Materiais I INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO. materiais inorgânicos e não-metálicos. A palavra cerâmica vem do idioma grego keramikos

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1 Materiais I Fases cerâmicas e suas propriedades Grupo 4: Bruno Perez Caue Negrão Gabriel Zen Guilherme Moraes Pedro Rubio Rodrigo Ferrari INTRODUÇÃO materiais inorgânicos e não-metálicos A palavra cerâmica vem do idioma grego keramikos cerâmicas tradicionais : porcelanas, tijolos e telhas. Grandes progressos INTRODUÇÃO Termo cerâmico tem tomado um sentido muito mais amplo eletrônica, computação, comunicação, ciência aeroespacial ou ainda nas indústrias interessadas em seu uso. 1

2 ESTRUTURAS DAS CERÂMICAS Dois elementos e freqüentemente mais a estrutura cristalina. Estrutura cristalina desses materiais são geralmente mais complexas do que a dos materiais metálicos. A ligação atômica desses materiais varia entre puramente iônica e covalente. ESTRUTURAS CRISTALINAS ligação atômica predominantemente iônica pode-se pensar como sendo composta de íons eletricamente carregados ao invés de átomos. o tamanho da carga elétrica em cada um dos íons componentes e o tamanho relativo dos cátions e dos ânions Estruturas Cristalinas 2

3 ESTRUTURAS CRISTALINAS TIPO AX Número igual de cátions e ânions. A = Cátions X = Ânions NaCl NaCl Número de coordenação é 6. Seguindo a tabela: A taxa do raio cátion-ânion está entre 0,414 e 0,732.. Uma célula unitária para essa estrutura cristalina é gerada de um arranjo FCC de ânions com um cátion situado no centro do cubo e outro no centro de cada uma das 12 bordas do cubo. CsCl O intercambio de ânions com cátions e vice versa, produz a mesma estrutura cristalina. 3

4 ZnS Vice-versa Altamente Covalente Estruturas cristalinas tipo AmXp Cargas de cátions e ânions não são as mesmas CaF2 taxa do raio rc/ra para o fluoreto de cálcio é aproximadamente 0,8. a estrutura cristalina pode ser similar a estrutura do CsCl metade das posições centrais do cubo são ocupadas por íons Ca+ Estruturas cristalinas tipo AmBnXp mais de um tipo de cátions ( A e B) BaTiO3 Nas temperaturas abaixo de 120ºC a estrutura cristalina é cúbica Ba2+, cantos do cubo Ti4+ + ao centro e O2- centro de cada uma das 6 faces. 4

5 Estruturas Cristalinas de um empacotamento fechado de ânions Gera tanto estruturas FCC quanto HCP. Como estão empilhados, geram pequenos espaços intersticiais entre eles. Número de coordenação para preenchimento de cátions 4 para estruturas tetraédricas e 6 para octaédricas. Estrutura depende do empilhamento do empacotamento e do modo de preenchimento dos interstícios. Estruturas Cristalinas de um empacotamento fechado de ânions Posições intersticiais de 2 tipos: Tetraédricas e Octaédricas Cálculo da densidade da Cerâmica A densidade r pode ser determinada usando uma fórmula modificada da usada para metais: r = n. xac + xaa Vc.Na Onde: n = número de íons inclusos na fórmula xac = soma dos pesos atômicos de todos os cátions da fórmula xaa = soma dos pesos atômicos de todos os anions da fórmula Vc = volume da célula unitária Na = número de Avogadro (6,023.10²³) 5

