Introducao e conteudo_ceramicos_v02

Introdução
História
 2 milhões de anos atrás o Homo Erectus tem contato com
os primeiros materiais cerâmicos;
 Lascas de quartzo e obsidiana (vidro vulcânico) utilizadas como
armas.
Ponta de lança feita de quartzo

Introdução
História
Cerâmicas ao longo da história: Egito e China (5000
anos); Japão (8000 anos).

Introdução
Atualidade
Supercondutores
Vidros
Cerâmicas

Introdução
Definição
Cerâmica (Keramikos) = matéria-prima queimada.
As propriedades só são atingidas após um tratamento
térmico de alta temperatura – conhecido como ignição.

Introdução
Definição
 São materiais inorgânicos. A característica comum a estes materiais é
serem constituídos de elementos metálicos e elementos não
metálicos, ligados por ligações iônicas e/ou covalentes;
 Apresentam composições químicas muito variadas, desde compostos
simples a misturas de várias fases complexas ligadas entre si;
 As propriedades variam muito devido a diferenças de ligação
química;
 Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis, com
pouca tenacidade e pouca ductilidade;

Introdução
Definição
 São geralmente isolantes térmicos e elétricos (devido à ausência de
elétrons de condução)
 embora existam materiais cerâmicos semicondutores,
condutores e até mesmo supercondutores (estes dois
últimos, em faixas específicas de temperatura);
 Apresentam alto ponto de fusão e são comumente
 quimicamente estáveis sob condições ambientais severas
 (devido à estabilidade das suas fortes ligações químicas).

Introdução
Exceções
 Fragilidade: cerâmicas
superplásticas. Ex: ZrO2
(zircônia) estabilizado com
Y2O3 (óxido de ítrio);
 “The zirconia oxide stabilized by
yttrium oxide offers except for its
extremely high strength also the
advantage that it is white, light-
permeable material.
Furthermore, its excellent
biocompatibility and low thermal
conductivity make it to be an
ideal material for accurate
prostheses.” Kralodent

Introdução
Exceções
 Isolantes Térmicos: diamante
(alta condutividade térmica –
VERIFICAR);
 Isolantes Elétricos:
semicondutores e
supercondutores.
Bismuth strontium calcium copper oxide

Introdução
Atenção
 O grafite e o diamante são tratados muitas vezes como
cerâmicas!
 Apesar de compostos unicamente de carbono, ambos os
materiais são formas de carbono inorgânicas, não sendo
produzidas por nenhum tipo de organismo vivo.

Introdução
Classificação quanto a aplicação
 Materiais Cerâmicos Tradicionais: cerâmicas estruturais, louças,
refratários (provenientes principalmente de matérias-primas
argilosas e de outros tipos de silicatos);
 Vidros e Vitro-Cerâmicas;
 Abrasivos;
 Cimentos;
 Cerâmicas “Avançadas”: aplicações eletro-eletrônicas, térmicas,
mecânicas, ópticas, químicas, bio-médicas.

Introdução
Classificação quanto a aplicação
Classificação dos Materiais Cerâmicos de acordo com a aplicação

Introdução
Cerâmicas Tradicionais e Avançadas

 Telhas e tijolos
(cerâmica vermelha)
ainda são produzidos
com matéria-prima
não beneficiada.
 Ex.: tijolos, blocos,
telhas, ladrilhos de
barro, vasos, filtros,
tubos, manilhas.
Introdução
Cerâmicas Tradicionais

Introdução
Cerâmicas Tradicionais
 Cerâmica branca, produtos refratários e
vidrados.
 São produzidos com matérias-primas
beneficiadas por diversas etapas de
moagem até um tamanho que permita a
separação por meio de
 sedimentação,
 separação magnética
 e eliminação de fases indesejáveis.
 Ex.: louças, porcelanas, azulejos, louça sanitária, porcelana refratária,
doméstica, elétrica ou artística.

