13. 1

CAP.13 – MATERIAIS CERÂMICOS

Smith cap 10

13. 2

13.3A.Simões2006

MATERIAIS CERÂMICOS

� São materiais inorgânicos não metálicos.� Constituídos por elementos metálicos e não-

metálicos, ligados quimicamente entre si.� Ligações: iónicas e/ou covalentes� Compostos simples a misturas de fases.� Cristalinos, não-cristalinos (vidros) ou mistos

13.4A.Simões2006

Cerâmicos - Propriedades

�Elevada temperatura de fusão / excelente resistência ao calor

�Elevadas dureza e resistência mecânica (mesmo a altas temperaturas)

�Baixa densidade

�Baixo coeficiente de atrito / boa resistência ao desgaste

�Baixa tenacidade e baixa ductilidade (fragilidade)

�Grande estabilidade química (fortes ligações químicas)

�Bons isolantes térmicos / eléctricos

�Tradicionais

�Cerâmicos

�Técnicos

13.5A.Simões2006

Cerâmicos Tradicionais

Obtidos a partir de misturas de: argila + sílica + feldspato

Aplicações: tijolos, telhas, louças, azulejos, sanitários, porcelana eléctrica…

13.6A.Simões2006

Cerâmicos Técnicos

Formados por compostos(quase) puros: Al2O3

SiCSi3N4

Ex: SiC em turbinas, Al2O3 em circuitos integrados (isolamento térmico)Refractários, Abrasivos, Cimentos, cerâmicos avançados

13.7A.Simões2006

Cerâmicos - Propriedades

Composto Tf (ºC)HfC 4150TiC 3120WC 2850MgO 2798SiC 2500B4C 2450Al 2O3 2050TiO2 1605

13.8A.Simões2006

Cerâmicos- Ligação química

Ligação química:

Composto Ligação XA - XB % iónico

MgO Mg – O 2,3 73Al2O3 Al – O 2,0 63SiO2 Si – O 1,7 51Si3N4 Si – N 1,2 30

Eq de Pauling:

% caracter iónico %)100)(e1( 4/))XX(( 2BA−−−=

13.9A.Simões2006

Cerâmicos – Estruturas iónicas

Empilhamento iónico:1. Tamanho relativo dos iões

(abordagem esferas rígidas)2. Equilíbrio de cargas electrostáticas

13.10A.Simões2006

Tamanho relativo dos iões:

Razão de raios = rcatião/ r anião

Razão de raios crítica (mínima)

Cerâmicos – Estruturas iónicas

13.11A.Simões2006

Cerâmicos – Estruturas iónicas

NC, número de coordenaçãoFaz aumentar estabilidade

Estudo: ex. 10.1, 10.2 Smith

13.12A.Simões2006

Cerâmicos – Estruturas iónicas

CsCl(Iónica)rc/ra = 0,94

Idêntico: Iónicos: CsBr

(Intermetálicos: AgMg, LiMg, AlNi…)

13.13A.Simões2006

Cerâmicos – Estruturas iónicas

NaCl(Iónica)rc/ra = 0,56

Também: MgO, CaO, NiO, FeO

13.14A.Simões2006

Posições intersticiais

Estruturas compactas (CFC e HC):

octaédricosInterstícios

tetraédricos

13.15A.Simões2006

Estruturas - Blenda

Blenda (ZnS)

Também :CdS, InAs, InSb, ZnSe

13.16A.Simões2006

Estrutura Fluorite (CaF2)

UO2, BaF2, AuAl…

13.17A.Simões2006

Estrutura Corindo (Al2O3)

13.18A.Simões2006

Estrutura Perovesquite (CaTiO3)

Ca + O : CFC

13.19A.Simões2006

Estrutura Espinela (AB2O4)

AB2O4 A: 2+B: 3+

O2-: rede CFCCatiões: interstícios octaédricos e tetraédricosEx: MgAl2O4

Fe3O4 (magnetite): FeO.Fe2O3

Fe2+: octaédricosFe3+: octaédricos e tetraédricos (50%-50%)

13.20A.Simões2006

Grafite

Covalente.Propriedades lubrificantes

13.21A.Simões2006

Silicatos

SiO44-

~50% iónica

Estruturaem camadas

13.22A.Simões2006

Processamento de cerâmicos

Moagem, mistura…Conformação (prensagem ou extrusão)Tratamentos térmicos:

Secagem (< 100ºC)Sinterização (>1000ºC)

Sinterização: difusão no estado sólidocoalescenciaporosidade

13.23A.Simões2006

Sinterização

MgO

13.24A.Simões2006

Cerâmicos Tradicionais

Argila (Al2O3.SiO2.H2O)

Sílica (SiO2)

Feldspato (K2O.Al2O3.6SiO2)

13.25A.Simões2006

Cerâmicos Técnicos

Óxidos, carbonetos, nitretos, quase puros

Al2O3:tubagens refractárias, cadinhos, isolante em velas de ignição…

Si3N4:Razoável resistência mecânica e tenacidade à fractura

SiC:Dureza elevada, inércia química, resistência à abrasão, excelente resistência à oxidação a altas temperaturas

ZrO2:Sujeita a fissuração; em geral estabilizada com CaO, MgO, Y2O3.

13.26A.Simões2006

Propriedades Eléctricas1. Constante dieléctrica

CVq =

d

AkC

dA

C

0

0

ε

ε

=

=

ε0: permitividade do vácuo (8,854 x 10-12 F/m)k: const dieléctrica do material

13.27A.Simões2006

Propriedades Eléctricas2. Resistência dieléctrica

Resistência dieléctrica: gradiente de V (campo eléctrico) ao qual ocorre passagem de corrente (máximo que pode suportar sem falha eléctrica)

Estearite: Talco-10%argilaFosterite: Mg2SiO4

13.28A.Simões2006

Materiais Piezoeléctricos

Momento dipolar=ΣQd

Temperatura de Curie ferroeléctrica

BaTiO3

13.29A.Simões2006

Materiais CerâmicosEfeito Piezoeléctrico

Piezoeléctrico: material dieléctrico com estrutura assimétrica, de modo que os centros de cargas positivas e negativas não coincidem. ⇒ sensibilidade da polarização àdistância do dipolo (pressão).Aplicações: sensores de pressão, sensores tácteis

13.30A.Simões2006

Cerâmicos Propriedades Térmicas

13.31A.Simões2006

Vidros

Transparência

Dureza (T ambiente)

Resistência mecânica

Resistência à corrosão

Material cerâmico amorfoConstituintes aquecidos até à fusão + arrefecimento sem cristalização

13.32A.Simões2006

Vidros - Arrefecimento

Tg: temperatura de transição vítrea

Tg depende de velocidade de arrefecimento

13.33A.Simões2006

Vidros

SiO44-

Sílica cristalina(cristobalite)O partilhado

Vidro deSílica

13.34A.Simões2006

Vidros - composição

Óxidos de base: SiO2 ou B2O3

Óxidos modificadores da rede: Na2O, K2O, CaO, MgOÓxidos intermédios: Al2O3 (AlO4

2-)

13.35A.Simões2006

Vidros - Reologia

RT/Qoeηη =

η: viscosidade (Poise)Q: en. activação escoamento