MATERIAIS CERÂMICOS Biomateriais. Classificação dos materiais cerâmicos baseada na aplicação.
Comportamento elétrico dos cerâmicos
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Comportamento elétrico dos materiais cerâmicos – Condutividade
iônica
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Estudar o comportamento elétrico e iônico dos materiais cerâmicos
Ver exemplos das aplicações das cerâmicas
ionicamente condutoras.
Objetivos:
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Comportamento Elétrico das Cerâmicas
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Comportamento Elétrico das Cerâmicas
EXISTE UMA GRANDE DIVERSIDADE DOS MATERIAIS CERÂMICOS :
Maioria são Isolantes; Alguns são semi-condutores;
Poucos são condutores.
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Condutividade Elétrica ( )
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Condutividade Elétrica ( )
É determinada pelo número de transportadores de cargas (“n”), carga
transportada por cada carregador (“q”) e a mobilidade das espécies transportadoras
(“”), ou “carregadores”.
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Condutores Elétricos
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Condutores Elétricos
A maioria dos metais, alguns cerâmicos e poucos polímeros (orgânicos) recaem na categoria de CONDUTORES ELÉTRICOS.
A maioria dos materiais CERÂMICOS são
ISOLANTES ELÉTRICOS, bem como os
materiais poliméricos.
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Condutores Elétricos
Alguns materiais cerâmicos apresentam comportamento intermediário e possuem um
nível moderado de condutividade e são chamados de
SEMI-CONDUTORES.A maioria deles são CERÂMICAS
COVALENTES
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Condutores ElétricosMaterial Resistividade (ohm.cm)
Condutor metálicoCobre 1,7 . 10-6
Ferro 10 . 10-6
Tungstênio 5,5 . 10-6
Semi-condutoresSiC 10B4C 0Ge 40Fe3O4 10-2
IsolantesSiO2 > 1014
Porcelana (Steatita) > 1014
Al2O3 > 1014
Si3N4 > 1014
Teflon 1016
Nylon 1014
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Condutividade Eletrônica
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Condutividade Eletrônica
Banda de energia está vazia ou cheia a condutividade eletrônica é ZERO.
Banda parcialmente preenchida é chamada
de BANDA DE CONDUÇÃO.
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Condutividade Eletrônica
Acontece predominantemente nos metais onde os transportadores são elétrons que se movem através da BANDA DE CONDUÇÃO.
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Condutividade Eletrônica
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Excitação de um elétron (por um campo elétrico pex.) para a banda de condução
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Condutividade Eletrônica
A condutividade eletrônica também aparece em alguns cerâmicos óxidos de metais de
transição (ReO3, CrO
2, TiO e VO) que
possuem uma superposição de orbitais incompletos “d” e “ f” formando a banda de
condução.
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Condutividade Eletrônica
Nos isolantes e semi-condutores existe um “GAP” de energia entre a camada mais
externa preeenchida por elétrons (BANDA DE VALÊNCIA COMPLETA) e banda vazia adjacente (BANDA DE CONDUÇÃO).
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Condutividade Eletrônica
Nesses materiais esse “GAP” impede o fluxo de elétrons entre a banda de valência e
de condução, não havendo condução eletrônica.
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Condutividade Eletrônica
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Para um isolante ou mesmo um semicondutor a energia
necessária para excitar um elétron é muito grande normalmente vindo de calor ou luz
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Condutividade Eletrônica
ISOLANTES: O “GAP” é muito grande e os elétrons não saltam.
SEMI-CONDUTORES: O “GAP” é pequeno e
os elétrons podem saltar em alta temperatura
e alta voltagem.
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Condutividade Eletrônica
SEMI-CONDUTORES: São materiais covalentes em geral do grupo IV (Si, Ge) e compostos formados
entre os grupos III e V (GaAs, PbTe, PbS).
Para serem úteis em temperatura ambiente devem
ser DOPADOS (Resistividade entre 10-2 e 102 .cm).
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Condutividade Eletrônica
SEMI-CONDUTOR tipo p
Adicionando-se Al3+ ao Si4+ onde cada íon de
alumínio contém uma valência a menos
quando substitui o silício.Como possuem raios atômicos
semelhantes, grande quantidade de alumínio
pode substituir o silício gerando um vazio
eletrônico equivalente a uma carga positiva.