Introdução
Cerâmicas Avançadas
 Utilizam matérias-primas que sofrem uma série de processos químicos
e mecânicos
 que permitem obter produtos de pureza elevada ( > 99,5%) e
pequeno tamanho de partícula (< 1µm).
 Óxidos, nitretos e carbetos podem
ser obtidos.
 A matéria-prima para as cerâmicas
avançadas pode também ser
sintética,
 ou seja, obtida por processos de
síntese química (alumina com
pureza> 99,99%).

 Cerâmica eletrônica: circuitos integrados, instrumentos e sensores de
laboratório, geradores de faísca.
 Cerâmica estrutural: rotores para motor turbo, ferramentas de corte,
mancais, pistões, bocais de extrusoras, bicos de queimadores.
 Alta dureza à quente (1600oC);
 Não reage quimicamente com o aço;
 Longa vida da ferramenta;
 Usado com alta velocidade de corte;
 Não forma gume postiço.
Introdução
 Pó finíssimo de Al2O3 (partículas compreendidas
entre 1 e 10 mícrons) mais ZrO2 (confere tenacidade
a ferramenta de corte) é prensado, porém apresenta-
se muito poroso. Para eliminar os poros, o material é
sinterizado a uma tempertura de 1700oC ou mais.
Durante a sinterização as peças experimentam uma
contração progressiva, fechando os canais e
diminuindo a porosidade.

 Outras Aplicações
 Material de polimento, isolante elétrico (BN, B4C).
 Eixos, bicos pulverizadores, selos mecânicos, ferramentas de corte,
implantes ósseos, meios de moagem ( Al2O3).
 Matrizes de extrusão e fundição, tesouras, facas (ZrO2).
 Moderador nuclear, revestimento de câmeras de combustão de
foguetes, cadinhos para fusão de Ni e Pt, elemento protetor de
resistências de aquecimento (BeO)
Introdução

Introdução
Cerâmicas Tradicionais e Avançadas
Diferenças
 Custo muito maior das avançadas; a matéria-prima das cerâmicas
avançadas é muito mais pura (> 99,5%) e os grãos são muito
menores (< 1µm).
 Processos de fabricação são mais sofisticados: torneamento,
prensagem de pós, injeção, prensagem isostática à quente, colagem
sob pressão, tape casting, CVD, sol-gel.

Introdução
Tipos Matérias Primas
 Naturais (brutas) – não sofrem nenhum tipo de beneficiamento
(telhas e tijolos).
 Refinadas (industrializadas) – são beneficiadas por diversas etapas de
moagem até um tamanho que permita a separação por meio de
sedimentação, separação magnética e eliminação de fases
indesejáveis (cerâmica branca, produtos refratários e vidrados).
 Industrializadas por processos químicos e mecânicos – Obtenção de
pureza elevada (> 99,5%) e pequeno tamanho de partícula (< 1µm)
(cerâmica avançada: óxidos, nitretos, carbetos etc).
 Sintéticas – Pós resultantes com características controladas (uso em
cerâmicas avançadas).

Introdução
Tipos Matérias Primas

Propriedades Mecânicas
Fratura Frágil das Cerâmicas
 Tensões de compressão  não existe qualquer amplificação de
tensões associada com qualquer defeito existente.
 Como posso melhorar a resistência à fratura de uma cerâmica
frágil?
 Ainda, a resistência à fratura de uma cerâmica frágil pode ser
melhorada substancialmente pela imposição de tensões
residuais de compressão na superfície (revenimento térmico).
 Por isso veremos mais adiante a questão de tratamentos térmicos
nos cerâmicos.

Comportamento Tensão-Deformação
RESITÊNCIA À FLEXÃO
Em cerâmicas frágeis  comportamento tensão-deformação NÃO é
em geral é avaliado por ensaio de tração.
 Difícil preparo de amostras que tenham a geometria exigida.
 Difícil prender e segurar materiais frágeis sem fraturá-los.
 As cerâmicas falham após uma deformação de apenas aprox.
0,1%
 isso exige que os corpos de prova estejam perfeitamente
alinhados para evitar tensões de dobramento ou flexão, que
não são facilmente calculadas.

