Filipe SoderoLucas FariaThiago DonatoRafael SoaresNathlia NevesCincia dos Materiais ICermicosProf: Ricardo LealVOLTA REDONDA2014POLO UNIVERSITRIO DE VOLTA REDONDAESCOLA DE ENGENHARIA INDUSTRIAL METALRGICA DE VOLTA REDONDAndice:

1. O que so2. Estrutura cristalina3. Propriedades4. Transformao de fase5. Tratamentos trmicos6. Onde so usados7. Concluso8. Bibliografia

1 - O que soO termo cermica vem da palavra grega keramitos, que significa matria prima queimada, indicando que as propriedades desejveis desses materiais so normalmente atingidas atravs de um processo de tratamento trmico a alta temperatura conhecido por ignio. Foi durante o Neoltico, fase do desenvolvimento tcnico das sociedades humanas, que a cermica foi inventada.Cermicos so materiais inorgnicos e no-metlicos que consistem em compostos que so formados entre elementos metlicos e no-metlicos, para os quais as ligaes interatmicas so totalmente inicas ou so parcialmente inicas com alguma natureza covalente, so frequentemente xidos, nitretos e carbetos.

2 - Estrutura cristalinaVisto que a ligao atmica em materiais cermicos inica ou parcialmente inicas, a maioria das estruturas cermicas pode ser pensada como sendo composta de ons eletricamente carregados ctions e nions em vez de tomos. Suas estruturas cristalinas so geralmente mais complexas do que aquelas de metais, uma vez que so formadas por, no mnimo, dois elementos.A magnitude da carga eltrica em cada um dos ons componentes e os tamanhos relativos dos ctions e nions so fatores determinantes na estrutura cristalina dos materiais cermicos. Assim, o cristal deve ser eletricamente neutro, ou seja, o nmero de cargas positivas igual ao nmero de cargas negativas. E, analisando a influncia dos raios atmicos na estrutura cristalina, onde, em geral, Rc/Ra < 1 , tem-se estruturas estveis quando um nmero mximo de ctions possui um nmero mximo de nions como vizinhos, e vice-versa; como na figura abaixo.

InstvelEstvelEstvel

figura 1: influncia dos raios atmicos na estrutura cristalina.

A estabilidade da estrutura cristalina do composto cermico pode ser medida pelo carter inico do composto, dessa forma, quanto maior o carter inico, mais estvel a estrutura cristalina. Os nmeros de coordenao mais comuns para materiais cermicos so 4, 6 e 8. A tabela abaixo mostra o carter inico de alguns compostos cermicos.

% Carter InicoMaterialtabela 1: carter inico de alguns compostos cermicos.

a) Estruturas Cristalinas do Tipo AX

Representando o ction por A e o nion por X. Esses compostos com mesmo nmero de ctions e nions so bem comuns e assumem estruturas especficas. Citam-se como exemplos:

Sal-gema (NaCl): O nmero de coordenao 6 para ctions e nions. A clula unitria para esta estrutura cristalina gerada a partir de um arranjo CFC de nions com um ction situado no centro do cubo e um no centro de cada uma das 12 arestas do cubo. Uma estrutura cristalina equivalente resulta a partir um arranjo cbico de face centrada de ctions. Assim, pode-se pensar que a estrutura cristalina de sal-gema seja constituda de duas redes CFC interpenetrantes, uma composta de ctions e a outra composta de nions. Alguns dos materiais cermicos comuns que formam esta estrutura cristalina so NaCl, MgO, MnS, LiF e FeO. A seguir, observa-se a clula unitria deNaCl.

figura 2: clula unitria de NaCl.

Cloreto de Csio (CsCl): o nmero de coordenao 8 para ctions e nions. Os nions esto localizados em cada um dos cantos de um cubo, enquanto que no centro do cubo se encontra um nico ction. H uma intertroca das posies entre os ctions e nions nas clulas unitrias. Esta no uma estrutura CCC porque ons de dois diferentes tipos esto envolvidos. Clula unitria deCsCl representada abaixo.

figura 3: clula unitria de CsCl.

