Microestrutura dos materiais cerâmicos

Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia

Oswaldo Cascudo –

Universidade Federal de GoiásHelena Carasek –

Universidade Federal de Goiás

Nicole P. Hasparyk –

Furnas Centrais Elétricas

Microestrutura dos Materiais Cerâmicos

Capítulo 11


Introdução

Os materiais cerâmicos podem ser definidos como sendo materiais formados por compostos de elementos metálicos (Al, Na, K, Mg, Ca, Si, etc.) e um dos cinco seguintes elementos não-metálicos: O, S, N, C e P. Esses elementos são unidos por ligações fortes iônicas e/ou covalentes.

●

Definição –

Materiais cerâmicos:


Introdução

●

Exemplo típico de composto cerâmico :

MgO

•

com relação 1:1 entre átomos metálicos (Mg) e não-metálicos (O);

•

é

amplamente presente como constituinte de materiais refratários, pois pode suportar altas temperaturas sem se dissociar ou fundir.


Introdução

●

Outros exemplos:

•

SiO2 (sílica);

•

Al2 O3 (alumina);

•

Argilas: também são materiais cerâmicos comuns, só

que bem mais complexos do que o MgO;

Uma das argilas mais simples é

a caulinita, ou Al4Si4O10(OH)8, que forma sua estrutura cristalina com quatro diferentes

unidades: Al, Si, O e o radical (OH).


Introdução●

Tipos de ligação nos materiais cerâmicos:

Tipos de Ligação Material

CovalenteSi

SiCSi3

N4

Iônica

NaClMgO

Mica -

(K,H3

O)Al2

(Si,Al)4

O10

(OH)2

Covalente-IônicaAl2

O3

Quartzo -

SiO2

Vidro soda-cal –

Na2

O.CaO.6SiO2

Tipos de ligação nos materiais cerâmicos (adaptado de ANDERSON et

al., 1990).


Introdução

Na construção civil, os materiais cerâmicos abrangem grande variedade de substâncias naturais e de materiais e produtos

industrializados.

Materiais naturais:

•

as argilas e as rochas.

●

Materiais cerâmicos –

variedade de substâncias e de materiais:


Materiais e componentes industrializados:

•

os tijolos;•

os blocos e as telhas cerâmicas;

•

os aglomerantes minerais (cimento Portland, cal e gesso) bem como os compósitos com eles fabricados (argamassas e concretos); •

as peças cerâmicas de revestimento (azulejo, porcelanato,

pastilhas e placas cerâmicas em geral para revestimento de parede e piso);•

as louças sanitárias;

•

os vidros;•

materiais refratários.

Introdução●

Materiais cerâmicos –

materiais e componentes industrializados:


Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas

●

Simples ou comuns;

•●

Complexas:• •

perovsquita;

• •

coríndon;• •

espinélio;

• •

grafita.

●

Podem ser:


•


•●

Perovsquita:

Estrutura da perovsquita –

exemplo da célula unitária do BaTiO3.


●

Coríndon

:


Parte de uma célula unitária hexagonal representando a estrutura do coríndon (na célula, apenas 2/3 das posições do íon Al3+

estão representadas).



•●

Espinélio:

Parte da célula unitária do espinélio do MgAl2O4.



•●

Grafita:

Célula unitária hexagonal em camadas representativa da grafita.


Silicatos

Materiais compostos essencialmente por silício e oxigênio.

●

Definição –

Silicatos:

Exemplos de alguns materiais da construção constituídos por silicatos:

•

Cimento Portland;•

Agregados;

•

Tijolos;• Telhas;• Vidros.


Silicatos

●

Composição química dos principais componentes presentes em alguns silicatos cerâmicos:

Composição química aproximada dos principais componentes presentes em alguns silicatos cerâmicos (SHACKELFORD, 1996).

