Materiais Não Metálicos

TM334 Aula 01:

Revisão de Estrutura Atômica e Ligação Interatômica e Introdução aos Materiais Cerâmicos

Prof. Felipe Jedyn DEMEC – UFPR

O que será visto

Cerâmicos

Os materiais

cerâmicos

são combinações de elementos

metálicos

e

não metálicos

, frequentemente

óxidos, nitretos e carbetos

. Nesta classificação, existe um grande número de materiais, como:

argilas, cimentos e vidros

.

O que será visto

Cerâmicos

Apresentam

ligações tipo iônicas ou covalentes

, sendo

isolantes elétricos e térmicos

. Os cerâmicos são em geral

resistentes

resistentes à

elevadas temperaturas

e

muito frágeis

. São e muito resistentes a

ambientes corrosivos

.

O que será visto

Polímeros

Os materiais poliméricos são normalmente combinações de elementos orgânicos, como o

Carbono

,

Hidrogênio

além de outros

materiais não metálicos

.

O que será visto

Polímeros

Nesta classe, os átomos estão ligados por

ligações covalentes

, além de outros tipos de ligações como

forças de Van der Waals

. São

isolantes elétricos e térmicos

, sendo em geral de

baixa densidade e grande flexibilidade

. Pela constituição e tipos de ligações, apresentam

limitada aplicação em temperatura

.

Materiais Compósitos

Compósito é basicamente um material em cuja composição entram

dois ou mais tipos de materiais diferentes

. Alguns exemplos são

metais e polímeros, metais e cerâmicos ou polímeros e cerâmicos

.

O que será visto

Os materiais que podem compor um material compósito podem ser classificados em

dois tipos

:

O que será visto

Materiais Compósitos

Material matriz é o que confere

estrutura

ao material compósito,

preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços

e mantendo-os em suas

posições relativas

.

Materiais de reforço são os que

realçam propriedades mecânicas

,

eletromagnéticas ou químicas

do material compósito como um todo.

O que será visto

Materiais Compósitos

O grande potencial de desempenho destes materiais está baseado na possibilidade de

sinergia entre material matriz e materiais reforços

que resulte no material compósito final com

propriedades não existentes nos materiais originais isoladamente

.

Bibliografia Recomendada

Cerâmicos

1 – Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução, 5ª edição.

William D. Callister, Jr.

2 – Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais, 3ª edição.

William F. Smith 3 – Propriedades dos Materiais Cerâmicos.

Lawrence H. Van Vlack 4 – An Introduction to the Mechanical Properties of Ceramics.

David J. Green 5 – Modern Ceramic Engineering, 2ª edição.

David W. Richerson

REVISÃO Estrutura Atômica e Ligação Interatômica

Revisão:

Conceitos Fundamentais

 Algumas das

propriedades importantes

dos materiais sólidos dependem dos

arranjos geométricos dos átomos

e também das

interações que existem entre os átomos ou moléculas constituintes

.  Um exemplo é o Carbono

Grafite e Diamante

que apresentam

durezas diferentes

, sendo o primeiro com dureza relativamente baixa enquanto o segundo de elevada dureza.  Esta diferença está justificada diretamente a partir do

tipo de ligação interatômica

que

ocorre no Grafite

e que

não é encontrada no Diamante

.

Revisão:

Conceitos Fundamentais

 Vamos revisar conceitos fundamentais como

estrutura atômica, configurações eletrônicas dos átomos e tabela periódica

,

e os vários tipos de ligações interatômicas primárias e secundárias

que mantêm unidos os átomos que compõe um sólido.

Revisão:

Conceitos Fundamentais

Revisão:

Conceitos Fundamentais

Ordem de grandeza da estrutura atômica



10 -15 a 10 -10 m

A estrutura eletrônica dos átomos determina a natureza das ligações atômicas e define algumas propriedades dos materiais Propriedades: físicas, ópticas, elétricas e térmicas

Revisão:

Conceitos Fundamentais

Cada átomo consiste de um pequeno núcleo composto por prótons e nêutrons, que é circundado por elétrons em movimento. Elétrons e prótons são carregados eletricamente com carga de 1,6 x 10 -19 C, negativo em sinal para elétrons e positivo para prótons, enquanto os nêutrons são eletricamente neutros.

Revisão:

Conceitos Fundamentais

A massa das partículas é muito pequena, sendo a dos prótons aproximadamente igual a dos nêutrons de 1,67 x 10 -27 kg e a dos elétrons de 9,11 x 10 -31 kg.

Revisão:

Conceitos Fundamentais

Cada átomo é caracterizado pelo

número atômico Z

de prótons. ou número O

Z

varia desde 1 (Hidrogênio) até 92 (Urânio), considerando os elementos químicos estáveis da tabela periódica, que ocorrem naturalmente.

Um átomo eletricamente neutro é aquele que apresenta o mesmo número de prótons e elétrons.

Revisão:

Conceitos Fundamentais

O

número de massa A

, pode ser expresso pela soma das massas dos prótons e nêutrons do seu núcleo. Embora um átomo de um determinado elemento apresente o mesmo número de prótons, podem existir diferentes números de nêutrons, o que origina os

Isótopos do elemento

.

O peso atômico de um elemento corresponde à média ponderada das massas atômicas dos isótopos. Uma

unidade de massa atômica (u.m.a)

é definida como sendo 1/12 avos da massa atômica do Isótopo do Carbono 12 ( 12 C), sendo A = 12,00000.

Desta forma, dentro deste método podemos aproximar: A ̴̴ Z + N

Revisão:

Conceitos Fundamentais

O peso atômico de um elemento ou molecular de um composto pode ser especificado com base na unidade de massa atômica por átomo ou massa por mol de material, sendo:

1 u.m.a/átomo = 1 g/mol

Em um mol de qualquer substância temos: 6,02 x 10 23 átomos ou moléculas (

nº Avogadro

).

Exemplo:

Átomo de Ferro: Massa Atômica:55,85 u.m.a./átomo ou 55,85 g/mol.

Revisão:

Modelo Atômico de Bohr

Modelos Atômicos

Modelo atômico no qual os elétrons circulam ao redor do núcleo atômico em orbitais e a posição de qualquer elétron é mais ou menos bem definido em termos do seu orbital. Um importante princípio da mecânica quântica determina que os elétrons apresentam energias quantizadas; isto é, aos elétrons permite-se apenas que possuam valores de energia específicos.

Um elétron pode mudar de energia, mas para isto deve mudar de nível (salto quântico) absorvendo ou emitindo energia.

Revisão:

Modelos Atômicos

Modelo Atômico de Bohr

Figura mostrando os três primeiros estados de energia eletrônicos do átomo de Hidrogênio de Bohr (-13,6 / -3,4 / -1,5 eV) (a).

(

0 eV de ref. = e livre

) Obviamente o único elétron do H irá preencher somente um desses estados.

Estados de energia do elétron para as três primeiras camadas segundo o modelo ondulatório (b).

Revisão:

Modelos Atômicos

O Modelo Atômico de Bohr apresenta várias limitações (a) quando é usado para explicar alguns fenômenos envolvendo os elétrons, problema que foi resolvido pela adoção do modelo mecânico-ondulatório, onde se considera que os elétrons exibem características tanto de onda como de partícula. Assim, passa-se a considerar a probabilidade de um elétron ocupar certas posições ao redor do núcleo atômico (b).

Revisão:

Modelos Atômicos

Ou seja, com este modelo o elétron não é mais tratado como uma partícula que se move em um orbital distinto; em vez disto, a posição do elétron é considerada como sendo a probabilidade de um elétron estar em vários locais ao redor do núcleo. Em outras palavras, a posição é descrita por uma distribuição de probabilidades ou uma nuvem eletrônica.

Revisão:

Números Quânticos

Usando a mecânica ondulatória, cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro parâmetros chamados números quânticos. Os níveis energéticos de Bohr são separados em subcamadas eletrônicas , e os números quânticos definem o número de estados (ou orbitais) em cada subcamada. As camadas eletrônicas são especificadas por um número quântico principal “n” que assume valores inteiros a partir da unidade. As camadas são designadas com letras K, L, M, N, O e assim por diante, que correspondem, respectivamente, por valores de “n” de 1, 2, 3, 4, 5, ...

Revisão:

Números Quânticos

Deve ser observado também que este número quântico, e somente este, está associado com o modelo de Bohr. Ele está relacionado à distância de um elétron a partir do núcleo, ou a sua posição.

O segundo número quântico, l, significa a subcamada que é identificada por uma letra minúscula – s, p, d, ou f; ele está relacionado a forma da subcamada eletrônica.

O número de estados energéticos para cada subcamada é determinado pelo terceiro número quântico m

l

.

Revisão:

Números Quânticos

Associado com cada elétron está um momento de spin (momento de rotação), que deve estar orientado para cima e para baixo. O quarto número quântico, m

s

, está associado a este momento de spin, para o qual existem dois valores possíveis (+1/2 e -1/2), um para cada uma das orientações de spin.

Número Quântico Principal “n” Designação da Camada Subcamadas Número de Elétrons Número de estados Por Subcamada Por Camada

O modelo de Bohr foi refinado pela mecânica ondulatória, dando origem a subcamadas dentro das camadas originais.

Revisão:

Números Quânticos

Revisão:

Configurações Eletrônicas

Vimos principalmente até agora os estados eletrônicos – valores de energia que são permitidos para os elétrons.

Para determinar a maneira pela qual estes estados são preenchidos com elétrons, nós usamos o

princípio da exclusão de Pauli

, um outro conceito quântico mecânico –

Cada estado orbital eletrônico pode comportar um máximo de dois elétrons, que devem possuir valores de spin opostos.

Para a maioria dos átomos, os elétrons preenchem os estados eletrônicos de energias mais baixas nas camadas e subcamadas.

Elétrons de Valência

Revisão:

Configurações Eletrônicas

 Os

elétrons de valência externa

. são aqueles que ocupam a

camada mais

 Os elétrons de valência participam na

ligação atômica

, de maneira a formar

agrupamentos de átomos ou moléculas

e

muitas propriedades físicas e químicas estão baseadas nestes elétrons

.

Revisão:

Configurações Eletrônicas



Elétrons de Valência – Gases Nobres

 Átomos como

Neônio, Criptônio, Argônio

são conhecidos pela

configuração eletrônica estável

.

 Ou seja, os estados energéticos dentro da

camada mais externa

estão preenchidos com elétrons,

totalizando oito elétrons

. A exceção é o

Hélio

, que apresenta

apenas dois elétrons 1s

.

Revisão:

Configurações Eletrônicas



Elétrons de Valência - Íons

 Alguns átomos dos elementos que possuem camadas

de valência não totalmente preenchidas

assumem

configurações estáveis

pelo

ganho ou perda de elétrons para formar íons carregados

ou

através do compartilhamento de elétrons com outros átomos

. 

Esta é a base para algumas reações químicas e também para as ligações atômicas em sólidos

.

Revisão:

A Tabela Periódica

 Todos os elementos tem sido

classificados

de acordo com a

configuração eletrônica

na tabela periódica.  Nela,

os elementos estão posicionados em ordem crescente de número atômico

e em

sete linhas horizontais

chamadas de

períodos

.  O arranjo dos elementos é tal que todos os elementos que estão na

mesma coluna ou grupo apresentam similar estrutura dos elétrons de valência, assim como propriedades químicas e físicas

.  Estas

propriedades alteram

gradual e sistematicamente à medida que

movem horizontalmente

através de cada período.

Revisão:

A Tabela Periódica

 Os elementos posicionados no

grupo 0

, grupo mais à direita, são os

gases inertes

, que apresentam

configurações eletrônicas estáveis

e com

as camadas eletrônicas preenchidas

.

 Os elementos dos grupos

VIIA e VIA elétrons

nas camadas apresentam

respectivamente falta de um e dois

, em relação às estruturas estáveis.  Os elementos do grupo

VIIA

(F, Cl, Br, I e At)

são chamados de Halogêneos.

Revisão:

A Tabela Periódica

 Os

metais alcalino e alcalino-terrosos

(Li, Na, K, Be, Mg, Ca, etc.) são posicionados nos grupos

IA e IIA

tendo, respectivamente,

um e dois elétrons em excesso em relação às configurações estáveis

.  Os elementos dos três longos períodos IIIB até IIB são chamados de

metais de transição

, os quais possuem

orbitais eletrônicos d parcialmente preenchidos

e, em alguns casos, um ou dois elétrons na camada energética imediatamente mais alta.  Os grupos IIIA, IVA e VA (B, Si, Ge, As , etc.)

mostram características que são intermediárias entre os metais e não-metais

(ametais) como

resultado da estrutura dos elétrons de valência

.

