Materiais I
Fases cerâmicas e suas propriedades
Grupo 4:
Bruno Perez
Caue Negrão
Gabriel Zen
Guilherme Moraes
Pedro Rubio
Rodrigo Ferrari
INTRODUÇÃO
„
materiais inorgânicos e nãonão-metálicos
„
A palavra cerâmica vem do idioma grego
“keramikos”
“keramikos”
„
“cerâmicas tradicionais” : porcelanas, tijolos e
telhas.
INTRODUÇÃO
„
Grandes progressos
„
Termo cerâmico tem tomado um sentido muito
mais amplo
„
eletrônica, computação, comunicação, ciência
aeroespacial ou ainda nas indústrias interessadas
em seu uso.
1
ESTRUTURAS DAS CERÂMICAS
„
Dois elementos e freqüentemente mais a
estrutura cristalina.
„
Estrutura cristalina desses materiais são
geralmente mais complexas do que a dos
materiais metálicos.
„
A ligação atômica desses materiais varia entre
puramente iônica e covalente.
ESTRUTURAS CRISTALINAS
„
ligação atômica predominantemente iônica
podepode-se pensar como sendo composta de íons
eletricamente carregados ao invés de átomos.
„
o tamanho da carga elétrica em cada um dos
íons componentes e o tamanho relativo dos
cátions e dos ânions
Estruturas
Cristalinas
2
ESTRUTURAS CRISTALINAS TIPO AX
„ Número
igual de cátions e ânions.
„A
= Cátions
„ X = Ânions
„ NaCl
NaCl
„
Número de coordenação é 6. Seguindo a tabela:
„
A taxa do raio cátioncátion-ânion está entre 0,414 e
0,732 .
„
. Uma célula unitária para essa estrutura
cristalina é gerada de um arranjo FCC de ânions
com um cátion situado no centro do cubo e
outro no centro de cada uma das 12 bordas do
cubo.
CsCl
O intercambio de ânions com cátions e vice
versa, produz a mesma estrutura cristalina.
3
ZnS
•Vice-versa
•Altamente Covalente
Estruturas cristalinas tipo AmXp
„
„
„
„
Cargas de cátions e ânions não são as mesmas
CaF2
taxa do raio rc/ra para o fluoreto de cálcio é
aproximadamente 0,8.
a estrutura cristalina pode ser similar a estrutura
do CsCl
metade das posições centrais do cubo são
ocupadas por íons Ca+
Estruturas cristalinas tipo AmBnXp
„
„
„
„
„
mais de um tipo de cátions ( A e B)
BaTiO3
Nas temperaturas abaixo de 120ºC a estrutura
cristalina é cúbica
Ba2+, cantos do cubo
Ti4+ ao centro e
O2- centro de cada uma das 6 faces.
4
Estruturas Cristalinas de um
empacotamento fechado
de ânions
„
„
„
„
Gera tanto estruturas FCC quanto HCP.
Como estão empilhados, geram pequenos espaços
intersticiais entre eles.
Número de coordenação para preenchimento de
cátions 4 para estruturas tetraédricas e 6 para
octaédricas.
Estrutura depende do empilhamento do
empacotamento e do modo de preenchimento dos
interstícios.
Estruturas Cristalinas de um
empacotamento fechado
de ânions
„
Posições intersticiais de 2 tipos:
Tetraédricas e Octaédricas
Cálculo da densidade da
Cerâmica
A densidade r pode ser determinada usando uma fórmula
modificada da usada para metais:
r = n’ . xAc + xAa
Vc.Na
„ Onde:
n’ = número de íons inclusos na fórmula
xAc = soma dos pesos atômicos de todos os cátions da fórmula
xAa = soma dos pesos atômicos de todos os anions da fórmula
Vc = volume da célula unitária
Na = número de Avogadro (6,023 .10²³)
„
5
Sílica
„
„
„
„
„
„
O mais simples tipo de silicato(SiO2).
Estruturalmente e uma rede tridimensional ligada por
átomos adjacentes O do canto do tetraedro.
Eletricamente neutro e de estrutura estável.
Três formas: Quartz,cristobalite e tridymite.
Estruturas complicadas e abertas, o que leva a uma
densidade baixa.
Força da ligação reflete na alta temperatura de
fusão:1710ºC
Cerâmicas de Sílica
„
„
„
São formados dos elementos mais abundantes
da crosta terrestre: silício e oxigênio.
