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Materiais Cerâmicos
Estrutura Propriedades e aplicações
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...
 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
OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA
Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais
 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)
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
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
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
CARACTERÍSTICAS DOS ÍONS QUE
AFETAM A ESTRUTURA CRISTALINA
 CARGA
 TAMANHO (RAIO IÔNICO)
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
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
Número de coordenação
(número de vizinhos)
Depende da razão: Rc/ RA
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
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
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
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!
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
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)
CERÂMICOS CRISTALINOS SEM SILICATOS
NiFe2O4
BaTiO3
ZrO2
UO2
Cr2O3
MgO.Al2O3
MgO
Al2O3
Comp.
Componentes “magnéticos”
Componentes electrónicos
Isolamento térmico (estab. com 10%CaO)
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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
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
MATERIAIS CERÂMICOS
PRINCIPAIS APLICAÇÕES
MATERIAIS CERÂMICOS
PRINCIPAIS APLICAÇÕES
• Ind. Mecânica, elétrica e química
-
NITRETO
DE SILÍCIO
ALUMINA
SiC
MATERIAIS
CERÂMICOS
Materiais cerâmicos são extremamente duros
podendo atingir 9,5 na escala Mohs
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
Aquecimento das matérias-primas
Conformação
o Prensagem Fabricação de peças com paredes espessas
o Insuflação Pressão através da injeção de ar
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Conformação de lâminas, tubos, fibras etc.
Tratamento térmico
o Recozimento
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PROCESSAMENTO DE VIDROS
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
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
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
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.
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
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.
As partículas se ligam
através de pontos de
contato.
Grande números de poros.
Formação de pescoço
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SINTERIZAÇÃO DE CERÂMICOS

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Materiais cerâmicos

  • 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
  • 9.
  • 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
  • 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