TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

CERAMICOS

Paulo Renato Perdigo de Paiva (paulorenato.paiva@gmail.com)

Materiais Cermicos:

Cermicos so materiais inorgnicos e no-metlicos que consistem em compostos que so formados entre

elementos metlicos e no-metlicos, para os quais as

ligaes interatmicas ou so totalmente inicas ou so

predominantemente inicas com alguma natureza

covalente.

Keramos = coisa queimada (grego)

5000 A.C.: artefatos de barro, loua de barro

3500 A.C.: torno de oleiro

1000 A.C.: porcelana (China)

Sc. 18: porcelana (Alemanha), colagem, extruso, forno tnel

Sc. 19: mecanizao, microscopia tica, cones piromtricos

Sc. 20: raios X, microscopia eletrnica, materiais sintticos, automatizao

Tipos de Materiais Cermicos

Matria-prima (cermicas tradicionais): argilas

As argilas so rochas sedimentares compostas de gros muito finos de

silicatos de alumnio, associados a xidos que lhes do tonalidades

diversas, pode ser encontrada prxima de rios, muitas vezes formando

barrancos nas margens da famlia dos minerais filossilicticos

hidratados. A argila divide-se em dois tipos: argilas primrias, originadas

da decomposio do solo por aes fsico-qumicas do ambiente natural,

atravs dos anos, apresentando-se normalmente na forma de p; argilas

secundrias, decorrentes da sedimentao de partculas transportadas

atravs das chuvas e dos ventos, que se apresentam na forma pastosa ou

de lama.

granulometria fina

plasticidade

resistncia mecnica aps secagem e/ou queima

Propriedades:

Matrias-primas (sintticas) Cermicas avanadas

Al2O3 Alumina: Obtida a partir da digesto alcalina da bauxita (processo

Bayer), seguida por precipitao e calcinao.

Alumina eletrofundida:

Produzida em fornos de arco eltrico (T > 2000 C) . Se obtm maior

tamanho de gro e melhores propriedades refratrias e abrasivas.

Alumina Calcinada

Para produo de alumina para cermica h necessidade de se introduzir

algumas modificaes no processo Bayer e no tratamento trmico,

(temperaturas que variam de 1250 C a 1500C), visando principalmente

reduzir o teor de Na2O e controlar o tamanho e forma dos cristais que tem

influncia sobre as propriedades finais do produto cermico.

Carbeto de Silcio

O carbeto de silcio (SiC), um produto sinttico, cuja preparao em

escala industrial foi conseguida pela primeira vez por Acheson, em 1981,

pelo aquecimento de areia e coque em forno eltrico.

ZrO2 Zircnia

Obtida a partir da dissociao do silicato de zircnio ZrSiO4 em forno de

plasma.

Nitreto de silcio (Si3N4)

O nitreto de silcio foi produzido pela primeira vez em 1857 por Deville e

Wohler mas sua produo comercial ativa comeou apenas em 1950.

Obtidos pela reduo carbotrmica da slica em atmosfera de nitrognio

Cermica Matrias-primas

Estrutura Proprie-dades

Processa-mento

Aplicaes

Tradicional(silicatos)

naturais,mineraisindustriais(98%pureza)

homognea,menos porosa

eltrica,magntica,nuclear, tica,mecnica,trmica,qumica,biolgica

prensagemisosttica,moldagempor injeo,sinterizao,ligao porreao

eletrnica,estrutural,qumica,refratrios

Modelo Atmico de Bohr

Os eltrons circulam ao redor do ncleo atmico

em orbitais.

Um eltron pode mudar de energia (salto quntico)

absorvendo ou emitindo energia.

Os nveis energticos de Bohr so separados em

subcamadas eletrnicas e os nmeros qunticos

definem o nmero de estados (ou orbitais) em cada

subcamada.

As subcamadas K, L, M, N, O, P e Q nmero

quntico principal n 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Ligaes atmicas e Estrutura Cristalina

Os eletrons sero adicionados ou retirados da ltima camada eletrnica, ou

camada de valncia .