Revisão:

A Tabela Periódica

 A

maior parte

dos elementos está

classificada como metais

. Estes são chamados elementos

eletropositivos

, indicando que são capazes de

ceder os seus poucos elétrons de valência

, se tornando íons carregados positivamente.

Revisão:

A Tabela Periódica

 Por outro lado, os elementos localizados à

direita da tabela periódica

são

eletronegativos

, ou seja, prontamente

recebem elétrons

formando

íons carregados negativamente

. Outras vezes estes elementos compartilham elétrons com outros tipos de átomos.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Forças de Ligação

 O entendimento de muitas

propriedades físicas

está baseada no conhecimento das

forças de ligação interatômicas

que unem os átomos, prendendo-os.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Forças de Ligação

 Analisando as

ligações entre dois átomos desde uma proximidade grande até uma distância infinita

.

  Em

grandes distâncias

as forças podem ser

desconsideradas

.

À medida que os átomos

se aproximam

eles

exercem forças

uns sobre os outros.  Estas forças podem ser de

atração ou de repulsão

.

E a magnitude depende da distância entre os átomos.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Forças de Ligação

 A

força de atração

depende do

tipo de ligação

e varia com a distância interatômica.

 Quando a

última camada

de dois átomos começa a se

sobrepor

,

surgem forças de repulsão

.

A força líquida (F L ) é então a resultante entre a força de Atração e a de Repulsão: F L = F A + F R

Ligação Atômica nos Sólidos

Forças de Ligação Dependência entre a força de Atração, Repulsão e Força de Ligação.

Quando existe

equilíbrio

entre as forças de atração e repulsão,

a força resultante de ligação é zero

.

F A +F R =0 Nesta condição, estabelece-se a distância interatômica de equilíbrio, ou r 0

.

Neste caso, os centros do átomos estarão separados por uma distância

r 0

. Para diversos átomos esta distância é de

3nm

. 

não se aproximam nem se separam (repulsão e atração).

Ligação Atômica nos Sólidos

Forças de Ligação Dependência entre a força de Atração, Repulsão e Força de Ligação .



Resumindo

 A

distância entre dois átomos

é determinada pelo

balanço das forças atrativas e repulsivas

.

 Quanto

mais próximos

os átomos

maior a força atrativa

entre eles,

mas maior ainda são as forças repulsivas

devido a

sobreposição das camadas mais internas

.



Quando a soma das forças atrativas e repulsivas é zero, os átomos estão na chamada distância de equilíbrio.

Ligação Atômica nos Sólidos

Força de ligações e Rigidez

 O que é deformação no regime elástico???

Ligação Atômica nos Sólidos

Força de ligações e Rigidez

 O que é deformação no regime elástico???

 Como traduzir isso num nível atômico???

Ligação Atômica nos Sólidos

Força de ligações e Rigidez

 A

inclinação da curva no ponto de equilíbrio

dá a

força necessária

para

separar os átomos sem promover a quebra da ligação.

 Os materiais que apresentam uma

inclinação grande

são

considerados materiais rígidos

.

 Ao contrário, materiais que apresentam uma

inclinação mais tênue são bastante flexíveis

.

Ligação Atômica nos Sólidos

Força de ligações e Rigidez



A rigidez e a flexibilidade

também estão associadas com

módulo de elasticidade (E)

que  é determinado da

inclinação da curva tensão x deformação

obtida no

ensaio mecânico de resistência à tração

.

Ligação Atômica nos Sólidos

Energias de Ligação Dependência entre a Energia Potencial E conforme a variação da energia de Atração e Energia de Repulsão.

Quando

analisamos a Energia potencial ao invés da força

, vemos que a distância de equilíbrio

r 0

é aquela que desenvolve a

menor energia

.

Nesta condição, estabelece-se a

Energia mínima E 0 e representa a energia necessária para separar estes dois átomos até uma distância infinitamente grande.

E = ʃ F dr E L = E A + E R

Ligação Atômica nos Sólidos

Energias de Ligação Dependência entre a Energia Potencial E conforme a variação da energia de Atração e Energia de Repulsão.

Diferentes átomos

 diferentes tipos de ligação química  curvas

diferentes de energia resultante

.

Quando consideramos, por exemplo,

uma deformação

que envolve o distanciamento de átomos no

regime elástico

,

podemos entender que o módulo de elasticidade de cada material será diferente, pela razão antes exposta.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Algumas Propriedades x Exemplos: Temperatura de Fusão:

 Quanto

maior o valor de |E 0 |

,

maior a temperatura de fusão

material,

já que há necessidade de rompimento de ligações

de um para a mudança de estado físico (sólido  líquido).  Por outro lado,

pequenos valores de |E 0 |

, são típicos de materiais

gasosos e



líquidos

apresentam

energias de ligação intermediária

.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Algumas Propriedades x Exemplos:



Coeficiente de Expansão:

 O coeficiente de expansão linear de um material é dependente da

forma da curva E 0 versus r 0 .



Elevadas E de ligação



baixo coeficiente de expansão térmica (alterações dimensionais pequenas).

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Algumas Propriedades x Exemplos:



Resistência mecânica:



Aumenta com a força máxima e com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.



Ou seja, quanto maior a energia de ligação, maior a resistência.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

 Os tipos primários de ligação em sólidos são: Iônicas, Covalentes e Metálicas.  Para cada um destes tipos, a ligação envolve os

elétrons de valência tipo de ligação depende da estrutura eletrônica dos átomos

. e o  De forma geral, cada um destes tipos de ligação visam assumir estruturas eletrônicas estáveis como a dos gases nobres.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

 Forças de origem secundária ou física são ainda encontradas em muitos materiais sólidos

.



Estas forças são mais fracas que os tipos de ligações principais mas ainda assim influenciam as propriedades físicas dos materiais



Ligações Secundária.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

 Ligações Primárias: Iônicas, Covalentes, Metálicas.

 Ligações Secundárias: Van der Waals: Dipolo Induzido por Flutuação, Dipolo Induzido-Moléculas Polares, Dipolo Permanente.

Ligações Iônicas

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

 Uma das mais fáceis de descrever e visualizar.  São sempre encontradas em compostos formados por

metais

e

não-metais

, situados horizontalmente nas

extremidades da tabela periódica

.

Força de Ligação Coulombiana

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Iônicas

 Os átomos

metálicos facilmente cedem

os elétrons de valência aos elementos

não-metálicos

.  Neste caso, os átomos das duas espécies adquirem a

configuração estável

ou tal como a dos gases inertes

e adicionalmente os átomos passam a ser íons (ganham carga elétrica).

Força de Ligação Coulombiana

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Covalentes

 Nas ligações covalentes, a configuração estável é obtida pelo

compartilhamento

dos elétrons entre átomos adjacentes. 

Estes elétrons pertencerão a ambos.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Covalentes

 Este tipo de ligação aparece em

não-metais

como H 2 , Cl 2 , F 2 , H 2 O, HNO 3 , assim como em

sólidos tais

como o

Diamante (Carbono), Silício, Germânio

...

 E compostos formados por

elementos do lado direito da tabela periódico

, como o

Gálio Arsênio, Índio-Antimônio e Carbeto de Silício

.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Metálicas

 As ligações metálicas são encontradas

nos metais e ligas metálicas

.  Os metais tem

entre um e três elétrons de valência

e dentro deste modelo, os elétrons de valência

não

estão ligados a um átomo específico e

estão + ou livres para o movimento entre os átomos que compõe o material

,

tal como uma nuvem eletrônica.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Metálicas

 Os

elétrons que não são os de valência

e os

núcleos atômicos

formam o que usualmente se chama de 

núcleos iônicos, com carga positiva igual em magnitude à carga total dos elétrons de valência por átomo.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Secundárias: (Van der Waals): Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes, Moléculas Polares e Dipolo Induzido, Dipolos Permanentes.

Van der Waals

 As ligações secundárias de van der Waals ou

ligações físicas

,  são fracas em comparação às ligações primárias, ficando na ordem de

10 kJ/mol ou 0,1 eV/átomo

.  Estas forças aparecem virtualmente

entre todos os átomos ou moléculas

,  entretanto, a sua

presença fica obscurecida

quando existem

ligações primárias de maior intensidade

.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Secundárias: (Van der Waals): Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes, Moléculas Polares e Dipolo Induzido, Dipolos Permanentes.

Van der Waals

 As ligações secundárias são visualizadas entre

átomos de gases inertes

que apresentam estruturas eletrônicas estáveis e

entre suas moléculas ligadas covalentemente

.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Secundárias: (Van der Waals): Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes, Moléculas Polares e Dipolo Induzido, Dipolos Permanentes.

Dipolo

 Forças de ligação secundária aparecem a partir de

dipolos atômicos

ou

moleculares

. Na prática, dipolos existem quando existe alguma

separação de regiões positivas ou negativas em um átomo ou molécula

. As ligações são o resultado de

forças Coulombianas

entre uma

extremidade positiva e a extremidade negativa

de uma molécula adjacente. Estas ligações podem ocorrer entre:  Dipolos Induzidos  Dipolos Induzidos e  Moléculas Polares Moléculas Polares

Dipolos atômicos ou moleculares Separação entre frações +



e -



Atração Coulombiana Surgem de dipolos atômicos ou moleculares

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Secundárias: (Van der Waals): Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes, Moléculas Polares e Dipolo Induzido, Dipolos Permanentes.

Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes

 Um dipolo pode ser criado em um

átomo ou molécula que é eletricamente simétrica

(a). A própria

vibração atômica

ou molecular pode induzir a criação de um

dipolo instantâneo

num

átomo

(b). Quando

este desbalanço

causa o

mesmo efeito em um átomo vizinho

, cria-se um dipolo,

tipo de ligação de van der Waals

.

As Forças atrativas são temporárias e flutuam ao longo do tempo.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Secundárias: (Van der Waals): Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes, Moléculas Polares e Dipolo Induzido, Dipolos Permanentes.

Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes

 A

liquefação

ou até mesmo a

solidificação de gases inertes

, além de

outras moléculas eletricamente neutras e simétricas realizadas devido a este tipo de interação

.

, tais como H 2 ou Cl 2

, são

 As temperaturas de fusão e ebulição são extremamente baixas em materiais em que houver predomínio de ligações tipo dipolo.

Dentre todos os tipos de ligações intermoleculares, estas são as mais fracas.

Materiais com Ligação por Dipolo Induzido Predominante



T Ebulição e T fusão extremamente baixas

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Secundárias: (Van der Waals): Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes, Moléculas Polares e Dipolo Induzido, Dipolos Permanentes.



Ligações entre Moléculas Polares e Dipolos Induzidos

Momentos de

Dipolo permanentes

existem em algumas moléculas devido ao

arranjo assimétrico dos íons positivos ou negativos

. 

Tais moléculas são ditas Moléculas Polares (exemplo:

HCl). Estas moléculas podem

induzir

dipolos em

moléculas adjacentes não polares

e uma

ligação se formará

como resultado das forças de atração entre as moléculas

. Estas ligações desenvolverão magnitude de força maior que as de Dipolo Induzido Flutuantes.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Secundárias: (Van der Waals): Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes, Moléculas Polares e Dipolo Induzido, Dipolos Permanentes.

Ligações Dipolo Permanentes

 As ligações de van der Waals existirão entre

moléculas polares adjacentes

.

O mais forte tipo de ligação secundária – a ligação do Hidrogênio – é um caso especial de ligação de molécula polar.

 Ocorre entre moléculas em que o Hidrogênio está Covalentemente ligado ao Flúor, formando a molécula

Nitrogênio na Amônia (NH 3 )

.

HF

, ao Oxigênio na água

(H 2 O)

e ao

Ligação Atômica nos Sólidos

Ligações Dipolo Permanentes

 Em cada ligação H-F, H-O ou H-N, o único elétron do H é compartilhado com o outro átomo.  Assim, a extremidade da ligação contendo o H consiste essencialmente em um

próton isolado

, carregado

positivamente

, e que não está neutralizado por qualquer elétron.

 Esta

extremidade

carregada da molécula,

altamente positiva

, é capaz de exercer uma grande força de atração sobre a

extremidade negativa de uma molécula adjacente

.



Essencialmente, este próton isolado forma uma ponte entre dois átomos carregados negativamente.

Revisão:

Ligação Atômica nos Sólidos

Revisão:

Ligação Atômica x Propriedades

Materiais com ligações iônicas apresentam:

   Elevadas temperaturas de fusão; Elevada Dureza e Fragilidade; Isolantes Elétricos e Térmicos.

