Disciplina : Ciência dos Materiais LOM 3013 – 2015M1

Apresentação em tema: "Disciplina : Ciência dos Materiais LOM 3013 – 2015M1"— Transcrição da apresentação:

1 Disciplina : Ciência dos Materiais LOM 3013 – 2015M1
8 – Estruturas Cerâmicas Prof. Carlos Angelo Nunes

2 Materiais Cerâmicos: Inorgânicos e não-metálicos
A maioria das cerâmicas são compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos, para os quais as ligações interatômicas ou são totalmente iônicas ou são predominantemente iônicas, mas com alguma natureza covalente.

3 Até cerca de 60 anos atrás, os materiais mais importantes nesta categoria eram denominados “cerâmicas tradicionais”, sendo aqueles para os quais a matéria-prima principal é a argila.

4 Materiais Cerâmicos Avançados
Porcelain high-voltage insulator Si3N4 bearing part The Porsche Carrera GT's carbon-ceramic (silicon carbide) disc brake Cutting disks made of silicon carbide

5 Estruturas Cristalinas - Cerâmicas
Para aqueles materiais cerâmicos nos quais a ligação atômica é predominantemente iônica, as estruturas cristalinas podem ser consideradas como sendo compostas por íons eletricamente carregados (cátions/ânions), em vez de átomos. Duas características dos íons componentes em materiais cerâmicos cristalinos influenciam a estrutura do cristal: a magnitude da carga elétrica em cada um dos íons componentes e os tamanhos relativos dos cátions e dos ânions. Em relação a primeira característica, o cristal deve ser eletricamente neutro; isto é, todas as cargas positivas dos cátions devem ser equilibradas por igual número de cargas negativas dos ânions. A fórmula química de um composto indica a razão entre cátions e ânions, ou a composição que atinge esse equilíbrio de cargas. Ex. NaCl; CaF2

6 O segundo critério envolve os tamanhos ou raios iônicos dos cátions e ânions, rC e rA, respectivamente. Por que a razão rC /e rA, é normalmente menor que a unidade? Cada cátion prefere ter tantos ânions como vizinhos mais próximos quanto possível. Os ânions também desejam um número máximo de cátions como vizinhos mais próximos. Estruturas cristalinas cerâmicas estáveis são formadas quando os ânions que envolvem um cátion estão todos em contato com o cátion.

7 O número de coordenação (isto é, o número de ânions vizinhos mais próximos para um cátions) está relacionado à razão entre os raios do cátion e do ânion. Para um número de coordenação específico, existe uma razão rC / rA crítica ou mínima para a qual este contato cátion-ânion é estabelecido.

8 Para uma razão entre os raios maior que a unidade, o número de coordenação vale 12. Os números de coordenação mais comuns para os materiais cerâmicos são 4, 6 e 8. OBS. O raio iônico tende a aumentar conforme o número de íons vizinhos mais próximos de carga oposta aumenta.

9 Estruturas do tipo AX (A- cátion; X- ânion)
Estrutura do Sal-Gema Estrutura do cloreto de sódio (NaCl) Ó número de coordenação tanto para os cátions quanto para os ânions é 6. Logo, a razão rC / rA está entre 0,414 e 0,732. Ex. NaCl; MgO; MnS; LiF; FeO.

10 Estrutura do Sal-Gema

11 Estruturas do tipo AX (A- cátion; X- ânion)
Estrutura do Cloreto de Césio Estrutura do cloreto de césio (CsCl) Ó número de coordenação tanto para os cátions quanto para os ânions é 8. Logo, a razão rC / rA está entre 0,732 e 1.

12 Estrutura do Cloreto de Césio

13 Estruturas do tipo AX (A- cátion; X- ânion)
Estrutura da Blenda de Zinco Estrutura do sulfeto de zinco (ZnS), esfarelita. Ó número de coordenação tanto para os cátions quanto para os ânions é 4. Logo, a razão rC / rA está entre 0,225 e 0,414. Na maioria das vezes, a ligação atômica nos compostos que exibem esta estrutura cristalina é altamente covalente. Ex. ZnS; ZnTe; SiC.

14 Estrutura da Blenda de Zinco

15 Estruturas do tipo AmXp (A- cátion; X- ânion)
Se as cargas dos cátions e dos ânions não forem as mesmas, poderá exisitir um composto com fórmula AmXp , em que m e/ou p são diferentes de 1. Estrutura do tipo AX2 (Ex. CaF2) BaF2 No CaF2 a razão rC / rA é de aproximadamente 0,8, o que estabelece um número de coordenação de 8. Ex: ZrO2 (cúbico); UO2; PuO2; ThO2.

16 Estruturas do tipo AmBnXp (A- cátion; B- cátion; X- ânion)
Exemplo: BaTiO3 Estrutura cristalina da Perovskita T > 120oC

17 Estruturas do tipo AmBnXp (A- cátion; B- cátion; X- ânion)
Exemplo: MgAl2O4 Estrutura cristalina do Espinélio Os íons oxigênio formam uma rede CFC; Os íons magnésio preenchem sítios tetraédricos; os íons alumínio ocupam sítios octaédricos.

18

19 Estruturas cristalinas a partir de ânions com arranjo compacto
Diversas estruturas cristalinas cerâmicas podem ser consideradas em termos de planos compactos de íons. Ordinariamente, os planos compactos são compostos pelos ânions, que são maiores. Conforme esses planos são empilhados uns sobre os outros, pequenos sítios intersticiais são criados entre eles, onde o cátion pode se alojar. Para cada uma das esferas de ânions, haverá uma posição octaédrica e duas posições tetraédricas.

