2012 1_Aula 06 P&B_Ciência dos Materiais

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03/04/2012 
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Universidade de Brasília - UnB | Ciência dos Materiais | Prof. Claudio Henrique Pereira 
 
ENG AMBIENTAL – UnB 
Faculdade de Tecnologia 
Departamento de Engenharia Civil e Ambiental 
Aula 06 
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Tipos de Materiais: Cerâmicos 
Introdução: Materiais Cerâmicos 
 
• Podem ser definidos como sendo materiais 
formados por compostos de elementos 
metálicos (Al, Na, K, Mg, Ca, Si, etc) 
 e um dos cinco seguintes elementos não-
metálicos (O, S, N, C, P) 
 
– Unidos por ligações iônicas e/ou covalentes. 
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Tipos de ligações nos materiais 
cerâmicos 
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Materiais Cerâmicos 
• Exemplos típicos: 
 
–MgO 
• Relação 1:1 entre átomos metálicos (Mg) e não-metálicos 
(O). 
 
–Outros compostos cerâmicos simples: 
• Sílica (SiO2) e a Alumina (Al2O3); 
 
–Argila 
• Bem mais complexas que o MgO 
• Uma das argilas mais simples: Al4Si4O10 (OH)8. 
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Materiais Cerâmicos 
• Existem muitas fases cerâmicas 
 
– Muitas combinações possíveis de átomos metálicos 
e não-metálicos, além de existir vários arranjos 
estruturais diferentes 
 
• Os materiais cerâmicos mais frequentes são 
constituídos de óxidos, nitretos e carbetos 
 
– A maior parte das fases cerâmicas é cristalina, mas 
existem materiais com estruturas amorfas. 
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Materiais Cerâmicos 
• As fases cerâmicas têm propriedades e aspectos 
muito característicos e bem diferentes dos materiais 
metálicos e dos polímeros 
– Alta dureza, boa resistência mecânica, ruptura frágil, alta 
estabilidade química e térmica e baixas condutividades 
elétrica e térmica. 
 
• Materiais cerâmicos na engenharia 
– Argilas e rochas; 
– Tijolos, blocos e telhas cerâmicas; 
– Aglomerantes minerais; 
– Peças cerâmicas de revestimento; 
– Louças, vidros e materiais refratários. 
 
• Aplicações avançadas das cerâmicas finas. 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Ligações atômicas nesses materiais variam 
desde puramente iônicas até totalmente 
covalente 
 
– Muitas cerâmicas exibem uma combinação desses 
dois tipos de ligações; 
 
– Nível de caráter iônico dependente das 
eletronegatividades dos átomos. 
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Percentual de carater iônico das ligações 
químicas de alguns materiais cerãmicos 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Duas características dos íons que compõem os 
materiais cerâmicos cristalinos influenciam a 
estrutura do material: 
 
– Magnitude da carga elétrica de cada um dos íons 
componentes 
• Cristal deve ser eletricamente neutro. 
 
– Tamanho relativo dos cátions e dos ânions 
• Número de coordenação está relacionado à razão entre 
os raios dos cátions e dos ânions. 
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Configurações de coordenação 
ânion-cátion estáveis e instáveis 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Grande diversidade de fases cerâmicas 
existentes torna difícil a descrição completa 
das estruturas; 
 
• Classificação mais genérica 
– Estruturas simples ou comuns 
– Estruturas complexas 
• Atenção especial aos silicatos. 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Estruturas simples 
– Se restringem a combinações de arranjos iônicos 
cúbicos simples (CS), Cúbicos de faces centradas 
(CFC) e hexagonais compactos (HC) e de suas 
posições intersticiais 
• Normalmente os ânions ocupam as posições de 
referência e os cátions ocupam as posições intersticiais. 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Estruturas simples 
– Cúbicas de faces centradas (CFC)‏ 
• Cloreto de sodio (Na Cl), CaO, MgO, MnS, NiO, MnO, FeO 
e HFN; 
 
– Hexagonal compacta (HC)‏ 
• Compostos mistos de zinco: Wurzita (ZnS); 
• BeO. 
 
