Introdução aos Materiais Cerâmicos PDF

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Cerâmicos são materiais inorgânicos, não-metálicos, os quais consistem de elementos metálicos (Al, Mg, Cr) e não-metálicos (O, N, C) ligados por ligações iônicas e covalentes....

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Introdução aos Materiais Cerâmicos

Cerâmicos são materiais inorgânicos, não-metálicos, os quais consistem de elementos metálicos (Al, Mg, Cr, ...) e não-metálicos (O, N, C,...) ligados por ligações iônicas e covalentes. Ex.: vidro, tijolos, pedra, concretos, abrasivos, refratários, etc. Obs. Ligação Iônica: Resulta da atração mútua entre íons positivos e negativos. Átomos de elementos como o sódio e o cálcio, com um e dois elétrons na camada de valência, respectivamente, perdem facilmente estes elétrons externos e se tornam íons positivos. Por outro lado, os átomos de cloro e oxigênio facilmente recebem um ou dois elétrons na camada mais externa, respectivamente, de modo a completar oito elétrons nesta camada. Uma força de atração coulumbiana entre íons positivos e negativos promove a ligação entre íons vizinhos de carga oposta. É errado pensar que os íons originários do sódio e do cloro se juntem aos pares, pois se isto acontecesse, haveria uma atração muito grande entre os íons formando o par, e uma atração pequena entre os outros pares. Como conseqüência, o sólido NaCl não poderia existir.

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A carga negativa é atraída por todas as cargas positivas e a carga positiva por todas as negativas. Conseqüentemente, os íons cloro ficam envolvidos por íons cloreto, e os íons cloretos por íons de sódio, sendo a atração igual em todas as direções. Obs.: Ligação Covalente: Muitas vezes, um átomo pode se neutralizar, compartilhando elétrons com um átomo adjacente. O exemplo mais simples deste compartilhamento é a molécula do hidrogênio H2 . A ligação covalente implica em intensas forças de atração entre os átomos, como no exemplo do diamante, que é o mais duro material encontrado na natureza e que é constituído inteiramente por carbono. O diamante é importante porque é a substância mais dura conhecida, e pode ser usado por fazer ferramentas de corte afiadas, tais como as usadas em perfuração de poços de petróleo. As ligações covalentes também se encontram na grafita, cujos átomos de carbono também são unidos fortemente através de ligações covalentes, mas só dentro de um plano, diferentemente da rede 3D das ligações do diamante. Estes planos de átomos de carbono simplesmente empilham-se uns sobre os outros, sendo as forças de união entre os planos, muito fracas. Os planos de átomos de carbono podem então deslizar facilmente uns sobre os outros, e por isto a grafita é um importante lubrificante!

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(a) Figura 10.1. – (a) estrutura do diamante; (b) estrutura da grafita.

(b)

Vidros Produtos Argilosos Materiais Cerâmicos

Refratários Abrasivos Cimentos Cerâmicas avançadas

Há dois grupos de cerâmicas: 1. cerâmicas tradicionais: argila, sílica, feldspato (alumino-silicato, Na, K, Ca) - refratários (ZrO2, SiO2, Al2O3-SiO2) - abrasivos (SiC, WC, Al2O3, SiO2, diamante industrial) 2. Cerâmicas avançadas: Al2O3, SiC, Si3N4, ZrO2 MgO: refratários usado para temperaturas elevadas (1650°C a 2500°C) Argila = Al2Si2O5(OH)4 ZrO2: zircônia (CFC) Al2O3: alumina (HC) Características dos materiais cerâmicos: - em geral cristalinos (exceção: vidro) - possuem ligações covalentes ou iônicas - alta temperatura de fusão - duros e frágeis, em geral (baixa tenacidade e ductilidade) - excelente estabilidade química, de maneira geral (ligações fortes) - usualmente isolantes elétricos e térmicos

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A ausência praticamente total de escorregamento nos materiais cerâmicos tem como conseqüência: - não são dúcteis - resistem a tensões de compressão - resistem pouco a tensões de tração Contorno de grão Poro Fissura

CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES

FRATURA

10.1 Processamento Processo de fabricação de peças cerâmicas por conformação de particulados: Pó

Corpo a verde

Corpo sinterizado

Formato e dimensões preliminares

Conformação

Fases e microestrutura final

Pré-sinterização/sinterização

Tendo os pós misturados, as peças a verde são obtidas pelos seguintes processos mais usuais: 1. Prensagem uniaxial: semelhante a figura 9.3. 2. Colagem de barbotina (fundição por suspensão): figuras 10.2 e 10.3. 3. Compressão isostática: figura 10.4. 4. Extrusão 5. Moldagem por injeção: figura 9.7.

Figura 10.2 – (a) molde em gesso; (b) preencher o molde com uma solução aquosa com partículas cerâmicas em suspensão; (c) vazar o excesso; (d) molde+camada formada; (e) abre-se o molde e retira-se a peça (Shackelford).

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Figura 10.3 – Esquema do processo de colagem por barbotina (Shackelford, pág. 448)

Figura 10.4 – Isolador de vela de motor de combustão produzida por compressão isostática. (a) seção transversal de um molde; (b) peça a verde; (c) peça a verde usinada; (d) peça sinterizada; (e) peça acabada; (f) conjunto montado (Smith). Após a conformação faz-se a sinterização, que é a operação de consolidação do compactado a verde. Há um aumento da resistência mecânica do compactado e o desenvolvimento da microestrutura final do material. A energia motriz para a sinterização é fornecida pela diminuição da energia superficial do material, alcançada pela substituição dos poros por contornos de grãos, assim como pelo aumento do tamanho de grão.

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