Cerâmicas

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Aula 1- Introdução a Materiais Cerâmicos

Profa Yêda Medeiros

Disciplina: Materais de Construção

Aulas: Materiais Cerâmicos

• Bibliografias:

– Callister, Jr., W.D., Ciência e Engenharia de

Materiais: Uma Introdução, 5a_{edição. LCT Editora,}

2000, 589 pp.

– Shreve, R.N., Brink, J.A.Jr., Indústrias de

Processos Químicos, 4a_{edição. Editora Guanabara}

Dois,1977, 717 pp.

– Van Vlack,L.H., Princípios da Ciência dos

Materiais, 10a_{edição. Editora Edgard Blücher Ltda,}

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Definição de Materiais Cerâmicos

• Materiais constituídos de produtos químicos inorgânicos, excluindo os metais, utilizáveis após tratamento em altas temperaturas.

(American Ceramic Society)

• Componentes de construção obtidos por moldagem, secagem e cozimento de misturas à base de argilas.

Ciência dos Materiais: Origem:

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Histórico dos Materiais Cerâmicos

• Surgem como materiais alternativos à pedra;

• 5000 A.C.: artefatos de argila, louça de barro

• Assírios - 4000 a. C., registros de cerâmica vidrada

• Egípcios - utilização na construção

• Gregos - pouco uso

• Romanos - Alvenarias cúpulas

• Século VII - Porcelana chinesa

• Árabes - Valorizam na Espanha

• Londres - Incêndio de 1666 (substituição das edificações em madeira por alvenarias de tijolos)

• Brasil - introduzidos pelos portugueses durante o Império • Com o aparecimento de estruturas de aço / concreto -

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Materiais Cerâmicos

• Materiais cerâmicos são inorgânicos

não-metálicos:

– Cristalinos

– Não-cristalinos (vidros)

– Parcialmente cristalinos (vitrocerâmicos)

– Argamassas (cimento, cal, gesso)

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Cerâmica: definição tradicional

• Minerais de composição inconstante e pureza

duvidosa são expostos a um tratamento térmico

não-mensurável, que dura o suficiente para

permitir que reações desconhecidas ocorram de

modo

incompleto,

formando

produtos

heterogêneos

e

não-estequiométricos,

conhecidos

com

o

nome

de

materiais

cerâmicos.

[Gu gel apud Cl aus sen, 199 5]

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Cerâmica: definição

É um material não metálico, inorgânico,

cuja estrutura, após a queima em altas

temperaturas, apresenta-se inteira ou

parcialmente cristalizada. Isto é, os

átomos de sua estrutura ficam arranjados

de forma simétrica e repetidos de tal modo

que parecem pequenos cristais, uns

juntos dos outros.

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Cerâmica: definição moderna

• Materiais cerâmicos são compostos sólidos

formados pela aplicação de calor, algumas

vezes calor e pressão, constituídos por ao

menos

– um metal (M)

e um sólido elementar

não-metálico (SENM) ou um não-metal (NM),

– dois SENM, ou

– um SENM e um não-metal (NM)

[B ars oum, 199 7]

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Metais e não-metais

• Metais (M): Na, Mg, Ti, Cr, Fe, Ni, Zn, Al...

• Não-metais (NM): N, O, H, halogênios,

gases nobres...

• Sólidos

elementares

não-metálicos

(SENM): isolantes (B, P, S, C ) ou

semicondutores (Si, Ge)

[B

ars

oum,

199

7]

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Tabela periódica dos elementos

