Física dos Materiais FMT0502 ( )

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1 Física dos Materiais FMT0502 ( ) 1º Semestre de 2010 Instituto de Física Universidade de São Paulo Professor: Antonio Dominguesdos Santos Fone: de abril e 04 de maio

2 Cerâmicas Cerâmicas são materiais inorgânicos e não-metálicos. São formadas por elementos químicos metálicos e não-metálicos, onde as ligações são iônicas ou preponderantemente iônicas. Cerâmicas tradicionais (à base de argila): louça, porcelana, tijolos, telhas, azulejos, vidros e cerâmicas de altas temperaturas. Hoje, Óxidos, nitretos, carbetos e muito mais! (sendo os óxidos as cerâmicas mais frequentes)

3 Cerâmicas Carater iônico ou covalente? %Carater iônico { 2 ( ) } = 1 exp 0, 25 X a X b x100 Onde Xa e Xb são as eletronegatividades dos componentes

4 Cerâmicas AP r A cos α = cos 30 = = AO r + r A C

5 Cerâmicas Mesmas estruturas cristalinas dos metais

6 Cerâmicas Estrutura do NaCl 0,102/0,181 Estrutura do tipo AX Estrutura CFC Com 2 sub-redes Número de coordenação 6 Outros exemplos: FeO, LiF, MgO, MnS

7 Cerâmicas Estrutura do tipo AX Estrutura do CsCl 0,170/0,181 Estrutura do ZnS Blenda de Zinco Estrutura CS Com 2 sub-redes Número de coordenação 8 Estrutura CFC Com 2 sub-redes Número de coordenação 4 Outros: ZnTe, SiC

8 Estrutura do tipo A m X p Estrutura do CaF 2 Fluorita Cerâmicas Estrutura do tipo A m B n X p Conhecida como Perovskita Estrutura do BaTiO 3 Titanato de bário Estrutura CFC Estrutura CS Célula unitária com 8 cubos Número de coordenação 8(4) Ânions e cátions com cargas diferentes Mesma estrutura do CsCl

9 Cerâmicas p/ Estrutura CFC ou HC Planos de alta compactação

10 Cerâmicas Cálculo de densidade em cerâmicas ρ + = n( A A ) C A VN c A Soma das massas atômicas de cátions e ânions na unidade da fórmula Volume da célula unitária e número de Avogadro número de unidades da fórmula em uma célula unitária Qual a densidade do NaCl?

11 Cerâmicas Materiais baseados no carbono Grafeno Diamante Grafite Fulereno

12 Cerâmicas Ligações covalentes!!! Materiais baseados no carbono Grafeno Diamante Grafite Nanotubos

13 Cerâmicas à base de silicatos Vidros SiO 2 cristalino SiO 2 não cristalino (amorfo) (quartzo) (vidro) cristobalita

14 Silicatos Lâmina de silicato bidimensional (Si 2 O 5 ) 2- Argila caolinita Cinco estruturas do íon silicato formadas a partir dos tetraedros básicos

15 Física dos Materiais Cerâmicas Vidros

16 Imperfeições em cerâmicas Outros mecanismos de compensação de cargas (para FeO) Carga deve se manter neutra no sólido Impurezas (devem ser semelhantes) Defeitos aparecem aos pares

17 Diagramas de fases em cerâmicas Sistema Al 2 O 3 Cr 2 O 3 Sistema MgO Al 2 O 3

18 Diagramas de fases em cerâmicas Sistema ZrO 2 CaO

19 Diagramas de fases em cerâmicas Vitrocerâmica Sistema SiO 2 Al 2 O 3

20 Propriedades mecânicas de cerâmicas Mecanicamente, as cerâmicas são muito rígidas e portanto frágeis!!! Elas possuem micro-trincas ou fissuras, que se propagam facilmente. Em geral as fraturas acontecem internamente aos grãos, ao longo de planos cristalográficos de alta densidade atômica. Comportamento tensão-deformação Em geral ensaios de tração são difíceis de serem aplicados em cerâmicas (elas não resistem às garras de fixação). Ensaios de flexão: A presença de umidade no meio circundante é especialmente danoso e potencializa a propagação das trincas (em um aparente processo de corrosão). Resistência à flexão ou resistência à fratura

21 Propriedades mecânicas de cerâmicas Comportamento tensão-deformação Ensaios de flexão: Limite de ruptura Inclinação

22 Propriedades mecânicas de cerâmicas Mecanismos de deformação plástica Em geral em cerâmicas, a fratura acontece antes da deformação plástica. Cerâmicas cristalinas Cerâmicas não-cristalinas Deformação plástica = movimento de discordâncias Em cerâmicas iônicas, não é possível se mover todo um plano devido à distribuição de cargas. Em cerâmicas covalentes, as ligações são muito fortes e direcionais o que dificulta o deslocamento de planos atômicos. Não existe uma estrutura atômica regular, portanto não é possível se considerar movimento de discordâncias. Existe um movimento viscoso (como em um líquido), onde os átomos (ou íons) se deslocam individualmente através da quebra e reconstrução das ligações interatômicas. Este processo é isotrópico e a viscosidade é extremamente elevada à temperatura ambiente.

23 Propriedades mecânicas de cerâmicas Influência da porosidade Frequentemente as cerâmicas são produzidas a partir de pós (metalurgia do pó). Resistência à flexão Os pós são conformados ou compactados e posteriormente tratados termicamente. O tratamento térmico reduz a porosidade, mas não o elimina totalmente. Módulo de Young (E) σ exp( ) rf = σ 0 np Onde, σ 0 e n são constantes E = E P + P 0 2 (1 1,9 0,9 )

24 Propriedades mecânicas de cerâmicas Dureza Esta é uma das propriedades mais marcantes das cerâmicas. Devido à esta característica as cerâmicas são usadas como abrasivos.

25 Processamento das cerâmicas Tipos de cerâmicas Técnicas de fabricação de cerâmicas

26 Processamento das cerâmicas Características dos materiais vitreos Conformação do vidro por prensagem e insuflação Produção de lâminas de vidro

27 Processamento das cerâmicas Argilas Conformação hidroplástica Extrusão (tijolos,, tubos, blocos, azulejos,...) Possuem alta hidroplasticidade, o que é útil para a sua conformação Ex.: Argila caolinita Fundição por suspensão Molde de gesso

28 Processamento das cerâmicas Argilas Cozimento (900 a 1400 C) Secagem Alguns componentes se tornam vitreos e preenchem os poros da cerâmica (vitrificação) Quartzo material vitreo

29 Processamento das cerâmicas Refratários

30 Processamento das cerâmicas Prensagem do pó Abrasivos Sinterização