Não são considerados iônicos devido ao caráter
covalente das ligações SiSi-O que são direcionais e
relativamente fortes.
Melhor caracterizados como vários arranjos do
tetraedro SiO4 4-.
Vidros de Sílica
„
„
„
„
„
„
Possui um alto grau de variação atômica,característica
dos vidros.
Tetraedro SiO4 4- e a unidade básica.
Pode ser formado por outros óxidos como B2O3 e
GeO2 (formadores de rede).
Adicionados a óxidos(CaO e Na2O) são modificadores
de rede.
Podem ser intermediadores de rede como o TiO2 e
Al2O3, enquanto não formadores de rede.
A adição de modificadores e intermediadores baixa o
ponto de fusão e viscosidade, facilitando a moldagem.
6
Os silicatos
„
„
1.
2.
Sao formados pela divisão de um, dois ou três
átomos de O da borda do tetraedro SiO4 4-4-.
Formam estruturas como SiO4 4-4-, Si2O7 6-,
Si3O9 6-6-possibilitando cadeias estruturais
simples. Cátions do tipo Ca2+, Mg2+e Al3+
possuem dois papéis na estrutura:
Compensam as cargas negativas de SiO4 4- até
atingir a neutralidade.
Ligam ionicamente os tetraedros SiO4 4-.
Os silicatos
„
1.
2.
3.
Simples
Envolvem o tetraedro isolado
Ex:Mg2SiO4.
Forma o íon Si2O7 6- quando dois tetraedros
dividem um átomo de oxigênio comum.
Os silicatos
„
1.
2.
3.
4.
5.
Em camadas
O compartilhamento de três ions de oxigênio do tetraedro pode
produzir uma lâmina de duas dimensões.
Fórmula repetida pode ser representada por (SI2O5)2-.
A eletroneutralidade e estabelecida pela segunda estrutura planar
planar
da lâmina em excesso que se ligam aos átomos de O não ligados
da lamina Si2O5.
Sao chamados de lâminas ou silicatos em camadas, característicos
das argilas e outros minerais.
Suas estruturas estão entre as mais complexas dos materiais
inorgânicos.
7
Carbono
„
„
„
Elemento que existe em várias fórmulas
polimórficas;
polimórficas;
Não pertence a nenhum esquema de
classificação tradicional como, metal, cerâmica,
polímero;
Neste trabalho, serão apresentados os seguintes
polimorfos do carbono: diamante, grafite e
fulerenos.
fulerenos.
Diamante
„
„
„
„
As propriedades físicas do diamante o tornam um
material extremamente atrativo;
Ele é extremamente duro ( o material mais duro
conhecido) e possui uma condutividade elétrica muito
baixa;
As características citadas acima são conseqüência de sua
estrutura cristalina e das fortes ligações interatômicas
covalentes presentes;
Em sua estrutura cristalina cada átomo de carbono se
liga a quatro outros átomos de carbono e suas ligações
são totalmente covalentes;
Diamante
„
„
„
„
É opticamente transparente nas regiões de
espectro visível e de infravermelho;
Possui um alto índice de refração;
Industrialmente, diamantes são utilizados para
afiar ou cortar materiais mais moles;
Possui uma incomum alta condutividade térmica
para um material não metálico;
8
Grafite
„
„
„
„
Possui estrutura cristalina diferente do diamante;
É mais estável que o diamante a temperatura e
pressão ambiente;
A estrutura da grafite é composta de arranjos
hexagonais de átomos de carbono;
Nessa estrutura estão presentes tanto ligações
covalentes quanto ligações do tipo van der
Waals;
Waals;
Grafite
„
„
„
„
„
„
„
Algumas propriedades desejáveis da grafite são:
Alta força;
Boa estabilidade química a temperaturas
elevadas e atmosferas não oxidantes;
Alta condutividade térmica;
Baixo coeficiente de expansão térmica;
Alta resistência ao choque térmico;
Alta absorção de gases;
Grafite
„
„
„
„
„
Algumas aplicações da grafite são:
Como elemento de aquecimento para fornos
elétricos;
Nos cadinhos metalúrgicos;
Na formação de moldes para ligas metálicas e
cerâmicas;
Nos bicos de foguetes;
9
Fulerenos
„
„
„
„
Outra forma polimórfica do carbono a qual foi
descoberta em 1985;
Existe de uma forma molecular discreta e consiste num
conglomerado de cavidades esféricas de seis átomos de
carbono;
Uma molécula simples é chamada por C60;
Cada molécula é composta por grupos de átomos de
carbono que são ligados um no outro formando tanto
configurações geométricas de hexágonos (átomos de
seis carbonos) quanto pentágonos (átomos de cinco
carbonos);
Fulerenos
„
„
„
Uma outra molécula, consiste de 20 hexágonos e 12 pentágonos,
que estão arranjados de modo que dois pentágonos não dividem
um lado em comum, a superfície molecular então, exibe a
simetria de uma bola de futebol;
O material componente das moléculas de C60 é conhecido por
buckminsterfullerene,
buckminsterfullerene, nomeado em homenagem a R.Buckminster
R.Buckminster
Fuller,
Fuller, que inventou a cúpula geodésica;
Cada C60 é simplesmente uma réplica molecular da cúpula, que é
freqüentemente chamada de buckyball.