– Cúbico simples (CS)‏ 
• Fluorita (CaF2), ThO2, CeO2, UO2, ZrO2 e HfO2. 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Estruturas complexas 
– Maior parte dos materiais cerâmicos não exibe 
estruturas simples; 
– Askeland (1998) classifica esses arranjos mais 
complexos em quatro categorias: 
• Arranjos da perovsquita; 
• Arranjos do coridon; 
• Arranjos do espinélio; 
• Arranjos da grafita. 
 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Arranjos da perovsquita; 
– Encontrada em várias cerâmicas condutoras 
elétricas como o BaTiO3 e o SrTiO3; 
– Três diferentes íons estão presentes na célula 
unitária; 
– BaTIO3 
• Íons Bário localizados nos vértices de um cubo; 
• Íons oxigênio nas faces desse cubo; 
• Titânio ocupando posição central; 
– Distorções da célula unitária provocam a ocorrência 
de sinal elétrico. 
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Estrutura da Perovsquita BaTiO3 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Estrutura do Corídon 
– Estrutura hexagonal fortemente empacotada 
• Alumina (Al2O3) e em outras fontes cerâmicas como o 
Cr2O3 e o Fe2O3; 
– Alumina 
• Doze íons alumínio e dezoito íons oxigênio associados à 
celula unitária hexagonal; 
• Refratária, isolante elétrica e características abrasivas. 
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Parte da estrutura da célula unitária 
hexagonal - Corídon 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Estrutura do Espinélio 
– Consiste em uma célula unitária cúbica que pode 
ser vista como tendo oito cubos menores no seu 
interior; 
– Arranjo complexo e dificil de ser descrito; 
– Estrutura típica : MgAl2O4. 
– Outro exemplo: Fe3O4. 
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Parte da célula unitária do espinélio 
MgAl2O4 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Estrutura da Grafita 
– Uma das formas cristalinas do carbono; 
– Estrutura hexagonal em camadas; 
– Empregada como material refratário, lubrificante e 
fibra 
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Célula unitária hexagonal em camadas – Grafita 
Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Silicatos 
– Materiais compostos essencialmente por silício e 
oxigênio; 
– Estudo se justifica pela abundância desses 
materiais na natureza e seu amplo emprego como 
matéria-prima na construção civil; 
– Exemplo Clássico : Cimento Porrtland; 
– Outros exemplos: 
• Agregados, tijolos, telhas, vidros. 
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Composição química aproximada dos principais 
componentes em alguns silicatos cerâmicos 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Estrutura dos Silicatos 
– Ao invés de se caracterizarem as suas estruturas 
cristalinas em termos de células unitárias, é 
conveniente o emprego de vários arranjos de uma 
unidade funcional, o tetraédro SiO4; 
• Várias configurações estruturais existentes nos silicatos 
podendo variar: 
– Grau de polimerização e amplitude da participação do oxigênio 
entre os tetraédros. 
– Unidade fundamental – SiO4 
• Consiste em quatro íons oxigênio 
 nos vértices de um tetraedro 
regular rodeando o íon de 
 silício tetravalente. 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Estrutura dos Silicatos 
– Cada oxigênio na camada eletrônica mais externa 
possui sete elétrons ao invés de oito. Existem duas 
formas de suprir esta deficiência de elétrons: 
• Obter um elétron de outros átomos metálicos; 
– Arranjo de tetraédros isolados 
 
• Compartilhar um par de elétrons 
 com outro átomo de silício. 
– Unidades tetraédricas duplas; 
– Estruturas em cadeia; 
– Estrutura em rede; 
– Estruturas em camadas ou folhas; 
– Estruturas tridimensionais. 
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Estrutura Cristalina das Cerâmicas 
• Vidros e outras Cerâmicas não cristalinas 
 
– Silicatos não amorfos; 
– Tetraédros são unidos por ligações covalemtes para 
produzir uma rede tridimensional ao acaso, 
havendo carência de cristalinidade; 
– Maioria dos vidros possuem mais de um óxido em 
sua composição 
• Estrutura não tem limitações geométricas severas. 
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Propriedades dos Materiais 
Cerâmicos 
• Propriedades dos materiais cerâmicos 
dependem de suas estruturas; 
 
• Principais propriedades das cerâmicas: 
– Alta estabilidade térmica, boa resistência à 
compressão e ao cisalhamento, fratura do tipo 
frágil, baixa condutividade elétrica. 
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Propriedades dos Materiais 
Cerâmicos 
• Possuem estabilidade térmica relativamente 
alta 
– Ligações iônicas existentes 
 
• Temperatura de fusão superior à dos metais e 
polimeros; 
• Por não apresentarem elétrons livres, 
conduzem mal o calor; 
• Baixo coeficiente de dilatação térmica quando 
comparadas ao aço 
– Vidros 
• Menor dilatação térmica é explicado pelo baixo número 
de coordenação atômica. 28 
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Dilatação térmica de alguns 
materiais de construção 
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Propriedades dos Materiais 
Cerâmicos 
• Devido ao alto ponto de fusão são usados 
como refratários na construção de fornos e 
chaminés 
– Um dos mais usados é a Alumina (Al2O3)‏ 
• Temperatura de fusão de 2020°C 
– Grande interesse dos refratários de sílica 
• Resistentes ao ataque do óxido de ferro e das escórias 
ácidas – indústria de aços. 
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Propriedades dos Materiais 
Cerâmicos 
• Propriedades mecânicas resultam das várias 
combinações de ligações iônicas, covalentes e de 
Van der Walls que existem nas estruturas 
– Materiais cerâmicos mais resistentes e estáveis, 
geralmente, possuem estruturas tridimensionais, com 
ligações fortes nas três dimensões 
• Quartzo. 
 
