Materiais Cerâmicos: Propriedades e Evolução

ESTO00617SBC Materiais e suas Propriedades Aula Estruturas Cerâmicas Centro de Engenharia Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas CECS Profa Dra Christiane Ribeiro Histórico Materiais Cerâmicos Cerâmicos a combinação mais perfeita de elementos terra água ar fogo Keramos artefato de barro queimado funcionalidade Evolução humana e as cerâmicas Primórdios cerâmicos Vaso de 2500 AC Ponta de sílex Evolução humana e as cerâmicas Cerâmica tradicional Cerâmica avançada Flexiramic Gerard Cadafalch Universidade de TwenteHolanda 2016 httpsengenheirodemateriaiscombr2 0160316ceramicaflexivelcomo papelsetornarealidade Cerâmicos a origem no Brasil Prato cerâmico marajoara Escavação arqueológica na ilha de Marajó Classificação das cerâmicas baseada na aplicação Cerâmica Tradicional Ex Cerâmica vermelha cerâmica branca materiais de revestimento e refratários materiais à base de argilas Al2O3 SiO2 H2O sílica SiO2 e feldspato K2O Al2O3 6 SiO2 Telhas e tijolos são fabricados a partir de argila natural que contém os três componentes básicos Cerâmica branca os três componentes básicos apresentam composição controlada sendo que a argila contém baixo teor de ferro Refratários à base de argila refratária e magnesita Cerâmica de Alta Tecnologia Cerâmica Avançada ou de Alto Desempenho Classificadas por função estrutural eletroeletrônica térmica química nuclear etc ou por tipo de material óxidos carbetos nitretos etc Em um grande número de aplicações são utilizados materiais à base de óxidos de alumínio e de zircônio carbetos e nitretos de silício Cerâmica definição atualizada Barsoum1997 Materiais cerâmicos são compostos sólidos formados pela aplicação de calor algumas vezes calor e pressão que podem ser constituídos por metais M não metais NM ou elementos intermediários I Exs M NM MgO Al2O3 BaTiO3 M I TiC I NM SiO2 Si3N4 I I SiC B4C Estrutura Atômica Desde puramente iônica até totalmente covalente caráter iônico depende da eletronegatividade dos átomos Estrutura atômica caráter iônico Exemplo SiC XSi 18 e XC 25 Onde X eletronegatividade Ligação Iônica Estrutura Cristalina Configurações de coordenação ânioncátion Neutralidade de carga Fórmula geral f Tamanho relativo rcra 1 e Magnitude da carga elétrica Influência das Características dos cátions e ânions FATORES QUE DETERMINAM O TIPO DE ESTRUTURA CRISTALINA 1 Estequiometria do cristal Fórmula química do composto que reflete a neutralidade elétrica das cargas dos íons impõe limitações no tipo de estrutura que os íons podem assumir MX MX2 M2X M2X3 ABX3 AB2X4 2 Razão entre raios cátionânion Determina o número de coordenação número de ânions cátions ao redor do cátion ânion Fatores que determinam o tipo de estrutura Estrutura cristalina cerâmica Obedecem às estruturas descritas pelas redes de Bravais Ânions por serem maiores ocupam posições da rede Cátions por serem menores ocupam posições intersticiais Sítios octaédricos Sítios tetraédricos Os círculos indicados por O representam os centros dos interstícios octaédricos no arranjo CFC dos ânions Os círculos indicados por T representam os centros dos interstícios tetraédricos no arranjo CFC dos ânions Estruturas Cristalinas Cerâmicas Principais tipos de estruturas cerâmicas Estrutura cerâmica do tipo AX Sal gema Estrutura cerâmica do tipo AX Ânions no vértice e cátion no centro do cubo Intercâmbio de ânions e cátions produz a mesma estrutura cristalina Não é CCC pois estão envolvidos íons de duas espécies diferentes Estrutura cerâmica do tipo AX Blenda de zinco ou esfalerita Número de coordenação é 4 isto é todos os átomos estão coordenados tetraedricamente Todos os vértices e posições faciais da célula cúbica estão ocupados por átomos