Materiais com ligações Covalentes apresentam:

 Ligações fortes como a do Diamante, que resultam em: • Elevadas temperaturas de fusão (3550ºC) e elevada Dureza  Ligações fracas como a do Bismuto, que resultam em: • Baixas temperaturas de fusão (270ºC).

*Ambos são isolantes elétricos e térmicos.

Revisão:

Ligação Atômica x Propriedades

Materiais com ligações Metálicas apresentam:

   Temperaturas de fusão desde baixas até elevadas.

Baixa dureza e alta ductilidade, Bons condutores elétricos e térmicos, como consequência dos elétrons livres.

Materiais Moleculares com ligações de van der Waals / Hidrogênio apresentam:

  Baixas temperaturas de fusão, Baixa Dureza.

Materiais Cerâmicos Introdução

Cubo de sílica de isolamento térmico.

O interior do cubo está a

1250ºC

e pode ser

manuseado sem protecção.

Usada no isolamento térmico do

Space Shuttle

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

Cerâmicas Vidros Supercondutores

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).

 Fragilidade: cerâmicas superplásticas. Ex: ZrO 2 (zircônia) estabilizado com Y 2 O 3 (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

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

Introdução Cerâmicas Tradicionais



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



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%).

Introdução Cerâmicas Avançadas



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 (1600 o C); Não reage quimicamente com o aço; Longa vida da ferramenta; Usado com alta velocidade de corte; Não forma gume postiço.



Pó finíssimo de Al 2 O 3 (partículas compreendidas entre 1 e 10 mícrons) mais ZrO 2 (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 1700 o C ou mais. Durante a sinterização as peças experimentam uma contração progressiva, fechando os canais e diminuindo a porosidade.

Introdução Cerâmicas Avançadas



Outras Aplicações

 Material de polimento, isolante elétrico (BN, B 4 C).

 Eixos, bicos pulverizadores, selos mecânicos, ferramentas de corte, implantes ósseos, meios de moagem ( Al 2 O 3 ).

 Matrizes de extrusão e fundição, tesouras, facas (ZrO 2 ).

 Moderador nuclear, revestimento de câmeras de combustão de foguetes, cadinhos para fusão de Ni e Pt, elemento protetor de resistências de aquecimento (BeO)

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)

(telhas e tijolos).

– não sofrem nenhum tipo de beneficiamento 

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 (< 1

µ m)

(cerâmica avançada: óxidos, nitretos, carbetos etc).



Sintéticas

– Pós resultantes com características controladas (uso em cerâmicas avançadas).

Introdução Tipos Matérias Primas

Introdução Tópicos a serem desenvolvidos

 Estruturas Cerâmicas:    Estruturas Cristalinas; Cerâmicas à Base de Silicato; Imperfeições nas Cerâmicas.

 Propriedades Mecânicas    Fratura Frágil das Cerâmicas; Comportamento Tensão-Deformação; Mecanismos da Deformação Plástica.

Introdução Objetivos

ligações covalente/iônica (lembrar do caso do Fe 3 C) ↓ imobilidade de discordâncias ↓ ausência de zona plástica → materiais frágeis ↓ Defeitos presentes (poros, inclusões, grãos grandes, trincas superficiais) atuam como concentradores de tensão ↓ Grande variação nos valores de resistência mecânica encontrados nos catálogos dos fabricantes para produtos nominalmente iguais.

Materiais Não Metálicos

TM334 Aula 02:

Estrutura e Propriedades das Cerâmicas

Prof. Felipe Jedyn DEMEC – UFPR

Estruturas Cerâmicas



Cerâmicas Cristalinas:

  O

deslocamento de discordâncias é muito difícil

– íons com mesma carga elétrica são colocados próximos uns dos outros –

REPULSÃO;

No caso de cerâmicas onde a

escorregamento também é difícil

–

ligação covalente LIGAÇÃO FORTE.

predomina o 

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.

Estruturas Cerâmicas

Estruturas Cristalinas

 Em geral,

a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa que a dos metais

.

 São

compostos pelo menos por dois elementos

, em que cada

tipo de átomo ocupa posições determinadas no

reticulado cristalino.

Estruturas Cristalinas

 Onde a ligação é predominantemente iônica –

lembrando que ela pode variar de puramente iônica até totalmente covalente

– 

As estruturas cristalinas são compostas por íons eletricamente carregados ao invés de átomos

.



O nível de caráter iônico depende das eletronegatividades dos átomos.

 

Percentual de Caráter Iônico das Ligações Interatômicas para Vários Materiais Cerâmicos.

Ele é calculado da seguinte maneira: Onde X

A e X B são as eletronegatividades

para os respectivos elementos

Estruturas Cristalinas

 Ligação atômica predominantemente

iônica



Estruturas cristalinas compostas por íons, ao invés de átomos

.

 

Íons Metálicos: Cátions Íons Não-metálicos: Ânions



Duas características dos íons influenciam a estrutura do cristal:



A magnitude da carga elétrica neutro

 (o cargas + = cargas -);

cristal

deve ser

eletricamente



Os tamanhos relativos dos Cátions (r C ) e dos Ânions (r A ).

A magnitude da carga elétrica

Cristal Eletricamente Neutro



Fluoreto de Cálcio, por exemplo

  Cada íon Cálcio possui uma carga elétrica +2 (Ca 2+ ) Cada íon Flúor possui uma única carga negativa (F ) 

Dessa forma deve existir duas vezes mais íons F Ca 2+ . do que íons

 Pode-se ver isso pela fórmula química do Fluoreto de Cálcio,

CaF 2

.

Os Tamanhos Relativos dos Cátions e dos Ânions.



Os Cátions são menores que os Ânions, por que?

r C /r A < 1



Cada Cátion quer ter o máximo de Ânions como vizinhos mais próximos e vice-versa.



Estruturas Cristalinas Cerâmicas Estáveis: Todos os ânions estão em contato com o Cátion.

Os Tamanhos Relativos dos Cátions e dos Ânions.



O que vai determinar o número de vizinhos que um cátion pode ter?



Ou seja, qual será o número de coordenação?



Ele sempre será o mesmo para cátions e para ânions?



Preciso saber os valores dos raios do Cátion e do Ânion.



Os Tamanhos Relativos dos Cátions e dos Ânions.

Para um número de coordenação específico crítica ou mínima para a qual o



há uma razão r c /r a contato entre os íons é mantido

 razões puramente geométricas.

Assim podemos determinar o NC!!!

Os Tamanhos Relativos dos Cátions e dos Ânions.



Quanto mais elétrons de valência perder um íon, menor o íon. Exemplo: Ferro Fe: 0,124 nm Fe2+: 0,077 nm Fe3+: 0,069 nm



Exemplo

Mostre que a razão mínima entre os raios do cátion e do ânion para um número de coordenação 3 é de 0,155



Exemplo

Mostre que a razão mínima entre os raios do cátion e do ânion para um número de coordenação 3 é de 0,155



Exemplo

Mostre que a razão mínima entre os raios do cátion e do ânion para um número de coordenação 3 é de 0,155 Para essa coordenação, o pequeno cátion é envolvido por três ânions para formar um triângulo equilátero, triângulo ABC, os centros de todos os quatro íons se encontram no mesmo plano.

Exemplo

Exemplo

Exemplo

Exemplo

Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Estrutura do Sal-gema



Estruturas do tipo AX:

Números iguais de Cátions (A) e Ânions (X) 

Estrutura do Sal-gema

 Cloreto de Sódio (NaCl), ou sal-gema.  Número de coordenação tanto para cátions quanto para ânions é 6, então, r C / r A está entre aproximadamente 0,414 e 0,732.

 Configuração tipo CFC dos ânions com um cátion no centro do cubo e outro em cada uma das 12 arestas do cubo 

cátions centrados nas faces

.



Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Estrutura do Sal-gema

Uma estrutura cristalina equivalente resulta de um arranjo onde os

cátions estão centrados nas faces .



Assim, a estrutura pode ser considerada como sendo composta por duas redes CFC que se interpenetram (uma composta por cátions e outra por ânions).

 NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO.

Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Estrutura do Cloreto de Césio

1. Calcule a razão r C /r A para o Cloreto de Césio.

2. Determine o Número de Coordenação.

3. Indique uma possível estrutura.

Como ela deve se parecer?

Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Estrutura do Cloreto de Césio

1. Calcule a razão r C /r A para o Cloreto de Césio.

2. Determine o Número de Coordenação.

3. Indique uma possível estrutura.

Como ela deve se parecer?

Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Estrutura do Cloreto de Césio



CsCl. r C /r A = 0,9392



Número de coordenação para os dois tipos de íons é 8.



Ânions localizados em cada um dos vértices dos cubos, enquanto o

centro do cubo contém um único cátion.



O intercâmbio de ânions com cátions e vice-versa produz a mesma estrutura cristalina.

Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Estrutura do Cloreto de Césio

 Em uma célula CCC qual é o número de coordenação?

 

IMPORTANTE: ESSA NÃO É UMA ESTRUTURA CRISTALINA CCC, POIS ESTÃO ENVOLVIDOS ÍONS DE DUAS ESPÉCIES DIFERENTES.

Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Estrutura da Blenda de Zinco



Número de coordenação para todos os átomos é 4 (todos os átomos estão coordenados tetraedricamente).



Estrutura da Blenda de Zinco ou Esfalerita (termo mineralógico para o sulfeto de zinco – ZnS)

 Todos os vértices e posições faciais da célula cúbica estão ocupados por átomo de S, enquanto os átomos de Zn preenchem posições tetraédricas interiores. Ocorre uma posição equivalente se as posições dos átomos de Zn e S forem invertidas. 

Dessa forma, cada átomo de Zn está ligado a quatro átomos de S, e vice-versa.

Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Estrutura da Blenda de Zinco

 Na maioria das vezes, a ligação atômica nos compostos que exibem essa estrutura cristalina é altamente covalente (ver tabela), estando incluídos entre esses compostos o ZnS, o ZnTe (semicondutor) e o SiC (Abrasivos --- Freio de veículos, colete a prova de bala – quando sinterizado).

Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Estrutura da Blenda de Zinco

 ZnTe

Estruturas Cristalinas do Tipo

A

m

X

p



Cargas dos Cátions e Ânions não são iguais, onde m e/ou p ≠ 1.

 Exemplo: Composto AX 2 (Fluorita – CaF 2 ).  r C / r A = 0,8  Número de coordenação = 8.

 Íons de cálcio estão posicionados nos centros do cubos, com os íons de flúor nos vértices.



Para cada íon F existe metade deste número de íons Ca 2+ , e por tanto, a estrutura seria semelhante a do CsCl , exceto que apenas metade das posições centrais no cubo estariam ocupadas por íons Ca 2+ .

Estruturas Cristalinas do Tipo

A

m

X

p

Dióxido de Urânio.

Uma célula unitária consiste em oito cubos.

Exemplos: UO 2 , PuO 2 , ThO 2 .

Combustíveis Nucleares.

Estruturas Cristalinas do Tipo

A

m

X

p

Dióxido de Urânio.

Exemplos: UO 2 , PuO 2 , ThO 2 .

Combustíveis Nucleares.

Estruturas Cristalinas do Tipo

A

m

X

p

Óxido de Plutônio.

Exemplos: UO 2 , PuO 2 , ThO 2 .

Combustíveis Nucleares.

Estruturas Cristalinas do Tipo

A

m

X

p

Dióxido de Tório Exemplos: UO 2 , PuO 2 , ThO 2 .

Combustíveis Nucleares.



Estruturas Cristalinas do Tipo

A

m

B

n

X

p

Possuem dois tipos de Cátions (A e B) 

Titanato de Bário (BaTiO 3 ), com os cátions Ba 2+

 

e Ti 4+ .

Possui a estrutura cristalina da Perovskita (CaTiO 3 ).

Acima de 120 o C a estrutura cristalina é cúbica.

Perovskita é um mineral de óxido de cálcio titânio, composto de titanato de cálcio.

Estruturas Cristalinas do Tipo

A

m

B

n

X

p

 Os íons Ba 2+ estão localizados em todos os 8 vértices do cubo, enquanto um único íon Ti 4+ encontra se posicionado no centro do cubo, com os íons de O 2 localizados no centro de cada uma das 6 faces.

 Captador Piezoelétrico

Estruturas Cristalinas

Resumo

ANOTEM OS DETALHES PRA BLENDA DE ZINCO!!!



Estruturas Cristalinas da Compactação Densa de Ânions

No caso dos metais, o empilhamento de planos de átomos densamente compactados uns sobre os outros gera estruturas cristalinas tanto do tipo CFC como do tipo HC.