Blenda de Zinco (ZnS): o nmero de coordenao 4. Todos os ons esto tetraedricamente coordenados. Todas as posies dos cantos e das faces da clula cbica esto ocupadas por tomos de S, enquanto que os tomos de Zn preenchem as posies tetradricas interiores. Uma estrutura equivalente resulta quando as posies dos tomos de Zn e de S forem revertidas. Assim cada tomo de Zn est ligado a 4 tomos de S e vice-versa. Na maioria das vezes, a ligao atmica altamente covalente em compostos exibindo esta estrutura cristalina, os quais incluem ZnS, ZnTe e SiC. A seguir tem-se a clula unitria da blenda de zinco.

figura 4: clula unitria da blenda de zinco.

b) Estruturas Cristalinas Tipo AmXp

Quando as cargas dos ctions e nions no so as mesmas, pode existir um composto com a frmula AmXp, onde m diferente de p.

Fluorita (CaF2): Possui nmero de coordenao igual a 8. ons clcio esto posicionados nos centros de cubos, com ons fluoreto nos cantos. Essa estrutura cristalina similar quela do CsCl, exceto pelo fato de apenas a metade das posies de centros dos cubos so ocupadas por ons Ca2+. Outros compostos que tm esta estrutura cristalina incluem UO2, PuO2 e ThO2. Observa-se abaixo o esquema da clula unitria da fluorita.

figura 5: clula unitria da fluorita.

c) Estruturas Cristalinas do Tipo AmBnXp

tambm possvel para compostos cermicos terem mais de um tipo de ction A e B suas frmulas qumicas so AmBnXp. Titanato de Brio (BaTiO3): Possui dois ctions Ba2+ e Ti4+ na estrutura cristalina cbica (em temperaturas superiores a 120oC para este composto) os ons Ba2+ esto situados em todos os 8 cantos do cubo e um nico ction Ti4+ se encontra no centro do cubo, com ons O2- localizados no centro de cada uma da 6 faces. A seguir tem-se a clula unitria do BaTiO3.

figura 6: clula unitria do BaTiO3.3 - Propriedades Os materiais cermicos apresentam alto ponto de fuso;

So de natureza cristalina, porm como o nmero de eltrons livres pequeno, sua condutibilidade eltrica nula ou muito pequena, embora possam existir materiais cermicos semicondutoras, condutores e at mesmo supercondutores (estes dois ltimos, em faixas especficas de temperatura);

So comumente estveis sob condies ambientais severas (possuem grande resistncia ao ataque qumico);

A densidade comparvel dos grupos de metais leves, variando de 2 a 3 g/cm.

Os materiais cermicos so geralmente duros e frgeis;

Sua resistncia trao baixa. Sua resistncia compresso muito mais elevada,cinco a dez vezes maior que a resistncia a trao;

Uma grande desvantagem na utilizao das cermicas reside propenso fratura repentina de tipo de material sem necessidade de aplicao de muita energia.

Fratura Frgil das Cermicas

Cermicas cristalinas e no-cristalinas, temperatura ambiente, na maior parte dos casos possuem altssimo mdulo de elasticidade, ou seja, so materiais frgeis; logo, sofrem fraturas antes que qualquer deformao plstica possa ocorrer em resposta a uma carga de trao aplicada.O processo de fratura frgil consiste da formao e propagao de trincas atravs da seo reta de material numa direo perpendicular carga aplicada. O crescimento de trincas em cermicas cristalinas ocorre usualmente atravs dos gros e ao longo de planos cristalogrficos especficos. Concomitantemente ao mecanismo inicial de fratura, um processo de corroso sob tenso muitas vezes observado nas pontas das trincas; isto , a combinao de uma tenso de trao aplicada e dissoluo de material conduz a um afilamento e a um alongamento das trincas at que, por fim, uma trinca cresce at um tamanho de rpida propagao. Alm disso, a durao da aplicao da tenso que precede a fratura decresce com o aumento da tenso.Vidros de silicato, porcelanas, cimento Portland, cermicas com altos teores de alumina, titanato de brio e nitreto de silcio so especialmente suscetveis a este tipo de fratura.A fractografia consiste num mtodo de anlise de possveis causas de fraturas em uma cermica, para, ento, se tomar medidas para atenuar a possibilidade de acorrer fraturas e, logo, acidentes. Esse tipo de anlise conduzido no caminho de propagao da trinca e pode ser feito, na maior parte da vezes, utilizando-se equipamentos simples e baratos como lentes de aumento ou microscpios pticos de baixa potncia associado a fontes de luz. Quando h a ocorrncia de uma fratura e sua propagao, a trinca formada nesse processo interage com a microestrutura do material, essas interaes produzem caractersticas distintas na superfcie da fratura. Alm disso, essas caractersticas fornecem informaes importantes sobre onde a trinca se iniciou e a fonte do efeito que a produziu. Adicionalmente, a medio da tenso que produziu a fratura pode ser til, servindo como indicativo da fragilidade da pea cermica.