de S Enquanto os átomos de Zn preenchem posições tetraédricas interiores Ocorre um estrutura equivalente se as posições dos átomos de Zn e de S forem invertidas Compostos ZnS SiC ZnTe Estrutura cerâmica do tipo AX2 Os íons cálcio estão posicionados nos centros de cubos com os íons flúor localizados no vértice A fórmula química mostra que para um determinado número de íons F existe apenas metade de íons Ca2 e portanto a estrutura cristalina seria semelhante àquela apresentada pelo CsCl NC 8 Mesma estrutura UO2 PuO2 e o ThO2 Estrutura cerâmica do tipo ABX3 Estrutura cristalina cúbica tipo CFC Resumo das Estruturas Cristalinas mais Comuns Nome da estrutura Tipo de Estrutura Compactação do ânion Exemplos SalGema AX CFC NaCl MgO Cloreto de Césio AX CS CsCl Blenda de Zn esfalerita AX CFC ZnS SiC Fluorita AX2 CS CaF2 UO2 Perovskita ABX3 CFC BaTiO3 Determinação da relação rcationranion NC 3 Vértice de um triângulo Solução Ar AP C A r r AO 2 3 cos30 o C A A r r r AO AP cos AO AP B A C O P rCrA 0155 Determinação da relação rcationranion NC 6 Determinação da relação rcationranionNC 6 Vértice de um octaédro Cálculo da densidade para materiais cerâmicos n número de unidades da fórmula dentro da célula unitária ΣAc soma do peso atômico de todos os cátions da célula gmol ΣAA soma do peso atômico de todos os ânions da célula gmol Vc volume da célula unitária NA número de Avogadro 602 x 1023unidades da fórmula mol Exemplo cálculo de densidade em cerâmicas Cálculo do fator de empacotamento iônico do CsCl ESTRUTURA CRISTALINA DE CERÂMICAS CERÂMICAS IÔNICAS A maioria das estruturas iônicas é densamente empacotada íons podem ser aproximados pelo modelo de esferas rígidas Em relação às propriedades Apresentam baixa condutividade elétrica a baixa temperatura e condutividade iônica a alta temperatura Compostos com íons monovalentes dos grupos IA Li Na K e VIIA F Cl Br como NaCl e LiF são fortemente iônicos mas apresentam valores de resistência mecânica temperatura de fusão e dureza relativamente baixos quando comparados com os demais materiais cerâmicos Suas estruturas não são densamente empacotadas Átomos de eletronegatividade intermediária C N S Ge Te formam estruturas com caráter fortemente covalente Em relação às propriedades As cerâmicas covalentes usualmente apresentam alta resistência mecânica dureza e temperatura de fusão devido às suas fortes ligações interatômicas Apresentam baixos valores de coeficiente de expansão térmica devido às suas estruturas abertas Apresentam baixa condutividade elétrica a baixa temperatura ESTRUTURA CRISTALINA DE CERÂMICAS CERÂMICAS COVALENTES IMPLICAÇÕES DO CARÁTER IÔNICO COVALENTE Propriedades O coeficiente de expansão térmica de um sólido varia inversamente com sua energia de ligação ou temperatura de fusão Em geral as cerâmicas apresentam valores de coeficiente de expansão térmica CET menor do que os dos metais O CET aumenta com o aumento da temperatura Assim é importante especificar a faixa de temperatura na qual o CET é medido As cerâmicas covalentes como SiC e Si3N4 apresentam menores valores de CET do que as cerâmicas iônicas densamente empacotadas como NaCl e MgO pois as suas estruturas mais abertas possibilitam acomodar as vibrações dos átomos pela mudança dos ângulos de ligação Propriedades Gerais dos Materiais Cerâmicos Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão São geralmente isolantes elétricos embora possam existir materiais cerâmicos semicondutores condutores e até mesmo supercondutores estes dois últimos em faixas específicas de temperatura São quimicamente estáveis sob condições ambientais severas Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis Se destacam pelo comportamento mecânico de alta resistência a compressão