Materiais cerâmicos. Introdução. Princípios gerais. Estruturas cristalinas. J. D. Santos, FEUP

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1 Materiais cerâmicos Introdução. Princípios gerais. Estruturas cristalinas. J. D. Santos, FEUP

2 Ligação química Typical elements in Ceramics 2

3 Ligação química 3

4 Conceitos básicos Definição Compostos inorgânicos formados por elementos metálicos e não-metálicos ligados entre si por ligações covalentes e/ou iónicas. São materiais que podem existir no estado cristalino ou vítreo (vidros) 4

5 Propriedades & Classificação PROPRIEDADES Elevada resistência mecânica Elevada dureza Baixa tenacidade (Materiais frágeis) Isoladores eléctricos e térmicos (ausência de elect. livres) Elevado ponto de fusão Elevada inércia química CLASSIFICAÇÃO Cerâmicos tradicionais: Argila, Sílica e Feldspato Cerâmicos avançados: Ex: Al 2 O 3, SiC e Si 3 N 4 Composição Óxidos - Ex: Al 2 O 3, ZrO 2, TiO 2, etc Não-óxidos - Ex: SiC, B 4 C, TiN, etc 5

6 Vidros Óxido formador mais importante: SiO 2 Classes principais: Vidro de janela e Borosilicatos Exemplos de utilização Vidro Composição típica (% peso) Utilização Soda-cálcio 75SiO 2-10CaO-15Na 2 O Janelas, garrafas, etc. Borosilicatos 80SiO 2-15B 2 O 3-5Na 2 O Formação e moldagem fácil Pyrex, louça cozinha, etc. Resistência a elevada temperatura e Baixo coef. Expansão térmica e resistência ao choque 6

7 Vidros cerâmicos Microestrutura constituída por Fases Cristalinas (usualmente Silicatos) envolvidas por uma Fase Vítrea (SiO 2 ) Processo: Fabrico do vidro e tratamento de cristalização Cerâmico Porcelana, Refractários, louça da China, etc. Composição típica (% peso) Formados a partir de argilas, Ex: Al 2 (SiO 2 ) (OH) 4 + outros minerais inerentes Utilização Isoladores eléctricos, materiais de construção, materiais refractários, etc. 7

8 Cerâmicos de engenharia O desempenho mecânico dos materiais cerâmicos depende: a) Tenacidade à fractura (K1c) b) Tamanho e distribuição das fissuras Cerâmico Alumina densa Carboneto e nitreto de Si Sialons Zircónia cúbica Composição típica Al 2 O 3 SiC e Si 3 N 4 (% peso) Si 2 AlON 3 ZrO 2 +5% MgO Utilização Ferramentas de corte, implantes médicos, Superfícies sujeitas a desgaste, etc. 8

9 Cimentos Mistura: [CaO + SiO 2 + Al 2 O 3 ]+ H 2 O Tempo de presa Cimento Composição típica Utilização (% peso) Cimento Portland CaO + SiO 2 + Al 2 O 3 Pavimentos, Construção civil Cimentos para aplicações médicas: Cimentos de fosfato de cálcio 9

10 Cerâmicos naturais Cerâmicos naturais típicos Cerâmico Granito Areia Carbonato de cálcio Composição típica (% peso) Alumino-silicato SiO 2 maiorit. CaCO 3 Utilização Construção civil, etc 10

11 Compósitos cerâmicos Compósitos Cerâmico - Polímero Conjugar: Elevado módulo elástico e dureza dos Cerâmicos Tenacidade à fractura dos Polímeros Ex: Fibras de vidro ou de carbono + polímeros Osso: Hidroxiapatite + Fibras de colagénio Compósitos Cerâmico - Metal Conjugar: Ductilidade e Resistência ao choque dos Metais com Elevada dureza dos cerâmicos Ex: Metal duro: partículas de WC+Co 11

12 Compósitos cerâmicos Compósitos cerâmicos típicos Compósitos Cerâmicos Fibras de vidro Metal duro Osso Componentes Vidro+ polímeros WC-Co Hidrox + Colagénio Utilização Estruturas Ferramentas de corte Substituição óssea 12

13 Propriedades 13

14 Escalas & Matéria 14

15 Estruturas cristalinas 15

16 Estruturas cristalinas 16

17 Propriedades 17

18 Estruturas FCC e BCC FCC BCC 4 Átomos por célula unitária 2 Átomos por célula unitária 18

19 Estruturas cristalinas 19

20 Número de Coordenação & Relação de raio Número de coordenação (CN): número de aniões que formam a vizinhança mais próxima de um catião central. Relação de raio: razão entre o raio do catião central e o raio dos aniões que o circundam: r catião / R anião Chama-se relação crítica (mínima) de raio quando o catião contacta os aniões e estes contactam-se entre si. 20

21 Número de Coordenação & Relação de raio Número de Coord. (CN) 2 Localização Relação de raio Representação Linear 0-0,155 3 Vért. Triângulo 0,155-0,225 4 Vért. Tetraedro 0,225-0,414 6 Vért. Octaedro 0,414-0,732 8 Vért. Cubo 0,732-1,000 21

22 Estrutura dos óxidos Ex: LiMg, AlNi, CsBr, TlBr 22

23 Estrutura dos óxidos CaO 23

24 Estrutura dos óxidos 24

25 Interstícios Octaédricos & Tetraédricos 4 Interstícios octaédricos 8 Interstícios tetraédricos 25

26 Interstícios octaédricos 4 Int. Oct: 1 centro + ¼ x 12 arestas 4 Átomos/célula; 1 Int. Oct. /1 Átomo 26

27 Interstícios tetraédricos 8 Interst. tetraéd. ; 4 Átomos/célula 2 Interst. Tetraéd. / 1 Átomo 27

28 Estrutura de ZnS Estrutura da Blenda Estrutura da Wurtzite Zn S Semicondutores: CdS, InAs InSb, ZnSe 28

29 Estrutura de CaF 2 Ca F UO 2, BaF 2, ZrO 2, PbMg 2 Anti-Fluorite: Na 2 O, K 2 O, Li 2 O 29

30 Estrutura de UO 2 30

31 Estrutura da Al 2 O 3 6 Átomos Oxig por célula 6 Interstícios octaédricos 1 Interst octaéd / 1 Átomo 2/3 ocupados por Al 3+ Fórmula: Al 2 O 3 31