 Portanto aplicamos, na maioria das vezes, ensaio de flexão
transversal :
Mais adequado para tais casos
corpo de prova na forma de uma barra (com seção reta circular
ou retangular) é flexionado até sua fratura, utilizando uma
técnica de carregamento em três ou quatro pontos (ASTM
C1161).

 No ponto de carregamento, a
superfície superior do corpo
de prova é colocada em um
estado de compressão,
enquanto a superfície inferior
encontra-se em tração.
 A tensão é calculada a partir
da espessura do corpo de
prova, do momento fletor e do
momento de inércia (ver
figura).

 A tensão de tração máxima
(pelas expressões de tensão)
existe na superfície inferior do
corpo de prova, diretamente
abaixo do ponto de aplicação
da carga.

 Uma vez que os limites de
resistência à tração dos
materiais cerâmicos
equivalem a prox. 1/10 das
suas resistências à
compressão,
 e uma vez que a fratura ocorre
na face do CP que está sendo
submetida a tração, o ensaio
de flexão é um substituto
razoável para o ensaio de
tração.

 A tensão no momento da fratura no ensaio de flexão é conhecida por
resistência à flexão, módulo de ruptura, resistência à fratura ou resistência à
dobra  importante parâmetro mecânico para materiais frágeis.
 Para seção reta retangular e circular, à resistência à flexão, σrf é igual a,
respectivamente:
Ff representa a carga no momento da Fratura
L é a distância entre os pontos de suporte
Outros Parâmetros Dados na Figura

 Valores característicos para resistência à flexão de vários cerâmicos são dados
a seguir, no próximo slide.
 Considerações Importantes
 Uma vez que durante a flexão, um CP está sujeito tanto a tensões
compressivas como trativas, a magnitude de sua resistência à flexão é
maior do que a por tração.
 Além disso, σrf dependerá do tamanho do corpo de prova.
Com o aumento do volume do corpo de prova (sob tensão)
existe um aumento na severidade do defeito e,
consequentemente, uma diminuição na resistência á flexão.

COMPORTAMENTO ELÁSTICO
Se formos comparar com os metais o
comportamento elástico tensão-deformação para os cerâmicos
quando se utilizam testes de flexão
é semelhante aos resultados apresentados pelos ensaios de
tração realizados com metais:
existe uma relação linear entre a tensão e a deformação.

COMPORTAMENTO ELÁSTICO
 A figura compara o comportamento tensão-deformação até a
fratura para o óxido de alumínio (alumina) e para o vidro.
 O coef. angular (inclinação) da curva na região elástica é o módulo
de elasticidade;
 a faixa para ele nos materiais cerâmicos encontra-se entre
aproximadamente 70 e 500 GPa, sendo ligeiramente maior do
que para os metais.
 A tabela anterior lista valores para vários materiais cerâmicos.

COMPORTAMENTO
ELÁSTICO
 Comportamento típico
tensão-deformação até a
fratura para o óxido de
alumínio e o vidro.

Mecanismos da Deformação Plástica
 Embora à Tambiente a maioria dos cerâmicos sofra fratura antes do
surgimento de qualquer deformação plástica, é necessário ver
rapidamente os seus mecanismos.
 A deformação plástica difere para cerâmicas cristalinas e não-
cristalinas.

CERÂMICAS CRISTALINAS
 Ocorre como nos metais, pela movimentação de discordâncias.
Uma razão para a dureza e a fragilidade desses materiais é a
dificuldade de escorregamento (ou movimento da discordância).
Quando a ligação é predominantemente iônica, existem muito
poucos sistemas de escorregamento (planos e direções
cristalográficas dentro daqueles planos) ao longo dos quais as
discordâncias podem se mover.

