6. materiais ceramicos grad

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6. materiais ceramicos grad

  1. 1. 1 Estrutura e Propriedades dos Materiais MATERIAIS CERÂMICOS Prof. Rubens Caram
  2. 2. R. Caram - 2 MATERIAIS DE CERÂMICOS CERÂMICAS SURGIRAM DO PRIMEIRO EXERCÍCIO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS DO HOMEM, HÁ MAIS DE 9.000 ANOS A PALAVRA “CERÂMICA” SE ORIGINA DA PALAVRA GREGA “KERAMIKOS”: MATERIAL QUEIMADO
  3. 3. R. Caram - 3 MATERIAIS DE CERÂMICOS MATERIAIS CERÂMICOS: COMPOSTOS QUÍMICOS E SOLUÇÕES ENVOLVENDO ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS VARIEDADE DE PROPRIEDADES MECÂNICAS E FÍSICAS PERMITE APLICAÇÕES EM CAMPOS DISTINTOS: TIJOLOS, LOUÇAS, REFRATÁRIOS, MATERIAIS MAGNÉTICOS, DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS, FIBRAS, ABRASIVOS, COMPONENTES AEROESPACIAIS
  4. 4. R. Caram - 4 CARACTERÍSTICAS DAS CERÂMICAS RESISTÊNCIA MECÂNICA AUMENTA QUANDO O PRODUTO É AQUECIDO EM ALTAS TEMPERATURAS: REAÇÕES TERMOQUÍMICAS ALTA DUREZA ALTA FRAGILIDADE ESTRUTURA CRISTALINA COMPLEXA ELEVADO PONTO DE FUSÃO BOM ISOLANTE TÉRMICO E ELÉTRICO MATÉRIA PRIMA DE CUSTO RELATIVAMENTE BAIXO
  5. 5. R. Caram - 5 COMPORTAMENTO MECÂNICO EFEITO DE TENSÕES EM METAIS E EM CERÂMICAS
  6. 6. R. Caram - 6 COMPORTAMENTO TÉRMICO ÔNIBUS ESPACIAL: NA REENTRADAS, SUPERFÍCIE ATINGE TEMPERATURAS SUPERIORES A 1.000 oC. PROTEÇÃO TÉRMICA É FEITA COM PLACAS CERÂMICAS DE FIBRAS DE QUARTZO. EFICIÊNCIA TÉRMICA DESSAS PLACAS: 10 s APÓS SUA RETIRADA DE UM FORNO A 1260 oC É POSSÍVEL TOCÁ-LAS COM AS MÃOS.
  7. 7. R. Caram - 7 NATUREZA DAS CERÂMICAS MATERIAIS CERÂMICOS SÃO SUBSTÂNCIAS INORGÂNICAS, NÃO-METÁLICAS CONSTITUÍDAS DE ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS VARIAM EM FUNÇÃO DE SUAS LIGAÇÕES QUÍMICAS EM GERAL, MATERIAIS CERÂMICOS USADOS INDUSTRIALMENTE SE DIVIDEM EM DOIS GRUPOS: CERÂMICAS TRADICIONAIS CERÂMICAS AVANÇADAS
  8. 8. R. Caram - 8 EVOLUÇÃO DAS CERÂMICAS ATÉ A METADE DO SÉCULO XX, OS MATERIAIS CERÂMICOS ENVOLVIAM APENAS PRODUTOS TRADICIONAIS, COMO TIJOLOS, AZULEJOS, LOUÇA, VIDROS E REFRATÁRIOS COMPREENSÃO DA NATUREZA INTERNA DESSES MATERIAIS, ALIADA A NOVOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO PERMITIU APLICAÇÕES EM INDÚSTRIAS AVANÇADAS: AEROESPACIAL, DE COMUNICAÇÕES, ELETRÔNICA, MÉDICA
  9. 9. R. Caram - 9 APLICAÇÕES DE MATERIAIS CERÂMICOS CERÂMICASTRADICIONAIS CERÂMICASAVANÇADAS TIJOLOS TELHAS LOUÇAS AZULEJOS VIDROS JOIAS ARTIFICIAIS PEDRAS SINTÉTICAS DIAMANTE ARTIFICIAL COMPONENTES PARA SISTEMAS NUCLEARES SUPERCONDUTORES OSSOS ARTIFICIAIS DENTES ARTICULAÇÕES SENSORES SEMICONDUTORES CIRCUITOS INTEGRADOS OSCILADORES CAPACITORES BATERIAIS FIBRAS ÓPTICAS MONITORES LÂMPADAS MATERIAIS PARA POLIMENTO MATERIAIS ABRASIVOS MATERIAIS PARA CORTE E USINAGEM TECNOLOGIA MOTORES DE AUTOS TURBINAS A GÁS TURBO- COMPRESSORES
