Links rápidos
- Propriedades mecânicas de materiais cerâmicos
- Propriedades térmicas de materiais cerâmicos
- Propriedades Químicas de Materiais Cerâmicos
- Propriedades elétricas de materiais cerâmicos
- Propriedades físicas de materiais cerâmicos
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Característica |
Material cerâmico |
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Cerâmica de óxido |
Cerâmica não óxido |
Cerâmicas funcionais especiais |
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Al2O3 |
ZrO2 |
SiC |
Si3N4 |
AlN |
BaTiO3 |
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Densidade |
3,95-3,98 g/cm³ |
5,68-6,1 g/cm³ |
3,1-3,2 g/cm³ |
3,2-3,3 g/cm³ |
3,26 g/cm³ |
5,85 g/cm³ |
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Resistência à flexão |
300-630 MPa |
800-1500 MPa |
350-550 MPa |
600-900 MPa |
300-450 MPa |
– |
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Resistência à compressão |
2000-4000 MPa |
2000-2500 MPa |
2000-3500 MPa |
2500-3500 MPa |
– |
– |
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Módulo de elasticidade |
380-400 GPa |
200-210 GPa |
410-440 GPa |
300-320 GPa |
310-320 GPa |
– |
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Condutividade térmica |
20-30 W/(m·K) |
2-3 W/(m·K) |
80-150 W/(m·K) |
15-50 W/(m·K) |
170-200 W/(m·K) |
– |
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Coeficiente de expansão térmica |
8.0×10⁻⁶/°C |
10.5×10⁻⁶/°C |
4.0×10⁻⁶/°C |
3.0×10⁻⁶/°C |
4.5×10⁻⁶/°C |
6.0×10⁻⁶/°C |
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Temperatura máxima de operação |
1750°C |
2400°C |
1600°C |
1400°C |
– |
– |
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Dureza (Vickers) |
15-19 GPa |
12-14 GPa |
22-28 GPa |
14-16 GPa |
– |
– |
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Tenacidade à fratura |
3,5-4,5 MPa·m½ |
6-10 MPa·m½ |
3-4 MPa·m½ |
5-8 MPa·m½ |
– |
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Constante dielétrica |
– |
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8.8-9.0 |
1500-6000 |
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Constante piezoelétrica d33 |
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190 pC/N |
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Resistividade |
– |
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>10¹⁴ Ω·cm |
10¹⁰ Ω·cm |
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Dureza (Vickers) |
– |
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– |
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12 GPa |
5 GPa |
Propriedades mecânicas de materiais cerâmicos
Dureza e resistência ao desgaste
Os materiais cerâmicos apresentam excelente dureza e resistência ao desgaste. Por exemplo, alumina (Al2O3) Possui dureza Mohs 9, que é três vezes a dureza do aço inoxidável. Essa alta dureza advém da forte estrutura de ligações iônicas e covalentes dos materiais cerâmicos. Devido à sua excelente dureza, os materiais cerâmicos apresentam bom desempenho em aplicações que exigem resistência ao desgaste.
Resistência à compressão e resistência à compressão
A resistência à compressão e a resistência à compressão são outras características marcantes dos materiais cerâmicos. Os materiais cerâmicos apresentam forte resistência à compressão. A resistência à compressão de algumas cerâmicas de engenharia atinge 2.000 a 4.000 MPa, superando em muito a da maioria dos materiais metálicos.
Essa excelente resistência à compressão confere aos materiais cerâmicos vantagens únicas em aplicações de engenharia que suportam alta pressão em alguns componentes de construção e peças mecânicas.
Características de fragilidade e fratura
É claro que, devido às características da estrutura cristalina, os materiais cerâmicos são propensos à fratura frágil quando esticados ou impactados. Essa fratura costuma ser repentina e não há um processo de deformação plástica evidente. A expansão de microfissuras é a principal causa da fratura de materiais cerâmicos.
Existem também materiais cerâmicos com forte tenacidade à fratura, como zircônia estabilizada com ítria, que tem maior tenacidade à fratura do que os materiais cerâmicos em geral.