6 Sílica O mais simples tipo de silicato(sio2). Estruturalmente e uma rede tridimensional ligada por átomos adjacentes O do canto do tetraedro. Eletricamente neutro e de estrutura estável. Três formas: Quartz,cristobalite e tridymite. Estruturas complicadas e abertas, o que leva a uma densidade baixa. Força da ligação reflete na alta temperatura de fusão:1710ºc Cerâmicas de Sílica São formados dos elementos mais abundantes da crosta terrestre: silício e oxigênio. Não são considerados iônicos devido ao caráter covalente das ligações Si-O O que são direcionais e relativamente fortes. Melhor caracterizados como vários arranjos do tetraedro SiO4 4-. Vidros de Sílica Possui um alto grau de variação atômica,característica dos vidros. Tetraedro SiO e a unidade básica. Pode ser formado por outros óxidos como B2O3B e GeO2 (formadores de rede). Adicionados a óxidos(cao e Na2O) são modificadores de rede. Podem ser intermediadores de rede como o TiO2 e Al2O3,, enquanto não formadores de rede. A adição de modificadores e intermediadores baixa o ponto de fusão e viscosidade, facilitando a moldagem. 6

7 Os silicatos Sao formados pela divisão de um, dois ou três átomos de O da borda do tetraedro SiO Formam estruturas como SiO4 4 4-, 4, Si2O7 6-, Si3O9 9 6-possibilitando 6 cadeias estruturais simples. Cátions do tipo Ca2+ 2+,, Mg2+ 2+e e Al3+ possuem dois papéis na estrutura: 1. Compensam as cargas negativas de SiO4 4- até atingir a neutralidade. 2. Ligam ionicamente os tetraedros SiO4 4-. Os silicatos Simples 1. Envolvem o tetraedro isolado 2. Ex:Mg2SiO SiO4. 3. Forma o íon Si2O7 6- quando dois tetraedros dividem um átomo de oxigênio comum. Os silicatos Em camadas 1. O compartilhamento de três ions de oxigênio do tetraedro pode produzir uma lâmina de duas dimensões. 2. Fórmula repetida pode ser representada por (SI2O5) A eletroneutralidade e estabelecida pela segunda estrutura planar da lâmina em excesso que se ligam aos átomos de O não ligados da lamina Si2O5. 4. Sao chamados de lâminas ou silicatos em camadas, característicos das argilas e outros minerais. 5. Suas estruturas estão entre as mais complexas dos materiais inorgânicos. 7

8 Carbono Elemento que existe em várias fórmulas polimórficas; Não pertence a nenhum esquema de classificação tradicional como, metal, cerâmica, polímero; Neste trabalho, serão apresentados os seguintes polimorfos do carbono: diamante, grafite e fulerenos. Diamante As propriedades físicas do diamante o tornam um material extremamente atrativo; Ele é extremamente duro ( o material mais duro conhecido) e possui uma condutividade elétrica muito baixa; As características citadas acima são conseqüência de sua estrutura cristalina e das fortes ligações interatômicas covalentes presentes; Em sua estrutura cristalina cada átomo de carbono se liga a quatro outros átomos de carbono e suas ligações são totalmente covalentes; Diamante É opticamente transparente nas regiões de espectro visível e de infravermelho; Possui um alto índice de refração; Industrialmente, diamantes são utilizados para afiar ou cortar materiais mais moles; Possui uma incomum alta condutividade térmica para um material não metálico; 8

9 Grafite Possui estrutura cristalina diferente do diamante; É mais estável que o diamante a temperatura e pressão ambiente; A estrutura da grafite é composta de arranjos hexagonais de átomos de carbono; Nessa estrutura estão presentes tanto ligações covalentes quanto ligações do tipo van der Waals; Grafite Algumas propriedades desejáveis da grafite são: Alta força; Boa estabilidade química a temperaturas elevadas e atmosferas não oxidantes; Alta condutividade térmica; Baixo coeficiente de expansão térmica; Alta resistência ao choque térmico; Alta absorção de gases; Grafite Algumas aplicações da grafite são: Como elemento de aquecimento para fornos elétricos; Nos cadinhos metalúrgicos; Na formação de moldes para ligas metálicas e cerâmicas; Nos bicos de foguetes; 9