  10. 10. R. Caram - 10 APLICAÇÕES DE MATERIAIS CERÂMICOS CERÂMICASTRADICIONAIS CERÂMICASAVANÇADAS
  11. 11. R. Caram - 11 PROCESSAMENTO DAS CERÂMICAS PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS É FEITO PELA COMPACTAÇÃO DE PÓS OU PARTÍCULAS E AQUECIDO A TEMPERATURAS APROPRIADAS PREPARAÇÃO DO MATERIAL: MATÉRIA-PRIMA DEVE TER TAMANHO DE PARTÍCULA CONTROLADO MOLDAGEM: PODE SER FEITA A SECO, A ÚMIDO OU PLÁSTICA SECAGEM: PRODUTO CONFORMADO É SUBMETIDO À SECAGEM PARA ELIMINAÇÃO DE ÁGUA OU/E LIGANTES SINTERIZAÇÃO: PRODUTO CONFORMADO É SUBMETIDO A TRATAMENTO TÉRMICO PARA DENSIFICAÇÃO
  12. 12. R. Caram - 12 CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS MATÉRIA PRIMA TRADICIONAIS AVANÇADAS
  13. 13. R. Caram - 13 CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS TRADICIONAIS CONFORMAÇÃO/SINTERIZAÇÃO AVANÇADAS
  14. 14. R. Caram - 14 CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS PRODUTOS TRADICIONAIS AVANÇADAS
  15. 15. R. Caram - 15 CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS MICROESTRUTURA TRADICIONAIS AVANÇADAS
  16. 16. R. Caram - 16 CERÂMICAS TRADICIONAIS SÃO CONSTITUÍDAS BASICAMENTE DE: ARGILA: Al2O3-SiO2-H2O COM OUTROS ÓXIDOS (TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O) SÍLICA: SiO2 FELDSPATO: K20-Al2O3-6SiO2 PRODUTOS ESTRUTURAIS COMO TIJOLOS E PISOS TÊM OS TRÊS COMPONENTES CERÂMICAS BRANCAS COMO AS PORCELANAS E PEÇAS SANITÁRIAS TAMBÉM TÊM OS TRÊS COMPONENTES, MAS O TEOR DE FELDSPATO É CONTROLADO
  17. 17. R. Caram - 17 CERÂMICAS AVANÇADAS SÃO CONSTITUÍDAS BASICAMENTE DE: ÓXIDOS: Al2O3 CARBETOS: SiC NITRETOS: Si3N4 Al2O3: DESENVOLVIDA COMO MATERIAL REFRATÁRIO, ATUALMENTE TEM DIVERSOS USOS – VELAS DE IGNIÇÃO SiC: É MUITO DURO, TEM ALTA RESISTÊNCIA À OXIDAÇÃO E É USADO COMO REFORÇO EM COMPÓSITOS COM METAIS OU CERÂMICOS Si3N4: DENTRE OS MATERIAIS CERÂMICOS, É O QUE EXIBE MELHOR CONJUNTO DE PROPRIEDADES E É USADO EM COMPONENTES DE MOTORES ZrO2: ZIRCÔNIA PURA É POLIMÓRFICA E SE TRANSFORMA DE TETRAGONAL PARA MONOCLÍNICA EM 1170 OC, CAUSANDO EXPANSÃO DE VOLUME E TRINCAS. COMBINANDO ZrO2 COM Y2O3
  18. 18. R. Caram - 18 CERÂMICAS TRADICIONAIS X AVANÇADAS 110 – 10.000CUSTO 11 – 1.000RESISTÊNCIA MICROSCOPIA ÓPTICA MICROSCOPIA ELETRÔNICA ANÁLISE COM FASE VÍTREASEM FASE VÍTREASINTERIZAÇÃO POUCO CONTROLADA ALTAMENTE CONTROLADA CONFORMAÇÃO POUCO CONTROLADO ALTAMENTE CONTROLADO TIPO DE PÓ 0,5 – 1.000 µm1,0 µmPARTÍCULAS NATURALSINTÉTICAMATÉRIA PRIMA TRADICIONAISAVANÇADASCARACTERÍSTICA