Comportamento Tenso-Deformao

Para se avaliar o comportamento tenso-deformao de materiais cermicos empregado um ensaio de flexo transversal, no qual uma amostra em forma de haste tendo uma seo circular ou retangular dobrada at fratura usando uma tcnica de carregamento de 3 ou 4 pontos. Como mostrado no esquema a seguir.

Figura 7: ensaio de flexo transversal.

Mecanismos de Deformao Plstica

Apesar de, na temperatura ambiente, as cermicas sofrerem fratura antes de se deformar plasticamente, vale analisar a diferena entre a deformao plstica em compostos cermicos cristalinos e no-cristalinos.Cermicas cristalinas so conhecidamente duras e frgeis, devido dificuldade de sua estrutura de escorregamento (estrutura rgida). Esta uma consequncia da natureza eletricamente carregada dos ons. Para escorregamento em algumas direes, ons de carga similar so colocados muito prximos entre si; o que restringe o escorregamento da estrutura cristalina devido a repulso eletrosttica. Em estruturas cermicas de carter covalente o escorregamento tambm limitado, pois se tratam de ligaes muito fortes.J os materiais cermicos no-cristalinos se deformam por escoamento viscoso, da mesma forma na qual os lquidos se deformam; a taxa de deformao proporcional tenso aplicada. Em resposta a uma tenso cisalhante aplicada, tomos ou ons se deslizam uns sobre os outros quebrando e recompondo ligaes interatmicas. Contudo, esses compostos possuem valores de viscosidade extremamente altos temperatura ambiente, que so atribudas s forte ligaes. medida que a temperatura elevada, a magnitude da ligao diminuda, o movimento de deslizamento ou fluxo dos tomos ou ons facilitado e, consequentemente, existe uma acompanhante queda na viscosidade. Consideraes Mecnicas Diversasa) PorosidadeA porosidade residual que existe em muitas peas cermicas como um resultado dos processos de fabricao tem uma influncia nociva sobre as propriedades elsticas. Por exemplo, a magnitude do mdulo de elasticidade E decresce com a frao de volume de porosidade P de acordo com a relao abaixo(1):

E = Eo[1 - 1,9P + 0,9P2] (1)

ondeEo o mdulo de elasticidade de material no poroso.b) FlunciaSob condies especiais, materiais cermicos podem sofre deformao de fluncia como um resultado de exposio a tenses (usualmente compressivas) a elevadas temperaturas.c) DurezaOs materiais mais duros conhecidos so os cermicos. Consequentemente, estes so empregados quando uma ao abrasiva ou moedora requerida. A tabela abaixo discrimina materiais cermicos e seu respectivo valor de dureza medido acorda com a dureza Knoop.

MaterialDureza em Knoop

Carbeto de Boro (B4C)2800

Carbeto de Silcio (SiC)2500

Carbeto de Tungstnio (WC)2100

xido de Alumnio (Al2O3)2100

Quartzo (SiO2)800

Vidro550

tabela 2: dureza Knoop de alguns materiais cermicos.4 - Transformao de faseForam determinados experimentalmente transformao de fase para um grande nmero de sistemas cermicos. Para a transformao de fases binrios ou para dois componentes, frequentemente o caso em que os dois componentes so compostos que compartilham um elemento em comum, geralmente o oxignio. Esses diagramas podem ter configuraes semelhantes s dos sistemas metal-metal, e eles so interpretados da mesma maneira.A seguir podem-se observar alguns diagramas de fases de compostos cermicos.

figura 8: diagrama de fases para o sistema xido de alumnio-xido de cromo.

figura 9: diagrama de fases para o sistema xido de magnsio-xido de alumnio.

figura 10: uma parte do diagrama de fases para o sistema zirconita-calcia.

figura 11: diagrama de fases para o sistema slica-alumina

Composio (%pAl2O3)5 - Tratamentos trmicos

O processamento trmico de fundamental importncia para obteno dos produtos cermicos, pois dele dependem o desenvolvimento das propriedades finais destes produtos.Esse tratamento compreende as etapas de secagem e queima.