 De maneira semelhante, várias estruturas cristalinas cerâmicas podem ser consideradas em termos de planos de íons densamente compactados,

bem como de células unitárias.



Normalmente, os planos densamente compactados são compostos pelos ânions, de maiores dimensões .



À medida que esses planos são empilhados uns sobre os outros, pequenos sítios intersticiais são criados entre eles, onde os cátions podem ser alojados .

Estruturas Cristalinas da Compactação Densa de Ânions

Essas posições intersticiais existem em dois tipos diferentes:



Posição Tetraédrica (número de coordenação 4).

Quatro átomos (3 em um plano e 1 no plano adjacente) circundam um dos tipos de posições. Essa posição é chamada tetraédrica pois as linhas retas traçadas a partir dos centros das esferas circundantes formam um tetraedro com quatro lados.



Posição Octaédrica (número de coordenação 6).

Envolve seis esferas de íons, três em cada um dos dois planos. Uma vez que um octaedro é produzido pela união desses seis centros de esferas, esse tipo de sítio é chamado uma posição octaédrica.

IMPORTANTE

 Para cada uma dessas esferas de ânions,

irão existir uma posição octaédrica e duas posições tetraédricas

.

Estruturas Cristalinas da Compactação Densa de Ânions

Estruturas Cristalinas da Compactação Densa de Ânions

Estruturas cerâmicas cristalinas desse tipo dependem de dois fatores: 1. O empilhamento das camadas densamente compactadas de ânions

(são possíveis tanto arranjos CFC quanto HC, os quais correspondem às sequencias ABCABC... E ABABAB..., respectivamente –

sessão 3.11 Callister – CFC x HC local onde a terceira camada está localizada

) e

2. A maneira a qual os sítios intersticiais são preenchidos com os cátions

.  P.e., a estrutura cristalina do sal-gema  A célula unitária possui uma simetria cúbica, e cada cátion (íon Na

+ ) possui seis íons Cl -

como vizinhos mais próximos (NC=6).  Ou seja, o íon Na + , no centro, possui como vizinhos mais próximos os seis íons Cl que residem nos centros de cada uma das seis faces do cubo.

Estruturas Cristalinas da Compactação Densa de Ânions

 A estrutura cristalina, que possui simetria cúbica, pode ser considerada em termos de uma matriz CFC de planos de ânions densamente compactados, onde todos os planos são do tipo {111} – Seção 3.9.



Os cátions se alojam em posições octaédricas , pois eles possuem seis ânions como vizinhos

 mais próximos. Além do mais, todas as posições octaédricas estão preenchidas,

uma vez que

  existe um único sítio octaédrico por ânion, e a relação de ânions para cátions é de 1:1.

Estruturas Cristalinas da Compactação Densa de Ânions

 Para esta estrutura cristalina, a relação entre célula unitária e os

esquemas de empilhamento de planos de ânions densamente

compactados é mostrada a seguir.

Uma seção da estrutura

cristalina do sal-gema onde um dos vértices foi

removido. O plano de ânions que está exposto (esferas verdes do triângulo) consiste em um plano do tipo {111}; os cátions (esferas vermelhas) ocupam as posições octaédricas intersticiais.

Estruturas Cristalinas da Compactação Densa de Ânions

 Outras estruturas cristalinas cerâmicas (porém não todas), podem ser tratadas de uma maneira semelhante; dentre elas a da blenda de zinco e a da perovskita.

 A estrutura do espinélio, é uma daquelas do tipo

A m B n X p

, que é encontrada para o aluminato de magnésio ou espinélio (MgAl 2 O 4 ).  Com essas estruturas, os íons O

2 formam uma rede cristalina

CFC, enquanto os íons Mg

2+ preenchem sítios tetraédricos, e os íons Al 3+

se alojam em posições octaédricas.



As cerâmicas magnéticas, ou ferritas, possuem uma estrutura cristalina que é uma ligeira variação dessa estrutura do espinélio; e as características magnéticas são afetadas pela ocupação das posições tetraédricas e octaédricas.

Exemplo

Com base nos raios iônicos, qual a estrutura cristalina você esperaria para o FeO? Qual o tipo do composto?

Exemplo

Com base nos raios iônicos, qual a estrutura cristalina você esperaria para o FeO?

Solução FeO é um composto do tipo AX. Por que?

Exemplo

Com base nos raios iônicos, qual a estrutura cristalina você esperaria para o FeO?

Solução FeO é um composto do tipo AX. Por que?

Razão entre os raios do Cátion e do Ânion.

rFe 2+ 0,077 nm -------- = ------------------------------ = 0,550 rO 2+ 0,140 nm Está entre 0,414 e 0,732. NC = 6.

Será como a estrutura do Sal-gema.

Cálculos da densidade da cerâmica

n´

= Número de unidades da fórmula /Cel.Unitária;

∑A C

= Soma dos pesos atômicos de todos os cátions na unidade de fórmula;

∑A A

= Soma dos pesos atômicos de todos os ânions na unidade de fórmula;

Vc

= Volume da célula unitária;

N A

= Número de Avogadro: 6,023x10 23 unidades de fórmula/mol

Exemplo

Com base na estrutura cristalina, calcule a densidade teórica para o cloreto de sódio. Como o valor encontrado para a densidade teórica se compara à densidade obtida através de medições experimentais?

Exemplo

Com base na estrutura cristalina, calcule a densidade teórica para o cloreto de sódio. Como o valor encontrado para a densidade teórica se compara à densidade obtida através de medições experimentais?

Exemplo

Com base na estrutura cristalina, calcule a densidade teórica para o cloreto de sódio. Como o valor encontrado para a densidade teórica se compara à densidade obtida através de medições experimentais?

Exemplo

Com base na estrutura cristalina, calcule a densidade teórica para o cloreto de sódio. Como o valor encontrado para a densidade teórica se compara à densidade obtida através de medições experimentais?

Cerâmicas à Base de Silicato



Os silicatos são materiais compostos principalmente por silício e oxigênio, os dois elementos mais abundantes

na crosta terrestre; consequentemente, a maior parte dos

solos, rochas, argilas e areia

enquadram na classificação de silicatos.

se  Em vez de se caracterizar as estruturas cristalinas desses materiais em termos de células unitárias, é mais conveniente usar

vários arranjos de um tetraedro composto por SiO 4 4-

.

Cerâmicas à Base de Silicato

 Cada átomo de silício está ligado a quatro átomos de oxigênio, os quais estão localizados nos vértices do tetraedro;  o átomo de silício está posicionado no centro do tetraedro

.



Uma vez que essa é a unidade básica dos silicatos , ela é tratada normalmente como uma entidade carregada negativamente .

Cerâmicas à Base de Silicato

 Frequentemente, os silicatos não são considerados como iônicos, pois as ligações interatômicas Si-O

exibem um caráter covalente

significativo, o que torna essas ligações direcionais e relativamente fortes.

 Independente da natureza da ligação Si-O,

existe uma carga de -4 associada a cada tetraedro de SiO 4 4 , uma vez que cada um dos quatro átomos de oxigênio exige um elétron extra para atingir uma estrutura eletrônica estável



Quais as valências de ambos?

.  Várias estruturas de silicatos surgem das diferentes maneiras de

segundo as quais as unidades de SiO 4 4-

podem ser combinadas em arranjos unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais.

Cerâmicas à Base de Silicato

Cerâmicas à Base de Silicato Sílica

 O Dióxido de Silício ou Sílica (SiO 2 ) é o mais simples silicato.



Forma arranjo tridimensional, onde os átomos de Oxigênio dos vértices são divididos com os tetraedros adjacentes.



O material é eletricamente neutro e apresenta estrutura eletrônica estável.

 Sob essas circunstâncias, a razão entre o número de átomos de silício e o número de átomos de O é 1:2, como indicado pela fórmula química.



Cerâmicas à Base de Silicato Sílica

Se esses tetraedros forem arranjados de maneira regular e ordenada, forma-se uma estrutura cristalina. 

Existem três formas cristalinas polimórficas principais para a Sílica: Cristobalita, Quartzo e Tridimita.

 São estruturas complicadas e abertas (átomos não densamente

compactados)

 densidade baixa.  Força de ligação alta (

T fusão 1710 o C

)

=

 

Cerâmicas à Base de Silicato Vidros à Base de Sílica

A sílica também pode ser constituída na forma de um sólido não-cristalino ou vidro, com um elevado grau de aleatoriedade atômica, o que é uma característica dos líquidos;

tal maneira é conhecida por

sílica fundida ou sílica vítrea

.

A estrutura tetraédrica é

SiO 4 4-

é a unidade básica (como na sílica cristalina); além dessa estrutura existe uma desordem considerável.

(a) (b)

Esquemas bidimensionais da estrutura do dióxido de silício cristalino (a) e do dióxido de silício não-cristalino (b).

Cerâmicas à Base de Silicato Vidros à Base de Sílica

 Outros óxidos (p.e. B 2 O 3 vítreas; e GeO 2 ) podem também formar estruturas 

Esses materiais, como o SiO 2 , são conhecidos como formadores de rede.

 Os vidros inorgânicos comuns que são usados para recipientes, janelas, e assim por diante,

são vidros à base de sílica, aos quais foram adicionados outros óxidos, tais como CaO e Na 2 O

.  Esses óxidos não formam redes poliédricas (seus cátions são incorporados no interior e modificam a rede do

SiO 4 4-

) e são conhecidos como modificadores de rede.

Cerâmicas à Base de Silicato Vidros à Base de Sílica

 Ainda outros óxidos, como o TiO 2 Al 2 O 3 e o que não são formadores de rede, substituem o silício e se tornam parte da rede, a estabilizando 

óxidos

intermediários. Qual o efeito deles???



A adição desses modificadores e óxidos intermediários diminui o ponto de fusão e a viscosidade de um vidro, tornando mais fácil a sua conformação a temperaturas mais baixas.

Cerâmicas à Base de Silicato Vidros à Base de Sílica RESUMO

1. As estruturas atômicas de materiais podem não estar regularmente dispostas como em redes cristalinas 

Estruturas amorfas ou vítreas.

2. Este tipo de estrutura, entretanto, não é completamente

desordenada.

 Ela é formada por

blocos constitutivos dispostos de maneira desordenada

.  Porém a

estrutura destes blocos é regular.

 Assim, pode-se dizer que as estruturas vítreas possuem

desordem de longo alcance e ordem de curto alcance.

Cerâmicas à Base de Silicato Vidros à Base de Sílica RESUMO

3. Nem todos os materiais podem apresentar uma estrutura vítrea,

 porém

todos os materiais que apresentam estrutura vítrea também apresentam estrutura cristalina

.  Pode-se dizer que a estrutura vítrea é uma fase metaestável e a estrutura cristalina é a fase estável.

4. Óxidos que podem apresentar estrutura vítrea são ditos formadores de rede. Exemplos de formadores de rede são: SiO 2 , GeO 2 , P 2 O 5 e As 2 O 5 .  Outros cátions podem substituir os cátions dos formadores de rede, porém eles mesmos não conseguem formar redes vítreas.

Cerâmicas à Base de Silicato Vidros à Base de Sílica RESUMO

5. Em redes cristalinas, os blocos constitutivos formam arranjos regulares.

 Isto ocorre porque

cada bloco está conectado a um número grande de blocos vizinhos, formando um arranjo tridimensional

.  Quando a

conectividade de cada bloco constitutivo cai

, torna-se

possível que o arranjo de blocos não seja ordenado.

Cerâmicas à Base de Silicato Vidros à Base de Sílica RESUMO



A estrutura vítrea é então um arranjo tridimensional desordenado de baixa conectividade.



Apenas alguns óxidos podem formar este tipo de arranjo.

6. Existem óxidos que, quando introduzidos na estrutura vítrea,

diminuem a conectividade da estrutura, quebrando ligações entre os blocos constitutivos.

 Estes óxidos são chamados de modificadores de rede e abaixam a viscosidade do vidro. Exemplos destes óxidos são: Na 2 O, K 2 O, CaO, BaO.

Cerâmicas à Base de Silicato Os Silicatos

 Para os vários minerais à base de silicato, um, dois ou três dos átomos de oxigênio nos vértices dos tetraedros de

SiO 4 4 são compartilhados por

outros tetraedros para formar algumas estruturas consideravelmente mais complexas, tais como

SiO 4 4 , Si 2 O 7 6 , Si 3 O 9 6-

, e assim por diante.

 Também são possíveis estruturas de cadeia única (e).

Nessas estruturas, cátions carregados positivamente, como Ca 2+ , Mg 2+ e Al 3+ servem a dois propósitos:

  Compensam as cargas negativas da unidade de

SiO 4 4-

 cargas .

