3. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS 3.1 Propriedades mecânicas

Transcrição

1 3. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS 3.1 Propriedades mecânicas Como classe, os cerâmicos são relativamente frágeis Não apresentam deformação plástica em temperatura ambiente Resistência à tração: embora varie bastante, desde 0,7 MPa até 7x10 3 MPa (whiskers de Al 2 O 3 ), poucos cerâmicos apresentam valores superiores a 170MPa. Resistência à compressão: em geral, são cerca de 5 a 6 vezes superiores à resistência à tração Dureza: em geral, bastante elevada, devido as ligações iônicas e covalentes Resistência ao impacto: em geral, baixa

2 3.1 Propriedades mecânicas Mecanismos de deformação dos materiais cerâmicos Falta de plasticidade Ligações químicas iônicas e covalentes METAIS Deformação ocorre por movimento de discordâncias em determinados planos cristalinos Ocorre em baixos valores de tensão ligação metálica não-direcional CRISTAIS COVALENTES Ligação específica e direcional Envolve a troca de cargas elétricas entre pares de íons Com suficiente deformação, ocorre separação das ligações de pares de íons sem posterior restauração Fragilidade tanto em monocristais quanto em policristais

3 3.1 Propriedades mecânicas Mecanismos de deformação dos materiais cerâmicos CRISTAIS IÔNICOS MONOCRISTAIS: Apresentam deformação sob a ação de cargas compressivas Ex.: NaCl escorregamento do sistema de planos {110} o escorregamento envolve íons de cargas opostas e durante o processo, permanecem atraídos pelas forças de Coulomb POLICRISTAIS: FRÁGEIS existem poucos sistemas de escorregamento

4 3.1 Propriedades mecânicas Fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico FALHA Ocorre fundamentalmente a partir de defeitos da estrutura Principais fontes de fratura: - fendas superficiais originadas durante o acabamento - poros -inclusões - grãos grandes gerados durante o processamento POROS: 1)atuam como concentradores de tensão PROPAGAÇÃO DA TRINCA Valor crítico 2) diminuem a área da seção transversal na qual é aplicada a carga Nos cerâmicos não existem processos suficientemente absorvedores de energia

5 3.1 Propriedades mecânicas Fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico POROSIDADE Efeito da porosidade em alumina

6 Fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico TRINCAS PRESENTES: Em materiais muito densificados (poucos poros), as trincas são relacionadas com o tamanho de grão grão de menor tamanho trincas ou fendas pequenas no limite do grão Maior RM Outros fatores: - Composição química - Microestrutura - Condições da superfície - Temperatura -Meio - Tipo de tensão e modo de aplicação

7 RESISTÊNCIA TEÓRICA Tensão necessária para separar um corpo em duas partes Requer uma energia de superfície γ σ t = E γ a o E: módulo de elasticidade γ: energia superficial a o : distância interatômica

8 Na prática, há um discrepância entre os valores de RM calculados e medidos: TEORIA DE INGLIS: explicação da discrepância observada defeito elíptico presença de defeito diminuição da RM σ max = 2σ c ρ σ: tensão aplicada c: semi-eixo maior ρ: raio de curvatura

9 TEORIA DE GRIFFITH: - microdefeitos - concentradores de tensão - tratamento termodinâmico para analisar propagação - estudo em uma placa fina de espessura L NO EQUILÍBRIO: UT = UE + US 2 2 πσc L U T = + 4cLγ E du dc = 0 cπσ E 2 = 2γ A fratura ocorrerá para uma tensão crítica σ c = 2E c π γ

10 TENACIDADE À FRATURA Os cerâmicos têm, intrinsecamente, baixa tenacidade Ensaios de tenacidade: determinam K IC Kc = 2Eγ Tenacidade à fratura Modos de abertura da trinca: - tração: I - cisalhamento: II - torção: III

11 TENACIDADE À FRATURA o defeito mais severo e sua posição relativa ao esforço aplicado controlam a RM Tração Cisalhamento Torção K IC = Yσ c a 1 2Eγ σ c = Y a para tração frágeis K = K c IC Equação básica da RM para materiais