Vidros O vidro apresenta estrutura não cristalina amorfa moléculas não estão dispostas em ordem repetitiva ou regular a longa distância A estrutura amorfa ocorre pela adição de óxidos modificadores de rede CaO Na2O K2O e MgO Cerâmicas a base de silicatos Elementos mais abundantes na crosta terrestre Si e O TiO2 e Al2O3 substituem o Si tornando parte da rede estabilizandoa são chamados de intermediários Adição de óxidos nos vidros intuito de reduzir aTF e a viscosidade tornando mais fácil sua conformação a T mais baixas Catedral de Nowich Cerâmicas a base de silicatos Silicatos em camadas caolinita talcoMg3Si2O52OH2 micas KAl3Si3O10OH2 3 átomos de O são compartilhados Lâminas ligadas por van der Waals porém suas ligações internas são fortes forsterita aquermanita Mineral argiloso mais comum caolinita Composições dos vidros Vidro de sílica fundida 995 SiO2 em massa Baixo coeficiente de expansão boa resistência ao choque térmico e pequena deterioração Elevada temperatura de fusão processamento difícil e de custo elevado Utilizado em janelas de veículos espaciais sistemas ópticos e dispositivos espectrofotométricos Vycor 96SiO2 e 4 de B2O3 B2O3 diminui a temperatura de amolecimento e a expansão térmica Resistente a choque térmico e ataque químico Usado em vidrarias de laboratório Vidro sódicocálcico Composição básica 71 a 73 de SiO2 12 a 14 de Na2O 10 a 12 de CaO 1 a 4 de MgO evita desvitrificação 05 a 15 Al2O3aumenta durabilidade Na2O e CaO diminuem o pto de amolecimento de 1600 para cerca de 730oC Representa 90 da produção de vidros É usado na produção de vidros planos recipientes e produtos para iluminação em que não se exige grande resistência química e ao calor Facilidade de processamento prensagem e sopragem e boa durabilidade Vidros borosilicato vidro Pirex 81 SiO2 35 NaO2 25 Al2O3 13 B2O3 Substituição dos óxidos alcalinos por óxido de boro vidro com menor expansão térmica e menor temperatura de amolecimento Apresenta boa resistência a choques térmicos e a ataques químicos É usado em vidraria para laboratório Vidros de chumbo cristais 54 SiO2 1 NaO2 37 PbO 8 K2O O óxido de chumbo atua como modificador de rede da sílica Apresentam menor temperatura de fusão vidros de selagem Apresentam elevado índice de refração lentes óticas Composições dos vidros Materiais cristalinos X vítreos Materiais cristalinos Cristalizamse na temperatura de fusão Tf com diminuição signiticativa de volume específico Vidros O líquido tornase viscoso com a diminuição de temperatura passando de um estado pastoso facilmente deformável para o estado sólido amorfo Esta transição ocorre na temperatura de transição vítrea Tg dada pela intersecção das duas curvas de diferentes inclinações Volume específico 1 vs temperatura T Materiais cristalinos X vítreos Materiais cristalinos Cristalizamse na temperatura de fusão Tf com diminuição signiticativa de volume específico Vidros O líquido tornase viscoso com a diminuição de temperatura passando de um estado pastoso facilmente deformável para o estado sólido amorfo Esta transição ocorre na temperatura de transição vítrea Tg dada pela intersecção das duas curvas de diferentes inclinações Volume específico 1 vs temperatura T Vidro efeitos da temperatura na viscosidade Ponto de fusãotemperatura na qual o vidro é suficientemente fluido para ser considerado um líquido Viscosidade 102poises Ponto de trabalhotemperatura de fabricação dos vidros Viscosidade 104poises Ponto de amolecimentotemperatura máxima em que o vidro pode ser manuseado sem provocar alterações dimensionais signiticativas Viscosidade 107 poises Ponto de recozimentotemperatura para alívio das tensões internas do vidro tempo de 15min Viscosidade 1013 poises Ponto de deformaçãoabaixo desta temperatura