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Condutividade Eletrônica
SEMI-CONDUTOR tipo n
Adicionando-se P5+ ao Si4+ resulta em um
elétron extra que fica livre para a condução.
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Condutividade Eletrônica
– Exemplos:
– MOSFET
– IGFET
• O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ou transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico. A palavra "metal" no nome é um anacronismo vindo dos primeiros chips, onde as comportas (gates) eram de metal. Os chips modernos usam comportas de polisilício, mas ainda são chamados de MOSFETs. Um MOSFET é composto de um canal de material semicondutor de tipo N ou de tipo P e é chamado respectivamente de NMOSFET ou PMOSFET. Geralmente o semicondutor escolhido é o silício, mas alguns fabricantes, principalmente a IBM, começaram a usar uma mistura de silício e germânio (SiGe) nos canais dos MOSFETs. Infelizmente muitos semicondutores com melhores propriedades elétricas do que o silício, tais como o arsenieto de gálio, não formam bons óxidos nas comportas e portanto não são adequados para os MOSFETs. O IGFET é um termo relacionado que significa Insulated-Gate Field Effect Transistor, e é quase sinônimo de MOSFET, embora ele possa se referir a um FET com comporta isolada por um isolante não óxido.
• O terminal de comporta é uma camada de polisilício (silício policristalino) colocada sobre o canal, mas separada do canal por uma fina camada de dióxido de silício isolante.
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Condutividade Eletrônica
– Diodos de
Junção
• Idealmente o díodo comporta-se como um condutor de sentido único:a corrente só pode fluir do ânodo para o cátodo, mas o fluxo de corrente é controlado pela tensão aplicada aos seus terminais
• Os díodos são fabricados com material semicondutor. Tipicamente utiliza-se o silício, embora também se possa utilizar o germânio
• Exemplos de circuitos com díodos:• • Circuitos retificadores• • Circuitos limitadores de tensão• Resultam da junção de silício do tipo-P (silício dopado com
impurezas tri-valentes) com silício do tipo-N (silício dopado com impurezas penta-valentes)
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Aplicação dos semicondutores cerâmicos em lâmpadas de LED – Light Emitting Diode
Os LEDs consistem de chips de material semicondutor dopado com impurezas para criar uma junção p-n (diodo). A corrente flui do lado p (anodo) para o lado n (catodo). Elétrons (-) e buracos (+) fluem para a junção com diferentes voltagens (elétrons viajam pela banda de condução e buracos pela banda de valência). Quando um elétron encontra um buraco emite energia na forma de um fóton.
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O comprimento de onda da luz emitida, e portanto sua cor, dependem da energia do GAP entre a banda de valência e a de condução
![Page 31: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/31.jpg)
Condutividade Eletrônica
CONCEITO DE ISOLANTE:
Quando a cerâmica não possui elétrons para
a condução (último nível eletrônico está
completo) e um “GAP” muito grande entre a
banda completa e a vazia e tampouco possui
defeitos suficientes (vazios) para possuir
condutividade iônica.
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Condutividade Eletrônica
ISOLANTE:
A elevação da temperatura, bem como a
elevação da quantidade de vazios diminui a
resistividade.
![Page 33: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/33.jpg)
Condutividade Eletrônica
ISOLANTE:
Aplicações: isoladores de componentes e
de circuitos elétricos.Como isolantes polarizáveis para
capacitores como: BaTiO3, Al
2O
3, TiO
2
![Page 34: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/34.jpg)
As várias estruturas em forma de bandas possíveis em sólidos
![Page 35: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/35.jpg)
Condutividade Eletrônica
Influência da temperatura:
Com a elevação da temperatura a
condutividade diminui (aumenta a
resistividade), pois com o aumento da
vibração térmica, aumenta o número de
choques entre as partículas. Impurezas e deformações a frio tem efeito
similar.
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Condutividade Iônica
![Page 37: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/37.jpg)
Condutividade Iônica
O transportador da carga elétrica é o ÍON
Em geral ocorre nas CERÂMICAS LIGADAS
IONICAMENTE.
![Page 38: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/38.jpg)
Condutividade Iônica
Os íons estão presos pela rede cristalina e pelas ligações químicas e para moverem-se
necessitam de:
ALTA TEMPERATURA (alta vibração térmica
e defeitos)DEFEITOS DE PONTO (interstícios vazios e
vazios na rede)
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Condutividade Iônica
![Page 40: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/40.jpg)
Condutividade Iônica
![Page 41: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/41.jpg)
Condutividade Iônica
Controla-se a condutividade iônica pela adição de íons de tamanho semelhante mas valências diferentes (por exemplo Y+3-Itrio ou Sc+3 -escandio) para criar novos defeitos (vazios) do ion que se quer conduzir.