 Por que isso acontece???
 Isso é uma consequência da natureza eletricamente carregada dos
íons .
 Para o escorregamento em algumas direções, os íons de mesma
carga são colocados próximos uns aos outros;
 devido à repulsão eletrostática, essa modalidade de
escorregamento é muito restrita.
Metais  isso não ocorre pois todos os átomos são eletricamente
neutros.

 Cerâmicas com ligação altamente covalente  o escorregamento
também é difícil, eles são frágeis pelas seguintes razões:
1. As ligações covalentes são relativamente fortes;
2. Existe também um número limitado de sistemas de
escorregamento;
3. As estruturas das discordâncias são complexas.

CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS
 A deformação plástica NÃO ocorre pelo movimento das
discordâncias,
POIS NÃO EXISTE UMA ESTRUTURA ATÔMICA REGULAR!
 Eles se deformam através de um escoamento viscoso, que é a
maneira segundo a qual os líquidos se deformam;

 A taxa de deformação é proporcional à tensão aplicada.
 Em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento, os
átomos ou íons deslizam uns sobre os outros através da quebra
e da reconstrução de ligações interatômicas.
 Contudo, não existe uma maneira ou direção predeterminada
segundo a qual fenômeno ocorre, como é o caso para as
discordâncias.

 Representação do
escorregamento viscoso
(demonstrado em escala
macroscópica) de um
líquido ou vidro fluido
em resposta à aplicação
de uma força de
cisalhamento.

 As camadas adjacentes, deslocam-se paralelamente umas às outras
com diferentes velocidades.
 Pode ser definido por meio da situação ideal conhecida como
escoamento de Couette, onde uma camada de fluido é retido entre
duas placas horizontais, uma fixa e outra se movimentando
horizontalmente a uma velocidade constante.
 Assume-se que as placas são muito grandes, de modo que não é
preciso considerar que ocorre próximo dos seus bordos.

 Se a velocidade da placa superior é suficientemente baixa, as
partículas do fluido se movem em paralelo a ela, e a sua velocidade
irá variar linearmente a partir de zero, na parte inferior para a parte
superior.
 Cada camada de fluido se move mais rapidamente do que a camada
imediatamente abaixo, e o atrito entre elas irá dar origem a uma
força resistindo a esse movimento relativo.
 Em particular, o fluido vai aplicar sobre a placa superior uma força na
direção oposta ao seu movimento, e uma força igual, mas em direção
oposta à placa de fundo.
 Uma força externa é então necessária para manter a placa superior
em movimento a uma velocidade constante.

 A propriedade característica para um escoamento viscoso, a
viscosidade, representa uma medida de resistência à deformação de
um material não-cristalino.
 Para o escoamento viscoso de um líquido que tem sua origem nas
tensões de cisalhamento impostas por duas chapas planas e
paralelas:
Ver Figura Anterior
Viscosidade η representa a razão entre a:
τ tensão de cisalhamento aplicada, e
dv alteração na velocidade em função da
dy distância em uma direção perpendicular e se afastando das
chapas  Taxa de deformação.

 Quanto maior a viscosidade, menor será a velocidade em que o fluido
se movimenta.
 Viscosidade é a propriedade associada a resistência que o fluido
oferece a deformação por cisalhamento.

 Líquidos  viscosidades relativamente baixas.
 Vidros  viscosidades extremamente elevadas à temperatura
ambiente.
temperatura  magnitude da ligação  movimento de
escorregamento ou escoamento dos átomos ou íons ficam facilitados.
 Viscosidade.

Aplicações e Processamento
das Cerâmicas
 Características Metais x Cerâmicos  muito diferentes  aplicações
totalmente diferentes  materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos se
completam nas suas utilizações.
 Processamento (em comparação aos metais)
 Fundição de cerâmicos  normalmente impraticável (Tfusão muito alta).
 Deformação  impraticável (fragilidade).

das Cerâmicas
Processamento dos Cerâmicos
 Algumas peças cerâmicas são conformadas a partir de pós (ou
aglomerados particulados) que devem ao final ser secados e
levados a ignição (cozidos)
 Vidros  formas conformadas a altas temperaturas a partir de
uma massa fluida que se torna viscosa com o resfriamento.
 Cimentos  são conformados pela colocação de uma pasta fluida
no interior dos moldes, que endurece e assume uma pega
permanente em virtude de reações químicas.

