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EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos CERÂMICAS As Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, obtidos.

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1 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos CERÂMICAS As Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas.

2 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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: SiO 2 ( sílica), Al 2 O 3 (alumina), Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 (talco)

3 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos CLASSIFICAÇÃO

4 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos CLASSIFICAÇÃO Convencionais Estruturais Vidros Louças Cimentos Avançadas Eletrônicos Ópticos Biomateriais

5 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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.

6 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos PROPRIEDADES TÉRMICAS As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são: capacidade calorífica ( ) coeficiente de expansão térmica ( ) condutividade térmica átomos Ligação Química

7 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos PROPRIEDADES TÉRMICAS MaterialCapacidade calorífica (J/Kg.K) Coeficiente linear de expansão térmica ((°C) -1 x10 -6 ) Condutividade térmica (W/m.K) Alumínio90023,6247 Cobre38616,5398 Alumina (Al 2 O 3 )7758,830,1 Sílica fundida (SiO 2 )7400,52,0 Vidro de cal de soda8409,01,7 Polietileno ,38 Poliestireno ,13

8 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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

9 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos PROPRIEDADES ÓTICAS Descreve 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.

10 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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)

11 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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

12 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos PROPRIEDADES ÓTICAS – Aplicação Transparência – Janelas, lentes, artigos de laboratório etc. Conversão de luz em eletricidade – Laser, eletrônica (LEDs). Luminescência – Lâmpadas elétricas e telas de TV. Reflexão – Fibras óticas (telefonia, TV a cabo etc).

13 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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)

14 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos PROPRIEDADES MECÂNICAS – Aplicação Componentes de motores de automóveis. Ferramentas de corte. Blindagem de veículos militares. Estruturas de aeronaves. Construções civis. Abrasivos para polimentos.

15 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos PROPRIEDADES ELÉTRICAS As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser: isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO 2 ) semicondutores: SiC, B 4 C supercondutores: (La, Sr) 2 CuO 4, TiBa 2 Ca 3 Cu 4 O 11

16 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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 SecagemEliminação de água ou ligantes SinterizaçãoTratamento térmico

17 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos PROCESSAMENTO DE VIDROS Aquecimento das matérias-primas Conformação Prensagem Fabricação de peças com paredes espessas InsuflaçãoPressão através da injeção de ar Estiramento Conformação de lâminas, tubos, fibras etc. Tratamento térmico Recozimento Têmpera de vidro

18 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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.

19 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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.

20 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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.

21 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos Exemplos de aplicações das cerâmicas Função eletro-eletrônica Isolante elétricoAl 2 O 3, BeO, SiCsubstrato semicondutorSnO 2, ZnO, Bi 2 O 3 Sensores de gás Condutividade elétricaSiC, MoSi 2 Gerador de calor Função térmica Refratariedade Al 2 O 3, SiC Fornos refratários Isolamento térmicoK 2 O, SiC, CaO Isolantes térmicos

22 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos Exemplos de aplicações das cerâmicas Função mecânica Resistência ao desgasteAl 2 O 3, ZrO 2 Polimento e moagem Usinabilidade Ferramentas de corte LubrificaçãoMoSi 2 Lubrificante sólido Função óptica Transparência Al 2 O 3 Lâmpada de sódio CondutividadeSiO 2 Fibra ótica Al 2 O 3, ZrO 2, TiC, WC

23 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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.

24 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos Exemplo funcionamento laser Exemplo de laser de estado sólido bobeado oticamente.

25 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos Exemplo célula solar Exemplo de funcionamento de uma célula solar.

26 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos Exemplos propriedades mecânicas Pistões e camisas Peças automotivas

27 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos Exemplos propriedades mecânicas Lixas para polimento Construção civil Ferramentas de corte

28 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos Conformação de cerâmicos

29 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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.

30 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos Conformação de Vidros

31 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos Conformação de Vidros

32 EM240 Estrutura e Propriedades dos Materiais Materiais Cerâmicos 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 C até atingir seu ponto ideal. Neste momento, recebe um resfriamento brusco, o que vai gera o estado de tensão citado.


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