12 AUMENTO DA TENACIDADE TENACIDADE depende: Maior tenacidade - tamanho do defeito - energia de superfície a e γ Para aumentar γ : Diminuir a porosidade, pois γ = γ o exp(-kp) Diminuir tamanho de grão Acrescentar uma 2ª fase Microtrincamento Ex.: adição de ZrO 2 em uma matriz de Al 2 O 3, K IC aumenta de 3 para 11

13 COMPORTAMENTO TENSÃO - DEFORMAÇÃO A avaliação da resistência mecânica de um cerâmico NÃO ocorre através de tração por três motivos básicos: É difícil preparar e testar amostras que tenham a geometria exigida É difícil prender e testar materiais frágeis sem fraturá-los As cerâmicas falham após uma deformação de aproximadamente 0,1%, o que exige que as amostras sejam perfeitamente alinhadas, com o objetivo de evitar a presença de tensões de dobramento ou flexão, as quais não são facilmente calculadas Portanto, prefere-se um ensaio de flexão

14 ENSAIO DE FLEXÃO Corpo-de-prova: barra - seção circular - seção retangular σ = A barra é flexionada até a ruptura Mc I M: momento fletor máximo c: distância do centro do corpo até as fibras mais externas I: Momento de inércia da seção reta σ = 3 2. P ( L l) bd 2 Para ensaio em seção retangular com apoio em quatro pontos Superfície superior: carga compressiva Superfície inferior: carga trativa (máxima)

15 FADIGA forma de falha que ocorre em estruturas submetidas a tensões dinâmicas e flutuantes a falha geralmente ocorre após ciclos de tensões repetidos em tensões inferiores a tensões estáticas suportáveis componentes onde ocorrem: eixos, barras de ligação, engrenagens TRINCA NA FADIGA: INÍCIO: em pontos de concentração de tensão canto nucleação entalhe inclusão defeito PROPAGAÇÃO: a trinca propaga-se na peça com tensões cíclicas criam-se estrias ou ondulações FRATURA: a seção torna-se pequena, não suporta a carga aplicada

16 FADIGA MECÂNICA Devido às ligações iônicas e covalentes há a ausência de plasticidade durante o carregamento cíclico fratura em cerâmicos por fadiga é rara Estudo do crescimento estável de trincas por fadiga, aplicando-se tensões compressão-compressão em alumina policristalina em corpos-de-prova entalhados Observou-se a propagação de microtrincas no contorno de grão que levaram a ruptura final O que se quer é obter cerâmicos mais tenazes para suportar tensões cíclicas, por exemplo em rotores de turbinas

17 Desenho esquemático de mecanismos que podem ocorrer durante a propagação da trinca em cerâmicos. 3.1 Propriedades mecânicas FADIGA MECÂNICA mecanismos que podem estar associados a trinca dominante: - intrínsecos - extrínsecos

18 FADIGA TÉRMICA corpo sólido aquecido e resfriado σ = a E T Distribuição da temperatura e tensão para uma amostra submetida a fadiga térmica.

19 FADIGA ESTÁTICA em materiais cerâmicos rompimento do material sob um estado de tensões constante, durante um certo tempo em ambientes úmidos. Visualização de um mecanismo alternativo para explicar a influência da umidade no crescimento subcrítico de trincas.

20 CHOQUE TÉRMICO em materiais cerâmicos Variação brusca de temperatura choque térmico Limita o uso dos cerâmicos em aplicações energéticas Tensão térmica força motriz para a nucleação e crescimento de trincas degradação da resistência mecânica ou fratura do material

21 CHOQUE TÉRMICO Resistência ao dano por choque térmico Indicam o dano causado Avaliada através da medida dos efeitos do choque térmico nas propriedades como a perda de resistência mecânica Por. ex.: O grau de dano pode ser avaliado quando se compara a resistência mecânica obtida após choque térmico único em uma temperatura definida, com a resistência mecânica original do corpo cerâmico

22 CHOQUE TÉRMICO Para evitar a propagação de trincas já existentes são desejáveis: alto módulo de elasticidade, diminuindo o nível de energia elástica armazenada; baixa resistência mecânica, para que as tensões sejam aliviadas pela formação de trincas; alto valor da razão de Poisson; maior número de trincas com pequeno comprimento.

23 CHOQUE TÉRMICO Teoria de Hasselman Curva teórica de Hasselman, indicando a diferença de temperatura mínima necessária para iniciar a propagação da trinca e as regiões de instabilidade e estabilidade.