o vidro é rígido e a relaxação das tensões ocorre em uma velocidade muito lenta Viscosidade 1014 poises Temperatura de transição vítrea sólido amorfo Pontos de referência TEMPERATURA 1P poise 1dinescm2 01 Pas Viscosidade diminui com aumento da temperatura Impurezas diminuem Tdeform Vidro efeitos da temperatura na viscosidade Tratamento térmico nos vidros Recozimento Elimina tensões internas provocadas por resfriamento rápido A peça é aquecida até o ponto de recozimento e então resfriada lentamente até a temperatura ambiente Têmpera Melhora da resistência mecânica pela introdução intencional de tensões residuais de superfície de natureza compressiva o vidro é aquecido acima da Tg porém abaixo do ponto de amolecimento e resfriado jato de ar ou banho de óleo Vitrocerâmicas Material policristalino obtido a partir de vidros inorgânicos não cristalinos mediante tratamento térmico a alta temperatura processo de devitrificação Agente de nucleação ex óxido de titânio Características baixo coeficiente de expansão térmica resistência mecânica e condutividade térmica relativamente elevadas Podem ser transparentes ou opacos Aplicações louças para fornos boca para fogão a gás placas aquecedoras Cimentos Cimento Portland Material produzido pela moagem e mistura de argilas e minerais que contém cal e posterior aquecimento a 1400oC em forno rotativo O produto resultante clinquer é submetido á moagem e adição de gesso CaSO42H2O para retardar o processo de enrijecimento pega após hidratação Patenteado em 1824 por um construtor inglês Joseph Aspdin O nome Portland é decorrente da semelhança deste material com as rochas desta península Técnicas de Fabricação dos Materiais Cerâmicos Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de Conformação Extrusão Prensagem Uniaxial Torneamento Prensagem Isostática Colagem com barbotina Fabricação de Materiais Cerâmicos Métodos de Conformação Prensagem simples pisos e azulejos Prensagem isostática vela do carro Extrusão tubos e capilares tijolos baianos Injeçãopequenas peças com formas complexas e rotor de turbinas Colagem de barbotina sanitários pias vasos artesanato Torneamento xícaras e pratos PROCESSAMENTO DOS MATERIAIS CERÂMICOS Após a conformação ocorrem os seguintes fenômenos durante a queima Eliminação do material orgânico dispersantes ligantes material orgânico nas argilas Decomposição e formação de novas fases de acordo com o diagrama de fases Sinterização eliminação da porosidade e densificação Aumento da densidade e da resistência mecânica devido à combinação dos fatores acima Sinterização durante a queima O potencial para a sinterização é a diminuição da quantidade de superfície por unidade de volume O transporte de massa ocorre por difusão Representação esquemática de etapas processo de sinterização Formação do pescoço alumina sinterizada 1 3 2 4 Sistema de isolamento térmico em ônibus espacial Aplicações dos Materiais cerâmicos Características gerais das cerâmicas Inércia química estabilidade térmica resistência a corrosão e ao desgaste refratariedade alta dureza resistência a compressão cristalização mais difícil materiais normalmente frágeis diversidade de aplicações Fixando Exercício Cátion Al 3 Fe 2 Fe 3 Ca 2 Ânion O 2 Cl F Raio iônico nm 0053 0077 0069 0100 0140 0181 0133 Qual o número de coordenação e a geometria para o composto iônico FeO 0 550 0140 0 077 ânion cátion r r Este valor se encontra entre 0414 e 0732 e portanto o FeO possui NC de 6 e uma estrutura cristalina do tipo AX Resposta OBRIGADA PELA ATENÇÃO Cap12 Estruturas e propriedades das cerâmicas Callister Jr WD Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução Rio de Janeiro LTC 2008 Material de apoio disponibilizado pela docente Sugestão de leitura