Cerâmica% Elementos químicos presentes

SiO2 Al2 O3 K2 O MgO CaO outros

Cimento Portland 25 9 - - 64 2

Sílica refratária 96 - - - - 4

Argila calcinada refratária 50-70 45-25 - - - 5

Mulita

refratária 28 72 - - - -

Porcelana elétrica 61 32 6 - - 1

Porcelana de esteatita 64 5 - 30 - 1


Silicatos

Estrutura dos silicatos: unidade fundamentalQuatro íons de oxigênio nos vértices de um tetraedro regular rodeando o íon de silício tetravalente, que os coordena.

Estrutura tetraédrica do silicato, carregada negativamente: a) visualização externa; b) vista interna com o silício posicionado no interstício dos átomos de oxigênio.

•a) •b)


Silicatos

Possíveis arranjos dos tetraedros de silicatos

a) ilha de ortossilicato

(arranjo isolado do tetraedro);

b) ilha de pirossilicato

(unidades tetraédricas duplas);

c) estrutura em cadeia; d) estrutura na forma de anel;

e) estrutura em folha, típica do argilomineral

caulinita.

(ASKELAND, 1990).

-

-

-

-

- -

---

-

-

--

- -

-

-

-

Si4+

O2-

-

-

-

-

-

-

Si4+

Al3+

(OH)-

O2-; (OH)-

O2-

a) isolado b) duplo

d) anel e) folha

c) cadeia

-

-

-

-

-

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-

-

- -

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-- -

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- -

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--

- -

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-

Si4+

O2-

-

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-

-

Si4+

O2-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Si4+

Al3+

(OH)-

O2-; (OH)-

O2-

Si4+

Al3+

(OH)-

O2-; (OH)-

O2-

a) isolado b) duplo

d) anel e) folha

c) cadeia


SilicatosArranjos de alguns silicatos presentes nas rochas

Classificação dos minerais silicatos das rochas (KLEIN; HURLBUT Jr., 1999).

Classe Arranjo dos tetraedros SiO4

Relação Si:O

Exemplos de minerais

Mineral Fórmula química

Nesossilicatos

ou ortossilicatos isolados 1:4 Olivina (Mg,Fe)2

SiO4

Sorossilicatos

ou pirossilicatos duplo 2:7 Hemimorfita Zn4

Si2

O7

(OH).H2

O

Ciclossilicatos anéis 1:3 Berilo Be3

Al2

Si6

O18

Inossilicatos

ou metassilicatos

cadeias simples 1:3 Piroxênio: enstatita Mg2

(Si2

O6

)

cadeias duplas 4:11 Tremolita Ca2

Mg5

Si8

O22

(OH)2

Filossilicatos folhas 2:5 Talco Mg3

Si4

O10

(OH)2

Tectossilicatos estruturas tridimensionais 1:2 Quartzo SiO2


Silicatos

Formas cristalinas polimórficas

principais da sílica:

• Quartzo –

Estrutura fortemente unida, estável e com maior fator de empacotamento

• Cristobalita• Tridimita

Estrutura trimimensional

da sílica: a) cristobalita

e b) tridimita.

•a) •b)

Minerais metaestáveis, baixo fator de empacotamento e baixa densidade


Pode se tornar reativo quando sujeito ao processo do metamorfismo, apresentando seu retículo cristalino tensionado.

Potencialidade reativa do ponto de vista da reação álcali-sílica (RAS) em compósitos à

base de cimento (concretos e

argamassas).

Silicatos

Quartzo: Mineral considerado termodinamicamente mais estável.


Silicatos

Quartzo -

outras fases potencialmente reativas:• quartzo microcristalino -

quartzo de granulação fina, produzido

pela recristalização dinâmica do mineral;

• calcedônia -

variedade criptocristalina

de quartzo da classe fibrosa.

Outros silicatos potencialmente reativos:• vidro vulcânico -

silicato presente nas rochas ígneas, produzido

pelo resfriamento rápido da lava fundida;

• opala -

mineralóide, conhecido como uma sílica hidratada amorfa ou coloidal.


