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Engenharia Dos Materiais - 22 Aula

engenharia dos materiais

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MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 1 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos Materiais Cerâmicos Propriedades Eléctricas dos Cerâmicos º Devido as suas características intrínsecas, os materiais cerâmicos são usados em diversas aplicações eléctricas e electrónicas. º Materiais cerâmicos dieléctricos º Alguns materiais cerâmicos são isolantes e possuem a capacidade de armazenarem cargas quando sujeitos a uma tensão eléctrica. º º º MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 º Esta propriedade faz com que muitos dos condensadores utilizados na indú indústria elé eléctrica e electró electrónica sejam feitos de materiais cerâmicos. Exemplo de material usado em condensadores: Titanato de Bá Bário (BaTiO3). Os condensadores não passam de discos ou cilindros de um material dielé dieléctrico entre dois contactos metá metálicos. MATERIAIS / MATERIAIS I 3 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º 2 Para alé além da aplicaç aplicação em condensadores, os materiais cerâmicos, devido as suas propriedades elé eléctricas e mecânicas, são muito usados como isolantes em muitas aplicaç aplicações. O facto de as ligaç ligações ató atómicas serem do tipo iónico e covalente, covalente, restringem a mobilidade dos electrões e iões, o que os torna bons isolantes elé eléctricos. São usados por exemplo em isolamento de cabos de alta tensão e em em revestimento de resistências de aquecedores. 4 Materiais Cerâmicos º º º º Exemplos de materiais cerâmicos usados como isolantes: isolantes: Porcelana elé – argila (50%(Al2O3.2SiO2.2H2O))+S eléctrica (50%(Al2O3.2SiO2.2H2O))+Síílica (25%(SiO2))+Feldspato (25%(SiO2))+Feldspato (25%(K2O.Al2O3.6SiO2)) Forsterite – Mg2SiO4 Alumina – Al2O3 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 5 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º º º Materiais Cerâmicos Materiais semicondutores Alguns materiais cerâmicos possuem propriedades semicondutoras, semicondutoras, muito importantes no funcionamento de dispositivos elé eléctricos, assim como na miniaturizaç miniaturização de certos dispositivos. A maior parte destes cerâmicos são óxidos sinterizados dos elementos Mn, Ni, Fe, Co e Cu. º MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 º º Mas o material mais usado na microelectró microelectrónica é o óxido de silí silício, ou sílica (SiO2). (SiO2). Este material cerâmico é usado em quase todas as aplicaç aplicações electró electrónicas que requerem um tamanho muito reduzido. Exemplo dí díodos, transí transístores e circuitos integrados. MATERIAIS / MATERIAIS I 7 Materiais Cerâmicos º 6 Materiais cerâmicos piezoelé piezoeléctricos A piezoelectricidade é um efeito electroelectro-mecânico. mecânico. Alguns materiais, dependendo das suas propriedades magné magnéticas, podem apresentá apresentá-lo. Para tal é necessá necessário que o material tenha uma polarizaç polarização espontânea. Isto é que existam dipolos nas cé células unitá unitárias, e desta forma haja uma polarizaç polarização do material segundo uma direcç direcção. Assim numa face existem cargas positivas e na outra cargas negativas. Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º º 8 Um material que possua esta propriedade, tem a capacidade de se deformar quando lhe é aplicada uma tensão elé eléctrica e de produzir um sinal elé eléctrico quando é deformada mecanicamente. A estes dois fenó fenómenos dãodão-se os nomes de efeito directo e efeito inverso. Efeito Directo Devido a aplicaç aplicação de tensões mecânicas (tracç (tracção ou compressão), segundo a direcç direcção de polarizaç polarização, são alterados os dipolos elé eléctricos e desta forma é possí possível medir uma tensão elé eléctrica nos terminais do material. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 9 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos Materiais Cerâmicos º Efeito inverso Devido à aplicaç aplicação de uma tensão elé eléctrica, o material deformadeforma-se como consequência da variaç variação dos dipolos. dipolos. º º MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 º MATERIAIS / MATERIAIS I Propriedades Mecânicas dos Cerâmicos Apesar das estruturas serem semelhantes às de metais, muitos sistemas de deslizamento não são activos porque o deslizamento em em certos planos aproximaria iões de cargas iguais, que se repelem. Isto não acontece em metais porque os átomos são neutros. - - + - + - + - + - - + - + - + - + + - + - + - + - - + - + - + - + - Movement would cause like charges to be brought into close proximity - Very high energy situation, dooes not happen Exemplo Aplicaç Aplicação Colocando camadas de materiais cerâmicos piezoelé piezoeléctricos nas asas de um avião é possí possível medir constantemente as tensões a que as asas estão sujeitas e deste modo evitar uma fractura inesperada. 11 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º 10 12 Materiais Cerâmicos º Isto explica a dureza e fragilidade dos cerâmicos. Não havendo possibilidade de ocorrerem deslocaç deslocações, eles fracturam com pouca deformaç deformação plá plástica. Fractura Frágil - Extensão MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 13 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos Materiais Cerâmicos º Característica típica dos cerâmicos: º Ensaio de tracção é difícil de fazer e dá dispersão de resultados muito grande logo fazem-se ensaios de flexão! º Melhor resistência em compressão do que em tracção º º º MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 º Factores que afectam a resistência dos materiais cerâmicos A falta de resistência mecânica dos cerâmicos advé advém principalmente dos defeitos existentes na estrutura (poros, inclusões, grãos diferentes dimensões). Os poros existentes nos materiais cerâmicos, são regiões onde se concentram tensões. Quando a tensão junto de um poro atinge um valor crí crítico, formaforma-se uma fenda, que ao propagarpropagar-se dá dá origem à fractura. A existência de poros, faz ainda diminuir a secç secção transversal que o material apresenta, fazendo diminuir o valor da tensão má máxima que este pode suportar. MATERIAIS / MATERIAIS I 15 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º 14 Tenacidade dos materiais cerâmicos Devido à combinaç combinação de ligaç ligações covalentes e iónicas, nicas, os materiais cerâmicos têm baixa tenacidade. No entanto recorrendo a processos como a prensagem a quente com aditivos e sinterizaç sinterização reactiva, é possí possível fabricar cerâmicos té técnicos com maior tenacidade. 