10 Fulerenos Outra forma polimórfica do carbono a qual foi descoberta em 1985; Existe de uma forma molecular discreta e consiste num conglomerado de cavidades esféricas de seis átomos de carbono; Uma molécula simples é chamada por C60C 60; Cada molécula é composta por grupos de átomos de carbono que são ligados um no outro formando tanto configurações geométricas de hexágonos (átomos de seis carbonos) quanto pentágonos (átomos de cinco carbonos); Fulerenos Uma outra molécula, consiste de 20 hexágonos e 12 pentágonos, que estão arranjados de modo que dois pentágonos não dividem um lado em comum, a superfície molecular então, exibe a simetria de uma bola de futebol; O material componente das moléculas de C60 é conhecido por buckminsterfullerene, nomeado em homenagem a R.Buckminster Fuller,, que inventou a cúpula geodésica; Cada C60 C é simplesmente uma réplica molecular da cúpula, que é freqüentemente chamada de buckyball.. O termo fulereno é usado para denotar a classe dos materiais que compõem esse tipo de molécula; Nanotubos de carbono Possui algumas propriedades únicas e tecnologicamente interessantes ; Sua estrutura consiste numa lâmina simples de grafite, laminada dentro de um tubo, ambos terminando sendo tapados por hemisférios do fulereno C60; O prefixo nano denota que os diâmetros dos tubo estão na ordem de nanômetros ; 10

11 Nanotubos de carbono Esses nanotubos são extremamente fortes, rígidos e relativamente dúcteis; Nanotubos tem densidades relativamente baixas; O nanotubo de carbono tem sido chamado de a fibra definitiva e é extremamente promissora a sua utilização como reforço dos materiais compósitos; Possuem características elétricas únicas; Futuras aplicações para os nanotubos de carbono irão incluir diodos e transistores. Imperfeições nas cerâmicas Assim como nos metais, vagas e interstícios são possíveis, no entanto, desde que os materiais cerâmicos contenham íons de pelo menos dois tipos; Dentre os tipos de defeitos pontuais atômicos existentes em cerâmicas, pode-se destacar: o defeito de Frenkel e o defeito Schottky; O primeiro pode ser pensado como sendo formado por um cátion deixando sua posição e se movendo para um espaço intersticial. Não há mudança na carga porque o cátion mantém a mesma carga positiva que o interstício; Imperfeições na cerâmicas O segundo pode ser pensado como sendo criado pela remoção de um cátion e um ânion do interior de um cristal e colocando ambos numa superfície externa; Em ambos, as condições de eletroneutralidade devem ser mantidas, pelo fato de íons serem átomos carregados; Eletroneutralidade é o estado que existe quando existem números iguais de cargas positivas e negativas dos íons; 11

12 Imperfeições na cerâmicas A taxa de cátions para ânions não é alterada pela formação de tanto o defeito Frenkel quanto o defeito Schottky; Se não há outros defeitos presentes, o material é dito estequiométrico; Estequiometria pode ser definida como um estado para compostos iônicos onde existe uma relação exata de cátions e ânions como previsto pela fórmula química; Não estequiometria pode ocorrer para alguns materiais cerâmicos no quais dois estados de valência (ou iônicos) existe para um dos tipos de íons, exemplo: óxido de ferro (FeO( ); Propriedades Mecânicas Os materiais cerâmicos têm a sua aplicabilidade limitada A principal desvantagem é uma disposição à fratura catastrófica de uma maneira frágil, com muita pouca absorção de energia FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS O processo de fratura frágil consiste na formação e na propagação de trincas através da seção reta do material em uma direção perpendicular à carga aplicada. Uma concentração de tensões na extremidade de um defeito pode causar a formação de uma trinca, a qual pode se propagar até uma fratura real. 12