das Cerâmicas

Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Vidros
 Grupo Familiar de Materiais Cerâmicos  recipientes, janelas,
lentes e fibra de vidro.
 Consistem em silicatos não cristalinos que também contém outros
óxidos (CaO, Na2O, K2O, Al2O3) que influenciam suas
propriedades.
 Características principais  transparência ótica e a relativa
facilidade com as quais eles podem ser fabricados.

Vidros

Propriedades dos Vidros
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS VÍTREOS SENSÍVEIS A ALTERAÇÕES DE
TEMPERATURA
 Materiais vítreos (ou não-cristalinos) não se solidificam do mesmo
modo que os materiais cristalinos:
com o resfriamento, um vidro se torna continuamente mais e
mais viscoso;
não existe uma temperatura definida na qual o líquido se
transforma em um sólido, como ocorre com os materiais
cristalinos.

TEMPARURA
 Diferença entre Cristalinos x Não-
cristalinos: Dependência do volume
específico em relação a
temperatura.
 Cristalinos: diminuição
descontínua no volume quando
se atinge Tf.

TEMPARURA
 Materiais vítreos: volume diminui continuamente em função de
uma redução na temperatura.
 Ocorre uma pequena diminuição na inclinação da curva no que
é conhecido por temperatura de transição vítrea, Tv, ou
temperatura fictícia.
 Abaixo dessa temperatura o material é considerado como sendo
um vidro; acima dessa temperatura, o material é primeiro um
líquido super-resfriado, e finalmente um líquido.

 Contraste do comportamento volume
específico-temperatura apresentado
por materiais cristalinos e não-
cristalinos.
 Os materiais cristalinos se solidificam
na temperatura de fusão Tf .
 Uma característica do estado não-
cristalino é a temperatura de
transição vítrea, Tv.

CARACTERÍSTICAS VISCOSIDADE x
TEMPERATURA
1. O ponto de fusão corresponde
à temperatura na qual a
viscosidade é de 10 Pa-s (100
P); o vidro é fluido o suficiente
para ser considerado um
líquido.
2. O ponto de operação
representa a temperatura na
qual a viscosidade é de 10³
Pa-s (104 P); o vidro é
facilmente deformado nessa
viscosidade.

CARACTERÍSTICAS VISCOSIDADE-
TEMPERATURA
3. O ponto de amolecimento, a
temperatura na qual a viscosidade é
de 4 x 106 Pa-s (4 x 107 P), é a
temperatura máxima na qual uma
peça de vidro pode ser manuseada
sem causar alterações dimensionais
significativas.
4. O ponto de recozimento é a
temperatura na qual a viscosidade é
de 1012 Pa-s (1013 P). Nessa
temperatura, a difusão atômica é
suficientemente rápida, tal que
quaisquer tensões residuais podem
ser removidas dentro de um intervalo
de aproximadamente 15 min.

TEMPERATURA
5. O ponto de deformação
corresponde à temperatura na
qual a viscosidade se torna 3 x
1013 Pa-s (3 x 1014 P). Para
temperaturas abaixo do ponto de
deformação, a fratura irá ocorrer
antes do surgimento da
deformação plástica. A
temperatura de transição vítrea
será superior à temperatura do
ponto de deformação (1013 Pa.s).
Logaritmo da viscosidade em função da
temperatura para vidros de sílica fundida e
vários vidros à base de sílica.

TEMPERATURA
A maioria das operações de
conformação dos vidros é
conduzida dentro da faixa de
operação, entre as temperaturas
de operação e de amolecimento.
A capacidade de um vidro em ser
conformado pode ser em grande
parte modificada pela alteração de
sua composição (T amolecimento,
Cal de soda x 96% sílica) 
operações de conformação  T
para cal de soda.

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