12- materiais cerâmicos, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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MATERIAIS CERÂMICOS

Cubo de sílica

de isolamento

térmico. O

interior do cubo

está a 1250ºC

e pode ser

manuseado

sem protecção.

Usada no

isolamento

térmico do

Space Shuttle

 Materiais cerâmicos são

geralmente uma combinação

de elementos metálicos e não-

metálicos (formam óxidos,

nitretos e carbetos)

 Geralmente a ligação

predominante é iônica

 Geralmente são isolantes de

calor e eletricidade

 São mais resistêntes à altas

temperaturas (devido ao

elvado PF) e à ambientes

severos que metais e polímeros

 Com relação às propriedades

mecânicas as cerâmicas são

duras, porém frágeis

 Em geral são leves

ALUMINA MATERIAIS CERÂMICOS Características Gerais SiC

 Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa)  Os elétrons de valência são “ transferidos” entre átomos produzindo íons  A ligação iônica não é direcional , a atração é mútua  (^) A ligação é forte, por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto A LIGAÇÃO IÔNICA E AS ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS Como conseqüência da ligação ser predominantemente iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas por íons carregados eletricamente (CÁTIONS E ÂNIONS)

LIGAÇÃO IÔNICA



As forças atrativas eletrostáticas entre os

átomos é não-direcional os átomos

num material iônico arranjam-se de forma que

todos os íons positivos têm como vizinho mais

próximo íons negativos, sendo as forças

atrativas igual em todas as direções.



A magnitude da força obedece a Lei de

Coulomb

LEI DE COULOMB



Forças atrativas FA= -A/r^2

 (^) r é a distância interatômica  (^) z 1 e z 2 são as valências dos 2 tipos de íons  (^) e é a carga do elétron (1,602x10-19 (^) C)

 0 é a permissividade do vácuo (8,85x10-12^ F/m)

F

A

CONSIDERAÇÕES SOBRE CARGA

Como o cristal deve ser eletronicamente neutro todas as cargas positivas devem ser contrabalançadas com um número igual de cargas negativas Ex: CaF 2 A relação deve ser de um átomo de Ca para dois de F pois:

Carga do Ca: +

Carga do F= -

CONSIDERAÇÕES SOBRE RAIO IÔNICO (R c e R A )

Rc: em geral são menores porque cedem elétrons

RA: em geral são maiores porque recebem elétrons

Então: Rc/ RA <

ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS

A extrema fragilidade e

dureza dos cerâmicos vem

da natureza das suas

ligações atómicas iônicas

ou covalentes

As estruturas cristalinas,

quando presentes,são

extremamente complexas

Exemplo: O óxido de Silício

(SiO 2 ) pode ter três formas

cristalinas distintas:

quartzo, cristobalite e

tridimite

MATERIAIS CERÂMICOS

PROPRIEDADES MECÂNICAS



Apresentam baixa resistência ao choque



São duros e frágeis em relação à tração (~

kgf/mm^2 )



São resistentes em relação à compressão



O módulo de elasticidade é alto: ~45.500kgf/

mm^2 (aço: 20.000 kgf/mm^2 )



Têm alta dureza e alta resistência ao

desgaste

(^) COMPORTAMENTO MECÂNICO DE CERÂMICOS E VIDROS

COMPORTAMENTO FRÁGIL

• (^) Característica típica dos

cerâmicos: melhor

resistência em compressão

que em tracção.

• (^) Comportamento partilhado

por ferros fundidos

Al 2 O 3 policristalina

• (^) Ensaio de tracção é difícil de

fazer e dá dispersão de

resultados muito grande

• (^) Fazem-se ensaios de flexão!

CERÂMICOS CRISTALINOS DE SILICATOS 25 9 64 2 Cimento Portland

Porcelana steatite

Porcelana eléctrica

Mulita refractária

45- 25 50- 70 Tijolo refractário

Sílica refractária Outr os SiO 2 Al 2 O 3 K 2 O MgO CaO Composição (% em peso)

Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos

não são usados como materiais estruturais

(não são considerados cerâmicos avançados)

Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS (^) CERÂMICOS CRISTALINOS SEM SILICATOS NiFe 2 O 4 BaTiO 3 ZrO 2

UO 2

Cr 2 O 3 MgO.Al 2 O 3 MgO Al 2 O 3 Comp. Componentes “magnéticos” Componentes electrónicos Isolamento térmico (estab. com 10%CaO) Combustível em reactores nucleares Revestimentos para resist. ao desgaste Idem Resistência ao desgaste Isolamento térmico e eléctrico Utilização Dióxido de urânio Zircónia (parcial.) estabilizada Titanato de Bário Ferrite de Níquel Óxido de Crómio Spinel Magnésia, magnésia refractária Alumina, alumina refractária Nome comum BN

B 4 C

WC

TaC TiC Si 3 N 4 SiC Comp Carboneto de Boro Abrasivos Nitreto de Boro Isolamento Carboneto de Tungsténio Ferramentas de corte Carboneto de Tântalo Resistência ao desgaste Carboneto de Titânio Resistência ao desgaste Nitreto de Silício Resistência ao desgaste Carboneto de Silício Abrasivos Nome comum Utilização