Esses cátions ligam ionicamente neutralidade de entre si os tetraedros de

SiO 4 4-

.

Cerâmicas à Base de Silicato Os Silicatos

Cinco estruturas de íon silicato formadas a partir de tetraedros de

SiO 4 4-

.

Cerâmicas à Base de Silicato Os Silicatos – Silicatos Simples

 Os mais simples silicatos  envolvem tetraedros isolados (a),  como a Forsterita (Mg 2 SiO 4 ), que apresenta

dois íons Mg 2+

associados a cada tetraedro, de forma que cada íon Mg

2+ possui seis

oxigênios como átomos vizinhos mais próximos.

(a)

 O silicato Si

2 O 7 6-

forma-se quando dois tetraedros compartilham um Oxigênio comum (b).  A aquermanita (Ca 2 MgSi 2 O 7 ), é um mineral que apresenta o equivalente a dois íons Ca 2+ um Mg 2+ ligados a cada unidade Si 2 O 7 6 .

e

(b)

Cerâmicas à Base de Silicato Os Silicatos – Silicatos em Camadas

 Uma estrutura bidimensional em lâminas ou camadas, pode também ser produzida quando os três íons Oxigênio são compartilhados em cada tetraedro, sendo a fórmula que se repete o (Si

2 O 5 ) 2-

.

 A carga negativa líquida está associada aos átomos de Oxigênio que não estão ligados, e que se projetam para fora do plano da página (figura).



A eletro neutralidade é estabelecida ordinariamente por uma segunda estrutura laminar planar que possui um excesso de cátions , que se ligam a esses oxigênios.



Tais materiais são conhecidos como silicatos em lâminas ou camadas .



Esta estrutura é característica das argilas, e de outros minerais.

Cerâmicas à Base de Silicato Os Silicatos – Silicatos em Camadas

 Representação esquemática da lâmina de silicato bidimensional, que possui uma unidade de fórmula repetida e equivalente a (Si

2 O 5 ) 2-

.

Cerâmicas à Base de Silicato Os Silicatos – Silicatos em Camadas

 Um dos minerais argilosos mais comuns (com estrutura laminar de silicato com duas camadas), a

caolinita

, apresenta fórmula

Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 sílica (Si 2 O 5 ) 2 e a neutralidade elétrica da camada tetraédrica de é obtida por uma camada adjacente de Al 2 (OH) 4 2+ .



Um plano médio é formado por íons de O íons OH 2 da camada de (Si 2 O 5 ) 2 que compõe parte da camada de Al 2 (OH) 4 .

e

Cerâmicas à Base de Silicato Os Silicatos – Silicatos em Camadas

Uma única lâmina é mostrada abaixo

 Enquanto a ligação dentro dessa lâmina com duas camadas é forte e intermediária entre covalente e iônica,  as lâminas adjacentes estão apenas fracamente ligadas umas às outras através de forças de van der Waals fracas.

Carbono



O Carbono é um elemento que existem em diversas formas polimórficas e também no estado amorfo.

 Esse grupo de materiais não se enquadra, na realidade, dentro de qualquer um dos esquemas de classificação tradicionais para

metais, cerâmicas e polímeros.

 Porém são discutidos nessa seção, já que a grafita (forma polimórfica do C) é algumas vezes classificada como cerâmica.

 Além disso, o

diamante

apresenta

estrutura cristalina

semelhante àquela da

blenda de zinco

.



Veremos a Grafita, o Diamante e os novos Fullerenos

.

 O diamante é uma forma alotrópica metaestável do Carbono em temperatura e pressão ambiente.

 A estrutura do Diamante é similar à blenda de zinco, em que o Carbono ocupa as posições do Zn e do S.



Cada átomo de Carbono está (totalmente) covalentemente ligado à outros quatro átomos de Carbono.

A estrutura é referida como a estrutura cristalina cúbica do Diamante.

 É o material de maior dureza que se conhece (7000HK).

Carbono Diamante

Cond. Elétrica baixa.

Cond. Térmica anormalmente alta para um material não-metálico.

O que diferencia o Diamante da Grafita???

Carbono

Carbono – Grafita

 Um outro polimorfo do carbono é a Grafita. 

É mais estável em temperatura e pressão atmosférica ambiente em relação ao Diamante

.  Mais comum.

 A estrutura da grafita é composta por camadas de átomos de

carbono em um arranjo

hexagonal.

Carbono – Grafita

 Neste arranjo, dentro das camadas,

cada átomo de carbono estabelece ligações covalentes (fortes) a outros três átomos vizinhos de carbono coplanares.



O quarto elétron de valência participa de uma ligação fraca do tipo van der Waals entre as camadas.



A clivagem interplanar é fácil



excelentes propriedades lubrificantes da grafita.



Cond. Elétrica relativamente alta em direções cristalográficas paralelas às lâminas hexagonais.

Carbono – Grafita



Elevada resistência e boa estabilidade química a temperaturas elevadas e em atmosferas não-oxidantes.



Elevada condutividade térmica.



Baixo coeficiente de expansão térmica.



Alta resistência à choques térmicos.



Elevada adsorção de gases.



Boa usinabilidade.

 É outra forma polimórfica descoberta em 1985. 

Consiste em um aglomerado esférico oco com 60 átomos de Carbono.

 Uma molécula é referida com o C 60 .

 Cada molécula é composta por grupos de átomos de Carbono, que são ligados um ao outro, formando configurações geométricas tipo hexágono (6 átomos de C) e pentágono (5 átomos de C).

Carbono Fullerenos



São 20 estruturas hexagonais e 12 estruturas Pentagonais.



A estrutura é tal que dois pentágonos não podem estar lado a lado.

 O material composto por moléculas de C 60 é conhecido por

buckminsterfullereno

.



É eletricamente isolante, mas com uma adição adequada de impurezas, ele pode ser tornado altamente condutor e

semicondutor.

Carbono Fullerenos

“The first fullerene molecule to be discovered, and the family's namesake, buckminsterfullerene(C 60 ), was prepared in 1985 by Richard Smalley, Robert Curl, James Heath, Sean O'Brien, and Harold Kroto at Rice University.”

Imperfeições nas Cerâmicas Defeitos Pontuais Atômicos

 São possíveis

lacunas

 e

intersticiais

(como nos metais); como eles contém íons de ao menos dois tipos diferentes,

podem ocorrer defeitos para cada espécie de íon

.

 P.e. NaCl  lacunas e intersticiais para

Na e Cl

.

Muito

improvável

concentrações apreciáveis de intersticiais do ânion.  relativamente grande 

deformações substanciais sobre os íons vizinhos para se ajustar numa posição intersticial (pequena)

.



Imperfeições nas Cerâmicas Defeitos Pontuais Atômicos

Estrutura de Defeitos

 usada para designar os tipos e concentrações dos defeitos atômicos das cerâmicas.  condições de

eletroneutralidade

(já que temos íons)

devem ser mantidas

(cargas

+ iguais -

). 

assim os defeitos nas cerâmicas não ocorrem sozinhos!



Defeito de Frenkel

 par composto por uma lacuna de cátion e um cátion intersticial.

 Cátion deixa sua posição normal e se move para um interstício. 

Não existe alteração de carga

(cátion mantém a mesma carga dentro do interstício).



Defeito de Schottki Neutralidade

.



AX

 par consistindo de lacuna de cátion e lacuna de ânion.

 Remoção do cátion e do ânion do interior do cristal, seguido pela colocação de ambos os íons numa superfície externa.



cátions e ânions possuem mesma carga e temos lacunas para ambos





Imperfeições nas Cerâmicas Defeitos Pontuais Atômicos

Em ambos os defeitos apresentados acima, a razão entre o número de cátions e o de ânions não é alterada.  material estequiométrico (quando não tiver outro defeito presente)  existe razão exata entre cátions e ânions prevista na fórmula química

(estequiometria)

.

Imperfeições nas Cerâmicas Impurezas nas Cerâmicas

 Como em metais,

átomos de impureza podem formar soluções sólidas (substitucional e intersticial) em cerâmicas

.

 Em solução sólida

intersticial

,

o raio iônico da impureza deve ser relativamente pequeno em comparação ao ânion

.

 Uma vez que existem ânions e cátions, uma impureza

substitucional irá substituir um íon hospedeiro que seja mais semelhante a ela no aspecto elétrico

: se o átomo da impureza forma normalmente um

cátion

em um material cerâmico, ele irá, mais provavelmente,

substituir um cátion

hospedeiro.



Exemplo:

NaCl (Na + Cl )  respectivamente.

seriam substituídos por  Ca 2+ e O 2-



Imperfeições nas Cerâmicas Impurezas nas Cerâmicas

Solubilidade sólida apreciável de impureza substitucional 

tamanho e carga

iônica da impureza devem ser muito próximos daqueles dos íons hospedeiros! 

Íon de impureza com carga diferente do hospedeiro



cristal deve compensar para que a eletroneutralidade seja mantida .



pode ser realizado através da produção de novos defeitos da rede cristalina (lacunas e intersticiais).

Imperfeições nas Cerâmicas Exemplo

Se a eletroneutralidade deve ser preservada, quais defeitos pontuais são possíveis no NaCl quando um íon Ca 2+ substitui um íon Na + ? Quantos desses defeitos é necessário existir para cada íon Ca 2+ ?

Imperfeições nas Cerâmicas Exemplo

Se a eletroneutralidade deve ser preservada, quais defeitos pontuais são possíveis no NaCl quando um íon Ca 2+ substitui um íon Na + ? Quantos desses defeitos é necessário existir para cada íon Ca 2+ ?

Solução

A substituição de um íon Na

+

por um íon Ca

2+

introduz uma carga positiva adicional. A eletroneutralidade é mantida quando uma única carga positiva é

eliminada ou quando uma única carga negativa é adicionada.

A remoção de uma carga positiva é conseguida pela formação de uma lacuna de

Na +

.

Alternativamente, um átomo intersticial de Cl irá fornecer uma carga negativa adicional, anulando o efeito de cada íon Ca

2+

.

Entretanto, como mencionado anteriormente, a formação desse defeito é muito improvável.

Propriedades Mecânicas das Cerâmicas



Os materiais cerâmicos tem sua aplicabilidade limitada em certos aspectos devido às suas propriedades mecânicas , que em muitos aspectos são inferiores àquelas apresentadas pelos metais.



A principal desvantagem é uma disposição à fratura catastrófica de uma maneira frágil, com muito pouca absorção de energia.

DEVEMOS ESPERAR DIFERENÇAS NO COMPORTAMENTO DA FRATURA PARA TENSÕES TRATIVAS E COMPRESSIVAS?

PORQUE?

Propriedades Mecânicas Fratura Frágil das Cerâmicas

 À temperatura ambiente, tanto

cerâmicas cristalinas como as não cristalinas

quase sempre

fraturam antes que qualquer deformação plástica possa ocorrer

em resposta à aplicação de uma carga de tração.



Fratura Frágil

 formação e propagação de

trincas

através da seção reta do material em uma direção perpendicular à carga aplicada.

 crescimento da trinca em cerâmicas cristalinas

se dá através dos grãos

(transgranular)

e ao longo de planos cristalográficos

(ou de clivagem) específicos,

planos de elevada densidade atômica

.



Propriedades Mecânicas Fratura Frágil das Cerâmicas

As resistências à fratura medidas para os materiais cerâmicos são substancialmente inferiores àquelas estimadas pela teoria a partir das forças de ligação interatômicas.

Porque?



Propriedades Mecânicas Fratura Frágil das Cerâmicas

Isso pode ser explicado pela presença de defeitos muito pequenos e onipresentes no material, os quais servem como fatores de concentração de tensões, ou seja, pontos onde a magnitude de uma tensão de tração aplicada é amplificada.



Como estimamos essa tensão máxima???



Propriedades Mecânicas Fratura Frágil das Cerâmicas

O grau de amplificação da tensão depende do comprimento da trinca e do raio de curvatura da extremidade da trinca, de acordo com a equação,  sendo maior no caso de defeitos longos e pontiagudos.

 Esses concentradores de tensões podem ser diminutas trincas de superfície ou internas (microtrincas), poros internos e arestas de grãos,

os quais são virtualmente impossíveis de serem eliminados ou controlados

.



Fibras de vidro



umidade e contaminantes presentes na atmosfera podem introduzir trincas de superfícies em fibras recentemente estiradas.



