Materiais cerâmicos, Trabalhos de Engenharia Elétrica

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Centro Federal de Educação Tecnológica do Maranhão Professora: Carmem Francisco Nascimento Introdução a Ciência dos Materiais

Materiais Cerâmicos: Teoria e Aplicação.

São Luís MA Maio 2007

Centro Federal de Educação Tecnológica do Maranhão Professora: Carmem Francisco Nascimento Introdução a Ciência dos Materiais

Carolina Gomes Araújo Garreto EE0311002-

Materiais Cerâmicos: Teoria e Aplicação.

São Luís MA Maio 2007

INTRODUÇÃO

HISTÓRICO, DEFINIÇÃO

A palavra cerâmica vem do grego "keramos", que significa coisa queimada indicando que as desejáveis propriedades destes materiais são normalmente encontradas através de um processo de tratamento térmico de alta temperatura denominado queima. Originalmente o termo é aplicado às porcelanas e cerâmicas, mas recentemente tendo-se notado que são materiais inorgânicos e não-metálicos. A maioria dos materiais cerâmicos são compostos entre elementos metálicos e não-metálicos para os quais as ligações interatômicas são ou totalmente iônicas ou predominantemente iônicas, mas tendo algum caráter covalente.

Até cerca de 40 anos atrás, os mais importantes materiais nesta classe eram denominados "cerâmicas tradicionais", aquelas para as quais a matéria prima básica é a argila; produtos considerados como cerâmicas tradicionais são louça, porcelana, tijolos, telhas, ladrilhos, azulejos, manilhas e, em adição, vidros e cerâmicas de alta temperatura. Ultimamente, significativos progressos têm sido feitos no entendimento do caráter fundamental destes materiais e dos fenômenos que ocorrem neles que são responsáveis pelas suas únicas propriedades. Consequentemente, uma nova geração destes materiais foi desenvolvida e o termo "cerâmica" tem sido tomado com um significado muito mais amplo. Em vários graus de importância estes materiais têm um efeito bastante dramático sobre as nossas vidas; eletrônica, computador, comunicação, aeroespacial e um grande número de outras indústrias se apóiam no seu uso.

É quase impossível abrir os olhos sem ver um produto cerâmico ou um produto que depende do engenheiro ou do cientista cerâmico para sua existência. Quando pessoas em geral falam sobre cerâmicas, usualmente estão referindo-se a artefatos de cerâmica tais como pratos, vasos, objetos de arte, etc. Evidentemente tais produtos são cerâmicos, mas eles fornecem uma idéia pouco precisa sobre a dimensão e o universo da indústria de cerâmica nos dias atuais.

Materiais cerâmicos têm propriedades elétricas como isolantes de alta-voltagem, em resistores e capacitores, como a memória em computadores, velas na combustão interna de motores e, mais recentemente, em aplicações de supercondutores de alta temperatura. Resistência ao calor é uma das características mais atrativas nos materiais cerâmicos, por essa razão telhas de cerâmica fornecem blindagem ao aquecimento nos ônibus espaciais de hoje. Uma classe inteira de cerâmicas resistentes ao calor, chamadas de refratários torna possível a construção de alto-fornos siderúrgicos e usinas nucleares que são o coração da indústria moderna.

Alguns produtos são cerâmicos em sua origem: tijolo, telhas, azulejo, utensílios de mesa (louças, talheres), vasos de flores, porcelanas de banheiro. Além disso, o vidro, em suas milhares de permutações, é também um produto cerâmico, desde as lentes de óculos até as janelas de um arranha-céu até cabos de fibra ótica.

Os materiais cerâmicos estão por toda parte - nos carros que dirigimos, nos edifícios que moramos e nas calçadas que pisamos. Elas são usadas até mesmo por dentistas em próteses, coroas, cimento e implantes dentários.