SecagemAps a etapa de formao, as peas em geral continuam a conter gua, proveniente da preparao da massa. Para evitar tenses e, consequentemente, defeitos nas peas, necessrio eliminar essa gua, de forma lenta e gradual, em secadores intermitentes ou contnuos, a temperaturas variveis entre 50 C e 150 C.QueimaNessa operao, conhecida tambm por sinterizao, os produtos adquirem suas propriedades finais. As peas, aps secagem , so submetidas a um tratamento trmico a temperaturas elevadas, que para a maioria dos produtos situa-se entre 800 C a 1700 C, em fornos contnuos ou intermitentes que operam em trs fases: aquecimento da temperatura ambiente at a temperatura desejada; patamar durante certo tempo na temperatura especificada; resfriamento at temperaturas inferiores a 200 C. O ciclo de queima compreendendo as trs fases, dependendo do tipo de produto, pode variar de alguns minutos at vrios dias.Durante esse tratamento ocorre uma srie de transformaes em funo dos componentes da massa, tais como: perda de massa, desenvolvimento de novas fases cristalinas, formao de fase vtrea e a soldagem dos gros. Portanto, em funo do tratamento trmico e das caractersticas das diferentes matrias-primas so obtidos produtos para as mais diversas aplicaes.6 - Onde so usados Vidros

So cermicas bem presentes no cotidiano. Aplicadas em recipientes, janelas, fibra de vidro representam aplicaes tpicas. Tratam-se de silicatos no-cristalinos contendo outros xidos, como CaO, Na2O, K2O e Al2O3, que influenciam as propriedades do vidro.

Vidrocermicas

Vidros, que so cermicas no cristalinas, podem ser transformados em compostos cristalinos, e, ento, passam a ser chamados de vidrocermicas. Nesse processo, chamado de cristalizao ou desvitrificao, o vidro perde sua transparncia e tenses podem ser introduzidas como um resultado de mudanas de volume que acompanham a transformao, fornecendo um produto material relativamente fraco. Todavia, para alguns vidros esta transformao de desvitrificao pode ser administrada na extenso na qual produzido um material finamente granulado que livre de tenses residuais.Citam-se como qualidades das vidrocermicas seu baixo coeficiente de expanso trmica, evitando o efeito de choque trmico presente nos vidros; resistncias mecnicas e condutividades trmicas relativamente altas. Alm disso, esses materiais so facilmente fabricados em larga escala com tcnicas convencionais de conformao de vidro. Os usos mais comuns destes materiais so louas de forno-estufa e de mesa, principalmente por causa de sua excelente resistncia ao choque trmico e sua alta condutividade trmica, alm de serem tambm empregadas como isoladores e como substratos de placas de circuito impresso.

Produtos Base de Argila

A argila umas das matrias primas cermicas mais largamente empregadas. Trata-se de um ingrediente barato, encontrado abundantemente na natureza. Quando misturadas nas apropriadas propores, argila e gua formam uma massa plstica que pode ser facilmente moldada. Aps tratamento trmico, melhoram-se suas propriedades mecnicas, formando um slido rgido. Utiliza-se cermicas base de argila como produtos estruturais tijolos, telhas, manilhas e louas brancas porcelana, olaria, louas de mesa, louas sanitrias.