Propriedades Mecânicas Fratura Frágil das Cerâmicas

O grau de amplificação da tensão depende do comprimento da trinca e do raio de curvatura da extremidade da trinca, de acordo com a equação, Tensão máxima na extremidade da trinca σ

m

Magnitude da tensão de tração nominal aplicada σ

0

Raio de curvatura da extremidade da trinca ρ

e

Comprimento de uma trinca superficial, ou C/2 de uma trinca interna a  sendo maior no caso de defeitos longos e pontiagudos.  Esses concentradores de tensões podem ser diminutas trincas de superfície ou internas (microtrincas), poros internos e arestas de grãos,

os quais são virtualmente impossíveis de serem eliminados ou controlados

.



Fibras de vidro



umidade e contaminantes presentes na atmosfera podem introduzir trincas de superfícies em fibras recentemente estiradas.



Propriedades Mecânicas Fratura Frágil das Cerâmicas

A medida de habilidade de um material cerâmico em resistir à fratura quando uma

trinca está presente

é especificada em termos da

tenacidade à fratura

.

 A tenacidade à fratura em deformação plana, K

Ic

, é definida pela expressão: Parâmetro ou função adimensional que depende tanto da amostra como das geometrias da trinca Y Tensão aplicada σ Comprimento de uma trinca superficial, ou C/2 de uma trinca interna a 

A propagação da trinca não irá ocorrer enquanto o lado direito da eq. for inferior à tenacidade à fratura em deformação plana do material.



Os valores da tenacidade à fratura em deformação plana para os materiais cerâmicos são menores do aqueles apresentados pelos metais

; tipicamente eles são menores do que 10 MPa/m².

Propriedades Mecânicas Fratura Frágil das Cerâmicas



Fadiga estática ou fratura retardada (ocorrem sob algumas

circunstâncias)

 fratura ocorrendo pela propagação lenta das trincas, quando as tensões são de natureza estática e quando o

lado direito da equação anterior é menor do que K

Ic

.  Então ocorre

fadiga de tensões cíclicas!

(?) 

fratura pode ocorrer na ausência

 Fratura especialmente sensível às condições do ambiente (especificamente umidade).

Propriedades Mecânicas Fratura Frágil das Cerâmicas



Fadiga estática ou fratura retardada (ocorrem sob algumas

circunstâncias)



Mecanismo

 ocorre provavelmente um processo de corrosão

sob tensão nas extremidades da trinca

 (tensão de tração + dissolução do material  aumento do comprimento das trincas  afilamento e

cresce até a

apresentar rápida propagação).



Especialmente suscetíveis

 vidros à base de silicato, porcelana, cimento portland, etc.

Propriedades Mecânicas Fratura Frágil das Cerâmicas



Tensões de compressão



não existe qualquer amplificação de

tensões associada com qualquer defeito existente.  Assim, as cerâmicas frágeis exibem resistências muito maiores em compressão do que em tração (da ordem de um fator de

10

),  e elas são geralmente utilizadas quando as condições de carregamento são compressivas.

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.

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

RESITÊNCIA À FLEXÃO Em cerâmicas frágeis



comportamento tensão-deformação NÃO em geral é avaliado por ensaio de tração .

é

 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.

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

RESITÊNCIA À FLEXÃO



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

C1161).

(ASTM

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

RESITÊNCIA À FLEXÃO

 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).

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

RESITÊNCIA À FLEXÃO



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.

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

RESITÊNCIA À FLEXÃO

 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.

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

RESITÊNCIA À FLEXÃO

 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,

σ rf

respectivamente: é igual a,

F f

representa a carga no momento da Fratura L é a distância entre os pontos de suporte Outros Parâmetros Dados na Figura

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

RESITÊNCIA À FLEXÃO

 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,

σ rf

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.

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

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.

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-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.

Propriedades Mecânicas Comportamento Tensão-Deformação

COMPORTAMENTO ELÁSTICO

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

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

 Embora à T

ambiente 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.

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

CERÂMICAS CRISTALINAS



Ocorre como nos metais, pela movimentação de discordâncias.

 Uma razão para a

dureza e a fragilidade dificuldade de escorregamento

desses materiais é a (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.

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

CERÂMICAS CRISTALINAS



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



neutros.

isso não ocorre pois todos os átomos são eletricamente

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

CERÂMICAS CRISTALINAS



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.

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

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;

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS



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.

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS

 Representação do

escorregamento viscoso (demonstrado em escala

macroscópica) de um líquido ou vidro fluido em resposta à aplicação de uma força de cisalhamento.

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

 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.

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

 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.

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS

 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: 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.

Ver Figura Anterior

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS

 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.

Propriedades Mecânicas Mecanismos da Deformação Plástica

CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS



Líquidos

 viscosidades relativamente baixas.



Vidros

 ambiente.

viscosidades extremamente elevadas à temperatura temperatura  magnitude da ligação  movimento de escorregamento ou escoamento dos átomos ou íons ficam facilitados.

 Viscosidade.

Exercícios Propostos

1 – Demonstre que a razão mínima entre os raios do cátion e do ânion para um número de coordenação de 8 é de 0,732.

2 – A estrutura cristalina da blenda de zinco é uma que pode ser gerada a partir de planos de ânions densamente compactados.

(a) A estrutura de empilhamento para essa estrutura será CFC ou HC? Por quê?

(b) Os cátions irão preencher posições tetraédricas ou octaédricas? Por quê?

(c) Qual fração das posições será ocupada?

3 – Explique sucintamente (a) por que pode haver uma dispersão significativa na resistência à fratura para alguns dados materiais cerâmicos, e (b) por que a resistência à fratura aumenta em função de uma diminuição do tamanho da amostra.

4 – Cite uma razão pela qual os materiais cerâmicos são, em geral, mais duros, porém mais frágeis, do que os metais?

Propriedades Mecânicas Influência da Porosidade

 Em alguns casos, para a fabricação de materiais cerâmicos o material de origem se encontra na forma de pó;  Após a compactação ou conformação dessas partículas pulverizadas na forma desejada, existirão poros ou espaços vazios entre as partículas do pó.

 Durante T. T. a maior parte da porosidade será eliminada, entretanto ele será incompleto em alguns casos resultando numa

porosidade

residual.



Porosidade terá influência negativa sobre as propriedades elásticas e a resistência.

Propriedades Mecânicas Influência da Porosidade

 Foi observado para alguns cerâmicos que o módulo de elasticidade

E

diminui em função da fração volumétrica da porosidade,

P

, de acordo com a expressão:  Onde E

0

representa o

módulo de elasticidade para o material sem porosidade.  A influência da fração

volumétrica da porosidade sobre o módulo de

elasticidade para o óxido de

alumínio é mostrada na

figura, onde a curva está de acordo com a eq. anterior.

Fração volumétrica da porosidade

Propriedades Mecânicas Influência da Porosidade

 A porosidade exerce um efeito negativo por dois motivos:

1. Os poros reduzem a área de seção reta através da qual uma carga é aplicada, e 2. Eles também atuam como concentrados de tensões (no caso de um poro esférico isolado, uma tensão de tração que seja aplicada é amplificada por um fator de 2).



A influência da porosidade sobre a resistência é relativamente drástica;



p.e., não é incomum que uma porosidade de 10% vol seja responsável por uma diminuição em 50% na resistência à flexão em relação ao material sem porosidade.



Propriedades Mecânicas Influência da Porosidade

O grau de influência do volume de poros está mostrado na figura, novamente para o

óxido de alumínio

.  Experimentalmente tem sido mostrado que a

resistência à flexão diminui exponencialmente em função da fração volumétrica de porosidade (P)

, de acordo com a relação: Fração volumétrica da porosidade 

σ 0 e n representam constantes experimentais.

Materiais Não Metálicos

TM334 Aula 03:

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Prof. Felipe Jedyn DEMEC – UFPR



Aplicações e Processamento

Características Metais x Cerâmicos totalmente diferentes

 

das Cerâmicas

muito diferentes 

aplicações

materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos se completam nas suas utilizações.



Processamento (em comparação aos metais)



Fundição de cerâmicos

 normalmente impraticável (T

fusão



Deformação

 impraticável (fragilidade).

muito alta).

Aplicações e Processamento 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.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Vidros



Grupo Familiar de Materiais Cerâmicos

 lentes e fibra de vidro.

recipientes, janelas, 

Consistem em silicatos não cristalinos que também contém outros óxidos ( CaO, Na 2 O, K 2 O, Al 2 O 3 ) que influenciam suas propriedades .



Características principais

 transparência ótica e a relativa facilidade com as quais eles podem ser fabricados.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Vidros

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

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.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Propriedades dos Vidros

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS VÍTREOS SENSÍVEIS A ALTERAÇÕES DE TEMPARURA



Diferença entre Cristalinos x Não cristalinos: Dependência do volume específico em relação a temperatura.



Cristalinos: diminuição descontínua no volume quando se atinge T

f

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Propriedades dos Vidros

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS VÍTREOS SENSÍVEIS A ALTERAÇÕES DE 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 , T

v

, 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.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Propriedades dos Vidros

 Contraste do

comportamento volume específico-temperatura

apresentado por materiais

cristalinos e não cristalinos

.  Os materiais cristalinos se solidificam na temperatura de fusão T

f

.  Uma característica do estado não cristalino é a temperatura de transição vítrea, T

v

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Propriedades dos Vidros

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 (10 4 P); o vidro é facilmente deformado nessa viscosidade.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Propriedades dos Vidros

CARACTERÍSTICAS VISCOSIDADE TEMPERATURA 3. O ponto de amolecimento , a temperatura na qual a viscosidade é de 4 x 10 6 Pa-s (4 x 10 7 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 10 12 Pa-s (10 13 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.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Propriedades dos Vidros

CARACTERÍSTICAS VISCOSIDADE TEMPERATURA 5. O ponto de deformação corresponde à temperatura na qual a viscosidade se torna 3 x 10 13 Pa-s (3 x 10 14 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 ( 10 13 Pa.s

) .

Logaritmo da viscosidade em função da temperatura para vidros de sílica fundida e vários vidros à base de sílica.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Propriedades dos Vidros

CARACTERÍSTICAS VISCOSIDADE 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.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Conformação do Vidro

 O vidro é produzido pelo aquecimento das matérias-primas até uma temperatura elevada, acima da qual ocorre a fusão.

 A maioria dos vidros comerciais é do tipo sílica-soda-cal.

 Para a maioria das aplicações, especialmente quando a transparência ótica é um fator importante, torna-se essencial que o vidro produzido seja homogêneo e esteja isento de poros.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Conformação do Vidro



A homogeneidade

é atingida através da

fusão e da mistura completa dos ingredientes brutos.

 A

porosidade

resulta de pequenas

bolhas de gás que são produzidas

;  essas devem ser absorvidas pelo material fundido  ou de outra maneira eliminadas, o

que exige um ajuste apropriado da viscosidade do material fundido

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Conformação do Vidro

Quatro diferentes métodos de conformação são usados para fabricar produtos à base de vidro (prensagem, insuflação, estiramento e conformação das fibras):



Prensagem

: é usada na fabricação de

peças com paredes relativamente espessas

, tais como pratos e louças.  A peça de vidro é conformada pela aplicação de pressão em um

molde de ferro fundido revestido com grafita

, que possui a forma desejada;  o

molde

é normalmente

aquecido para assegurar uma superfície uniforme

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Conformação do Vidro

Quatro diferentes métodos de conformação são usados para fabricar produtos à base de vidro (prensagem, insuflação, estiramento e conformação das fibras):



Insuflação:

Embora em alguns casos seja feita manualmente (especialmente no caso de objetos de arte), o

processo foi completamente automatizado.

 Usado para a produção de jarras, garrafas e lâmpadas de vidro.

As várias etapas envolvidas são mostradas na figura a seguir:

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Conformação do Vidro

 A partir de um tarugo de vidro, um parison, ou forma temporária, é

moldado por prensagem

mecânica em um molde.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Conformação do Vidro

 Essa peça é inserida dentro

de um molde de acabamento

ou de insuflação, e então é forçada a se conformar com os contornos do molde pela pressão que é criada por uma injeção de ar.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Conformação do Vidro



Quatro diferentes métodos de conformação são usados para fabricar produtos à base de vidro (prensagem, insuflação, estiramento e conformação das fibras): Estiramento

: é usado para conformar longas peças de vidro, como lâminas, barras, tubos e fibras, as quais possuem uma seção reta

constante.