24 CHOQUE TÉRMICO Teoria de Hasselman Resistência mecânica em função da diferença de temperatura do choque térmico. Degradação da superfície de uma material após ter sido submetido a choque térmico

25 FLUÊNCIA Deformação permanente que ocorre com os materiais ao serem submetidos a tensão constante e temperatura elevada Os cerâmicos embora dificilmente movimentem discordâncias podem desenvolver deformações plásticas por difusão Quando tensão e temperatura elevada estão associadas, átomos e vazios da rede podem migrar mais facilmente para locais mais convenientes, energeticamente. Ao mudarem de posição, deformam grãos, por deslizamento, na direção do esforço, de locais de maior tensão para locais de menor tensão. O volume não muda e átomos e vazios da rede mudam de posição. Nos cerâmicos, a fluência ocorre, em geral, em temperaturas mais elevadas quando comparadas com metais

26 3.2 Propriedades elétricas CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS IÔNICOS - resultado das contribuições eletrônica e iônica - importância de cada contribuição pureza e temperatura - modelo de bandas é válido, porém o n de e - na banda de condução é muito baixo portanto predomina a iônica - difusão dos íons depende da presença de defeitos pontuais - condutividade elétrica de sólidos iônicos temperatura abruptamente na fusão

27 3.2 Propriedades elétricas CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS IÔNICOS Condutividade iônica: σ i σ i = Ne 2 D/kT = (Ne 2 /kt) D 0 exp(-q/kt) N - n de posições iônicas de um mesmo sinal por unidade de volume e - carga do elétron D - difusividade k - constante de Boltzman T - temperatura em K Q - energia de ativação para a difusão

28 3.2 Propriedades elétricas CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS COVALENTES - estrutura em bandas de polímeros é típica dos isolantes σ a Ω -1 m -1 - polímeros de alta pureza a condução é eletrônica - condução iônica pode ser ativada pela presença de impurezas restos de monômeros catalisadores aumento da temperatura - aditivos condutores podem aumentar σ entre 1 e 50 Ω -1 m -1 como em borrachas de silicones - exemplos de polímeros condutores: poliacetileno e polianilina

29 3.2 Propriedades elétricas CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS COVALENTES GRAFITA: comportamento elétrico diferenciado - plano basal (0001) σ de condutores metálicos - na direção c (0001) σ é105 vezes menor - condução eletrônica origem na mobilidade eletrônica da cada anel hexagonal de átomos de C, ao longo de cada camada - introdução de átomos estranhos entre as camadas aumenta o número de transportadores de carga e a condutividade elétrica

30 3.3 Propriedades térmicas CONDUTIVIDADE TÉRMICA CERÂMICOS ke << kf fônons são facilmente espalhados pelos defeitos cristalinos, o transporte de calor é menos eficiente que nos metais Alguns cristais não metálicos puros e de baixa densidade apresentam em algumas faixas de temperatura k metais: Diamante melhor condutor que Ag de T amb a 30K Safira condutor térmico entre 90 a 25K Compostos cerâmicos: (BeO, SiC, B 4 C) pesos atômicos semelhantes k relativamente alto (UO 2, ThO 2 ) pesos atômicos diferentes k cerca de 10x menor (menor interferência na propagação quando átomos com semelhantes pesos atômicos)

31 3.3 Propriedades térmicas CONDUTIVIDADE TÉRMICA Efeito da microestrutura - composição; - condições de queima; - quantidade e tipo de porosidade; - quantidade e tipo de fases; - forma e orientação de grãos; Íons em solução sólida diminuem acentuadamente k Fases amorfas são piores condutoras que cristalinas de igual composição química Poros diminuem a condutividade térmica de cerâmicos K=v 1 k 1 +v 2 k /k=v 1 /k 1 +v 2 /k onde: k: condutividade térmica v: volume da fase Q: k c /k p P: quantidade de poros k= 1+2P(1-Q/2Q+1) k s 1-P(1-Q/2Q+1) k P = k 1-P 1-0,5P k P = condutividade térmica do material com poros P = fração volumétrica de poros

