Estrutura e Propriedades dos Materiais

CERÂMICAS

Materiais Cerâmicos

As Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas.

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DEFINIÇÃO

Materiais Cerâmicos

Cerâmica vem da palavra grega keramus que

significa coisa queimada

Numa definição simplificada, materiais

cerâmicos são compostos de elementos

metálicos e não metálicos, com exceção do

carbono. Podem ser simples ou complexos.

Exemplos: SiO2( sílica), Al2O3 (alumina) ,

Mg3Si4O10(OH)2 (talco)

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CLASSIFICAÇÃO

Materiais Cerâmicos

Figura 1: Materiais cerâmicos: um dos três grandes grupos de materiais utilizados em engenharia.

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CLASSIFICAÇÃO

Materiais Cerâmicos

Convencionais

Estruturais

Vidros

Louças

Cimentos

Avançadas

Eletrônicos

Ópticos

Biomateriais

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CARACTERÍSTICAS GERAIS

Materiais Cerâmicos

Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços.

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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PROPRIEDADES TÉRMICAS

Materiais Cerâmicos

As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:

capacidade calorífica ( )

coeficiente de expansão térmica ( )

condutividade térmica

átomos

Ligação Química

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PROPRIEDADES TÉRMICAS

Materiais Cerâmicos

Material

Capacidade

calorífica (J/Kg.K)

Coeficiente linear de expansão térmica ((°C)-1x10-6)

Condutividade térmica (W/m.K)

Alumínio

900

23,6

247

Cobre

386

16,5

398

Alumina (Al2O3)

775

8,8

30,1

Sílica fundida (SiO2)

740

0,5

2,0

Vidro de cal de soda

840

9,0

1,7

Polietileno

2100

60-220

0,38

Poliestireno

1360

50-85

0,13

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PROPRIEDADES TÉRMICAS -Aplicação

Materiais Cerâmicos

Uma interessante aplicação, que leva em conta as propriedades térmicas das cerâmicas, é o seu uso na indústria aeroespacial.

Temperatura °C * Temperaturas de subida

Revestimento exterior

com fibra amorfas de

sílica de alta pureza.

Espessura: 1,27-8,89cm

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PROPRIEDADES ÓTICAS

Materiais Cerâmicos

Descreve a maneira com que um material se comporta quando exposto a luz. Assim, um material pode ser:

Transparente

Translúcido

Opaco

Dois mecanismos importantes da interação da luz com a partícula em um sólido são:

Polarização

Transição de elétrons entre diferentes níveis de

energia.

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PROPRIEDADES ÓTICAS

Materiais Cerâmicos

Polarização Distorção de uma nuvem de elétrons de um átomo por um campo elétrico.

Alinhamento de dipolos.

Absorção de energia (deformação elástica),

resultando em aquecimento

Propagação de ondas eletromagnéticas

(radiação eletromagnética)

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PROPRIEDADES ÓTICAS

Materiais Cerâmicos

Fotocondutividade Responsável pelas cores que observamos nos materiais

Banda de valência

Banda de condução

Luz visível Faixa de energia 1,8 a 3,1eV

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PROPRIEDADES ÓTICAS –Aplicação

Materiais Cerâmicos

Transparência – Janelas, lentes, artigos de

laboratório etc.

Conversão de luz em eletricidade – Laser,

eletrônica (LED’s).

Luminescência – Lâmpadas elétricas e telas de TV.

Reflexão – Fibras óticas (telefonia, TV a cabo etc).

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Materiais Cerâmicos

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)

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PROPRIEDADES MECÂNICAS –Aplicação

Materiais Cerâmicos

Componentes de motores de automóveis.

Ferramentas de corte.

Blindagem de veículos militares.

Estruturas de aeronaves.

Construções civis.

Abrasivos para polimentos.

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PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Materiais Cerâmicos

As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser:

isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2)

semicondutores: SiC, B4C

supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11

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PROCESSAMENTO

Materiais Cerâmicos

O processamento de materiais cerâmicos à base de argila é feito a partir da compactação de pós ou partículas e aquecimento à temperaturas apropriadas.