 Um processo segundo o qual são formadas lâminas de vidro está ilustrado na figura;

elas podem ser fabricadas por laminação a quente.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Conformação do Vidro



Estiramento



O grau de planificação e o acabamento da superfície podem ser

melhorados de maneira significativa: 

Uma maneira é pela flutuação em um banho de estanho fundido a uma

temperatura elevada;  A peça é resfriada

lentamente e depois tratada termicamente

por recozimento.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Conformação do Vidro

Quatro diferentes métodos de conformação são usados para fabricar produtos à base de vidro (prensagem, insuflação, estiramento e conformação das fibras):



Conformação das fibras

: Fibras de vidro contínuas são conformadas segundo uma operação de estiramento que é um tanto sofisticada.  O vidro fundido é colocado em uma câmara de aquecimento de platina.  As fibras são conformadas pelo estiramento do vidro derretido através de muitos orifícios pequenos na base da câmara. 

A viscosidade do vidro, que é crítica, é controlada pelas temperaturas da câmara e dos orifícios.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Tratamento Térmico dos Vidros

RECOZIMENTO

 Quando o material cerâmico é resfriado desde T elevada  ocorre diferença na

taxa de resfriamento e na contração térmica

entre as regiões da superfície e do interior da peça  o que resulta em

tensões internas (tensões térmicas)

 as quais podem enfraquecer o material, e levá-lo a fratura (em casos extremos) 

choque térmico

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Tratamento Térmico dos Vidros

RECOZIMENTO



Para evitar que isso ocorra:



Resfriamento da peça a uma taxa suficientemente lenta de forma a evitar tensões térmicas.



Tensões já introduzidas:

 Consegue-se eliminação ou redução delas através do tratamento térmico de

recozimento.



Peça de vidro é aquecida até o ponto de recozimento e então lentamente resfriada até a temperatura ambiente

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Tratamento Térmico dos Vidros

TÊMPERA DO VIDRO



Indução intencional de tensões residuais de superfície de natureza compressiva de forma a melhorar a resistência de uma peça de vidro.

 A peça de vidro é aquecida até uma temperatura acima da região de transição vítrea, porém

abaixo do ponto de amolecimento

.

 Ela é então

resfriada até a temperatura ambiente

em meio a um

jato de ar

ou, em alguns casos, em meio a um banho de óleo.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Tratamento Térmico dos Vidros

 As

tensões residuais

surgem de

diferenças nas taxas de resfriamento

para as regiões de

superfície e interior da peça

.

 No início a superfície resfria mais rapidamente e torna-se rígida,

quando resfria a uma T abaixo do ponto de deformação

.

 Interior se resfriou mais lentamente encontra-se a uma T mais elevada (> ponto de deformação) e portanto ainda em condição

plástica.

 Com a continuação do resfriamento, o interior tenta se contrair

em maior grau do que o agora rígido exterior irá permitir.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Tratamento Térmico dos Vidros



O interior tende então contrair o exterior ou impor tensões radiais voltadas para dentro.



Como consequência, com o resfriamento completo até a T ambiente, a peça mantém tensões compressivas sobre a superfície , com tensões de tração nas regiões interiores (figura).



Falha de materiais cerâmicos



quase sempre resulta de uma trinca iniciada na superfície pela aplicação de uma tensão de tração.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Tratamento Térmico dos Vidros

 Para causar a fratura de uma peça de vidro temperado, a magnitude de uma tensão de tração aplicada externamente deve ser grande o suficiente para: 

em primeiro lugar, superar a tensão residual de superfície de natureza compressiva e,



além disso, para tencionar a superfície em tração o suficiente para dar início a uma trinca, a qual poderá então se propagar

.

Distribuição das tensões residuais à T ambiente ao longo da seção reta de uma lâmina de vidro temperado.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Tratamento Térmico dos Vidros



Aplicação dos vidros temperados:



Onde é importante alta resistência.



Portas grandes, para-brisas de automóveis e lentes de óculos.

Distribuição das tensões residuais à T ambiente ao longo da seção reta de uma lâmina de vidro temperado.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Vitrocerâmicos



A maioria dos vidros inorgânicos pode ser transformada estado não-cristalino para um estado cristalino de um mediante um tratamento térmico apropriado a alta temperatura.



DEVITRIFICAÇÃO



O seu produto consiste em um material policristalino com grãos finos



VITROCERÂMICA .



Um agente de nucleação (frequentemente o dióxido de titânio) deve ser adicionado para induzir o processo de cristalização ou devitrificação.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Vitrocerâmicos



Características dos Vitrocerâmicos:

 Baixo coeficiente de expansão térmica (não apresenta choque  térmico).

Resistência mecânica e condutividade térmica relativamente   elevadas.

Tanto transparentes como opacos.

Facilidade de fabricação (processos convencionais para vidros com peças isentas de poros).



Aplicação:

fabricação de peças para irem ao forno, ou de louças para irem á mesa (alta condutividade térmica), isolantes elétricos, substrato para placas de circuito impresso, revestimentos em trabalhos de arquitetura, trocadores de calor, etc.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Vitrocerâmicos

 MEV da microestrutura de um vitrocerâmico.  As longas lâminas aciculares fornecem um material com

resistência e tenacidade não usuais.

Exercícios

1 – (a) explique porque são introduzidas tensões térmicas residuais em uma peça de vidro quando esta é resfriada.

(b) São introduzidas tensões térmicas em um processo de aquecimento? Dizer por que sim ou por que não. 2 – Compare as temperaturas nas quais os vidros dos tipos cal soda, borossilicato, 96% sílica, e sílica fundida podem ser recozidos.

3 – Qual a distinção entre temperatura de transição vítrea e temperatura de fusão?

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Produtos à base de Argila



Uma das matérias-primas cerâmicas mais amplamente utilizadas é a argila.



Ingrediente barato, encontrado naturalmente e em grande abundância, é usado frequentemente na forma como é extraído, sem qualquer melhoria na sua qualidade.



Podem ser conformados facilmente.

Quando misturados nas proporções corretas, a argila e a água

formam uma massa plástica que é muito suscetível a modelagem

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Produtos à base de Argila



A peça modelada é então secada

para remover parte da umidade, e após a isso

, ela é cozida a uma temperatura elevada

para melhorar a sua resistência mecânica.

 A maioria dos produtos a base de argila se enquadra dentro de duas classificações abrangentes:  os

produtos estruturais à base de argila (tijolos de construção, azulejos, tubulações de esgoto – integridade estrutural

importante).



louças brancas (se tornam brancos após um cozimento a uma temperatura elevada – porcelanas, louças de barro, louças para

mesa, louça vitrificada, louças sanitárias).

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Produtos à base de Argila

 Além da argila, muitos desses produtos contêm

também ingredientes não-plásticos que influenciam

 tanto as alterações que ocorrem durante

os processos de secagem

e

cozimento,

 como as

características da peça acabada

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

As Características das Argila

 Os

minerais argilosos desempenham DOIS papéis muito importantes nos corpos cerâmicos

: 

Quando a água é adicionada, eles se tornam muito plásticos

, uma condição conhecida por

hidroplasticidade

. Essa propriedade é muito importante durante as operações de conformação.



A argila se funde ou se derrete ao longo de uma faixa de

temperaturas;  dessa forma uma peça cerâmica densa e resistente pode ser produzida no cozimento sem que ocorra sua fusão completa, de maneira tal que a sua forma desejada seja mantida. 

Essa faixa de temperatura de fusão, obviamente, depende da composição da argila.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

As Características das Argila

 As argilas são aluminossilicatos, sendo compostas por alumina (

Al 2 O 3

) e sílica (

SiO 2

), as quais contêm água quimicamente ligada.



Impurezas presentes mais comuns:

compostos (geralmente óxidos) à base de bário, cálcio, sódio, potássio e ferro, e também alguns materiais orgânicos.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

As Características das Argila

 Possuem uma ampla faixa de características físicas, composições químicas e estruturas.

 As estruturas cristalinas são relativamente complicadas,

e prevalece uma estrutura em camadas.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

As Características das Argila

 Os minerais argilosos mais comuns (de interesse) possuem estrutura da caolinita.  Na argila caolinita, quando a

água é adicionada

, as

moléculas de água se posicionam entre essas lâminas

em camadas e formam uma

película fina ao redor das partículas de argila

.  As

partículas

ficam, dessa forma,

livres para se moverem umas sobre as outras

, o que é responsável pela

plasticidade

resultante da mistura água-argila

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Composições dos Produtos a base Argila



Além da argila, muitos desses produtos (em particular as louças brancas) também contêm alguns ingredientes não-plásticos;

 os mineras não-argilosos incluem o

sílex, ou quartzo

moído, e um

fundente

, tal como o

feldspato

. finamente 

O quartzo

carga. é usado principalmente como material de enchimento, ou  Barato e quimicamente não-reativo.

 Pouca alteração durante o Trat. Térmico a alta T (possui

elevada T fusão

);  quando fundido, no entanto, pode formar vidro.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Composições dos Produtos a base Argila



O fundente

, quando misturado com a argila,

forma um vidro com ponto de fusão relativamente baixo

.



As proporções de argila, quartzo e fundente influenciam as alterações durante a secagem e o cozimento, e também as características da peça acabada.

 Porcelana típica pode conter 50% de argila, 25% de quartzo e 25% de feldspato (fundente).

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

 Matérias-primas extraídas :  devem passar por operação de moagem ou trituração (reduzir tamanho das partículas)  seguido por um peneiramento ou classificação por granulometria que produz um produto pulverizado que possui uma faixa desejada de tamanho de partículas.

 Para

sistemas multicomponentes

, os materiais pulverizados devem ser completamente misturados com água e, talvez, outros ingredientes para dar as

características de escoamento técnica de conformação

a ser empregada. que são compatíveis com a

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

 A peça conformada deve ter resistência mecânica suficiente para permanecer intacta durante as operações de transporte, secagem e cozimento.



Duas técnicas usuais de modelagem são utilizadas para a conformação de composições à base de argila:



Conformação hidroplástica, e;



Fundição por suspensão.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA

 Minerais à base de argila, misturados com água se tornam altamente plásticos e flexíveis e podem ser moldados

sem

ocorrerem

trincas

;  Entretanto possuem limite de escoamento extremamente baixos.  A consistência (razão água-argila) da massa hidroplástica deve dar um limite de escoamento suficiente para permitir que a peça conformada mantenha sua forma durante manuseio e secagem.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA



Técnica de conformação hidroplástica mais comum:



extrusão

: massa cerâmica plástica rígida é forçada (geralmente por meio de

rosca sem fim acionada por motor – ar removido por câmara de vácuo para melhorar densidade da peça

) através de um orifício de uma matriz que possui a geometria da seção reta desejada (semelhante extrusão de metais).



Fabrico: Tijolos, tubos, blocos cerâmicos e azulejos.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA



Extrusão

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA



Telhas: Extrusão + Compressão Prensa para telhas

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

CONFORMAÇÃO HIDROPLÁSTICA



Pratos: Extrusão + Corte + Torneamento Tubos obtidos por extrusão Corte + Torneamento

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

FUNDIÇÃO POR SUSPENSÃO



Suspensão:

em água.

suspensão de argila e/ou outros minerais não-plásticos

 Quando derramada dentro de um molde poroso (feito em geral de gesso-de-paris), a água da suspensão é absorvida no interior do molde,

deixando para trás uma sólida camada sobre a parede do molde cuja espessura irá depender do tempo

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

FUNDIÇÃO POR SUSPENSÃO

 O processo pode ser continuado até que a totalidade da cavidade do

molde se torne sólida (fundição sólida)

(a).

 Ou ele pode ser interrompido quando a camada sólida atingir a espessura desejada, pela inversão do molde e o derramamento da suspensão em excesso

(fundição com dreno)

(b).



Na medida que a peça seca e se contrai em volume ela se separa do

molde, que pode ser desmontado e a peça removida.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

FUNDIÇÃO POR SUSPENSÃO

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Técnicas de Fabricação da Argila

FUNDIÇÃO POR SUSPENSÃO



Fabricação de Louças

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Secagem e Cozimento

 A peça cerâmica conformada hidroplasticamente ou através de

fundição por suspensão:



Retém uma porosidade significativa

e também possui uma

resistência insuficiente para maioria das aplicações práticas.

 Pode conter ainda algum

secagem.

líquido o qual pode ser removido por

 A densidade e resistência são melhoradas como resultado de um Tratamento Térmico a alta Temperatura ou de um procedimento de

Cozimento



Material seco mas não cozido



Cru .

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Secagem e Cozimento



Secagem e Cozimento são críticas:



podem gerar defeitos que tornam a peça imprestável.



De onde vem os defeitos???



Defeitos (empenamento, distorções e trincas) resultam de tensões que são estabelecidas por uma contração de volume não uniforme .



Veremos então a contração de volume que ocorre no processo de SECAGEM!

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Secagem

 Na medida que um

corpo cerâmico à base de argila seca, ocorre contração de volume.