[Schaf fer , 199 9:27 ] 19 K Ca 20 Sc 21 22 Ti 23 V 24 Cr Mn 25 Fe 26 Co 27 28 Ni Cu 29 Zn 30 Ga 31 Ge 32 As 33 Se 34 35 Br Kr 36 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr Nb 41 Mo 42 Tc 43 Ru 44 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cd 48 In 49 Sn 50 Sb 51 Te 52 53 I Xe 54 55 Cs Ba 56 La * Hf 72 Ta 73 74 W Re 75 Os 76 77 Ir 78 Pt Au 79 Hg 80 81 Tl Pb 82 83 Bi Po 84 85 At Rn 86 87 Fr Ra 88 Ac ** 57 La Ce 58 59 Pr Nd 60 Pm 61 Sm 62 Eu 63 Gd 64 Tb 65 Dy 66 Ho 67 68 Er Tm 69 Yb 70 89 Ac Th 90 Pa 91 92 U Np 93 Pu 94 Am 95 Cm 96 Bk 97 98 Cf Es 99 100 Fm 101 Md 102 No 71 Lu 103 Lw 2 He 5 B C 6 N 7 O 8 9 F Ne 10 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 1 H 3 Li 4 Be 11 Na _{Mg III A}12 II A I A IV A V A VI A VII A  VIII A  I B III B II B IV B V B VI B VII B VIII B Líquido Gás Sólido * Lantanídeos ** Actinídeos Metais Não-Metais

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19 K Ca 20 Sc 21 22 Ti 23 V 24 Cr Mn 25 Fe 26 Co 27 28 Ni Cu 29 Zn 30 Ga 31 Ge 32 As 33 Se 34 35 Br Kr 36 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr Nb 41 Mo 42 Tc 43 Ru 44 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cd 48 In 49 Sn 50 Sb 51 Te 52 53 I Xe 54 55 Cs Ba 56 La * Hf 72 Ta 73 74 W Re 75 Os 76 77 Ir 78 Pt Au 79 Hg 80 81 Tl Pb 82 83 Bi Po 84 85 At Rn 86 87 Fr Ra 88 Ac ** 57 La Ce 58 59 Pr Nd 60 Pm 61 Sm 62 Eu 63 Gd 64 Tb 65 Dy 66 Ho 67 68 Er Tm 69 Yb 70 89 Ac Th 90 Pa 91 92 U Np 93 Pu 94 Am 95 Cm 96 Bk 97 98 Cf Es 99 100 Fm 101 Md 102 No 71 Lu 103 Lw 2 He 5 B C 6 N 7 O 8 9 F Ne 10 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 1 H 3 Li 4 Be 11 Na _{Mg III A}12 II A I A IV A V A VI A VII A  VIII A  I B III B II B IV B V B VI B VII B VIII B Líquido Gás Sólido * Lantanídeos ** Actinídeos

Tabela periódica dos elementos

[Schaf fer , 199 9:27 ] Sólidos Elementares Metais Não-Metálicos

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Exemplos de combinações

• M + NM: MgO, Al

₂

O

₃

,

BaTiO

₃

,

YBa

₂

Cu

₃

O

₇

...

• M + SENM: TiC, ZrB

₂

...

• SENM + SENM: SiC, B

₄

C

• SENM + NM: SiO

₂

, Si

₃

N

₄

[B ars oum, 199 7]

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Cerâmica Tradicional x Avançada

Cerâmica

Matérias-primas Estrutura Proprie-dades Processa-mento Aplicações

Tradicional (silicatos) naturais, minerais industriais (<98% pureza) não-uniforme, porosa mecânica, estética olaria, colagem, prensagem, extrusão, queima construção, produtos domésticos Avançada (alto de-sempenho, alta tecno-logia) produtos químicos industriais (>98% pureza) homogênea,

menos porosa elétrica,magnética, nuclear, ótica, mecânica, térmica, química, biológica prensagem isostática, moldagem por injeção, sinterização, ligação por reação eletrônica, estrutural, química, refratários

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Dosagem Aditivos Aditivos Reciclo Reciclo Moagem/ mistura a seco Moagem/ mistura a úmido Classificação Granulação Atomizaçã o Filtro-prensagem Mistura/deaeração

Prensagem Conformação _plástica Colage m

Secagem Secagem Secagem

Acabamento

superficial Acabamento superficial

Tratamento térmico

Acabamento superficial final

PROCESSSAMENTO DE MATERIAIS

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Características Gerais

Caracterizados pela dureza e rigidez.