20 Ex. Empilhamento de planos (111) de íons Cloreto no NaCl
Empilhamento ABCABCABCABC dos íons cloreto. Os cátions encontram-se em posições octaédricas. Todas as posições octaédricas estão preenchidas.

21 Exemplo: MgAl2O4 Estrutura cristalina do Espinélio
Os íons oxigênio formam uma rede CFC; Os íons magnésio preenchem sítios tetraédricos; os íons alumínio ocupam sítios octaédricos.

22 Cálculo da massa específica das cerâmicas
Onde:- número de fórmulas unitárias em cada célula unitária;  AC = Soma dos pesos atômicos de todos os cátions da fórmula unitária;  AA = soma dos pesos atômicos de todos os ânions na fórmula unitária; VC = volume da célula unitária; NA = Número de Avogrado, 6,022x1023 fórmulas unitárias/mol Aplicar para o caso do NaCl.

23 Cerâmicas à base de silicatos
Os silicatos são materiais compostos principalmente por silício e oxigênio, os dois elementos mais abundantes na crosta terrestre. Em vez de caracterizar as estruturas cristalinas desses materiais em termos de células unitárias, é mais conveniente usar vários arranjos de um tetraedro de SiO44- . Existe uma natureza covalente significativa nas ligações Si-O, que são direcionais e relativamente fortes. Várias estruturas de silicatos surgem das diferentes maneiras nas quais as unidades de SiO44- podem ser combinadas em arranjos unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais.

24 Cerâmicas à base de silicatos - Sílica
A sílica (SiO2) é quimicamente o silicato mais simples. Estruturalmente, esse material forma uma rede tridimensional que é gerada quando os átomos de oxigênio localizados nos vértices de cada tetraedro são compartilhados por tetraedros adjacentes. Estruturas abertas; isto é, os átomos não estão densamente compactados uns aos outros. Polimorfos: quartzo; cristobalita; tridimita.

25 Alfa quartzo

26

27

28 Cerâmicas à base de silicatos – Vidros à base de sílica
A sílica também pode existir como um sólido ou vidro não cristalino com elevado grau de aleatoriedade atômica. Como ocorre com a sílica cristalina, o tetraedro de SiO44- é a unidade básica. Adição de CaO, Na2O: Estes óxidos não foram redes poliédricas. Os cátions são incorporados no interior da rede de SiO44-. Por que se adiciona CaO, Na2O ? Adição de CaO, Na2O

29 Cerâmicas à base de silicatos – Os silicatos
Para os vários minerais à base de silicato, um, dois ou três dos átomos de oxigênio nos vértices são compartilhados com outros tetraedros para formar algumas estruturas bastante complexas. Cátions como Ca+2, Mg+2 e Al+3 compensam as cargas negativas das unidades SiO44- proporcionando neutralidade e se ligam iônicamente uns aos outros os tetraedros de SiO44-. Estrutura de cadeia única

30 Silicatos em camadas Estrutura bidimensional ou em lâminas. A carga negativa está associada aos átomos de oxigênio não ligados, que se projetam para fora do plano da página. Uma segunda estrutura laminar com excesso de cátions, ligadas à primeira, estabelece a neutralidade. Esta estrutura básica é característica das argilas.

31 Estrutura cristalina da caolinita : Al2(Si2O5)(OH)4
Monocristais de caolinita Vistos no MEV. Outros minerais lamelares: Talco - [Mg3(Si2O5)2(OH)2] ; mica - KAl3Si3O10(OH)2

32 Estrutura do talco Estrutura da mica (muscovita)

33 Carbono Existe em várias formas alotrópicas, assim como no estado amorfo. Diamante À temperatura ambiente e sob pressão atmosférica, o diamante é um polimorfo metaestável do carbono.. A estrutura é uma variante da blenda de zinco, no qual os átomos de carbono ocupam todas as posições (tanto do Zn quanto do S). O que você espera em termos de condutividade elétrica do Diamante?

34 Grafita À temperatura ambiente e sob pressão atmosférica, a grafita é um polimorfo estável do carbono.. A estrutura é formada por camada de átomos de carbono em uma arranjo hexagonal; dentro das camadas, cada átomo de carbono está ligado por fortes ligações covalentes e três átomos de carbono vizinhos coplanares. O quarto elétron de ligação participa em uma fraca ligação do tipo van der Waals entre diferente camadas. O que você espera em termos de condutividade elétrica da grafita?

35 Forma polimórfica descoberta em 1985..
Fulerenos Forma polimórfica descoberta em Consiste em um aglomerado esférico oco contendo 60 átomos de carbono; uma única molécula é representada por C60 . Cada molécula é composta por grupos de átomos de carbono ligados uns aos outros para formar configurações geométricas tanto hexagonais (com seis átomos de carbono) quanto pentagonais (com cinco átomos de carbono) O material composto por moléculas C60 é conhecido como buckminsterfullerene, em homenagem a R. Buckminster Fuller. Fulerenos designam esta classe de materiais. Buckyball

36 Nanotubos A estrutura consiste em uma única lâmina de grafita, enrolada na forma de um tubo e com ambas extremidades fechadas por hemisférios C60 de fulerenos. Limite de resistência à tração entre 50 e 200 GPa; Módulo de elasticidade da ordem de 103 GPa ;

37

38

39 Safira – Alumina

40 Zircônia cúbica ZrO2

41 Beta SiC

42 TiO2 rutilo