buckyball. O termo fulereno é
usado para denotar a classe dos materiais que compõem esse tipo
de molécula;
Nanotubos de carbono
„
„
„
Possui algumas propriedades únicas e
tecnologicamente interessantes ;
Sua estrutura consiste numa lâmina simples de
grafite, laminada dentro de um tubo, ambos
terminando sendo tapados por hemisférios do
fulereno C60;
O prefixo nano denota que os diâmetros dos
tubo estão na ordem de nanômetros ;
10
Nanotubos de carbono
„
„
„
„
„
Esses nanotubos são extremamente fortes, rígidos e
relativamente dúcteis;
Nanotubos tem densidades relativamente baixas;
O nanotubo de carbono tem sido chamado de a “fibra
definitiva” e é extremamente promissora a sua
utilização como reforço dos materiais compósitos;
Possuem características elétricas únicas;
Futuras aplicações para os nanotubos de carbono irão
incluir diodos e transistores.
Imperfeições nas cerâmicas
„
„
„
Assim como nos metais, vagas e interstícios são
possíveis, no entanto, desde que os materiais cerâmicos
contenham íons de pelo menos dois tipos;
Dentre os tipos de defeitos pontuais atômicos
existentes em cerâmicas, podepode-se destacar: o defeito de
Frenkel e o defeito Schottky;
O primeiro pode ser pensado como sendo formado por
um cátion deixando sua posição e se movendo para um
espaço intersticial. Não há mudança na carga porque o
cátion mantém a mesma carga positiva que o interstício;
Imperfeições na cerâmicas
„
„
„
O segundo pode ser pensado como sendo criado pela
remoção de um cátion e um ânion do interior de um
cristal e colocando ambos numa superfície externa;
Em ambos, as condições de eletroneutralidade devem
ser mantidas, pelo fato de íons serem átomos
carregados;
Eletroneutralidade é o estado que existe quando
existem números iguais de cargas positivas e negativas
dos íons;
11
Imperfeições na cerâmicas
„
„
„
„
A taxa de cátions para ânions não é alterada pela
formação de tanto o defeito Frenkel quanto o defeito
Schottky;
Se não há outros defeitos presentes, o material é dito
estequiométrico;
Estequiometria pode ser definida como um estado para
compostos iônicos onde existe uma relação exata de
cátions e ânions como previsto pela fórmula química;
Não estequiometria pode ocorrer para alguns materiais
cerâmicos no quais dois estados de valência (ou iônicos)
existe para um dos tipos de íons, exemplo: óxido de
ferro (FeO
(FeO );
Propriedades Mecânicas
„
Os materiais cerâmicos têm a sua aplicabilidade
limitada
„
A principal desvantagem é uma disposição à
fratura catastrófica de uma maneira frágil, com
muita pouca absorção de energia
FRATURA FRÁGIL DAS
CERÂMICAS
„
„
O processo de fratura frágil consiste na
formação e na propagação de trincas através da
seção reta do material em uma direção
perpendicular à carga aplicada.
Uma concentração de tensões na extremidade de
um defeito pode causar a formação de uma
trinca, a qual pode se propagar até uma fratura
real.