  19. 19. R. Caram - 19 LIGAÇÕES QUÍMICAS EM CERÂMICAS ESTRUTURAS EM CERÂMICAS DEPENDEM DO TIPO DE LIGAÇÃO QUÍMICA PREDOMINANTE ALTAS DUREZAS E ELEVADAS TEMPERATURAS DE FUSÃO RESULTAM DA NATUREZA DESSAS LIGAÇÕES CERÂMICAS EXIBEM COMBINAÇÃO DE LIGAÇÕES COM CARÁTER IÔNICO E COVALENTE E O TIPO DE ESTRUTURA CRISTALINA DEPENDE DO QUANTIDADE DESSAS LIGAÇÕES 1.605TiO22.500SiC 1.900Si3N42.798MgO 1.715SiO22.850WC 2.050Al2O33.120TiC 2.450B4C4.150HfC TFUSÃO (oC)COMPOSTOTFUSÃO (oC)COMPOSTO
  20. 20. R. Caram - 20 CARÁTER DA LIGAÇÃO EM CERÂMICAS FRAÇÃO DO CARÁTER IÔNICO OU COVALENTE DEPENDE DA DIFERENÇA DE ELETRONEGATIVIDADE DOS ÁTOMOS ENVOLVIDOS CÁLCULO DO % DO CARÁTER IÔNICO É FEITO DE ACORDO COM A EQUAÇÃO DE PAULING: XA – ELETRONEGATIVIDADE DO ÁTOMO A XB – ELETRONEGATIVIDADE DO ÁTOMO B ( ) %100.e1IÔNICOCARÁTER% 2 BXAX 4 1         −= −−
  21. 21. R. Caram - 21 CARÁTER DA LIGAÇÃO EM CERÂMICAS COMPOSTOS CERÂMICOS DE ALTO % DE CARÁTER IÔNICO EXIBEM ESTRUTURA QUE DEPENDE DO TAMANHO RELATIVO DOS ÍONS E DA NECESSIDADE DE BALANÇO ELETROSTÁTICO COMPOSTOS CERÂMICOS DE ALTO % DE CARÁTER COVALENTE EXIBEM ESTRUTURA QUE DEPENDE DA DIRECIONALIDADE DAS LIGAÇÕES 89110,7Si-CSiC 70301,2Si-NSi3N4 49511,7Si-OSiO2 37632,0Al-OAl2O3 27732,3Mg-OMgO % COVALENTE % IÔNICA ∆ ELETRONEG. ÁTOMOCOMPOSTO
  22. 22. R. Caram - 22 ESTRUTURAS CRISTALINAS DE CERÂMICAS ESTRUTURAS BASEIAM-SE NAS ESTRUTURAS CRISTALINAS PRINCIPAIS, ONDE A OCUPAÇÃO DAS CÉLULAS É PARCIAL INTERSTÍCIOS F.E.=0,74F.E.=0,74F.E.=0,68F.E.=0,52 HCCFCCCCCS
  23. 23. R. Caram - 23 OCUPAÇÃO DE INTERSTÍCIOS CÁTION DA LIGAÇÃO LOCALIZA-SE NOS INTERSTÍCIOS DO ARRANJO FORMADO PELOS ÂNIONS ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS É BASEADA NO NÚMERO DE COORDENAÇÃO DE ÍONS INTERSTICIAIS ≥0,732≥0,414≥0,225≥0,155r/R 8643N.C
  24. 24. R. Caram - 24 RAIOS IÔNICOS
  25. 25. R. Caram - 25 EXERCÍCIO DETERMINE A RELAÇÃO IDEAL r/R PARA NÚMERO DE COORDENAÇÃO IGUAL A 3
  26. 26. R. Caram - 26 EXERCÍCIO DETERMINE A RELAÇÃO r/R PARA NOS COMPOSTOS IÔNICOS CsCl E NaCl
  27. 27. R. Caram - 27 ESTRUTURA DO CLORETO DE CÉSIO O CLORETO DE CÉSIO CONSISTE DE ÍONS Cl- OCUPANDO POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CS ENQUANTO O O Cs+ OCUPA O INTERSTICIO CENTRAL. O N.C. DESSA ESTRUTURA É 8 EXEMPLOS: AgMg, LiMg, AlNi
  28. 28. R. Caram - 28 EXERCÍCIO DETERMINE A DENSIDADE E FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA O COMPOSTO CsCl