Silicatos

Silicatos Anidros do Cimento Portland

• Alita

(C3S):

silicato tricálcico, Ca3

SiO5

(ou 3CaO.SiO2

)

• Belita

(C2S):

silicato dicálcico, Ca2

SiO4

(ou 2CaO.SiO2

)

•

Celita

ou aluminato

(C3A):

fase aluminato

tricálcico, Ca3

Al2

O6

ou

3CaO.Al2

O3

•

Ferrita

ou Ferroaluminato

(C4AF):

ferroaluminato

tetracálcico (Ca2

AlFeO5

ou 4CaO.Al2

O3

.Fe2

O3

)


Silicatos

Silicatos do Cimento Portland -

Alita

Estrutura do C3

S do cimento Portland, com seus dois principais elementos (adaptada de LEA,1970).


Silicatos

Silicatos do Cimento Portland -

Belita

Estrutura da fase β−C2

S, com projeção ao longo do eixo b (adaptada de LEA,1970).


Silicatos

Silicato hidratado do Cimento Portland: C-S-H

Representação simplificada do α-C2

S hidratado (LEA, 1970).


Vidros e Outras Cerâmicas não Cristalinas

Sílica vítrea:

Tetraedros unidos por ligações covalentes para produzir uma rede tridimensional ao acaso, ou seja, sem orientação, havendo carência de cristalinidade, apesar de se assemelhar à

sílica

cristalina em uma análise a curta distância.

Os vidros ou cerâmicas não cristalinas representam, na sua maioria, silicatos amorfos, apresentando-se semelhantes às

cerâmicas cristalinas do ponto de vista químico.


Diagrama de Fases

O conhecimento dos equilíbrios de fases é

fundamental para prever-se o comportamento dos materiais, porque é

necessário atingir-se o equilíbrio (ou pelo menos um estado próximo a ele) para se alcançar estabilidade química.


Diagrama de Fases

Diagramas de fase = Diagramas de equilíbrio

Determinam:

•

quais fases se encontram em equilíbrio para uma dada composição a certa temperatura;

Permitem:

•

determinar a composição química de cada fase;

•

calcular a quantidade de cada fase presente.


Diagrama de Fases

Mapas a partir dos quais se podem determinar as fases presentes, para qualquer temperatura e composição, desde que o material esteja em equilíbrio.


Diagrama de Fases

As relações de fase , num sistema com um único componente, dependem:

exclusivamente das variáveis de estado (pressão e temperatura).


Diagrama de Fases

Sistema de um único componente –

SiO2. Observação: um diagrama mais completo incluiria também as modificações de cada fase sob temperaturas mais baixas (adaptada de VAN

VLACK, 1973).


Diagrama de Fases

Outra forma de representar o diagrama de fase pressão-temperatura para o sistema SiO2

(ASKELAND, 1998).


Diagrama de Fases

Expansão linear do quartzo e do vidro com o aumento da temperatura (ASKELAND, 1998).


Diagrama de Fases

●

Diagrama de fases binário:

A pressão é

considerada constante e igual a 1 atm, eliminando-se, assim, essa variável de estado.

Exemplo:

O diagrama SiO2

-Al2

O3

é

um dos mais importantes no entendimento e na previsão das propriedades e comportamento de vários materiais cerâmicos de construção civil.


Diagrama de Fases

Diagrama de fases SiO2

-Al2

O3

, sob pressão constante (adaptada de VAN VLACK, 1984).


Diagrama de Fases

Operação de queima na indústria cerâmica:

●

é

importante o conhecimento das transformações termoquímicas das argilas e massas cerâmicas;

●

quando a massa cerâmica é

aquecida, ocorrem diversas transformações, sendo as mais importantes:

•

a retração;•

a variação de porosidade;

•

a liberação ou a absorção de calor;•

a perda de massa;

•

as mudanças da estrutura .


Diagrama de Fases

Temperatura (oC) Retração Porosi-

dadeEfeitos térmicos

Perda de

massa

Análise petrográfica

Análise pordifr. raios X

20 -100 nula alta nenhum pequena cristais decaulinita

cristais de caulinita

100 -

400 nula alta nenhum pequena cristais de caulinita

cristais de caulinita

400 -

500 pequena alta grandeabsorção

muito grande

quebra de cristais

quebra de cristais

500 -

900 média alta nenhum pequena cristais invisíveis metacaulinita

Transformações térmicas do caulim (adaptado de NORTON, 1973).