Módulo de elasticidade e rigidez
A maioria dos materiais cerâmicos possui um alto módulo de elasticidade, o que dificulta a produção de grandes deformações quando submetidos a forças. Por exemplo, o módulo de elasticidade da alumina atinge 380 GPa. Essa alta rigidez permite que os materiais cerâmicos mantenham a estabilidade dimensional.
Propriedades térmicas de materiais cerâmicos
Resistência a altas temperaturas
A maioria dos materiais cerâmicos tem pontos de fusão extremamente altos, como a alumina (Al2O3) com um ponto de fusão de 2072°C, e óxido de zircônio (ZrO2) com ponto de fusão de 2715°C.
Sua excelente resistência a altas temperaturas advém principalmente de fortes ligações químicas e de uma estrutura cristalina estável. Mesmo em ambientes com temperaturas extremas, os materiais cerâmicos conseguem manter a estabilidade das propriedades físicas e químicas.
Condutividade térmica
A condutividade térmica dos materiais cerâmicos é diversa, o que oferece opções para diferentes cenários de aplicação. Alguns materiais cerâmicos, como nitreto de alumínio (AlN) Possuem alta condutividade térmica (170-200 W/m·K), o que pode auxiliar na rápida dissipação de calor em produtos eletrônicos e são excelentes materiais de embalagem para eletrônicos. A zircônia, por outro lado, possui baixa condutividade térmica (2-3 W/m·K) e é um material ideal para blindagem e isolamento térmico.
Propriedades de expansão térmica
Materiais cerâmicos geralmente apresentam baixos coeficientes de expansão térmica. Por exemplo, a alumina possui um coeficiente de expansão térmica linear de cerca de 8×10-6/°C, muito menor do que a maioria dos materiais metálicos. Isso permite que ela mantenha a estabilidade dimensional em aplicações de alta temperatura. Essa propriedade é extremamente importante em aplicações em alguns instrumentos de precisão e sistemas ópticos.
Resistência ao choque térmico
A resistência ao choque térmico dos materiais cerâmicos é relativamente baixa, sendo necessário prestar atenção especial a ela em diversas aplicações. Quando os materiais cerâmicos são submetidos a mudanças bruscas de temperatura, devido à sua baixa condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica anisotrópica, é fácil gerar tensões térmicas em seu interior, resultando em rachaduras ou danos.
Propriedades Químicas de Materiais Cerâmicos
Estabilidade química
Esta é uma das características mais notáveis dos materiais cerâmicos. Essa estabilidade advém de fortes forças de ligação química, especialmente dos efeitos combinados de ligações iônicas e covalentes. A alumina (Al2O3) apresenta estabilidade química extremamente alta em uma ampla faixa de temperatura, desde a temperatura ambiente até 1000 °C. Mesmo em ambientes extremamente adversos, ela consegue manter a estabilidade de sua estrutura química e desempenho.
Essa estabilidade dos materiais cerâmicos os torna particularmente adequados para aplicações químicas.
Resistência à corrosão
Os materiais cerâmicos apresentam excelente resistência à corrosão e podem resistir à erosão por diversos meios corrosivos, como ácidos, álcalis e sais. O óxido de zircônio (ZrO2) é um exemplo típico. Ele mantém boa estabilidade em ambientes ácidos e alcalinos fortes e é um material ideal para diversos equipamentos químicos e sistemas de dutos.
A excelente resistência à corrosão dos materiais cerâmicos é atribuída principalmente à densa camada protetora formada na superfície dos materiais cerâmicos, que previne efetivamente a erosão por meios corrosivos.
Resistência à oxidação
A antioxidante é outra propriedade química notável dos materiais cerâmicos. Muitos materiais cerâmicos são óxidos, como o óxido de alumínio e o óxido de zircônio, o que os torna naturalmente estáveis em ambientes oxidantes de alta temperatura. Mesmo cerâmicas não óxidos, como carboneto de silício (SiC) e nitreto de silício (Si3N4), formarão uma película protetora de óxido em altas temperaturas, proporcionando ainda mais resistência à oxidação.
