Cerâmicas - Estruturas-e-Propriedades-Materiais-para-Industria

ESTRUTURAS E PROPRIEDADES DAS CERÂMICAS Materiais para Indústria Existe em várias formas polimórficas assim como no estado amorfo Grafita Classificada como cerâmica Estrutura cristalina do diamante semelhante à blenda de zinco Fulerenos e Nanotubos de carbono Exemplos de nanotubos Junção em T de nanotubos Nanotubes como reforço compósitos reforçados com fibras Nanoengrenagens Diamante é um polimorfo metaestável Estrutura cristalina é uma variante da blenda de Zn Ligações covalentes Uso Pedras preciosas Para polir ou cortar materiais mais macios Filmes de diamante sintético em revestimento da superfície de perfuratriz matriz mancais lâminas aumentar a dureza superficial Propriedades físicas do diamante Extremamente duro Condutividade elétrica baixa Estrutura cristalina Fortes ligações covalentes interatômicas Condutividade térmica elevada para um material não metálico Opticamente transparente nas regiões do visível e do infravermelho Alto índice de refração Estrutura cristalina mais estável que a do diamante à Temperatura ambiente Propriedades Condutividade elétrica alta Elevada resistência Boa estabilidade química em altas temperaturas Estrutura Camadas de átomos de carbono em um arranjo hexagonal Ligação covalente entre os oxigênios planares Ligação de van der Waals entre as camadas Fácil clivagem interplanar Excelentes propriedades lubrificantes Uso Elemento de aquecimento em fornos elétricos Eletrodos para soldagem a arco Cadinhos metalúrgicos Moldes de fundição para ligas metálicas e cerâmicas Materiais refratários e isolantes de alta temperatura Tubeiras de foguetes Reatores químicos Contatos elétricos Eletrodos em baterias Dispositivo para purificação de ar Consiste em um aglomerado esférico oco com 60 átomos de Carbono Uma molécula é referida com o C60 descoberta em 1985 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 Eletricamente isolante mas com uma adição adequada de impurezas ele pode ser tornado altamente condutor e semicondutor É outra forma polimórfica descoberta em 1985 Defeitos pontuais atômicos Lacunas Existem nos materiais cerâmicos para cátions e ânions Intersticiais Existem para cátions e não são normalmente observados em ânios porque são relativamente maiores que os interstícios Cation Interstitial Cation Vacancy Anion Vacancy Interstícios no cátion Lacuna nos Cátions Lacuna nos ânions Defeito de Frenkel Par composto por uma lacuna catiônica e um cátion intersticial Defeito de Schottky Um par de lacuna catiônica e uma lacuna aniônica Concentração de equilíbrio do defeito Shottky Defect Frenkel Defect Defeito Frenkel Defeito Schottky eQD kT QD Energia para formação do defeito k constante de Boltzmann T temperatura em kelvin Ambos não alteram a estequiometria do composto Impurezas podem ser intersticiais ou substitucionais Impureza substitucional substituição de íon com carga elétrica semelhante Impureza intersticial o raio atômico da impureza deve ser pequeno em comparação ao do ânion Solubilidade de impurezas aumenta se os raios iônicos e as cargas da impureza e dos íons hospedeiros são semelhante A incorporação de uma impureza com carga elétrica diferente do íon hospedeiro gera defeitos pontuais A Eletroneutralidade balanço das cargas podem ser matidas quando as impurezas estão presentes Ex NaCl Impureza substitucional catiônica Impureza substitucional aniônica sem impureza Ca2 impureza com impureza Ca2 Na Na Ca2 Vacância catiônica Na Cl sem impureza O2 impureza O2 Cl Vacância aniônica Cl com impureza O sistema Al2O3Cr2O3 Diagrama de fase isomorfo Fase sólida Substitucional O sistema MgOAl2O3 Fase intermediária Composto espinélio MgAl2O4 72m Al2O3 28m MgO Dois eutéticos Temperatura 0C Composição m Al2O3 O sistema ZrO2CaO Dois eutetóides Fases de ZrO2 Cúbica Monoclínica Tetragonal Descreve a maneira como um material responde a aplicação de força carga e impacto Os materiais cerâmicos são Duros Resistentes ao desgaste Resistentes à corrosão Frágeis não sofrem deformação plástica As cerâmicas cristalinas ou não quase sempre fraturam antes de qualquer deformação plástica quando sob ação de uma carga de tração Formação e propagação da trinca em uma direção perpendicular a carga aplicada Na temperatura ambiente cerâmicas cristalinas e amorfas quase sempre se fraturam antes que qualquer deformação plástica possa ocorrer em resposta à aplicação de uma carga de tração Fratura frágil formação e propagação de trinca através da seção transversal