Estruturas e Propriedades das Cerâmicas
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)
Estruturas e Propriedades das Cerâmicas
CLASSIFICAÇÃO
Estruturas e Propriedades das Cerâmicas
CLASSIFICAÇÃO
Convencionais
Estruturais
Vidros
Louças
Cimentos
Avançadas
Eletrônicos
Ópticos
Biomateriais
Estruturas e Propriedades das Cerâmicas
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.
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PROPRIEDADES TÉRMICAS
As mais importantes propriedades térmicas dos
materiais cerâmicos são:
capacidade calorífica (  )
coeficiente de expansão térmica (  )
condutividade térmica
átomos
Ligação Química
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PROPRIEDADES TÉRMICAS
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
Estruturas e Propriedades das Cerâmicas
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
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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
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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)
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
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.
Estáveis
Instável
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 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
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 A relação rc/ra pode ser calculada por meio de uma
análise geométrica simples:
NC = 3
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
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:
Br
Cs
Por exclusão: rede cúbica simples (CS)
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
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
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
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
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
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
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
Estrutura cristalina do tipo AmXp
rc = rCa = 0,100 nm
ra = rF = 0,133 nm
rc/ra = 0,75
0,40
NC = 8
4
Testando as translações: CS
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
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
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
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.
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
Sílica
 Cada átomo de oxigênio é compartilhado por um tetraedro adjacente;
 Pode ser cristalina ou amorfa, como na forma de vidros.
Estruturas e Propriedades das Cerâmicas

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.
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
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
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
Exemplos de nanotubos
Junção em T de nanotubos
Nanotubes como reforço
compósitos reforçados com
fibras
Nano-engrenagens
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
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
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
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.
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
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.
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
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
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
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.
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
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