CAP.13 MATERIAIS CERÂMICOS

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1 CAP.13 MATERIAIS CERÂMICOS Smith cap

2 13. 2

3 MATERIAIS CERÂMICOS São materiais inorgânicos não metálicos. Constituídos por elementos metálicos e nãometálicos, ligados quimicamente entre si. Ligações: iónicas e/ou covalentes Compostos simples a misturas de fases. Cristalinos, não-cristalinos (vidros) ou mistos 13.3

4 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 Cerâmicos Tradicionais Técnicos 13.4

5 Cerâmicos Tradicionais Obtidos a partir de misturas de: argila + sílica + feldspato Aplicações: tijolos, telhas, louças, azulejos, sanitários, porcelana eléctrica 13.5

6 Cerâmicos Técnicos Formados por compostos (quase) puros: Al 2 O 3 SiC Si 3 N 4 Ex: SiC em turbinas, Al 2 O 3 em circuitos integrados (isolamento térmico) Refractários, Abrasivos, Cimentos, cerâmicos avançados 13.6

7 Cerâmicos - Propriedades Composto T f (ºC) HfC 4150 TiC 3120 WC 2850 MgO 2798 SiC 2500 B 4 C 2450 Al 2 O TiO

8 Cerâmicos- Ligação química Eq de Pauling: (( X X ) 2 ) / 4 % caracter iónico = (1 e A B )(100%) Ligação química: Composto Ligação X A - X B % iónico MgO Mg O 2,3 73 Al 2 O 3 Al O 2,0 63 SiO 2 Si O 1,7 51 Si 3 N 4 Si N 1,

9 Cerâmicos Estruturas iónicas Empilhamento iónico: 1. Tamanho relativo dos iões (abordagem esferas rígidas) 2. Equilíbrio de cargas electrostáticas 13.9

10 Cerâmicos Estruturas iónicas Tamanho relativo dos iões: Razão de raios = r catião / r anião Razão de raios crítica (mínima) 13.10

11 Cerâmicos Estruturas iónicas NC, número de coordenação Faz aumentar estabilidade Estudo: ex. 10.1, 10.2 Smith 13.11

12 Cerâmicos Estruturas iónicas CsCl (Iónica) rc/ra = 0,94 Idêntico: Iónicos: CsBr (Intermetálicos: AgMg, LiMg, AlNi ) 13.12

13 Cerâmicos Estruturas iónicas NaCl (Iónica) rc/ra = 0,56 Também: MgO, CaO, NiO, FeO 13.13

14 Posições intersticiais Estruturas compactas (CFC e HC): Interstícios octaédricos tetraédricos 13.14

15 Estruturas - Blenda Blenda (ZnS) Também : CdS, InAs, InSb, ZnSe 13.15

16 Estrutura Fluorite (CaF 2 ) UO2, BaF2, AuAl 13.16

17 Estrutura Corindo (Al 2 O 3 ) 13.17

18 Estrutura Perovesquite (CaTiO 3 ) Ca + O : CFC 13.18

19 Estrutura Espinela (AB 2 O 4 ) AB 2 O 4 A: 2+ B: 3+ O 2- : rede CFC Catiões: interstícios octaédricos e tetraédricos Ex: MgAl 2 O 4 Fe 3 O 4 (magnetite): FeO.Fe 2 O 3 Fe 2+ : octaédricos Fe 3+ : octaédricos e tetraédricos (50%-50%) 13.19

20 Grafite Covalente. Propriedades lubrificantes 13.20

21 Silicatos SiO 4 4- ~50% iónica Estrutura em camadas 13.21

22 Processamento de cerâmicos Moagem, mistura Conformação (prensagem ou extrusão) Tratamentos térmicos: Secagem (< 100ºC) Sinterização (>1000ºC) Sinterização: difusão no estado sólido coalescencia porosidade 13.22

23 Sinterização MgO 13.23

24 Cerâmicos Tradicionais Argila (Al 2 O 3.SiO 2.H 2 O) Sílica (SiO 2 ) Feldspato (K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 ) 13.24

25 Cerâmicos Técnicos Óxidos, carbonetos, nitretos, quase puros Al 2 O 3 : tubagens refractárias, cadinhos, isolante em velas de ignição Si 3 N 4 : Razoável resistência mecânica e tenacidade à fractura SiC: Dureza elevada, inércia química, resistência à abrasão, excelente resistência à oxidação a altas temperaturas ZrO 2 : Sujeita a fissuração; em geral estabilizada com CaO, MgO, Y 2 O

26 Propriedades Eléctricas 1. Constante dieléctrica q = CV C C A = ε0 d A = kε0 d ε 0 : permitividade do vácuo (8,854 x F/m) k: const dieléctrica do material 13.26

27 Propriedades Eléctricas 2. 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%argila Fosterite: Mg2SiO

28 Materiais Piezoeléctricos BaTiO3 Momento dipolar= ΣQd Temperatura de Curie ferroeléctrica 13.28

29 Materiais Cerâmicos Efeito Piezoeléctrico Piezoeléctrico: material dieléctrico com estrutura assimétrica, de modo que os centros de cargas positivas e negativas não coincidem. sensibilidade da polarização à distância do dipolo (pressão). Aplicações: sensores de pressão, sensores tácteis 13.29

30 Cerâmicos Propriedades Térmicas 13.30

31 Vidros Transparência Dureza (T ambiente) Resistência mecânica Resistência à corrosão Material cerâmico amorfo Constituintes aquecidos até à fusão + arrefecimento sem cristalização 13.31

32 Vidros - Arrefecimento Tg: temperatura de transição vítrea Tg depende de velocidade de arrefecimento 13.32

33 Vidros SiO 4 4- Sílica cristalina (cristobalite) O partilhado Vidro de Sílica 13.33

34 Vidros - composição Óxidos de base: SiO 2 ou B 2 O 3 Óxidos modificadores da rede: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO Óxidos intermédios: Al 2 O 3 (AlO 4 2- ) 13.34

35 Vidros - Reologia Q / η =η o e RT η: viscosidade (Poise) Q: en. activação escoamento 13.35