32 3.4 Propriedades óticas MATERIAIS NÃO-METÁLICOS Cerâmicos e polímeros não apresentam e- livres (que absorvem fótons de luz) e podem ser transparentes à luz visível Fenômenos importantes: Refração, Transmissão, Reflexão e Absorção REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO (R) Velocidade de propagação da luz no sólido transparente (ν) é menor que no ar feixe de luz muda de direção na interface ar/sólido Índice de refração: n = c = (εµ) ½ ν (ε 0 µ 0 ) ½ Índice de refração de alguns materiais cerâmicos Quanto maior n do material, maior R R ε = permissividade elétrica do material µ = permeabilidade magnética do material Material Vidro de sílica 1,458 Vidro pyrex 1,47 Vidro óptico 1,65 flint Al 2 O 3 α 1,76 MgO (periclásio) 1,74 Quartzo 1,55 Índice de refração

33 3.4 Propriedades óticas MATERIAIS NÃO-METÁLICOS REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO(R) Cerâmicos cristalinos Cúbicos e vidros índices de refração isotrópicos Cristais não cúbicos índices de refração maior em direções mais densas Luz passa de um meio n 1 para outro n 2 parte da luz é refletida na interface dos meios R = n 2 -n 1 ½ n 2 +n 1 Como o n depende de λ da luz incidente, R também depende de λ Se um dos meios for o ar n 1 = 1 R = n 2-1 ½ n 2 +1 Variação das frações da luz incidente que são transmitida, absorvida e refletida por um determinado vidro em função do comprimento de onda

34 3.4 Propriedades óticas MATERIAIS NÃO-METÁLICOS ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T) Maioria dos materiais transparentes são coloridos a cor dos materiais transparentes é uma combinação dos comprimentos transmitidos Comprimentos de onda absorvidos (nm) e cores complementares Absorção de fótons por e - da banda de valência promovendo-os à banda de condução em não-metais também é possível, desde que os e -- superem a banda proibida. Energia associada com λ (E = hc/λ) determina-se λ e E máximos e mínimos cedidos aos e- pela luz visível Conclusão: i) a luz pode ser absorvida por materiais com banda proibida menor que 1,8 ev (SEMICONDUTORES) estes materiais são opacos ex.:si, Ge, AsGa ii) materiais com banda proibida entre 1,8 e 3,1 ev absorvem apenas alguns comprimentos de ondas estes materiais são coloridos ex.:gap, CdS iii) a luz visível não pode ser absorvida por este mecanismo em materiais com banda proibida maior que 3,1 ev λ min = 0,4 µm E max = 3,1eV λ max = 0,7µm E min = 1,8eV

35 3.4 Propriedades óticas MATERIAIS NÃO-METÁLICOS ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T) Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos Ex.: safira e rubi Safira: cristal puro de Al 2 O 3, isolante, transparente Rubi: safira onde uma pequena quantidade de íons Cr +3 substitui o Al +3, causa absorção na região de luz azul do espectro visível. Cristal resultante: vermelho Cor dos vidros de sílica, cal, soda e chumbo pode ser modificada pela adição de óxidos de elementos de transição Ex.: adição de 0,01 a 0,03% de CoO - coloração azulada adição de 0,2% de NiO - coloração púrpura adição de 1,0% de FeO - amarelo esverdeada Cor pode ser resultado do desvio da estequiometria ou da presença de defeitos cristalinos Ex.: cristais puros de NaCl, KBr e KCl são incolores se forem recozidos em atmosfera de metais alcalinos ou irradiados com raios X ou neutrôns coloração: NaCl KBr KCl amarelo azul magenta Criou-se defeitos: centro de cor

36 3.4 Propriedades óticas MATERIAIS NÃO-METÁLICOS ABSORÇÃO (A) E TRANSMISSÃO (T) R, A e T dependem do material, do caminho ótico, λ incidente Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida Variação da transmitância com λ incidente para diversos materiais. Defeitos no material espalham a luz e podem torná-lo transparente, translúcido ou opaco Ex.: monocristal de safira (Al 2 O 3 ) transparente policristal de safira sem poros translúcido policristal de safira com 5% poros opaco porosidade: 3% porosidade: 0,3 Exemplo: lâmpada de sódio (1000 o C) com tubo de alumina (100 lúmens/w convencional 15 lúmens/w)