![Page 42: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/42.jpg)
Condutividade Iônica
Por exemplo a adição de CaO em ZrO2.
Onde um íon Ca+2 substitui um íon Zr+4 e
gera um VAZIO de oxigênio.Com isso os oxigênios podem mover-se em
temperaturas baixas quando um campo
elétrico é aplicado.
![Page 43: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/43.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
![Page 44: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/44.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio: consistem de um tubo de ZrO
2 dopado com CaO e um eletrodo
de platina porosa fora e dentro do tubo.
A pressão de oxigênio interna do sensor
(pO2) é conhecida e a externa não.
![Page 45: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/45.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio são baseados na equação
Onde E= força eletromotriz, F= cte. de
Faraday, R=cte. Universal dos Gases,
T=temperatura absoluta e pO2 e pO
2' = as
pressões em lados opostos da membrana de
ZrO2.
E=RT4F
⋅ln pO2
pO2 '
![Page 46: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/46.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio
Se pO2 = pO
2' então E = 0
Se pO2 ≠ pO
2' então E ≠ 0, quanto maior a
diferença entre as pressões maior a voltagem
medida.
![Page 47: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/47.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio
Opera em T>600ºC.Aplicações:
Medidores de nível de impurezas (O2) em
cilindros de gases inertesMedida de teores de oxigênio em
processamento de alimentos e embalagens a
vácuo.
![Page 48: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/48.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio para automóveis
Utilizados para reduzir o consumo de
combustível e emissões poluidoras
(combustão completa).
As concentrações de O2, CO, NOx e
hidrocarbonetos no gás de exaustão são
funções da razão AR/COMBUSTÍVEL da
mistura.
![Page 49: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/49.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio para automóveis
O controle de emissão ótimo ocorre para uma
razão de AR/COMBUSTÍVEL de
aproximadamente 15, que é a razão
estequiométrica.
![Page 50: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/50.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
![Page 51: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/51.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Bombas extratoras de oxigênio
Utiliza uma diferença de potencial aplicado
para forçar os íons de oxigênio a se moverem
por uma membrana de ZrO2 dopado e recoberto
com platina porosa. O O2 entra em contato com
o eletrodo poroso e recebe 4 e- para formar
íons O2-.
![Page 52: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/52.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Bombas extratoras de oxigênio
Pode obter oxigênio com uma pureza de
99,999%; (Célula de Concentração de Oxigênio)Pode ser removido de outro gás como na
purificação final do Nitrogênio ou Argônio.
(Célula de Extração do Oxigênio)Controle das pressões parciais em misturas
de gases.
![Page 53: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/53.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
![Page 54: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/54.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Purificação de Efluentes Gasosos
Utilizando uma célula de eletrolítica de zircônia
sólida são decompostos os SOx (SO2, SO
3) e os
NOx (NO2, NO
3).
![Page 55: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/55.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Purificação de Efluentes Gasosos
SOx (SO2, SO
3) e os NOx (NO
2, NO
3) são
compostos nocivos ao meio ambiente.
![Page 56: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/56.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Purificação de Efluentes Gasosos
Em uma determinada temperatura e voltagem as
moléculas se decompõem em íons.Os íons de oxigênio são separados das
moléculas conduzidos ionicamente pela
membrana de ZrO2.
![Page 57: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/57.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Células de Combustível de Óxidos sólidos
Operada em temperaturas entre 900 e 1000ºC.
Grande diferenças de pressão de oxigênio entre o lado
externo (ar - alta) e lado interno (combustível - baixa) da
membrana de ZrO2 dopada.
Os íons de oxigênio difundem pela membrana, deixando
elétrons do lado de fora, e combinam-se com o
hidrogênio do combustível, do outro lado da menbrana.
![Page 58: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/58.jpg)
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
– Células de Combustível de Óxidos sólidos
– Possuem eficiência
próxima a 80%, contra
25 a 35% dos motores
de combustão interna.
![Page 59: Comportamento elétrico dos cerâmicos](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061519/557202444979599169a33d68/html5/thumbnails/59.jpg)
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