• Cerâmicas apresentam boa resistência mecânica 
– Resistência à compressão e cisalhamento muito 
maiores que a resistência à tração; 
– Ruptura frágil, com baixa tenacidade de fratura. 
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Comparação dos mecanismos de escorregamento 
entre metais e cerâmicas 
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Propriedades dos Materiais 
Cerâmicos 
• Segundo Van Vlack, a ausência praticamente 
total de escorregamento nos materiais 
cerâmicos leva as seguintes consequências: 
 
– Não apresentam comportamento dúctil, ou seja, 
são frágeis; 
– Podem ser solicitados por tensões de compressão 
muito elevadas, desde que não tenha poros 
presentes; 
– Existe a possibilidade teórica de se ter um limite de 
resistência à tração elevado 
• Na prática, a resistência à tração não é alta, pois 
qualquer irregularidade interna (fissura, contorno de 
grão ou mesmo canto vivo) produz concentrações de 
tensões. 33 
Comparação de comportamento de 
materiais frágeis e ducteis 
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Propriedades dos Materiais 
Cerâmicos 
• Materiais cerâmicos são muito mais resistentes 
à compressão do que a tração 
 
– Característica deve ser levada em conta na seleção 
dos materiais de construção 
• Concreto, argamassa, tijolos e blocos cerâmicos são 
usados basicamente em locais sujeitos à compressão; 
• No caso do concreto armado usa-se barras de aço para 
os esforços de tração. 
• Vidro que requer uma certa resistência à tração 
– Aumento da espessura; 
– Vidro temperado. 
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Propriedades dos Materiais 
Cerâmicos 
• Materiais cerâmicos geralmente são duros 
– Apresentam pouca ou nenhuma deformação 
plástica; 
• Elevados níveis de energia de ligação entre os átomos, o 
que dificulta a mudança de posição relativa dos átomos 
e pela dificuldade de escorregamento de cristais. 
– Quando ocorre exceção a regra geral, isso está 
relacionado com defeitos e falhas na estrutura 
interna do material cerâmico ou a ocorrência de 
poros ou vazios estruturais. 
• Exemplo: Argilominerais 
– Estrutura em lamelas. 
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Propriedades dos Materiais 
Cerâmicos 
• Materiais cerâmicos apresentam alta 
resistência às alterações químicas 
– Ligações iônicas. 
 
• Materiais cerâmicos são conhecidos como 
isolantes elétricos 
– Possuem altas constantes dielétricas, apresentam 
reações piezelétricas e comportamento dielétrico; 
– Devido a imobilidade dos elétrons resultante das 
ligações iônicas e covalentes. 
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MATERIAIS CERÂMICOS 
Cerâmicas Avançadas 38 
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Cerâmicas Avançadas 
• Também conhecidas como cerâmica técnicas ou 
cerâmica fina; 
 
• Engloba uma classe de “novas cerâmicas” 
– Materias primas são artificiais; 
– Grande controle do processo; 
– Forte controle da microestrutura. 
 
• Apresentam características especiais como: 
 
 alta resistência mecânica, alta dureza e resistência à 
abrasão, alta durabilidade, alta resistência à temperatura, 
alto ponto de fusão, baixa dilatação térmica e elevada 
tenacidade, além de baixo peso. 39 
Cerâmicas Avançadas 
• Para atingir essas elevadas propriedades é 
processada com matérias-primas sintéticas e 
relativamente caras; 
 
• Os equipamentos de processo também são mais 
sofisticados e trabalham em condições críticas, 
do que as cerâmicas tradicionais; 
 
• Exemplos: Alumina, Zircônia, Nitreto de silício, 
Sialon, Nitreto de alumínio, Nitreto de Boro, 
Carbeto de silício, Carbeto de Boro. 
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Propriedades mecânicas de 
algumas cerâmicas avançadas 
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Cerâmicas Avançadas 
• Esse tipo de material encontra aplicação como 
componentes de automóveis, ferramentas de 
corte e abrasivas, materiais refratários, 
componentes de máquina sujeitas a altas 
temperaturas, queimadores de gases 
combustíveis, moldes para extrusão e fios 
elétricos e recipientes para fusão de metais 
como cadinhos e moldes. 
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