Maior resistência ao calor e à corrosão que

metais e polímeros.

São menos densas que a maioria dos metais e

suas ligas.

Os materiais usados na produção das

cerâmicas são abundantes e mais

baratos.

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Exemplos de Materiais Cerâmicos

O termo cerâmico é empregado para designar certos objetos de arte

Para o ENGENHEIRO, os materiais cerâmicos abrangem substâncias naturais e sintéticas

• Vidro • Tijolos • Pedras • Concreto • Abrasivos

• Vidrados para porcelana

• Isolantes elétricos

• Materiais magnéticos não-metálicos

• Refratários para altas temperaturas

• etc.

Característica em comum: todos são constituídos por metais e não-metais.

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Exemplos de Materiais Cerâmicos

• O composto MgO – típico material cerâmico

É usado como refratário, pois pode suportar altas temperaturas (1650 a 2500 o_{C) sem se dissociar ou fundir.}

• A argila* – também material cerâmico

*São materiais constituídos por argilo-minerais e outro minerais acessórios finamente divididos, tais como quartzo e gipsita.

ex.: Al₂Si₂O₅(OH)₄ – forma uma unidade cristalina com quatro unidades diferentes:

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Fases Cerâmicas

• Os materiais cerâmicos contêm fases que são compostos de elementos metálicos e não metálicos.

• Existem muitas fases cerâmicas pois:

– São muitas as combinações possíveis de átomos metálicos e não-metálicos;

– Podem existir vários arranjos estruturais diferentes para a mesma combinação.

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Comparação entre as fases cerâmicas e não-cerâmicas

• A maior parte das fases cerâmicas, da mesma forma que os metais, são

cristalinas.

• Ao contrário dos metais, suas estruturas cristalinas não contêm um grande número de elétrons livres.

• Os elétrons estão sendo compartilhados por covalência ou são transferidos de

um átomo para outro, formando uma LIGAÇÃO IÔNICA.

• Essas ligações iônicas conferem aos materiais cerâmicos uma estabilidade relativamente alta.

– temperatura de fusão superior à dos metais e materiais orgânicos – Mais duros e mais resistentes à alteração química

– Os materiais cerâmicos sólidos são isolantes, como os materiais orgânicos. Em temperaturas elevadas, devido a maior energia térmica, conduzem corrente elétrica, porém de forma muito menos intensa que nos metais.

• Devido a ausência de elétrons livres, os materiais cerâmicos conduzem mal o calor.

Os átomos se tornam ionizáveis e transportam carga elétrica.

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Estrutura cristalina das fases cerâmicas

• As estruturas cristalinas dos materiais cerâmicos, comparados com as dos metais, são relativamente complexas.

• Muito embora cada fase cerâmica seja composta por mais de um tipo de átomo, a estrutura cristalina de cada fase pode acomodar

diferentes espécies de átomos.

Estrutura cristalina do NaCl

Números de coordenação para o MgO

O MgO tem a mesma estrutura

A estrutura satisfaz as exigências relativas ao tamanho dos íons e ao número de elétrons.

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Estruturas Cristalinas

• Materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons se dispõem em

relação à seus vizinhos.

• Material cristalino é aquele no qual os átomos

encontram-se ordenados sobre longas distâncias atômicas

formando uma estrutura tridimensional que se chama de rede

cristalina

• Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação

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Estruturas Cristalinas

Estrutura Cristalina – maneira segundo a qual

os átomos, íons ou moléculas estão arranjadas

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Profa Yêda Medeiros

Interações atômicas nos materiais cerâmicos

• As ligações atômicas nos sólidos cerâmicos são

uma conseqüência de reações interatômicas.

São três os conceitos elementares:

– de níveis de energia dos elétrons associados aos átomos individuais e de átomos nos sólidos

poliatômicos (balanço de cargas)

– os espaçamentos interatômicos

– a classificação dos tipos de ligação de acordo com a distribuição e a liberdade dos elétrons de valência, quando os átomos interagem.