Configurao eletrnica dos tomos: A distribuio eletrnica dos

ons

Exemplo:

Para o tomo de ferro (nmero atmico = 26) tem a seguinte distribuio eletrnica:

Fe: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

Quando o tomo de ferro perde 2 eltrons passar a on Fe2+, este ter a seguinte

distribuio eletrnica:

Fe2+: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 ou K=2; L=8; M=14;

Se o tomo de ferro perder 3 eltrons, passar a on Fe3+ e ter a seguinte

distribuio eletrnica:

Fe3+: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 ou K=2; L=8; M=13;

Configurao eletrnica dos tomos: A distribuio eletrnica dos

ons

ordem crescente de energia

ordem geomtrica ou distncia

Exemplo: Propriedades definidas pelo eltrons

de valncia:

Materiais isolantes so materiais que apresentam

de 5 a 8 eltrons na camada de valncia, sendo

que o material com 5 eltrons ser menos isolante

que um material de 8 eltrons na ultima camada,

quanto mais camada o elemento tiver, menos

isolante ele ser.

Materiais condutores, possuem de 1 a 3 eltrons

em sua camada de valncia, sendo que o elemento

que tiver 1 eltron na camada de valncia ser

mais condutor que um elemento que possuir 3

eltrons, quanto mais camadas o elemento tiver,

mais condutor ele ser.

1s 2s 2p6 3s 3p6 4s 3d10

1s 2s 2p6 3s 3p6 3d10 4s

Cobre: Z = 29

Configurao eletrnica dos tomos - A distribuio eletrnica dos

ons

A compreenso de muitas das propriedades fsicas dos materiais est

baseada no conhecimento das foras interatmicas que unem os tomos.

A fora de atrao depende do tipo de ligao e varia com a distncia

interatmica.

Fora e energias de ligaes

FN = FA + FR

Fora e energias de ligaes

Os centros dos dois tomos so separados

pela distancia de equilbrio r0 (distncia

interatmica; r0 0,3 nm)

Algumas vezes mais conveniente

trabalhar com energia (potencial) do que

foras de ligaes. Matematicamente,

energia (E) e fora de ligaes (F) esto

relacionadas por : E= F.dr

FORA E ENERGIAS DE LIGAES

FN = FA + FR

FA + FR = 0 (estado em equilbrio)

Energia (E) e fora de ligaes (F)

esto relacionadas por : E= F.dr

A energia necessria

para separar esses

dois tomos at uma

distncia de

separao infinita.

Relao entre algumas propriedades e as curvas de fora e de

energia de ligao

Quanto maior o valor de |E0|,

maior a temperatura de fuso de

um material, j que h

necessidade de rompimento de

ligaes para a mudana de

estado fsico (slido lquido).

Temperatura de fuso

Elevados valor de valor de |E0| baixo coeficiente de expanso trmica (alteraes dimensionais pequenas).

Coeficiente de Expanso

Relao entre algumas Propriedades e as curvas de fora e de

energia de ligao

Quanto maior a energia de ligao |E0|, maior a resistncia.

Relao entre algumas Propriedades e as curvas de fora e de

energia de ligao

Resistncia mecnica

Ligaes Atmica

Ligao inica Entre metais e no-metais;

Os tomos metlicos facilmente cedem os eltrons de valncia aos elementos

no-metlicos (configurao estvel ).

Energia de ligaes: 150-370 Kcal/mol A magnitude da fora obedece a Lei de

Coulomb

EA= -A/r

ER= B/rn

B (ajustado empiricamente)

n (aproximadamente igual a 8)

A igual:

Onde 0 a permissividade do vcuo

(8,85x10-12 F/m), Z1 e Z2 so as valncias

dos dois tipos de ons e e a carga de num

eletron (1,602x10-19 C)

Os eltrons de valncia so compartilhados

Dois atmos, ligados de maneira covalente, iro cada um contribuir com pelo menos um eltron para a ligao

Para N eltrons de valncia, um tomo pode ligar-se covalentemente a, no mximo, 8-N outros eletrons.

A ligao covalente forte = 125-300 Kcal/mol.

possvel ter ligaes interatmicas que so parcialmente inicas e parcialmente covalentes.