Filtros de cerâmica feitos de porcelana porosa podem isolar micróbios e bactérias do leite e água potável, separar poeira de gases e remover partículas sólidas de líquidos. Cerâmicas são essenciais para a indústria de construção, para a indústria petroquímica, para gerar eletricidade, para as comunicações, exploração espacial, medicina, sanitarismo. Cerâmicas semicondutoras tornaram possíveis os rádios transistorizados e a televisão portátil que revolucionaram o modo de pensar sobre educação e diversão.

Escudos de cerâmica, os quais são leves e resistentes ao impacto, têm sido confeccionados para proteger aviões, veículos militares e soldados. Componentes eletrônicos individuais e circuitos integrados complexos com multicomponentes têm sido fabricados de cerâmicas. Cerâmicas mono-cristal têm importantes aplicações mecânicas, elétricas e óticas. Cerâmicas incluem itens tão delicados que podem ser quebrados por um leve toque, tão resistentes que podem proteger nosso próprio corpo e tão duradouros que permanecem depois de milhares de anos revelando-nos a história dos nossos mais remotos ancestrais.

CLASSIFICAÇÃO

O setor cerâmico é amplo e heterogêneo o que induz a dividi-lo em sub-setores ou segmentos em função de diversos fatores, como matérias-primas, propriedades e áreas de utilização. Dessa forma, a seguinte classificação, em geral, é adotada.

CERAMICAS TRADICIONAIS

Cerâmica Vermelha - compreende aqueles materiais com coloração avermelhada empregados na construção civil (tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e argilas expandidas) e também utensílios de uso doméstico e de adorno. As lajotas muitas vezes são enquadradas neste grupo porém o mais correto é em Materiais de Revestimento.

Materiais de Revestimento (Placas Cerâmicas) - compreende aqueles materiais usados na construção civil para revestimento de paredes, piso e bancadas tais como azulejos, placas ou ladrilhos para piso e pastilhas.

Cerâmica Branca - Este grupo é bastante diversificado, compreendendo materiais constituídos por um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e incolor e que eram assim agrupados pela cor branca de massa, necessária por razões estéticas e/ou técnicas. Com o advento dos vidrados opacificados, muitos dos produtos enquadrados neste grupo passaram a ser fabricados, sem prejuízo das características para uma dada aplicação, com matérias primas com certo grau de impurezas, responsáveis pela coloração. Dessa forma é mais adequado subdividir este grupo em:

Louça sanitária / louça de mesa / isoladores elétricos para alta e baixa tensão / cerâmica artística (decorativa e utilitária) / cerâmica técnica para fins diversos, tais como: químico, elétrico, térmico e mecânico.

Materiais Refratários - Este grupo compreende uma diversidade de produtos, que têm como finalidade suportar temperaturas elevadas nas condições específicas de processo e de operação

térmicos, mecânicos, biológicos e nucleares. Os produtos deste segmento são de uso intenso e a cada dia tende a se ampliar. Como alguns exemplos, podemos citar: naves espaciais, satélites, usinas nucleares, materiais para implantes em seres humanos, aparelhos de som e de vídeo, suporte de catalisadores para automóveis, sensores (umidade, gases e outros), ferramentas de corte, brinquedos, acendedor de fogão, etc.

ARGILAS

As argilas são materiais terrosos naturais que quando misturados com água apresentam alta plasticidade. São constituídas de partículas extremamente pequenas formadas por um número estrito de substâncias denominadas argilo-minerais. De acordo com a ABNT as argilas são compostas de partículas coloidais de diâmetro inferior a 0,005 mm, com alta plasticidade quando úmidas e que, quando secas formam torrões dificilmente desagregáveis pela pressão dos dedos.

Argilo-minerais São silicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio com pequenas percentagens de elementos alcalinos e alcalino-terrosos, além de sílica, alumina, mica, ferro, cálcio, magnésio, matéria orgânica, etc. Resultam da degradação de rochas sob ação da água e do gás carbônico, resultando em jazidas muito variadas e mesmo variações acentuadas dentro de uma mesma jazida.