13 continuação A medida da habilidade de um material cerâmico em resistir à fratura quando uma trinca está presente é especificada em ter mos da tenacidade à fratura. A tenacidade à fratura em deforma ção plana, Klc, é defi nida de acordo com a seguinte expressão Klc = Yσ(Π.a)1/2 Fadiga estática Sob algumas circunstâncias, a fratura de materiais cerâmicos ocorrerá pela propagação lenta de trincas, quando as tensões são de natureza estática e quando o lado direito da equação acima é menor do que K/c. Esse fenômeno é conhecido por fadiga estática, ou por fratura retardada; Exemplos Os vidros à base de silicato são especialmente suscetíveis a esse tipo de fratura; isso também tem sido observado em outros materiais cerâmicos, in :cluindo a porcelana, o cimento portland, as cerâmicas com alto teor de alumina, o titanato de bário e o nitreto de silício. 13

14 Aumentando a resistência de uma fratura Ainda, a resistência à fratura de uma cerâmica frágil pode ser melhorada substancialmente pela im posição de tensões residuais de compressão na sua superfície. Uma maneira segundo a qual isso pode ser realizado é através de revestimento térmico. COMPORTAMENTO TENSÃO- DEFORMAÇÃO (três razões ) Em primeiro lugar, é difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida Em segundo lugar, é difícil prender e segurar materiais frágeis sem fraturálos e em terceiro lugar, as cerâmicas falham após uma deformação de apenas aproximadamente 0,1 % o que exige que os corpos de prova de tração estejam perfeitamente alinhados resistência à flexão A tensão no momento da fratura quando se emprega esse ensaio de flexão é conhecida por resistência à flexão, módulo de ruptura, resistência à fratura ou resistência à dobra, e consiste em um importante parâmetro mecânico para os materiais cerâmicos frágeis. Para uma seção reta retangular, a resistência à flexão é igual a : σrf = 3Ff. L/(2b.d² ) 14

15 COMPORTAMENTO ELÁSTICO 0 comportamento elástico tensão-deformação para os materiais cerâmicos quando se utilizam esses testes de flexão é semelhante aos resultados apresentados pelos ensaios de tração realizados com metais MECANISMOS DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Embora à temperatura ambiente a maioria dos materiais cerâmicos sofra fratura antes do surgimento de qualquer deformação plástica, vale a pena uma rápida exploração dos possíveis mecanismos. A deformação plástica é diferente no caso das cerâmicas cristalinas e das cerâmicas não-cristalinas; entretanto, os dois casos serão discutidos. Impurezas na Cerâmica o raio iônico da impureza deve ser relativamente pequeno em comparação com o anion. uma impureza substitucional irá substituir oíon pelo qual é mais similar de um modo elétrico 15

16 Diagrama de fases dos materiais cerâmicos O sistema Al2O3-Cr2O3 O sistema MgO-Al2O3 O Sistema ZrO2 CaO O sistema SiO2-Al2O3 O sistema Al2O 3 -Cr2O 3 O sistema MgO-Al 2 O 3 16

17 O Sistema ZrO 2 CaO O sistema SiO 2 -AlO 3 Tipos de Cerâmica Cristalinas deformação ocorre como nos metais dificuldade de escorregamento ligações predominantemente iônica Não Cristalinas deformação ocorre por escoamento viscoso unidade de viscosidade: pascal-segundo (Pa-s) poise (P) aumenta temperatura diminui viscosidade 17

18 Considerações Mecânicas Influencia da Porosidade tratamento térmico visa retirar os poros age negativamente na resistência e nas propriedades elásticas E = Eo( 1-1,9P + 0,9p2) fórmula para calculo da elasticidade resistência a flexão diminui exponencialmente em função da fração volumétrica da porosidade σrf = σ0 exp(-np) Considerações Mecânicas Dureza utilizada quando exige uma ação de cisalhamento ou abrasão materiais cerâmicos são os mais duro Fluência semelhante a que ocorre nos metais, porem ocorre a temperaturas mais elevadas Conclusão Materiais cerâmicos são encontrados em diferentes aplicações na parte elétrica, em resistores e capacitores memória de computadores velas na combustão interna de motores vidros são materiais cerâmicos utilizado como isolante térmico, por resistir a altas temperaturas utilizado na proteção de veículos militares, de aviões e de soldados 18