 No início da secagem as partículas de argila estão virtualmente envolvidas e separadas uma das outras por uma fina película de água.

 Com a secagem a separação diminui provocando uma contração

de volume.



Torna-se crítico controlar essa remoção de água durante a secagem.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Secagem

Remoção de água. (a) Corpo molhado, (b) corpo parcialmente seco e (c) corpo seco

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Secagem

 A secagem das regiões internas ocorre pela difusão de moléculas de água para a superfície, onde ocorre a evaporação.

 Se a

taxa de evaporação > taxa de difusão

a

superfície irá secar (e contrair em volume) mais rapidamente que o interior



poderão se formar defeitos mencionados anteriormente

.



O que FAZER???



Taxa de evaporação da superfície deve ser diminuída para, no máximo, a taxa de difusão da água

. Ela pode ser controlada pela temperatura, umidade e taxa de escoamento do ar.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Secagem

O que mais influi na contração de volume???

 Espessura do corpo também influencia a contração de volume  peça mais espessas, tenho contração de volume não-uniforme e formação de defeitos mais pronunciada.

 Teor de água no corpo também é crítica. Quanto mais água, mais intensa a contração de volume.  teor

deve ser mantido baixo

.

 Tamanho das partículas de argila também influencia: maior contração de volume com menor tamanho da partículas.

POR QUE???

 tamanho de partículas deve ser aumentado,  ou elementos não-plásticos com partículas grandes podem ser adicionados à argila.

E APÓS A SECAGEM???

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Cozimento

 Após a secagem, um corpo é geralmente cozido a uma temperatura

entre 900 e 1400 o C.



Esta temperatura depende da composição e das propriedades desejadas para a peça acabada.



Durante a operação de cozimento,

 a densidade é novamente aumentada (com uma consequente diminuição na porosidade), 

COMO ACONTECE ESSA DIMINUIÇÃO DA POROSIDADE???

 e a

resistência mecânica é melhorada

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Cozimento

 Quando

materiais à base de argila são aquecidos a temperaturas elevadas

, ocorrem alguma reações consideravelmente complexas .

Uma delas é a vitrificação

.  Vitrificação é a formação gradual de um

vidro líquido

que flui para dentro e

preenche parte do volume dos poros

.  O

grau de vitrificação

depende da

temperatura e do tempo de cozimento

, bem como da

composição

do corpo.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Cozimento



A temperatura na qual a fase líquida se forma é reduzida pela adição de agentes fundentes, como o feldspato.

 Essa fase escoa ao redor das partículas não fundidas e preenchem os poros, pelas forças de tensão superficial (ação capilar) 

se segue uma contração de volume.



Com o resfriamento, essa fase fundida forma uma matriz vítrea que resulta em um corpo denso e resistente

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Cozimento

 Dessa forma, a microestrutura final consiste em uma fase vitrificada,

quaisquer partículas de quartzo que não reagiram e alguma

porosidade. 

O grau de vitrificação controla as propriedades à T ambiente da peça cerâmica ; resistência, durabilidade e densidade são melhoradas à medida que a vitrificação aumenta.



A T de cozimento determina a extensão de acordo com a qual ocorre a vitrificação.



T de cozimento



vitrificação.



Vitrificação completa deve ser evitada



irá colapsar.

corpo se torna muito mole e

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Cozimento

 A figura mostra uma MEV de uma porcelana cozida onde esses elementos microestruturais podem ser vistos.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Refratários



Propriedades

das cerâmicas refratárias incluem  a

capacidade de resistir a temperaturas elevadas sem fundir ou decompor,



e a capacidade de permanecer não reativo e inerte quando são expostos a ambientes severos

.

 Podem ser usados como

isolantes térmicos

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Refratários

 Aplicações típicas: tijolos refratários (mais comum), revestimentos de fornos para o refino de metais, a fabricação de vidro, tratamento térmico metalúrgico, e a geração de energia.

 Desempenho depende da composição, com isso existem várias classificações – Callister:  Argila refratária.

 Sílica.

 Básica.

 Refratários especiais.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Refratários

 Ingredientes brutos: tanto partículas grandes (ou chamotes) como partículas finas (com cozimento, normalmente formam fase de ligação ou colagem – essa fase pode ser vítrea ou cristalina).



Temperatura de serviço: inferior a de cozimento

.



Quanto menor a porosidade



maior resistência, tanto para suportar carga quanto também ao ataque de materiais corrosivos.



Menor resistência ao choques térmicos e isolamento térmico.



Porosidade ótima depende das condições de serviço

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outros Métodos de Processamento Prensagem do Pó

 Processo rápido. 

Composições argilosas e não-argilosas (cerâmicas eletrônicas, magnéticas, alguns produtos à base de tijolos refratários)

– Análogo cerâmico à metalurgia do pó.  Massa pulverizada contendo pequena quantidade de água (ou outro elemento aglutinante) é compactada na forma desejada mediante

pressão.

 O grau de compactação é maximizado e a fração de espaço vazio é minimizada pelo

uso de partículas maiores e mais finas misturadas em proporções apropriadas.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outros Métodos de Processamento Prensagem do Pó

 Não existe qualquer deformação plástica das partículas durante o processo de compactação, como nos metais.

 Uma das funções do elemento aglutinante é a de lubrificar as partículas pulverizadas, à medida que elas se movem umas contra as outras durante o processo de compactação.

 Três procedimentos básicos de prensagem de pós:    Uniaxial; Isostático (ou hidrostático) e; Prensagem a quente.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outros Métodos de Processamento Prensagem do Pó – Prensagem Uniaxial

 Pó compactado em um molde metálico através de uma pressão que é aplicada ao longo de uma única direção.

 A peça conformada assume a configuração do molde e do cursor da prensa através do qual a pressão que é aplicada.

 Restrito a formas relativamente simples.  Contudo apresenta altas taxas de produção e o processo é barato.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outros Métodos de Processamento Prensagem do Pó – Prensagem Uniaxial

a) Cavidade do molde é preenchida com pó.

b) O pó é compactado por meio de uma pressão aplicada sobre a parte superior do molde.

c) A peça compactada é ejetada pela ação de elevação do punção inferior.

d) A sapata de enchimento empurra a peça compactada para fora do molde, e a etapa de enchimento é repetida.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outros Métodos de Processamento Prensagem do Pó – Prensagem Isostática

 Material pulverizado está contido em um envelope de borracha.  A pressão é aplicada por um fluido, isostaticamente (possui a mesma magnitude de pressão em todas as direções).

 São possíveis formas mais complicadas do que em uma situação de prensagem uniaxial.

 Entretanto, na prensagem isostática, consome mais tempo e é de

exucação mais cara.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outros Métodos de Processamento Prensagem do Pó – Cozimento

 Tanto para o procedimento uniaxial quanto para o isostático, é exigida uma

operação de cozimento após a operação de prensagem

.

 No cozimento, a peça moldada apresenta

uma contração em volume e experimenta uma redução em sua porosidade

, juntamente com uma

melhoria da sua integridade mecânica.

 Essas alterações

ocorrem mediante a coalescência das partículas de pó para formar uma massa mais densa

, em um processo conhecido por

sinterização

.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outros Métodos de Processamento Sinterização no estado sólido

 Após a prensagem muitas partículas de pó se tocam entre si (a).

 No estágio inicial da sinterização ocorre a

formação de empescoçamento ao longo das regiões de contato entre partículas adjacentes

e se forma um

contorno de grão dentro de cada pescoço,



e cada interstício entre as partículas se torna um poro

(b);  Os poros se tornam menores e adquirem e adquirem formas mais esféricas (c).

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outros Métodos de Processamento Sinterização no estado sólido

 As partículas se ligam entre si por difusão no estado sólido.  O compacto poroso adquire maior densidade e resistência.  As partículas coalescem sem fusão formando um “pescoço” e os poros vão ficando cada vez menores e os grãos maiores à medida que progride o processo de sinterização.  Este processo é usado para cerâmicas avançadas que utilizam matéria- prima muito pura ( ex, um óxido; a temperatura usada em geral é de ¾ da temperatura de fusão do material).

 Com maiores tempos de sinterização os poros vão ficando menores.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outras Métodos de Processamento Sinterização no estado sólido

 A força motriz para o processo de sinterização é a redução na área superficial total das partículas;  As energias de superfície são maiores em

magnitude do que as energias dos contornos de

grão.

 A sinterização é conduzida a

uma T abaixo da T de fusão, de modo tal que normalmente NÃO existe uma fase líquida presente

.



O transporte de massa necessário para as alterações na figura ao lado é obtido através da difusão atômica.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outras Métodos de Processamento Sinterização no estado sólido

Compactado de pós de óxido de alumínio que foi sinterizado a 1700 o C e 6 min .

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outras Métodos de Processamento Prensagem a quente



Prensagem do pó e tratamento térmico são realizados simultaneamente.

 O agregado pulverizado é compactado a uma temperatura elevada.

 É usado para materiais que não formam uma fase líquida exceto quando submetidos a T muito elevadas e impraticáveis de serem aplicadas.

 Utilizada quando são desejadas densidades elevadas sem que haja crescimento apreciável no contorno de grão.



Técnica de fabricação cara e possui limitações.



Onerosa em termos de tempo (molde e matriz devem ser aquecidos e resfriados a cada ciclo), molde caro e de vida útil curta.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outras Métodos de Processamento TAPE CASTING (FUNDIÇÃO EM FITA)

É usado na produção de lençóis flexíveis de cerâmica que é vazada em um suporte (metal/papel/vidro/polímero) uniformemente através de espalhamento, que depois é seco e finalmente cozido.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outras Métodos de Processamento TAPE CASTING (FUNDIÇÃO EM FITA)

 Essas lâminas são preparadas a partir de suspensões (parecidas com as vistas).

 Suspensão consiste em uma suspensão de partículas cerâmicas em um

líquido orgânico que contém elementos aglutinantes e agentes

plasticizantes,  incorporados para introduzir resistência e flexibilidade à fita fundida.

 Pode ser necessária a desaeração em vácuo para remover bolhas de ar ou de vapor de solvente que tenham sido aprisionadas no material as quais podem atuar como sítios iniciadores de trincas na peça acabada.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outras Métodos de Processamento TAPE CASTING (FUNDIÇÃO EM FITA)

 A fita real é formada pelo derramamento da suspensão sobre uma superfície plana (de aço inoxidável, vidro, uma película polimérica ou papel);  Uma lâmina afiada espalha a suspensão na forma de uma fita delgada com espessura uniforme.

 Na secagem, os componentes voláteis da suspensão são removidos por evaporação;  Esse produto cru consiste de uma fita flexível que pode ser cortada ou no

interior da qual podem ser perfurados orifícios, antes de uma operação de

cozimento.

Aplicações e Processamento das Cerâmicas Outras Métodos de Processamento TAPE CASTING (FUNDIÇÃO EM FITA)

 As espessuras das fitas variam normalmente entre 0,1 e 2 mm.

 É amplamente utilizada na produção

de substratos cerâmicos usados para a fabricação de circuitos integrados e de capacitores com camadas múltiplas

.

Por que peças de argila espessas são mais suscetíveis à fissura durante a secagem do que peças delgadas?

Por que peças de argila espessas são mais suscetíveis à fissura durante a secagem do que peças delgadas?

• Devido à diferença de encolhimento da superfície e do interior, as peças espessas são mais suscetíveis à fissura. Em peças espessas a água presente na argila tem uma distância maior a percorrer.

Por que é preciso controlar a velocidade de secagem de uma peça cerâmica conformada por vazamento (suspensão de barbotina)?

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Por que é preciso controlar a velocidade de secagem de uma peça cerâmica conformada por vazamento (suspensão de barbotina)?

Deve ser assegurado um encolhimento uniforme na peça. Se o interior da peça encolher mais lentamente que a superfície, surgem fissuras e defeitos na peça. A secagem deve ser feita à temperatura menor que 100ºC e é afetada pela velocidade do ar, umidade do ar e pela composição da argila.

Exercícios

1 – Cite duas características desejáveis dos minerais argilosos relativas aos processos de fabricação.

2 – De um ponto de vista molecular, explique sucintamente o mecanismo segundo o qual os minerais argilosos se tornam hidroplásticos quando se adiciona água ao meio.

3 – (a) por que é tão importante controlar a taxa de secagem de um corpo cerâmico que tenha sido conformado hidroplasticamente ou através de uma fundição por suspensão?

(b) Cite três fatores que influenciam a taxa de secagem, e explique como cada um deles afeta essa taxa.

4 – Cite uma razão pela qual a contração de volume durante a secagem é maior para os produtos hidroplásticos ou de fundição por suspensão que possuem partículas menores.