Estruturas e Propriedades das Cermicas CER MICAS As

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas CER MICAS Ø As Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, nãometálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas. ü Cerâmica vem da palavra grega keramus que significa coisa queimada ü Numa definição simplificada, materiais cerâmicos são compostos de elementos metálicos e não metálicos, com exceção do carbono. Podem ser simples ou complexos. ü Exemplos: Si. O 2( sílica), Al 2 O 3 (alumina), Mg 3 Si 4 O 10(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 ü Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços; ü Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e polímeros; ü São menos densas que a maioria dos metais e suas ligas; ü Os materiais usados na produção das cerâmicas são abundantes e mais baratos; ü A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica.

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas PROPRIEDADES TÉRMICAS As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são: capacidade calorífica ( ) coeficiente de expansão térmica ( ) condutividade térmica átomos Ligação Química

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas PROPRIEDADES TÉRMICAS Material Capacidade calorífica (J/Kg. K) Coeficiente linear de expansão térmica ((°C)-1 x 10 -6) Condutividade térmica (W/m. K) Alumínio 900 23, 6 247 Cobre 386 16, 5 398 Alumina (Al 2 O 3) 775 8, 8 30, 1 Sílica fundida (Si. O 2) 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, 89 cm

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas PROPRIEDADES ELÉTRICAS As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser: isolantes: Alumina, vidro de sílica (Si. O 2) semicondutores: Si. C, B 4 C supercondutores: (La, Sr)2 Cu. O 4, Ti. Ba 2 Ca 3 Cu 4 O 11

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas PROPRIEDADES MEC NICAS 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)

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Estrutura Cristalina Ø Pode ser definida pela: ü magnitude da carga elétrica de cada íon; ü os tamanhos relativos dos cátions e ânions; Ø Cerâmicas estáveis : todos os ânions estão em contato com os cátions. Estáveis Instável

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas § Número de Coordenação ØPara 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

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas Ø A relação rc/ra pode ser calculada por meio de uma análise geométrica simples: NC = 3

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Estrutura cristalina : Como determinar? Ø Técnica da translação (NC = 6 ou 8): ü Corpo Centrado: 0 0 0; ½ ½ ½; ü Face Centrada: 0 0 0; 0 ½ ½ ; ½ 0 ½ ; ½ ½ 0; ü Base Centrada: 0 0 0; ½ ½ 0 Ø Exemplo: Br Cs Por exclusão: rede cúbica simples (CS)

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Estrutura cristalina do tipo AX : Sal-gema rc = r. Na = 0, 102 nm ra = r. Cl = 0, 181 nm rc/ra = 0, 56 NC = 6 Testando as translações: CFC

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Estrutura cristalina do tipo AX : Cloreto de Césio rc = r. Cs = 0, 170 nm ra = r. Cl = 0, 181 nm rc/ra = 0, 94 NC = 8 Testando as translações: CS

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Estrutura cristalina do tipo AX : Blenda de Zinco rc = r. Zn = 0, 074 nm ra = r. S = 0, 184 nm rc/ra = 0, 40 NC = 4 Rede tetraédrica

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Estrutura cristalina do tipo Am. Xp rc = r. Ca = 0, 100 nm ra = r. F = 0, 133 nm rc/ra = 0, 75 0, 40 NC = 8 4 Testando as translações: CS

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n 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, 023 x 1023 unidades de fórmula/mol

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Cerâmicas à base de silicato ü Composta principalmente de Si e O; ü Estrutura básica: Si. O 4 - tetraedro; ü A ligação Si-O é bastante covalente, mas a estrutura básica tem carga -4: Si. O 4 -4; ü Várias estruturas de silicatos – diferentes maneiras dos blocos de Si. O 4 -4 se combinarem; ü A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica.

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Sílica ü Cada átomo de oxigênio é compartilhado por um tetraedro adjacente; ü Pode ser cristalina ou amorfa, como na forma de vidros.

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Vidros à base de sílica ü A maioria desses vidros é produzida pela adição de óxidos (Ca. O e Na 2 O) à estrutura básica Si. O 4 -4 – chamados modificadores da rede; ü Estes óxidos quebram a cadeia de tetraedros e o resultado são vidros com ponto de fusão menor, mais fáceis de dar forma; ü Alguns outros óxidos (Ti. O 2 e Al 2 O 3) substituem os silício e se tornam parte da rede – chamados óxidos intermediários.

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Carbono ü O Carbono não é uma cerâmica; ü A grafita, uma de suas formas polimórficas, é alhures classificada como cerâmica; ü A estrutura cristalina do diamante, outra forma polimórfica do C, é semelhante à da blenda de zinco. diamante grafite buckminsterfullereno Nanotubo de carbono

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Exemplos de nanotubos Junção em T de nanotubos Nanotubes como reforço compósitos reforçados com fibras Nano-engrenagens

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Imperfeições em cerâmicas Ø Defeitos pontuais: ü Defeito de Frenkel: par formado por uma lacuna de cátion e um cátion intersticial; ü Defeito de Schottky: par formado por uma lacuna de cátion e outra de ânion. Ambos não alteram a estequiometria do composto

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Imperfeições em cerâmicas Ø Defeitos pontuais – não estequiométricos: ocorrem quando um íon pode assumir mais de uma valência. ü Exemplo: No Fe. O 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.

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Imperfeições em cerâmicas : Impurezas ü 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; ü Solubilidade de impurezas aumenta se os raios iônicos e as cargas da impureza e dos íons hospedeiros é semelhante; ü A incorporação de uma impureza com carga elétrica diferente do íon hospedeiro gera defeitos pontuais.

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n 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

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Deformação plástica em cerâmicas Ø Cerâmicas Cristalinas: ü O deslocamento de discordâncias é muito difícil – íons com mesma carga elétrica são colocados próximos uns dos outros – REPULS O; ü No caso de cerâmicas onde a ligação covalente predomina o escorregamento também é difícil – LIGAÇÃO FORTE. Ø Cerâmicas Amorfas: ü Não há uma estrutura cristalina regular – NÃO HÁ DISCORD NCIAS; ü Materiais se deformam por ESCOAMENTO VISCOSO. ü A resistência à deformação em um material não-cristalino é medida por intermédio de sua viscosidade.

Estruturas e Propriedades das Cerâmicas n Influência da porosidade Ø A ruptura de materiais cerâmicos resulta de falhas estruturais: ü Fissuras superficiais geradas no acabamento da peça; ü poros: reduzem resistência mecânica do material. σrf = σ0 exp (-n. P) E = E 0(1 – 1, 9 P + 0, 9 P 2) σ0 e n = constantes experimentais