16 Materiais Cerâmicos º º º Propriedades té térmicas dos materiais cerâmicos De forma geral os materiais cerâmicos têm baixa conductividade térmica, devido às ligaç ligações covalentes e iónicas, nicas, logo são bons isolantes térmicos. Esta propriedade tornatorna-os bons materiais refractá refractários ou seja materiais que resistem a altas temperaturas. temperaturas. Quase nunca são compostos puros (ó (óxido de alumí alumínio, óxido de magné magnésio), que apresentariam altos pontos de fusão, mas sim misturas de óxidos pois torna os produtos menos dispendiosos e mais fáceis de trabalhar. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 17 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º º º 18 Materiais Cerâmicos È importante que os cerâmicos refractá refractários tenham boa resistência mecânica quer a baixas quer a altas temperaturas, e que tenham pouca pouca porosidade. Um material mais denso (com menos porosidade) resiste melhor à erosão, e à corrosão, sendo ainda mais impermeá impermeáveis a gases e líquidos. As aplicaç aplicações dos materiais refractá refractários mais comuns é o revestimento de todo o tipo de fornos, fornos, desde fornos, onde se sinterizam cerâmicos até até altos fornos usados para fundir metais. º Outra aplicaç aplicação dos cerâmicos refractá refractário é o revestimento do space shuttle (70 % da superfí superfície exterior) e de todos os veí veículos aeroespaciais sujeitos as altas temperaturas a quando da saí saída e entrada na atmosfera terrestre. 955 315 650 1465 Temperatures are in Celsius degrees. Temps marked with an * signify ascent temperatures. *1175 980 *425 *430 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 º Cubo de sílica de isolamento térmico. O interior do cubo está a 1250ºC e pode ser manuseado sem protecção. Usada no isolamento térmico do Space Shuttle * 420 MATERIAIS / MATERIAIS I 19 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º *405 20 Materiais Cerâmicos º º º VIDROS Os vidros são materiais que possuem qualidades que os tornam únicos. Combinam transparência com dureza à temperatura ambiente, suficiente resistência mecânica e uma óptima resistência à corrosão em grande parte dos ambientes. O Vidro é um material cerâmico que difere dos outros pois na sua produç produção, ele é fundido e toma forma arrefecendoarrefecendo-o sem que haja cristalizaç cristalização. Uma das caracterí características do vidro é a sua estrutura nãonãocristalina ou amorfa (não há há ordem molecular). MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 21 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º º Materiais Cerâmicos Temperatura de transiç transição ví vítrea – temperatura à qual o vidro passa de um estado lí líquido pastoso (muito plá plástico) para o estado só sólido. Muito importante para determinaç determinação das temperaturas e viscosidades de trabalhabilidade do vidro. A maior parte dos vidros tem por base o óxido de silí silício (SiO2) misturado com outros óxidos como Na2O e CaO. CaO. º º em Chapas O vidro tem que ser trabalhado a alta temperatura, a uma temperatura temperatura a que ele tenha uma viscosidade tal que ele não seja tão lí líquido, nem tão sólido, que não se consiga enformar. Vidro em chapas. º Obtido por um processo de flutuaç flutuação do vidro fundido sobre um banho de estanho fundido. O vidro é arrefecido (em atmosfera controlada) à medida que se move sobre o estanho fundido. Posteriormente, já já com a viscosidade desejada é passado por rolos que lhe atribuem a espessura desejada. Passa ainda por um forno de recozimento onde são aliviadas as tensões criadas pelo arrefecimento. MATERIAIS / MATERIAIS I 23 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º Vidro Processamento de vidros. º MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 22 24 Materiais Cerâmicos º º º Outras formas Peç Peças como garrafas, jarros, e invó invólucros de lâmpadas, podem ser obtidos por uma té técnica de vazamento e sopragem. sopragem. Quando utilizados em óptica, devedeve-se ter especial cuidado na eliminaç eliminação de poros. Isto implica no controle da viscosidade na fase líquida. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 25 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º Processamento Materiais Cerâmicos de vidros º Tratamento té térmico dos vidros º Para obter um vidro mais resistente (vidro temperado), podepode-se fazer um tratamento té térmico. O vidro é arrefecido rapidamente de forma controlada. A superfí superfície solidifica antes. O interior continua plá plástico e tenta contrair mais do que a superfí superfície permite. O interior tenta puxar a superfí superfície para dentro. Quando totalmente solidificado, existem tensões compressivas na superfí superfície e de tracç tracção no interior. O vidro se torna mais resistente porque uma tracç tracção externa que poderia causar fractura, tem que antes vencer a compressão da superfí superfície. Usado em vidros de carros, lentes de óculos, portas. º º º º MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Cerâmicos º Vidro Temperado º Aquecer o vidro até até uma temperatura abaixo da temperatura de transiç transição vitrea. vitrea. º ArrefeceArrefece-lo rapidamente (tempera) com um gá gás inerte. º Esperar que o interior arrefeç arrefeça lentamente até até à temperatura ambiente º A superfí superfície desenvolve tensões de compressão º O interior desenvolve tensões de tracç tracção 26 27