Principais etapas:

Preparação da matéria-prima Tamanho e pureza controlados

Moldagem (conformação) Hidroplástica ou fundição por suspensão

Secagem Eliminação de água ou ligantes

Sinterização Tratamento térmico

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PROCESSAMENTO DE VIDROS

Materiais Cerâmicos

Aquecimento das matérias-primas

Conformação

Prensagem Fabricação de peças com paredes

espessas Insuflação Pressão através da injeção de ar

Estiramento Conformação de lâminas, tubos, fibras etc.

Tratamento térmico

Recozimento

Têmpera de vidro

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OUTROS PROCESSAMENTOS

Materiais Cerâmicos

Prensagem do pó

Fabricação de argilosos, não-

argilosos. Cerâmicas eletrônicas.

Cerâmicas magnéticas.

Compactação através de pressão.

Grau de compactação X espaço

vazio (partículas)

Fundição em fita

Produção de substratos para circuito integrados

e capacitores. Lâminas delgadas são produzidas através de

fundição.

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PROCESSAMENTO - Prensagem do pó

Materiais Cerâmicos

Três procedimentos básicos

Uniaxial

Compactação do pó em molde metálico. Pressão aplicada em uma única direção

Isostático

Material pulverizado contido

em envelope de borracha.

Pressão feita por fluido aplicado

isostaticamente.

Prensagem a quente

Conformação e sinterização ao mesmo tempo. Temperatura e

pressão uniaxial.

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PROCESSAMENTO – Fundição em fita

Materiais Cerâmicos

A mistura passa por uma lâmina, a qual regula a espessura do filme, sendo derramada numa esteira rolante. O filme é seco em um forno e as lâminas são posteriormente separadas.

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Exemplos de aplicações das cerâmicas

Materiais Cerâmicos

Função eletro-eletrônica

Isolante elétrico Al2O3, BeO, SiC substrato

semicondutor SnO2, ZnO, Bi2O3 Sensores de gás

Condutividade elétrica SiC, MoSi2 Gerador de calor

Função térmica

Refratariedade Al2O3, SiC Fornos refratários

Isolamento térmico K2O, SiC, CaO Isolantes térmicos

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Exemplos de aplicações das cerâmicas

Materiais Cerâmicos

Função mecânica

Resistência ao desgaste Al2O3, ZrO2 Polimento e moagem

Usinabilidade Ferramentas de corte

Lubrificação MoSi2 Lubrificante sólido

Função óptica

Transparência Al2O3 Lâmpada de sódio

Condutividade SiO2 Fibra ótica

Al2O3, ZrO2, TiC, WC

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Exemplo fotocondução

Materiais Cerâmicos

Sistema para transmissão de informações, envolvendo um laser para gerar fótons de um sinal elétrico, fibras óticas para transmissão do feixe de fótons e um LED para a conversão dos fótons em sinal elétrico.

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Exemplo funcionamento laser

Materiais Cerâmicos

Exemplo de laser de estado sólido bombeado oticamente.

Estrutura e Propriedades dos Materiais

Exemplo célula solar

Materiais Cerâmicos

Exemplo de funcionamento de uma célula solar.

Estrutura e Propriedades dos Materiais

Exemplos propriedades mecânicas

Materiais Cerâmicos

Pistões e camisas

Peças automotivas

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Exemplos propriedades mecânicas

Materiais Cerâmicos

Lixas para polimento

Construção civil

Ferramentas de corte

Estrutura e Propriedades dos Materiais

Conformação de cerâmicos

Materiais Cerâmicos

Estrutura e Propriedades dos Materiais

Sinterização de cerâmicos

Materiais Cerâmicos

As partículas se ligam através de

pontos de contato. Grande números

de poros.

Formação de pescoço entre as partículas, o que

torna a peça mais densa.

Final: poros arredondados

com menor espaço entre

eles.

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Conformação de Vidros

Materiais Cerâmicos

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Conformação de Vidros

Materiais Cerâmicos

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Têmpera de Vidros

Materiais Cerâmicos

A finalidade da têmpera é estabelecer tensões elevadas de compressão nas zonas superficiais do vidro, e correspondentes altas tensões de tração no centro do mesmo. O vidro é colocado no forno, submetido a uma temperatura de aproximadamente 6000 C até atingir seu ponto ideal. Neste momento, recebe um resfriamento brusco, o que vai gera o estado de tensão citado.