O percentual de carter inico de uma ligao entre dois elementos A e B (onde

A o elemento mais eletronegativo) pode

ser calculado pela seguinte expresso:

Ligao covalente

% carter inico = {1 exp [-(0,25)(XA-XB)]}x100

Onde XA e XB so as eletronegatividades dos respectivos elementos. A o elemento mais eletronegativo.

Ligaes inicas versus covalentes

Os materiais cermicos formados a partir de elementos dos grupos monovalentes IA (Li, Na,K, etc...) e o VII A (F, Cl, Br, etc...) so de carter muito inico mas com baixa fora entre as ligaes qumicas, caracterizando compostos de baixo ponto de fuso (para o grupo dos cermicos), baixa dureza, resistncia e mdulo de elasticidade e grande expanso trmica. J os materiais cermicos formados a partir de elementos de grupos de maior valncia como Mg+2 Al+3 Zr+4 possuem ligaes de carter menos inico mas com alta fora nas ligaes gerando compostos de alto ponto de fuso, resistncia mecnica, dureza etc. As cermicas ligadas predominantemente por ligaes covalentes so tipicamente duras e de alta resistncia apresentando altos pontos de fuso. Como essas ligaes so direcionais, apresentam em geral menores densidades (para pesos moleculares equivalentes) e menores expanses trmicas que os compostos inicos.

Encontrada em metais e suas ligas. Forma-se com tomos de baixa

eletronegatividade (apresentam no mximo 3 eltrons de valncia)

Os eltrons de valncia so divididos com todos os tomos (no esto ligados a nenhum tomo em particular) e assim eles esto livres para conduzir.

A ligao metlica geralmente forte (um pouco menos que a inica e covalente)= 25-200 Kcal/mol

Ex: Hg e W

Ligao metlica

Ligaes de Van der Waals

So fracas em relao s primrias (Energia de ligao < 10

Kcal/mol).

Ligaes apolares ( diferena de eletronegatividade tem que ser

igual zero.

Estrutura planar da grafita: dentro dos planos ligao covalente, entre

os planos ligao fraca

Polimorfismo

Alguns metais e no-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina

dependendo da temperatura e presso. Esse fenmeno conhecido como

polimorfismo.

Geralmente as transformaes polimrficas so acompanhadas de mudanas

na densidade e mudanas de outras propriedades fsicas.

Uma substncia cristalina capaz de existir em um certo nmero de

diferentes formas cristalinas dependendo da temperatura, presso e presena

de impurezas

Polimorfismo da Slica

Polimorfismo: Transformaes reconstrutivas

1- Transformao lenta 2- Caracteriza-se pela quebra da estrutura original e a formao de nova

estrutura

3- Ocorre o rompimento de ligaes

4- Requerem grande quantidade de energia para romper as ligaes e

formar outras

5- No so facilmente reversvel (diamante-grafite)

Polimorfos de carbono: grafita e diamante

Grafita

Diamante

Polimorfos de carbono : grafita e diamante

Polimorfismo: Transformao por deslocamento

1- Ocorre um deslocamento dos tomos, sem ocorrer rompimento de

ligaes.

2- Ocorrem mudanas nos comprimentos e ngulos de ligao.

3- Transformao ocorre exatamente quando da temperatura de

transformao alcanada.

4- Transformao se completa em poucos segundos.

5- reversvel.

6- A diferena de energia entre as modificaes pequena.

7- A transformao no procede de um ncleo, mas ocorre atravs do

cristal como um todo, acontecendo isso na temperatura apropriada.

Ex: Zircnia, quartzo, titanato de brio, etc.

Slica

-quartzo

-quartzo

Trs polimorfos da zircnia

Segundo a distribuio espacial dos tomos, molculas ou ons, os

materiais slidos podem ser classificados em:

Cristalinos: compostos por tomos, molculas ou ons arranjados de uma

forma peridica nas trs dimenses. As posies ocupadas seguem uma

ordenao que se repete para grandes distncias atmicas.

No Cristalinos: compostos por tomos, molculas ou ons que no

apresentam uma ordenao de longo alcance. Podem, no entanto, apresentar

ordenao de curto alcance.

Materiais Cristalinos e No Cristalinos