Diagrama de Fases

Temperatura (oC) Retração Porosi-

dadeEfeitos

térmicos

Perda de

massa

Análise petrográfica

Análise por difr. raios X

900 -1000 alta média grande evolução nenhuma cristais

invisíveis

apareciment

o de mulita e g-alumina

1000 -1150 nula média nenhum nenhuma crescimento de mulita

crescimento de mulita

1150 -1200 alta redução rápida

pequena evolução nenhuma crescimento

de cristobalitamulita e

cristobalita

Transformações térmicas do caulim –

continuação (adaptado de NORTON, 1973).


Propriedades dos Materiais Cerâmicos

●

Principais propriedades das cerâmicas:

•

alta estabilidade térmica;

•

boa resistência à

compressão e ao cisalhamento;

•

fratura do tipo frágil;

•

baixa condutividade elétrica.



Dilatação térmica de alguns materiais de construção (adaptada de VAN VLACK, 1973).



Material Esquema Explicação

MetalO arranjo de coordenação nos metais é

o mesmo antes e após

uma etapa completa de escorregamento.

Comparação dos mecanismos de escorregamento entre metais monoatômicos e materiais cerâmicos biatômicos.

• Mecanismos de escorregamento



Material Esquema Explicação

Cerâmica

O escorregamento em um crista

l biatômico produziria novos vizinhos com forças de atração e repulsão diferentes; esse novo arranjo somente seria atingido com ruptura de ligações fortes entre os íons Mg2+

e O2-. Assim, o escorregamento é

altamente restrito, uma vez que as duas etapas de escorregamento, necessárias para se atingir uma estrutura semelhante à

original, teriam de se realizar passando por uma situação de alta energia, resultante das repulsões de íons negativos versus íons negativos e de íons positivos versus íons positivos.

Comparação dos mecanismos de escorregamento entre metais monoatômicos e materiais cerâmicos biatômicos -

continuação.



A ausência praticamente total de escorregamento nos materiais cerâmicos leva às seguintes conseqüências:

•

esses materiais não apresentam comportamento dúctil, ou seja, são frágeis;

•

podem ser solicitados por tensões de compressão muito elevadas, desde que não se tenham poros presentes;

•

existe a possibilidade teórica de se ter um limite de resistência à tração elevado.



(a) (b)

FRÁGIL

• Comportamento mecânico –

Ilustração para os Materiais Cerâmicos



(a) (b)

DÚCTIL

• Comportamento mecânico –

Ilustração para os Materiais Metálicos


Cerâmica Avançada

Cerâmica avançada, também denominada de cerâmica técnica ou cerâmica fina, engloba uma classe de “novas”

cerâmicas, em que as matérias-primas são artificiais, há

um grande controle do processo e, principalmente, um forte controle da microestrutura.

(YOSHIMURA, 2002)


Cerâmica Avançada

●

Características especiais:

•

alta resistência mecânica;•

alta dureza e resistência à

abrasão;

•

alta durabilidade (resistência química e à

corrosão);•

alta resistência à

temperatura (são materiais refratários);

•

alto ponto de fusão (alguns chegam até

cerca de 2500°C a 3000°C);•

baixa dilatação térmica;

•

elevada tenacidade;•

baixo peso.


Cerâmica Avançada

●

Exemplos de cerâmicas finas:

•

Alumina;

•

Zircônia;

•

Nitreto de silício;

•

Sialon (Si-Al-O-N);

•

Nitreto de alumínio;

•

Nitreto de boro;

•

Carbeto de silício;

•

Carbeto de boro.


