CAP.13 –MATERIAIS CERÂMICOS - fenix.tecnico.ulisboa.pt · MATERIAIS CERÂMICOS São materiais...
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13.3A.Simões2006
MATERIAIS CERÂMICOS
� São materiais inorgânicos não metálicos.� Constituídos por elementos metálicos e não-
metálicos, ligados quimicamente entre si.� Ligações: iónicas e/ou covalentes� Compostos simples a misturas de fases.� Cristalinos, não-cristalinos (vidros) ou mistos
13.4A.Simões2006
Cerâmicos - Propriedades
�Elevada temperatura de fusão / excelente resistência ao calor
�Elevadas dureza e resistência mecânica (mesmo a altas temperaturas)
�Baixa densidade
�Baixo coeficiente de atrito / boa resistência ao desgaste
�Baixa tenacidade e baixa ductilidade (fragilidade)
�Grande estabilidade química (fortes ligações químicas)
�Bons isolantes térmicos / eléctricos
�Tradicionais
�Cerâmicos
�Técnicos
13.5A.Simões2006
Cerâmicos Tradicionais
Obtidos a partir de misturas de: argila + sílica + feldspato
Aplicações: tijolos, telhas, louças, azulejos, sanitários, porcelana eléctrica…
13.6A.Simões2006
Cerâmicos Técnicos
Formados por compostos(quase) puros: Al2O3
SiCSi3N4
Ex: SiC em turbinas, Al2O3 em circuitos integrados (isolamento térmico)Refractários, Abrasivos, Cimentos, cerâmicos avançados
13.7A.Simões2006
Cerâmicos - Propriedades
Composto Tf (ºC)HfC 4150TiC 3120WC 2850MgO 2798SiC 2500B4C 2450Al 2O3 2050TiO2 1605
13.8A.Simões2006
Cerâmicos- Ligação química
Ligação química:
Composto Ligação XA - XB % iónico
MgO Mg – O 2,3 73Al2O3 Al – O 2,0 63SiO2 Si – O 1,7 51Si3N4 Si – N 1,2 30
Eq de Pauling:
% caracter iónico %)100)(e1( 4/))XX(( 2BA−−−=
13.9A.Simões2006
Cerâmicos – Estruturas iónicas
Empilhamento iónico:1. Tamanho relativo dos iões
(abordagem esferas rígidas)2. Equilíbrio de cargas electrostáticas
13.10A.Simões2006
Tamanho relativo dos iões:
Razão de raios = rcatião/ r anião
Razão de raios crítica (mínima)
Cerâmicos – Estruturas iónicas
13.11A.Simões2006
Cerâmicos – Estruturas iónicas
NC, número de coordenaçãoFaz aumentar estabilidade
Estudo: ex. 10.1, 10.2 Smith
13.12A.Simões2006
Cerâmicos – Estruturas iónicas
CsCl(Iónica)rc/ra = 0,94
Idêntico: Iónicos: CsBr
(Intermetálicos: AgMg, LiMg, AlNi…)
13.13A.Simões2006
Cerâmicos – Estruturas iónicas
NaCl(Iónica)rc/ra = 0,56
Também: MgO, CaO, NiO, FeO
13.14A.Simões2006
Posições intersticiais
Estruturas compactas (CFC e HC):
octaédricosInterstícios
tetraédricos
13.19A.Simões2006
Estrutura Espinela (AB2O4)
AB2O4 A: 2+B: 3+
O2-: rede CFCCatiões: interstícios octaédricos e tetraédricosEx: MgAl2O4
Fe3O4 (magnetite): FeO.Fe2O3
Fe2+: octaédricosFe3+: octaédricos e tetraédricos (50%-50%)
13.22A.Simões2006
Processamento de cerâmicos
Moagem, mistura…Conformação (prensagem ou extrusão)Tratamentos térmicos:
Secagem (< 100ºC)Sinterização (>1000ºC)
Sinterização: difusão no estado sólidocoalescenciaporosidade
13.24A.Simões2006
Cerâmicos Tradicionais
Argila (Al2O3.SiO2.H2O)
Sílica (SiO2)
Feldspato (K2O.Al2O3.6SiO2)
13.25A.Simões2006
Cerâmicos Técnicos
Óxidos, carbonetos, nitretos, quase puros
Al2O3:tubagens refractárias, cadinhos, isolante em velas de ignição…
Si3N4:Razoável resistência mecânica e tenacidade à fractura
SiC:Dureza elevada, inércia química, resistência à abrasão, excelente resistência à oxidação a altas temperaturas
ZrO2:Sujeita a fissuração; em geral estabilizada com CaO, MgO, Y2O3.
13.26A.Simões2006
Propriedades Eléctricas1. Constante dieléctrica
CVq =
d
AkC
dA
C
0
0
ε
ε
=
=
ε0: permitividade do vácuo (8,854 x 10-12 F/m)k: const dieléctrica do material
13.27A.Simões2006
Propriedades Eléctricas2. Resistência dieléctrica
Resistência dieléctrica: gradiente de V (campo eléctrico) ao qual ocorre passagem de corrente (máximo que pode suportar sem falha eléctrica)
Estearite: Talco-10%argilaFosterite: Mg2SiO4
13.28A.Simões2006
Materiais Piezoeléctricos
Momento dipolar=ΣQd
Temperatura de Curie ferroeléctrica
BaTiO3
13.29A.Simões2006
Materiais CerâmicosEfeito Piezoeléctrico
Piezoeléctrico: material dieléctrico com estrutura assimétrica, de modo que os centros de cargas positivas e negativas não coincidem. ⇒ sensibilidade da polarização àdistância do dipolo (pressão).Aplicações: sensores de pressão, sensores tácteis
13.31A.Simões2006
Vidros
Transparência
Dureza (T ambiente)
Resistência mecânica
Resistência à corrosão
Material cerâmico amorfoConstituintes aquecidos até à fusão + arrefecimento sem cristalização
13.32A.Simões2006
Vidros - Arrefecimento
Tg: temperatura de transição vítrea
Tg depende de velocidade de arrefecimento
13.34A.Simões2006
Vidros - composição
Óxidos de base: SiO2 ou B2O3
Óxidos modificadores da rede: Na2O, K2O, CaO, MgOÓxidos intermédios: Al2O3 (AlO4
2-)