Cerâmicas e Vidros

1. Cerâmicas e Vidros Profª MSc. Janaína Araújo

2. Classes • Vidros: base de sílica (SiO2); • Cerâmicas vítreas: ou produtos de argila; pratos, louças, ladrilhos, tijolos; • Cerâmicas de alto desempenho: ferramentas de corte, matrizes, peças para motores, peças resistentes ao desgaste; • Cimento: cerâmica complexa com muitas fases; • Rochas e minerais, incluindo gelo.

3. Cerâmicas e vidros genéricos • Vidros - usados em enormes quantidades, próximas as do alumínio; • Cerâmicas vítreas – produzidas a partir de argilas, que são conformadas no estado plástico úmido e então secadas e cozidas; • Cerâmicas de engenharia de alto desempenho – a resistência é determinada por duas características: tenacidade e a distribuição de tamanho de microtrincas;

4. Cerâmicas e vidros genéricos • Cimento - combinação de cal (CaO), sílica (SiO2) e alumina (Al2O3) que reage quando misturada com a água; • Cerâmicas naturais – a pedra é o mais antigo de todos os materiais de construção e o mais durável. A pedra utilizada em uma capacidade de suporte de carga comporta-se como qualquer outra cerâmica.

5. 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. Propriedades térmicas • As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são: • capacidade calorífica (  ) • coeficiente de expansão térmica (  ) • condutividade térmica átomos Ligação Química

7. Material Capacidade calorífica (J/Kg.K) Coeficiente linear de expansão térmica ((°C)-1x10-6) Condutividade térmica (W/m.K) Alumínio 900 23,6 247 Cobre 386 16,5 398 Alumina (Al2O3) 775 8,8 30,1 Sílica fundida (SiO2) 740 0,5 2,0 Vidro de cal de soda 840 9,0 1,7 Polietileno 2100 60-220 0,38 Poliestireno 1360 50-85 0,13 Propriedades térmicas

8. Propriedades térmicas 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. 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. Propriedades óticas Distorção de uma nuvem de elétrons de um átomo por um campo elétrico. Alinhamento de dipolos. Polarização Absorção de energia (deformação elástica), resultando em aquecimento Propagação de ondas eletromagnéticas (radiação eletromagnética)

11. Propriedades óticas Banda de condução Banda de valência Luz visível Faixa de energia 1,8 a 3,1eV Responsável pelas cores que observamos nos materiais Fotocondutividade

12. Propriedades óticas • Transparência – Janelas, lentes, artigos de laboratório etc. • Conversão de luz em eletricidade – Laser, eletrônica (LED’s) • Luminescência – Lâmpadas elétricas e telas de TV. • Reflexão – Fibras óticas (telefonia, TV a cabo etc).

13. 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. Propriedades mecânicas • Componentes de motores de automóveis. • Ferramentas de corte. • Blindagem de veículos militares. • Estruturas de aeronaves. • Construções civis. • Abrasivos para polimentos.

15. Propriedades elétricas As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser: • isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2) • semicondutores: SiC, B4C • supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11

16. 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: Tamanho e pureza controlados Preparação da matéria-prima Hidroplástica ou fundição por suspensão Moldagem (conformação) Secagem Eliminação de água ou ligantes Sinterização Tratamento térmico

17. Processamento de vidros Aquecimento das matérias-primas Conformação • Prensagem Fabricação de peças com paredes espessas • Insuflação Pressão através da injeção de ar Conformação de lâminas, tubos, fibras etc. • Estiramento Tratamento térmico • Recozimento • Têmpera de vidro

18. Outros processamentos Fundição em fita Prensagem do pó Fabricação de argilosos, não-argilosos. Cerâmicas eletrônicas. Cerâmicas magnéticas. Compactação através de pressão. Grau de compactação X espaço vazio (partículas) Produção de substratos para circuito integrados e capacitores. Lâminas delgadas são produzidas através de fundição.

19. Processamento – prensagem do pó Três procedimentos básicos Prensagem a quente Isostático Uniaxial Compactação do pó em molde metálico. Pressão aplicada em uma única direção Conformação e sinterização ao mesmo tempo. Temperatura e pressão uniaxial. Material pulverizado contido em envelope de borracha. Pressão feita por fluido aplicado isostaticamente.

20. 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. Exemplos de aplicação Função eletro-eletrônica Isolante elétrico Al2O3, BeO, SiC substrato Sensores de gás semicondutor SnO2, ZnO, Bi2O3 Condutividade elétrica SiC, MoSi2 Gerador de calor Função térmica Refratariedade Fornos refratários Al2O3, SiC Isolamento térmico K2O, SiC, CaO Isolantes térmicos

22. Exemplos de aplicação Função mecânica Resistência ao desgaste Al2O3, ZrO2 Polimento e moagem Ferramentas de corte Usinabilidade Al2O3, ZrO2, TiC, WC Lubrificação MoSi2 Lubrificante sólido Função óptica Transparência Lâmpada de sódio Al2O3 Condutividade SiO2 Fibra ótica

23. Exemplo de 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. Exemplo de funcionamento laser Exemplo de laser de estado sólido bobeado oticamente.

25. Exemplo célula solar Exemplo de funcionamento de uma célula solar.

26. Exemplos propriedades mecânicas Pistões e camisas Peças automotivas

27. Exemplos propriedades mecânicas Construção civil Lixas para polimento Ferramentas de corte

28. Sinterização de cerâmicos Formação de pescoço entre as partículas, o que torna a peça mais densa. As partículas se ligam através de pontos de contato. Grande números de poros. Final: poros arredondados com menor espaço entre eles.

29. Conformação de vidros

30. Conformação de vidros

31. 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 6000 C até atingir seu ponto ideal. Neste momento, recebe um resfriamento brusco, o que vai gera o estado de tensão citado.