Materiais Cerâmicos
EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais
CERÂMICASAs Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas.
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DEFINIÇÃO
Cerâmica vem da palavra grega keramus
que significa coisa queimada
Numa definição simplificada, materiais
cerâmicos são compostos de elementos
metálicos e não metálicos, com exceção do
carbono. Podem ser simples ou complexos.
Exemplos: SiO2( sílica), Al2O3 (alumina) ,
Mg3Si4O10(OH)2 (talco)
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CLASSIFICAÇÃO
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CLASSIFICAÇÃO
Convencionais
Estruturais
Vidros
Louças
Cimentos
Avançadas
Eletrônicos
Ópticos
Biomateriais
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CARACTERÍSTICAS GERAIS
Maior dureza e rigidez quando comparadas aos
aços.
Maior resistência ao calor e à corrosão que
metais e polímeros.
São menos densas que a maioria dos metais e
suas ligas.
Os materiais usados na produção das cerâmicas
são abundantes e mais baratos.
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PROPRIEDADES TÉRMICAS
As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:
capacidade calorífica ( )
coeficiente de expansão térmica ( )
condutividade térmica
átomos
Ligação Química
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PROPRIEDADES TÉRMICAS Material Capacidade
calorífica (J/Kg.K)
Coeficiente linear de expansão térmica ((°C)-
1x10-6)
Condutividade térmica (W/m.K)
Alumínio 900 23,6 247
Cobre 386 16,5 398
Alumina (Al2O3) 775 8,8 30,1
Sílica fundida (SiO2) 740 0,5 2,0
Vidro de cal de soda 840 9,0 1,7
Polietileno 2100 60-220 0,38
Poliestireno 1360 50-85 0,13
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PROPRIEDADES TÉRMICAS -Aplicação
Uma interessante aplicação, que leva em conta as propriedades térmicas das cerâmicas, é o seu uso na indústria aeroespacial.
Temperatura °C* Temperaturas de subida
Revestimento exterior com fibra amorfas de sílica de alta pureza.Espessura: 1,27-8,89cm
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PROPRIEDADES ÓTICASDescreve a maneira com que um material se comporta quando exposto a luz. Assim, um material pode ser:
Transparente Translúcido Opaco Dois mecanismos importantes da interação da luz com a partícula em um sólido são:
Polarização Transição de elétrons entre diferentes níveis
de energia.
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PROPRIEDADES ÓTICAS
Polarização
Distorção de uma nuvem de elétrons de um átomo por um
campo elétrico. Alinhamento de dipolos.
Absorção de energia (deformação elástica),
resultando em aquecimento
Propagação de ondas eletromagnéticas
(radiação eletromagnética)
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PROPRIEDADES ÓTICAS
Fotocondutividade Responsável pelas cores que observamos nos
materiais
Banda de valência
Banda de condução
Luz visível Faixa de energia 1,8 a 3,1eV
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PROPRIEDADES ÓTICAS –Aplicação
Transparência – Janelas, lentes, artigos de
laboratório etc.
Conversão de luz em eletricidade – Laser,
eletrônica (LED’s).
Luminescência – Lâmpadas elétricas e telas de
TV.
Reflexão – Fibras óticas (telefonia, TV a cabo
etc).
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PROPRIEDADES MECÂNICAS
Descreve a maneira como um material responde a
aplicação de força, carga e impacto.
Os materiais cerâmicos são:
Duros
Resistentes ao desgaste
Resistentes à corrosão
Frágeis (não sofrem deformação plástica)
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PROPRIEDADES MECÂNICAS –Aplicação
Componentes de motores de automóveis.
Ferramentas de corte.
Blindagem de veículos militares.
Estruturas de aeronaves.
Construções civis.
Abrasivos para polimentos.