Refratrios

As cermicas de refratrios so tambm muitos importantes no dia-a-dia e, portanto, produzidas em larga escala. Sua importncia provm da capacidade desses materiais de suportar altas temperaturas sem fuso ou decomposio, serem timos isolantes trmicos e a capacidade de serem inertes quando expostos a ambientes qumicos adversos.So utilizados como revestimentos de fornos para refino de metais, fabricao de vidro, tratamentos trmicos metalrgicos e gerao de potncia.Porosidade uma varivel da microestrutura que deve ser controlada para produzir um tijolo refratrio adequado. Resistncia mecnica, capacidade de suportar carga, e resistncia ao ataque pelos materiais corrosivos todas elas crescem com a reduo da porosidade. Ao mesmo tempo, caractersticas de isolamento trmico e resistncia ao choque trmico so diminudas com a reduo da porosidade.

Abrasivos

Cermicas abrasivas so usadas como material de desgaste, moagem e corte de outros materiais, que devem ser mais macios. Portanto, o principal requisito para este grupo de materiais a dureza ou resistncia ao desgaste; em adio, um alto grau de tenacidade essencial para assegurar que as partculas abrasivas no se fraturem facilmente.Os abrasivos cermicos mais comuns incluem carbeto de silcio, carbeto de tungstnio (WC), xido de alumnio e areia de slica.

Cimentos

Os cimentos so caracterizados por formarem uma pasta que, subsequentemente, se cura e endurece, quando misturados com gua. Os cimentos inorgnicos, muito conhecidos, so o cimento, o gesso e a cal.Estes materiais agem como uma cola, que liga quimicamente agregados particulados numa nica estrutura coesa. A grande vantagem do cimento o fato da ligao cimentcia se desenvolver temperatura ambiente. Desses materiais, o cimento Portland , de longe, o mais consumido. O fenmeno de endurecimento se d pela hidratao da cermica com as molculas de gua da pasta formada. Cimento Portland usado, principalmente, em argamassa e concreto para coagular numa massa coesa, agregados de partculas inertes (areia e cascalho).

Cermicas Avanadas

Este grupo representado por novas cermicas desenvolvidas. H a necessidade de se explorar novos materiais com propriedades eltricas, magnticas e ticas. Esses novos compostos cermicos tem sido estudados para serem utilizados em mquinas de combusto interna e turbinas, em placas de armadura, em embalagens eletrnicas, ferramentas de corte, gerao de energia, entre outros.a) Sistemas Microeletromecnicos (MEMS)Os MEMS so sistemas microprocessadores utilizados como sensores de preciso, dispositivos de armazenamento de dados, entre outros que possuem grandes quantidades de dispositivos mecnicos que esto integrados a grandes quantidades de elementos eltricos em um substrato de silcio.Atualmente, ainda existem certas limitaes quanto ao uso do silcio nos MEMS, uma vez que o silcio possui baixa tenacidade fratura, temperatura de amolecimento relativamente baixa (600C) e reativo na presena de gua e oxignio. Logo, objetiva-se desenvolver materiais cermicos com propriedades melhores que o silcio nos quesitos apontados. Candidatos para serem os constituintes cermicos dos MEMS so as ligas de carbeto de silcio e o nitreto de silcio.b) Fibra tica um exemplo legtimo da importncia do desenvolvimento dos materiais cermicos avanados para a humanidade. A fibra tica, que feita de slica extremamente pura, simplesmente, revolucionou as telecomunicaes na ltima dcada, aumentando exponencialmente a velocidade de transmisso de dados.

7 - ConclusoPor meio deste trabalho, verificamos que apesar da cermica ser utilizada desde pr-histria pelo homem, ela ainda hoje de fundamental importncia para a sociedade, pois predominantemente utilizada na construo civil devido a sua grande resistncia mecnica a compresso, vale ressaltar tambm sua propriedade de ser um material refratrio, ou seja, mantm suas propriedades praticamente constantes mesmo a elevadas temperaturas, e o fato de ter um papel ambiental importante. Contudo os materiais cermicos no esto restritos somente a isso, sendo utilizados em uma gama enorme de variaes, principalmente as que esto ligadas as questes de baixa condutividade trmicas e eltricas.

8 - BibliografiaStios eletrnicos acessados ente os dias 01 e 03 de novembro de 2014: http://www.abceram.org.br/site/index.php

CALLISTER, W. D., Jr. Cincia e Engenharia de Materiais: uma Introduo. 7 Edio. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

VAN VLACK, L.H. Princpios de cincia dos materiais. 3.d. So Paulo: Edgard Blcher,1977