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Estrutura cristalina dos materiais cerâmicos

estável estável Não estável

Figura: Configurações estáveis e não estáveis de coordenação ânion-cátion.

Representação: círculos abertos são ânions e círculos coloridos são cátions. • Presença de íons metálicos (cátions) e íons não-metálicos (ânions)

• Duas características dos componentes iônicos influenciam a estrutura cristalina:

– Magnitude da carga elétrica de cada íon – balanceamento de carga – define a fórmula química do composto

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Tabela: Números de

coordenação e geometrias para várias razões de raio iônico

Razão de raio iônico = r_c/r_a r_c = raio catiônico

r_a= raio aniônico

Os elementos metálicos (cátions) doam elétrons quando ionizados, portanto os cátions são bem menores que os ânions, consequentemente

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Cátion Raio iônico (nm) Ânion Raio iônico (nm) Al3+ _0,053 _Br- _0,196 Ba2+ _0,136 _Cl- _0,181 Ca2+ _0,100 _F- _0,133 Cs+ _0,170 _I- _0,220 Fe2+ _0,077 _O2- _0,140 Fe3+ _0,069 _S2- _0,184 K+ _0,138 Mg2+ _0,072 Mn2+ _0,067 Na+ _0,102 Ni2+ _0,069 Si4+ _0,040 Ti4+ _0,061

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Material Porcentagem de Cárater Iônico CaF₂ 89 MgO 73 NaCl 67 Al₂O₃ 63 SiO2 51 Si₃N₄ 30 ZnS 18 SiC 12

Porcentagem de Caráter Iônico das Ligações Interatômicas para Vários Materiais Cerâmicos

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Compostos de Empacotamento Fechado

• Compostos AX: presença de um cátion A e um ânion X por célula unitária

– ex.: Cloreto de Césio

• A continuação dessa estrutura

coloca um Cl- no centro de cada cubo de Cs+, assim como um Cs+ no centro de cada cubo de Cl-.

• Como o composto é altamente

iônico, a estrutura é governada pelo quociente de raios iônicos dando um NC de 8.

rc/ra= 1,65/1,81= ~0,9

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Outros compostos do tipo AX

• Estrutura cristalina mais comum;

• O NC é 6, visto que rc/ra esta situado entre 0,414 e 0,732;

• Outros materiais com estrutura semelhante são MgO, MnS, LiF e FeO.

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Outros exemplos de compostos AX

• MgO – óxido de magnésio, denominado periclásio • Razão de raios iônicos= 0,78/1,32= ~0,6

• Outros compostos que possuem a mesma estrutura: LiF, MnS, CaO e AgCl

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Compostos A

_m

X

_n

• Se as cargas dos cátions e dos

ânions não forem as mesmas, poderá existir um composto com fórmula química A_mX_p, onde m e/ou p#1.

• O mais simples com m ≠ n é o CaF₂. • Essa estrutura possui um arranjo cfc

de cátions com ânions ocupando todos os interstícios tetraédricos, dando para o cátion um NC de oito e para o ânion de quatro.

Estrutura da fluorita (CaF₂).

• Outros compostos que possuem a mesma estrutura:

UO₂ –usado nos elementos combustíveis nucleares

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Compostos AB

_m

X

_n • Estrutura mais complexa, porém muitas aplicações • BaTiO₃ – usados como aplicações em cabeça de toca- discos, capacitores

Estrutura do BaTiO₃ cúbico (Titanato de bário)

Essa estrutura é estável acima de 120 o_{C e possui um íon Ti}4+_{no centro do cubo,}

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Resumo de Algumas Estruturas Cerâmicas Comuns Nome da estrutura Tipo de Estrutura Empact. do ânion N0_de coord cátion N0_de coord ânion Exemplos

Sal-gema (NaCl) AX CFC 6 6 NaCl,MgO

Cloreto de césio AX Cúbica

simples 8 8 CsCl Blenda de zinco (esfarelita) AX CFC 4 4 ZnS, SiC Fluorita AX₂ Cúbica simples 8 8 CaF₂, UO₂