Tipos de argila De uma maneira geral, podem-se ter: Argilas de cor de cozimento branca, como os caulins e argilas plásticas. Argilas refratárias, como os caulins, argilas refratárias e argilas altamente aluminosas. Argilas para produção de grês. Argilas para materiais cerâmicos estruturais, como as amarelas e vermelhas. As argilas são ainda classificadas em:

Gordas São plásticas devido a grande quantidade de colóides e a presença de alumina, se deformam mais durante o cozimento.

Magras Devido ao excesso de sílica, são mais porosas e frágeis.

COMPONENTES DA ARGILA

Os principais componentes da argila são:

Caulim É a argila com predomínio de caulinita - pó branco matéria da porcelana. O nome caulim é de origem chinesa (Kao-liang:colina elevada), quando seco é untoso e quando úmida é muito plástica.

Caulim

Óxido de ferro Provenientes das rochas ígneas que dá a cor avermelhada ou amarelada a maioria das argilas. Reduz a sua plasticidade e a propriedade de ser refratária.

Sílica livre (areia) Reduz a plasticidade e a retração, facilitando a secagem. Como paradoxo ela diminui a resistência mecânica, porém com a parte que funde (vitrifica) no cozimento endurece o produto.

Óxido de ferro Sílica

Alumina livre Reduz a plasticidade e a resistência mecânica, mas aumenta a refratariedade.

Feldspatos Agem como fundentes aumentando a massa específica, a resistência e a impermeabilidade.

Cálcio Age como fundente e clareia a cerâmica.

Matéria orgânica Embora melhore a plasticidade, torna a cerâmica mais porosa. Ela é responsável pela cor escura da argila antes do cozimento.

ESTRUTURA ATÔMICA

Cerâmicas Cristalinas

Em geral, a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa que a dos metais, uma vez que eles são compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de átomo ocupa posições determinadas no reticulado cristalino.

Exemplo: Titanato de Bário (BaTiO3) Material Piezo elétrico Estrutura tipo AmBnXp

Vidros (Cerâmicas Não-Cristalinas)

Para os materiais cerâmicos a ligação atômica é predominantemente iônica, as estruturas cristalinas podem ser pensadas como sendo composto de íons eletricamente carregados em vez de átomos. Os íons metálicos, ou cátions, são carregados positivamente, porque eles deixaram os elétrons de valência deles aos íons dos não-metálicos, ou ânions, que são carregados negativamente. Duas características dos íons de componente em materiais cerâmicos cristalinos influenciam a estrutura cristalina: a magnitude de carga elétrica em cada um dos íons dos componentes, e os tamanhos relativos dos cátions e anions. Com respeito à primeira característica, o cristal deve ser eletricamente neutro: quer dizer, todo o cátion que carga de positivas devem ser equilibrada por um número igual de anion carga negativas. A fórmula química de uma combinação indica a relação de cátions para anion, ou a composição que alcança este equilíbrio de carga. por exemplo, em fluoreto de cálcio, cada íon de cálcio tem carga +2 (Ca 2+) associado com ions de fluir com carga -1 (F -), assim, deve haver duas vezes F - como Ca2+ íons, com é refletido na fórmula CaF2 química.

A maior parte das cerâmicas apresentam fases cristalinas com poucos elétrons livres, sendo formadas geralmente por estruturas mais complexas do que, por exemplo, a dos metais. Nas fases cerâmicas que apresentam estruturas cristalinas, deve-se levar em consideração além do tamanho dos íons (relação de raios), o número de elétrons de valência para que haja balanceamento de cargas. O MgO tem uma estrutura CFC e a fluorita (CaF 2 ) também, onde os íons de Ca se encontram nos vértices e nos centros das faces e os íons de flúor se encontram dentro da célula (figura 01). Estrutura cristalina da fluorita. a) Tridimensional. b) Bidimensional. Exemplo 01: Usando a figura 01, dizer: a) Quantos átomos existem na célula; b) Qual a massa de cada célula.