  29. 29. R. Caram - 29 ESTRUTURA DO SAL-GEMA SAL-GEMA OU NaCl É A ESTRUTURA MAIS COMUM NAS CERÂMICAS. ESSA ESTRUTURA TEM N.C.=6. OS ÍONS CL- OCUPAM POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC ENQUANTO OS ÍONS Na+ OCUPAM POSIÇÕES INTERSTICIAIS OCTAÉDRICAS EXEMPLOS: LiF, MnS, MgO
  30. 30. R. Caram - 30 EXERCÍCIO DETERMINE A DENSIDADE E FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA O COMPOSTO NaCl
  31. 31. R. Caram - 31 ESTRUTURA DA BLENDA DE ZINCO A BLENDA DE ZINCO OU ESFALERITA TEM N.C.=4, ONDE O Zn OU O S OCUPAM POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC ENQUANTO O S OU O Zn OCUPAM INTERSTÍCIOS TETRAÉDRICOS DE ACORDO COM A EQUAÇÃO DE PAULING, A LIGAÇÃO Zn-S TEM 87% DE CARÁTER COVALENTE EXEMPLOS: CdS, InAs, InSb, SiC
  32. 32. R. Caram - 32 EXERCÍCIO DETERMINE A ESTRUTURA DO FeO
  33. 33. R. Caram - 33 EXERCÍCIO DETERMINE A DENSIDADE DO SULFETO DE ZINCO. ASSUMA QUE SUA ESTRUTURA CONSISTE DE ÍONS, ONDE O RAIO IÔNICO DO Zn2+ É 0,060 nm E DO S2- É 0,174 nm
  34. 34. R. Caram - 34 ESTRUTURA DA FLUORITA FLUORITA TEM FÓRMULA CaF2 COM ESTRUTURA FORMADA PELO POSICIONAMENTO DOS ÍONS Ca2+ NAS POSIÇÕES DE UMA CÉLULA CFC E OS ÍONS F- NOS 8 INTERSTÍCIOS TETRAÉDRICOS APLICAÇÃO: O UO2 TEM ESTRUTURA DA FLUORITA E É USADO COMO COMBUSTÍVEL NUCLEAR
  35. 35. R. Caram - 35 EXERCÍCIO DETERMINE A DENSIDADE DO UO2., QUE TEM A ESTRUTURA DA FLUORITA, ONDE O RAIO IÔNICO DO U4+ É 0,105 nm E DO O2- É 0,132 nm.
  36. 36. R. Caram - 36 ESTRUTURA DA PEROVSKITA A PEROVSKITA CONSISTE DO COMPOSTO CaTiO3 ONDE o íon Ca2+ E O O2- FORMAM UMA CÉLULA CFC (Ca2+ NOS VÉRTICES E O2- NAS FACES) O ÍON Ti4+ SE POSICIONA NO INTERSTÍCIO OCTAÉDRICO NO CENTRO DA CÉLULA. APLICAÇÃO: MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS
  37. 37. R. Caram - 37 ESTRUTURA DO CORUNDUM O CORUNDUM OU ALUMINA, Al2O3, EXIBE ESTRUTURA ONDE O OXIGÊNIO (O2-)LOCALIZA-SE NAS POSIÇÕES DE UMA CÉLULA HC. EM ALGUNS DOS INTERSTÍCIOS OCTAÉDRICOS DESSA CÉLULA SÃO OCUPADOS PELO ALUMÍNIO (Al3+) APLICAÇÃO: MATERIAL REFRATÁRIO
  38. 38. R. Caram - 38 ESTRUTURA DO ESPINÉLIO DIVERSOS ÓXIDOS EXIBEM ESTRUTURA DO ESPINÉLIO OU MgAl2O4 COM FÓRMULA GERAL AB2O4, ONDE A É UM ÍON METÁLICO COM VALÊNCIA +2, B É UM ÍON METÁLICO DE VALÊNCIA +3. APLICAÇÕES: MATERIAIS MAGNÉTICOS NÃO-METÁLICOS
  39. 39. R. Caram - 39 ESTRUTURA DO ESPINÉLIO LiMn2O4
  40. 40. R. Caram - 40 ESTRUTURA DO GRAFITE O GRAFITE É UMA VARIAÇÃO POLIMÓRFICA DO CARBONO E NÃO É UM COMPOSTO DE UM METAL E UM NÃO-METAL. APESAR DISSO ESSE MATERIAL É ALGUMAS VEZES CONSIDERADO COMO UMA CERÂMICA. APLICAÇÕES: ESTRUTURA EM CAMADAS PERMITE SEU USO COMO LUBRIFICANTE

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