de um material na direção perpendicular à da carga aplicada Em cerâmicas cristalinas o crescimento da trinca pode ser transgranular ou intergranular Fratura transgranular trincas se propagam ao longo de planos cristalográficos específicos clivagem estes planos apresentam alta massa atômica Os LRT medidos para os materiais cerâmicos são menores que os valores teóricos estimados a partir das forças de ligações intermoleculares existência de defeitos muito pequenos que servem como concentradores de tensão Estes concentradores de tensão podem ser trincas superficiais ou internas poros internos inclusões vértices de grãos não podem ser eliminados ou controlados Ex Umidade e impurezas da atmosfera podem introduzir trincas superficiais em fibras de vidro recém estirada afetando negativamente sua resistência Tenacidade à fratura medida da habilidade de um material cerâmico em resistir a fratura quando uma trinca está presente Valores de KIC são tipicamente menores que os dos metais Cálculo da tensão máxima na extremidade de uma trinca para o ensaio de flexão a Y KIC σ π 2 1 2 0 t m a ρ σ σ Existe uma variação ou dispersão na resistência a fratura entre amostras de um cerâmico frágil Este fenômeno pode ser explicado pela dependência da resistência à fratura em relação a probabilidade de existência de um defeito capaz de iniciar uma trinca Figura A distribuição de frequência observada para as resistências à fratura do nitreto de silício Esta probabilidade varia de amostra para outra de um mesmo material e depende Da técnica de fabricação E de qualquer tratamento subsequente O tamanho ou volume da amostra também influenciam a resistência à fratura Maior a amostra maior a probabilidade de existência de defeitos menor a resistência à fratura Comportamento tensãodeformação avaliados através de ensaio de flexão transversal Módulo de elasticidade dos cerâmicos entre 70 e 540 GPa São usados 3 pontos no ensaio F L2 L2 δ ponto médio de deflexão seção transversal R b d rect circ Determinação do módulo de elasticidade σ x Comportamento elasticolinear ε σ ε inclinação 3 3 4bd L E ε σ seção transversal ret 4 3 12 R L E π ε σ seção transversal circ Secção retangular Secção circular σ McI σ tensão M momento fletor máximo I momento de inércia da seção reta transversal c distância entre a linha neutra e a superfície do corpo de prova Teste de flexão de 3 pontos para medir a resistência à flexão Localização da tensão máxima Valores típicos Nitreto de Si Carbeto de Si Óxido de Al Vidro de cal de soda 2501000 100820 275700 69 304 345 393 69 Material σfs MPa EGPa 2 2 3 bd Ff L σfs ret circ R3 Ff L fs π σ Cerâmicas Cristalinas A deformação plástica ocorre pelo movimento de discordâncias Maior dureza e fragilidade dos cerâmicos se dá pela dificuldade do movimento das discordâncias Há poucos sistemas de escorregamento ao longo dos quais as discordâncias podem se mover Cerâmicas Cristalinas Para cerâmicas com caráter iônico o escorregamento em algumas direções aproxima íons com mesma carga havendo repulsão eletrostática entre eles Para cerâmicas com caráter covalente a limitação do escorregamento se dá porque as ligações covalentes são fortes existem números limitados de sistemas de escorregamento e as estruturas das discordâncias são complexas 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 A ruptura de materiais cerâmicos resulta de falhas estruturais Fissuras superficiais geradas no acabamento da peça poros reduzem resistência mecânica do material Prensagem do pó sinterização Porosidade residual Afeta propriedades elásticas e resistência MEV pós de óxido de alumínio compactado e sinterizado a 1700 0C Contorno de grão Poro Módulo de elasticidade diminui em função da fração volumétrica da porosidade P EE01 19P 09P2 Dados para o óxido de alumínio Resistência à flexão diminui em função da fração volumétrica da porosidade P σrf σ0expnP σ0 e n constantes experimentais Dados para o óxido de alumínio Nas cerâmicas refratárias O aumento da porosidade implica na 1 Redução da expansão e contração térmica sobre os ciclos térmicos 2 Melhor isolamento térmico 3 Melhor resistência ao choque térmico 4 Menor capacidade de suporte de carga e 5 Redução da resistência ao ataque por materiais corrosivos Medições precisas são difíceis de serem realizadas materiais frágeis susceptíveis ao trincamento pelos penetradores Tipos de durezas Rockwell e Brinell penetradores esféricos severo trincamento Vickers e Knoop penetradores piramidais Knoop cerâmicos mais frágeis