a) Os íons de Ca contribuem com 1/8 em cada vértice e 1/2 em cada face e os íons de flúor contribuem com seus volumes totais para cada célula, portanto:

F todosdentroda célula

Ca

8 íons F

4 íonsCa^2

b) Sendo a massa atômica do Ca2+ igual a 19,00 e a do F- de 40,08, temos:

23 5,19x10^22 g/célula 6 , 0210

x

m

Compostos de Empacotamento Fechado: Compostos AX: São compostos formados por um cátion A para cada ânion X por célula unitária. a) Estrutura Cúbica Simples: O CsCl (Cloreto de Césio) apresenta uma razão de raios iônicos de 1,65/1,81 0,9 e, portanto, número de coordenação igual a 8, formando uma estrutura cúbica simples, como mostra a figura 02. Tal estrutura só é possível em compostos, pois um empacotamento eficiente nesse tipo de arranjo só pode ser conseguido com átomos de tamanhos diferentes, onde o menor ocupa o interstício central da célula. No caso dos metais, isso não seria possível, já que os átomos têm o mesmo tamanho.

Estrutura do CsCl. Há um cátion Cs +^ e um ânion Cl -^ por célula Cs + unitária.

Cl -

0,1 (^) 0,

0,1 0,

0, ¼,¾

Composto ABmXn: Embora a presença de mais de dois átomos aumente a complexidade da célula, muitos compostos deste tipo são de grande interesse, como a cerâmica BaTiO 3 , que forma uma célula cúbica a temperaturas acima de 120 ºC, com os íons Ba 2+^ se localizando no vértices, os de O 2-^ nas faces e o de Ti4+^ no centro cubo (figura 05).

Célula cúbica simples da Fluorita. Célula cúbica de BaTiO (^) 3.

F -

Ca +

Ba 2+

O 2-

Ti4+

PROCESSAMENTO E SINTERIZAÇÃO

O processamento de materiais cerâmicos à base de argila é feito a partir da compactação de pós ou partículas e aquecimento à temperaturas apropriadas. As peças cerâmicas podem ser obtidas por FUSÃO ou SINTERIZAÇÃO

Pó + misturas Corpo a verde

Processo de

conformação Sinterização

Peça pronta Peça sinterizada

Acabamento

Devido às elevadas temperaturas de fusão dos materiais cerâmicos torna-se muito dispendioso e tecnologicamente complicado utilizar as técnicas tradicionais de vazamento (fusão) com estes materiais.

Preparação dos Materiais Seleção das matérias primas Pós cerâmicos (reatividade) Importante ter em atenção o grau de pureza (extremamente importante nas cerâmicas técnicas, caso da alumina) e a distribuição granulométrica. Ligantes Lubrificantes Desfloculantes Ajudantes de sinterização