12
continuação
„
„
A medida da habilidade de um material cerâmico
em resistir à fratura quando uma trinca está
presente é especificada em ter­mos da
tenacidade à fratura. A tenacidade à fratura em
deforma­ção plana, Klc , é defi­nida de acordo
com a seguinte expressão
Klc = Yσ(Π.a)1/2
Yσ(Π.a)1/2
Fadiga estática
„
Sob algumas circunstâncias, a fratura de
materiais cerâmicos ocorrerá pela propagação
lenta de trincas, quando as tensões são de
natureza estática e quando o lado direito da
equação acima é menor do que K/c. Esse
fenômeno é conhecido por fadiga estática, ou por
fratura retardada;
Exemplos
„
Os vidros à base de silicato são especialmente
suscetíveis a esse tipo de fratura; isso também
tem sido observado em outros materiais
cerâmicos, in­:cluindo a porcelana, o cimento
portland, as cerâmicas com alto teor de alumina,
o titanato de bário e o nitreto de silício.
13
Aumentando a resistência de uma
fratura
„
Ainda, a resistência à fratura de uma cerâmica
frágil pode ser melhorada substancialmente pela
im­posição de tensões residuais de compressão
na sua superfície. Uma maneira segundo a qual
isso pode ser realizado é através de revestimento
térmico.
COMPORTAMENTO TENSÃOTENSÃODEFORMAÇÃO (três razões )
„
„
„
Em primeiro lugar, é difícil preparar e testar
amostras que possuam a geometria exigida
Em segundo lugar, é difícil prender e segurar
materiais frágeis sem fraturálos
e em terceiro lugar, as cerâmicas falham após
uma deformação de apenas aproximadamente
0,1 % o que exige que os corpos de prova de
tração estejam perfeitamente alinhados
resistência à flexão
„
„
A tensão no momento da fratura quando se
emprega esse ensaio de flexão é conhecida por
resistência à flexão, módulo de ruptura, resistência
à fratura ou resistência à dobra, e consiste em um
importante parâmetro mecânico para os
materiais cerâmicos frágeis. Para uma seção reta
retangular, a resistência à flexão é igual a :
σrf = 3Ff . L/(2b.d²
L/(2b.d² )
14
COMPORTAMENTO ELÁSTICO
„
0 comportamento elástico tensãotensão-deformação
para os materiais cerâmicos quando se utilizam
esses testes de flexão é semelhante aos
resultados apresentados pelos ensaios de tração
realizados com metais
MECANISMOS DA
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
„
Embora à temperatura ambiente a maioria dos
materiais cerâmicos sofra fratura antes do
surgimento de qualquer deformação plástica,
vale a pena uma rápida exploração dos possíveis
mecanismos. A deformação plástica é diferente
no caso das cerâmicas cristalinas e das cerâmicas
nãonão-cristalinas; entretanto, os dois casos serão
discutidos.
Impurezas na Cerâmica
„
o raio iônico da impureza deve ser relativamente
pequeno em comparação com o anion.
„
uma impureza substitucional irá substituir oíon
pelo qual é mais similar de um modo elétrico
15
Diagrama de fases dos materiais
cerâmicos
„
O sistema Al2O3Al2O3-Cr2O3
„
O sistema MgOMgO-Al2O3
„
O Sistema ZrO2 – CaO
„
O sistema SiO2SiO2-Al2O3
O sistema Al2O3-Cr2O3
O sistema MgO-Al2O3
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O Sistema ZrO2 – CaO
O sistema SiO2-AlO3
Tipos de Cerâmica
• Cristalinas
• deformação ocorre como nos metais
• dificuldade de escorregamento
• ligações predominantemente iônica
• Não Cristalinas
• deformação ocorre por escoamento viscoso
• unidade de viscosidade:
ƒ pascal-segundo (Pa-s)
ƒ poise (P)
• aumenta temperatura → diminui
viscosidade
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Considerações Mecânicas
• Influencia da Porosidade
• tratamento térmico visa retirar os poros
• age negativamente na resistência e nas propriedades elásticas
• E = Eo( 1- 1,9P + 0,9p2) → fórmula para calculo da elasticidade
• resistência a flexão diminui exponencialmente em função da fração
volumétrica da porosidade
• σrf = σ0 exp(-nP)
Considerações Mecânicas
• Dureza
• utilizada quando exige uma ação de cisalhamento ou abrasão
• materiais cerâmicos são os mais duro
• Fluência
• semelhante a que ocorre nos metais, porem ocorre a
temperaturas mais elevadas
Conclusão
• Materiais cerâmicos são encontrados em diferentes aplicações
• na parte elétrica, em resistores e capacitores
• memória de computadores
• velas na combustão interna de motores
• vidros são materiais cerâmicos
• utilizado como isolante térmico, por resistir a altas temperaturas
• utilizado na proteção de veículos militares, de aviões e de
soldados
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