Cerâmica Avançada

Material Composição Densidade(g/cm3)

Resistência à compressão

(MPa)

Resistência à tração(MPa)

Módulo deElasticidade

(GPa)

Alumina Al2

O3 3,98 2810 210 395

Carbeto de silício SiC 3,10 3935 175 420

Nitreto de silício* Si3

N4 3,20 3935 175 420

Sialon Si3

N4

-Al2

O3

-

AlN-SiO23,24 3515 560 315

Zircônia** ZrO2 5,80 3515 420 315

* Nitreto de silício prensado a quente; ** Zircônia parcialmente estabilizada.Propriedades mecânicas de algumas cerâmicas avançadas –

valores aproximados (adaptado de ASKELAND, 1994).


Bibliografia Consultada

•ANDERSON, J. C. et al. Materials Science. 4. ed. London: Chapman & Hall, 1997.•ASKELAND, D. R. The science and engineering of materials. 2. ed. London: Chapman & Hall, 1990.•______. The science and engineering of materials. 3. ed. Boston: PWS Publishing Company, 1994.•______. The science and engineering of materials. 3. ed. London: Chapman

& Hall, 1998.•CALLISTER Jr., W. D. Materials science and engineering: an introduction. 2. ed. New York: John Wiley & Sons, 1991.•CAMPBELL, D. H. Microscopical

examination and interpretation of Portland

cement and clinker. Illinois: Construction

Technology

Laboratories

–

Portland Cement

Association, 1986.



•HASPARYK, N. P.

Investigação dos mecanismos da reação álcali- agregado –

efeito da cinza de casca de arroz e da sílica ativa. Goiânia:

UFG, 1999. 257p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil), Escola de Engenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 1999.JASTRZEBSKI, Z. D. Nature and properties of engineering materials. New York: John Wiley & Sons, 1959.KLEIN, C.; HURLBUT Jr., C. S. (after JAMES D. DANA) Manual of mineralogy. 21. ed. USA: John Wiley

& Sons, Inc., 1999.

LEA, F. M.

The chemistry of cement and concrete.

3. ed. London: Edward Arnold (Publishers), 1970.MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: PINI, 1994.MONTEIRO, P. J. M. et al. Effect of aggregate deformation on alkali-silica reaction. ACI Materials

Journal, v. 98, n. 2, p. 179-183, 2001.



NORTON, F. H. Introdução à

tecnologia cerâmica. São Paulo: Edgard Blücher, 1973.PITEIRA, M. Cerâmicos técnicos.

Disponível em: http://www.dcm.fct.unl.pt

/Discipl/Ct/ MP.pdf. Acesso em: 4 mar. 2007.RAMACHANDRAN, V. S.; BEAUDOIN, J. J. Handbook of analytical techniques in concrete science and technology. Ed. Norwich/New York/U.S.A.: Noyes Publications / Willian

Andrew Publishing, 2001.

SHACKELFORD, J. F. Introduction to materials science for engineers. 4. ed. New Jersey: Prentice Hall / Simon & Schuster, 1996.•______. Introduction to materials science for engineers. 5. ed. New Jersey: Prentice Hall, 2000.TAYLOR, H. F. W. Cement Chemistry. 2. ed. London: Thomas Telford, 1997.VAN VLACK, L. H. Princípio de ciências dos materiais. São Paulo: Edgard Blücher, 1970.

http://www.dcm.fct.unl.pt/Discipl/Ct/ MP.pdf

http://www.dcm.fct.unl.pt/Discipl/Ct/ MP.pdf



•______. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais; tradução de Edson Monteiro. 4. ed. Rio de Janeiro: Campus, 1984.•______. Propriedades dos materiais cerâmicos; tradução de Cid Silveira e Shiroyuki

Oniki. São Paulo: Edgard Blücher, 1973.

•YOSHIMURA, H. N. Bate-papo programado –

Cerâmica Avançada:

IPT – Atividades, 2002. Disponível em: http://www.ipt.br/atividades/serviços/chat/ARQ.

Acesso em: 4 mar. 2007.

http://www.ipt.br/atividades/servi�os/chat/ARQ

Microestrutura dos materiais cerâmicos

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