações a frio tem efeito
similar.
Condutividade Iônica
Condutividade Iônica
O transportador da carga elétrica é o ÍON
Em geral ocorre nas CERÂMICAS LIGADAS

IONICAMENTE.
Condutividade Iônica
Os íons estão presos pela rede cristalina e
pelas ligações químicas e para moverem-se
necessitam de:
ALTA TEMPERATURA (alta vibração térmica

e defeitos)

DEFEITOS DE PONTO (interstícios vazios e
vazios na rede)
Condutividade Iônica
Condutividade Iônica
Condutividade Iônica
Controla-se a condutividade iônica pela
adição de íons de tamanho semelhante mas
valências diferentes (por exemplo Y+3-Itrio ou
Sc+3 -escandio) para criar novos defeitos
(vazios) do ion que se quer conduzir.

Condutividade Iônica
Por exemplo a adição de CaO em ZrO2.
+2 substitui um íon Zr+4 e
Onde um íon Ca

gera um VAZIO de oxigênio.

Com isso os oxigênios podem mover-se em
temperaturas baixas quando um campo
elétrico é aplicado.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Sensores de Oxigênio: consistem de um
tubo de ZrO2 dopado com CaO e um eletrodo
de platina porosa fora e dentro do tubo.
A pressão de oxigênio interna do sensor

(pO2) é conhecida e a externa não.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Sensores de Oxigênio são baseados na
equação
pO 2
RT
E=
⋅ ln
4F
pO 2 '
Onde E= força eletromotriz, F= cte. de

Faraday, R=cte. Universal dos Gases,
T=temperatura absoluta e pO2 e pO2' = as
pressões em lados opostos da membrana de
ZrO2.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras

Sensores de Oxigênio
Se pO = pO ' então E = 0
2
2

Se pO2 ≠ pO2' então E ≠ 0, quanto maior a
diferença entre as pressões maior a voltagem
medida.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Sensores de Oxigênio
Opera em T>600ºC.


Aplicações:

Medidores de nível de impurezas (O2) em
cilindros de gases inertes

Medida de teores de oxigênio em
processamento de alimentos e embalagens a
vácuo.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Sensores de Oxigênio para automóveis
Utilizados para reduzir o consumo de

combustível e emissões poluidoras (combustão
completa).

As concentrações de O2, CO, NOx e
hidrocarbonetos no gás de exaustão são
funções da razão AR/COMBUSTÍVEL da
mistura.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Sensores de Oxigênio para automóveis
O controle de emissão ótimo ocorre para uma

razão de AR/COMBUSTÍVEL de
aproximadamente 15, que é a razão
estequiométrica.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Bombas extratoras de oxigênio
Utiliza uma diferença de potencial aplicado

para forçar os íons de oxigênio a se moverem
por uma membrana de ZrO2 dopado e recoberto
com platina porosa. O O2 entra em contato com
o eletrodo poroso e recebe 4 e- para formar
íons O2-.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Bombas extratoras de oxigênio
Pode obter oxigênio com uma pureza de

99,999%; (Célula de Concentração de Oxigênio)

Pode ser removido de outro gás como na
purificação final do Nitrogênio ou Argônio.
(Célula de Extração do Oxigênio)

Controle das pressões parciais em misturas de
gases.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Purificação de Efluentes Gasosos
Utilizando uma célula de eletrolítica de zircônia

sólida são decompostos os SOx (SO2, SO3) e os
NOx (NO2, NO3).
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Purificação de Efluentes Gasosos
 SOx (SO , SO ) e os NOx (NO , NO ) são
2
3
2
3

compostos nocivos ao meio ambiente.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
Purificação de Efluentes Gasosos
Em uma determinada temperatura e voltagem as

moléculas se decompõem em íons.

Os íons de oxigênio são separados das
moléculas conduzidos ionicamente pela
membrana de ZrO2.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras

Células de Combustível de Óxidos sólidos

Operada em temperaturas entre 900 e 1000ºC.

Grande diferenças de pressão de oxigênio entre o lado
externo (ar - alta) e lado interno (combustível - baixa) da
membrana de ZrO2 dopada.

Os íons de oxigênio difundem pela membrana, deixando
elétrons do lado de fora, e combinam-se com o
hidrogênio do combustível, do outro lado da menbrana.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente
condutoras
– Células de Combustível
de Óxidos sólidos
– Possuem eficiência
próxima a 80%, contra
25 a 35% dos motores
de combustão interna.
SITES
www.advceramics.com
www.dynacer.com
www.metaltech.com.br - sonda lambda
www.faenquil.br - sonda lambda
www.techmat.com.br
www.ngkntk.com.br
www.ceram.com
www.abceram.org.br