Pós obtidos por spray-drying

PROPRIEDADES TÉRMICAS

Por propriedade térmica entende-se a resposta de um material à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, sua temperatura sobe e suas dimensões aumentam. A energia pode ser transportada para regiões mais frias da amostra se existirem gradientes de temperatura e, finalmente, a amostra pode se fundir. Capacidade calorífica, expansão térmica e condutibilidade térmica são propriedades que são às vezes críticas na utilização prática de sólidos. Forças de ligação interatômica relativamente fortes são encontradas em muitos materiais cerâmicos como refletidas nos comparativamente baixos coeficientes de expansão térmica; valores tipicamente variam entre cerca de 0,5 x 10 -6 a 15 x 10-6 (o C) -1. Para cerâmicas não cristalinas e também aquelas contendo estruturas cristalinas cúbicas, l é isotrópico. Doutro modo, ele é anisotrópico e, de fato, alguns materiais cerâmicos, durante o aquecimento, contraem-se em algumas direções cristalográficas enquanto se expandem em outras. Para vidros inorgânicos, o coeficiente de expansão depende da composição. Sílica fundida (vidro de SiO 2 de alta pureza) tem uma extremamente pequena expansão térmica, 0,5 x 10 -6 ( o C)-1. Isso é explicado por uma baixa densidade de empacotamento atômico de maneira que expansão interatômica produz relativamente pequenas variações dimensionais macroscópicas. Adição de impurezas na sílica fundida aumenta o coeficiente de expansão térmica. Materiais cerâmicos que são submetidos a variações de temperatura devem ter coeficientes de expansão térmica que são relativamente baixos e, em adição, isotrópicos. Doutro modo, esses materiais frágeis podem experimentar fratura como uma consequência de variações dimensionais não uniformes no que é denominado choque térmico.

As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são: Grande capacidade calorífica Baixo coeficiente de expansão térmica E condutividade térmica Uma interessante aplicação, que leva em conta as propriedades térmicas das cerâmicas, é o seu uso na indústria aeroespacial.

Revestimento exterior com fibra amorfas de sílica de alta pureza. Espessura: 1,27-8,89cm

PROPRIEDADES ÓTICAS

Descreve a maneira com que um material se comporta quando exposto a luz. Assim, um material pode ser: Transparente, Translúcido, Opaco. Materiais não metálicos são intrinsecamente transparentes ou opacos. Opacidade resulta em materiais de relativamente estreita lacuna de banda como um resultado de absorção pela qual a energia de um fóton é suficiente para promover transições eletrônicas banda de valência-banda de condução. Não-metais transparentes têm lacunas de banda maiores do que cerca de 3 eV.

Dois mecanismos importantes da interação da luz com a partícula em um sólido são:

Polarização

Transição de elétrons entre diferentes níveis de energia.

Banda de condução

Banda de valência

trinca. Devido à sua capacidade de amplificar um tensão aplicada em seus locais, estes defeitos (falhas) às vezes denominadas elevadores tensão. Griffith a seguir propôs que todos os materiais frágeis contivessem uma população de pequenas trincas e falhas que têm uma variedade de tamanhos, geometrias e orientações. A fratura resultará quando, sob aplicação de uma tensão de tração, a resistência coesiva teórica do material é excedida na ponta de uma destas falhas. Isto conduz à formação de uma trinca que então se propaga rapidamente. Se nenhuma falha estiver presente, a resistência à fratura seria igual à resistência coesiva do material. Whiskers (filamentos ou agulhas) metálicos ou cerâmicos muito pequenos e virtualmente livres de defeito foram crescidos com resistências à fratura que se aproximam dos seus valores teóricos.

Propagação de Fendas

Durante a propagação de uma trinca, existe uma liberação do que é denominado energia de deformação elástica, alguma energia que é estocada no material quando ele é elasticamente deformado. Além disso, durante o processo de extensão da trinca, novas superfícies livres são criadas nas faces de uma trinca, que dá origem a um aumento na energia superficial do sistema. Griffith desenvolveu um critério para a propagação de trinca de uma trinca elíptica realizando um balanço de energia usando estas duas energias. Ele demonstrou que a tensão crítica requerida para propagação de trinca num material é descrita por:

(eq. onde: E = módulo de elasticidade

= energia superficial específica a = metade do comprimento de uma trinca interna

Fratura Frágil

À temperatura ambiente, tanto a cerâmica cristalina quanto a cerâmica não-cristalina quase sempre se fraturam antes que qualquer deformação plástica possa ocorrer em resposta a uma carga de tração aplicada. O processo de fratura frágil consiste da formação e propagação de trincas através da seção reta de material numa direção perpendicular à carga aplicada. A resistência à fratura medida de materiais cerâmicos são substancialmente menores do que previstas pela teoria das forças de ligação interatômicas. Isto pode ser explicado pelas pequenas e onipresentes falhas (defeitos) no material que servem como elevador de tensão. O grau de amplificação da tensão depende do comprimento da trinca e raio de curvatura da ponta de acordo com a Equação 8.1, sendo o mais alto para defeitos longos e apontados. Estes elevadores de tensão podem ser trincas da superfície ou do interior (microtrincas), poros internos e cantos de grão, que são virtualmente impossível de eliminar ou controlar. Uma concentração de tensão numa ponta de defeito pode causar a formação de uma trinca, que pode propagar-se até eventual falha. A medida da capacidade de um material cerâmico para resistir à fratura quando uma trinca estiver presente é especificada em termos tenacidade à fratura. A tenacidade à fratura de deformação plana, KIc , é definida de acordo com a expressão:

onde Y é um parâmetro adimensional que é função das geometrias tanto da amostra quanto da trinca; é a tensão aplicada e; a é o comprimento de uma trinca superficial ou a metade do comprimento de uma trinca interna. A propagação de trinca não ocorrerá enquanto o lado direito da equação for menor do que a tenacidade à fratura por deformação plana do material.

Sob algumas circunstâncias, a fratura de materiais cerâmicos ocorrerá por lenta propagação de trincas, quando tensões forem estáticas em natureza e o lado direito da equação for menor do que KIc. Este fenômeno é chamado fadiga estática , ou fratura retardada ; o uso do termo "fadiga" é algo enganador porquanto uma fratura possa ocorrer na ausência de tensões cíclicas. Observou- se que este tipo de fratura é especialmente sensível às condições ambientais, especificamente quando umidade estiver presente na atmosfera. Relativamente ao mecanismo, um processo de corrosão sob tensão provavelmente ocorre nas pontas das trincas; isto é, a combinação de uma tensão de tração aplicada e a dissolução de material conduz a um afilamento e a um alongamento das trincas até que uma trinca cresça até um tamanho de rápida propagação de acordo com a Equação 8.3. Além disso, a duração da aplicação da tensão que precede a fratura decresce com o aumento da tensão. Existe usualmente considerável variação e dispersão na resistência à fratura para muitas amostras de um específico material cerâmico frágil. Este fenômeno pode ser explicado pela dependência da resistência à fratura em relação à probabilidade da existência de um defeito que seja capaz de iniciar uma trinca. Esta probabilidade varia de amostra a amostra do mesmo material e depende da técnica de fabricação e de qualquer subseqüente tratamento. Tamanho ou volume da amostra também influencia a resistência à fratura; quanto maior a amostra tanto maior esta probabilidade de existência de defeito e tanto menor a resistência à fratura. Para tensões compressivas, não existe nenhuma amplificação de tensão associada com quaisquer defeitos existentes. Cerâmicas frágeis exibem maiores resistências em compressão do que em tração e elas são geralmente utilizadas quando condições de carga são compressivas. Também, a resistência à fratura de uma cerâmica frágil pode ser melhorada pela imposição de tensões compressivas residuais em sua superfície. Uma maneira de realizar isto é por revestimento térmico. Foram desenvolvidas teorias estatísticas que em conjunção com os dados experimentais são usadas para determinar o risco de fratura de um dado material; uma discussão desta está além do escopo do presente tratamento. Como uma conseqüência do processo de fabricação, alguns sistemas cerâmicos retêm porosidade residual, que normalmente existe como poros isolados pequenos, aproximadamente esféricos. Porosidade é usualmente deletéria à resistência à fratura destes materiais por 2 razões: (1) poros reduzem área de seção reta através da qual uma carga é aplicada; e (2) eles também agem como concentradores de tensão - para um poro esférico isolado. A influência da porosidade é bastante acentuada; experimentalmente tem sido observado que a resistência de muitas cerâmicas decresce exponencialmente com o aumento da porosidade.