Inércia química
A inércia química dos materiais cerâmicos permite que permaneçam estáveis em diversos ambientes químicos e não reajam quimicamente com facilidade com o meio circundante. Por exemplo, a alumina é extremamente inerte e não reage facilmente com outros produtos químicos, tornando-se um material ideal para recipientes de reação química e utensílios de laboratório.
Propriedades elétricas de materiais cerâmicos
Propriedades de isolamento
A maioria dos materiais cerâmicos apresenta excelentes propriedades de isolamento elétrico. O óxido de alumínio é um exemplo típico, com resistividade de até 1015 Ω·cm, muito superior à da maioria dos materiais. Esse excelente desempenho de isolamento se deve à sua estrutura eletrônica estável e às características de banda larga, o que dificulta a passagem de elétrons para a banda de condução. Essas propriedades de isolamento tornam os materiais cerâmicos componentes isolantes extremamente importantes para equipamentos elétricos.
Propriedades dielétricas
Os materiais cerâmicos apresentam as características de alta constante dielétrica e baixa perda dielétrica. O titanato de bário (BaTiO₂) é um material típico com alta constante dielétrica, com uma constante dielétrica de milhares, sendo ideal para a fabricação de capacitores.
As propriedades dielétricas são derivadas principalmente da estrutura cristalina especial e do mecanismo de polarização, que podem produzir um forte efeito de polarização sob a ação de um campo elétrico.
Propriedades dos semicondutores
Alguns materiais cerâmicos podem exibir propriedades semicondutoras exclusivas, como óxido de zinco (ZnO) e óxido de titânio (TiO2), dois óxidos de metais de transição, que podem exibir propriedades semicondutoras por meio de dopagem ou controle de defeitos.
A condutividade desses materiais pode ser controlada pela temperatura e concentração de dopagem, proporcionando mais possibilidades para o design do seu dispositivo eletrônico.
Propriedades piezoelétricas
As propriedades piezoelétricas são uma das propriedades elétricas mais singulares de alguns materiais cerâmicos. Cerâmicas piezoelétricas comuns incluem o titanato de zirconato de chumbo (PZT), que pode gerar carga elétrica sob estresse mecânico. Essa propriedade única torna as cerâmicas piezoelétricas amplamente utilizadas em sensores, atuadores e dispositivos de ondas acústicas.
Propriedades físicas de materiais cerâmicos
Densidade
Em termos de características de densidade, a densidade teórica de cerâmicas de engenharia típicas, como a alumina, é de cerca de 3,95 g/cm³, enquanto a densidade teórica da zircônia pode chegar a 5,68 g/cm³. No processo de fabricação, é inevitável a formação de certos poros, que frequentemente tornam a densidade aparente do material cerâmico menor do que a densidade teórica.
Porosidade
As propriedades de porosidade têm uma influência importante no desempenho geral dos materiais cerâmicos. A porosidade não afeta apenas a densidade do material, mas também está diretamente relacionada às suas propriedades mecânicas, condutividade térmica e permeabilidade. Portanto, buscamos constantemente porosidades mais baixas para obter melhores propriedades mecânicas. A porosidade de cerâmicas sinterizadas em alta temperatura é geralmente controlada abaixo de 5%. É claro que, às vezes, é necessária uma porosidade adequada, como em aplicações especiais, como aplicações de filtração e cerâmicas biomédicas, onde uma porosidade controlável de 20-60 precisa ser mantida.
Propriedades de superfície
As propriedades de superfície são uma propriedade física muito importante dos materiais cerâmicos. Os materiais cerâmicos apresentam alta dureza e estabilidade química em suas superfícies devido às suas características únicas de ligação química. Especialmente quando se trata de ligação de interface e tratamento de superfície, propriedades como energia de superfície e molhabilidade afetam diretamente o desempenho da aplicação dos materiais cerâmicos.
Muitos materiais cerâmicos modernos costumam usar tecnologia de modificação de superfície para atingir funções especiais, como hidrofobicidade, hidrofilicidade e propriedades antibacterianas, de acordo com os requisitos da aplicação.
Conclusão
As propriedades dos materiais cerâmicos variam, e cada material tem suas próprias características únicas. Obrigado por ler este artigo, espero que ele possa ajudá-lo.