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PROPRIEDADES ELÉTRICAS
As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser:
isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2)
semicondutores: SiC, B4C
supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11
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PROCESSAMENTO O processamento de materiais cerâmicos à base de argila é feito a partir da compactação de pós ou partículas e aquecimento à temperaturas apropriadas.
Principais etapas:Preparação da matéria-prima Tamanho e pureza
controlados
Moldagem (conformação) Hidroplástica ou fundição por suspensão
Secagem Eliminação de água ou ligantes
Sinterização Tratamento térmico
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PROCESSAMENTO DE VIDROS
Aquecimento das matérias-primas
Conformação
Prensagem Fabricação de peças com
paredes espessas Insuflação Pressão através da injeção de ar
Estiramento Conformação de lâminas, tubos, fibras etc.
Tratamento térmico
Recozimento
Têmpera de vidro
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OUTROS PROCESSAMENTOS
Prensagem do pó
Fabricação de argilosos, não-
argilosos. Cerâmicas
eletrônicas. Cerâmicas
magnéticas.
Compactação através de
pressão.
Grau de compactação X
espaço vazio (partículas)
Fundição em fita
Produção de substratos para
circuito integrados e capacitores.
Lâminas delgadas são produzidas através de
fundição.
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PROCESSAMENTO - Prensagem do pó
Três procedimentos básicos
Uniaxial
Compactação do pó em molde metálico.
Pressão aplicada em uma única
direção
Isostático
Material pulverizado contido em envelope de
borracha.Pressão feita por fluido aplicado
isostaticamente.
Prensagem a quente
Conformação e sinterização ao mesmo tempo.Temperatura e
pressão uniaxial.
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PROCESSAMENTO – Fundição em fita
A mistura passa por uma lâmina, a qual regula a espessura do filme, sendo derramada numa esteira rolante. O filme é seco em um forno e as lâminas são posteriormente separadas.
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Exemplos de aplicações das cerâmicas
Função eletro-eletrônica
Isolante elétrico Al2O3, BeO, SiC substrato
semicondutor SnO2, ZnO, Bi2O3Sensores de gás
Condutividade elétrica SiC, MoSi2 Gerador de calor
Função térmica
Refratariedade Al2O3, SiC Fornos refratários
Isolamento térmico K2O, SiC, CaO Isolantes térmicos
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Exemplos de aplicações das cerâmicas
Função mecânica
Resistência ao desgaste Al2O3, ZrO2 Polimento e moagem
Usinabilidade Ferramentas de corte
Lubrificação MoSi2 Lubrificante sólido
Função óptica
Transparência Al2O3Lâmpada de sódio
Condutividade SiO2 Fibra ótica
Al2O3, ZrO2, TiC, WC
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Exemplo fotocondução
Sistema para transmissão de informações, envolvendo um laser para gerar fótons de um sinal elétrico, fibras óticas para transmissão do feixe de fótons e um LED para a conversão dos fótons em sinal elétrico.
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Exemplo funcionamento laser
Exemplo de laser de estado sólido bobeado oticamente.
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Exemplo célula solar
Exemplo de funcionamento de uma célula solar.
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Exemplos propriedades mecânicas
Pistões e camisas
Peças automotivas
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Exemplos propriedades mecânicas
Lixas para polimento
Construção civil
Ferramentas de corte
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Conformação de cerâmicos
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Sinterização de cerâmicos
As partículas se ligam através de
pontos de contato.
Grande números de poros.
Formação de pescoço entre as partículas, o
que torna a peça mais
densa.
Final: poros arredondados com menor
espaço entre eles.
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Conformação de Vidros
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Têmpera de Vidros
A finalidade da têmpera é estabelecer tensões elevadas de compressão nas zonas superficiais do vidro, e correspondentes altas tensões de tração no centro do mesmo.O vidro é colocado no forno, submetido a uma temperatura de aproximadamente 6000 C até atingir seu ponto ideal. Neste momento, recebe um resfriamento brusco, o que vai gera o estado de tensão citado.