Tecnologia De Materiais

Cerâmicas – E. Becker

Estrutura Cristalina

A estrutura dos materiais sólidos é resultado da natureza de suas ligações químicas, a qual define a distribuição espacial de seus átomos, íons ou moléculas. A grande maioria dos materiais comumente utilizados em engenharia, particularmente os metálicos, exibe um arranjo geométrico de seus átomos bem definido, constituindo uma estrutura cristalina. Um material cristalino, independente do tipo de ligação encontrada no mesmo, apresenta um agrupamento ordenado de seus átomos, íons ou moléculas, que se repete nas três dimensões. Nesses sólidos cristalinos, essa distribuição é muito bem ordenada, exibindo simetria e posições bem definidas no espaço. Em estruturas cristalinas, o arranjo de uma posição em relação a uma outra posição qualquer deve ser igual ao arranjo observado em torno de qualquer outra posição do sólido, ou seja, qualquer posição em uma estrutura cristalina caracteriza-se por apresentar vizinhança semelhante.

A partir do conceito de estrutura cristalina, onde, é possível descrever um conjunto de posições atômicas, iônicas ou moleculares repetitivas, surge o conceito de célula unitária. Uma célula unitária é definida como a menor porção do cristal que ainda conserva as propriedades originais do mesmo. Através da adoção de valores específicos associados às unidades de medidas nos eixos de referências, definidos como parâmetros de rede, e aos ângulos entre tais eixos, pode-se obter células unitárias de diversos tipos. Os metais em estado sólido apresentam seus átomos geometricamente ordenados, ou seja, em reticulados cristalinos. Os três tipos mais comuns são:

- cúbico de corpo centrado (CCC), - cúbico de faces centradas (CFC), - hexagonal compacto (HC).

Figura 1

A estruturas ocorrem nos seguintes elementos:

Tipo de Estrutura Cristalina

Elementos:

CCC

Sódio, Vanádio, Cromo, Ferro, Molibdênio, Bário, Tungstênio.

CFC

Alumínio, Cálcio, Níquel, Cobre, Prata, Ouro, Chumbo.

HC

Berílio, Magnésio, Escândio, Zinco, Zircônio, Lantânio, Ósmio.

Estruturas Cerâmicas

As aplicações mais comuns são:

• Refratários - define-se refratário como um material que resiste a altas temperaturas sem ser corroído ou reagir com o ambiente que opera. Como exemplo podemos citar a alumina (Al2O3) que é utilizada em fornos de fusão de metais e em outras aplicações sujeitas a altas temperaturas como velas de ignição, por exemplo. Outro exemplo é a argila comum que é à base de tijolos refratários.

• Uso elétrico – as cerâmicas são muito utilizadas como proteção de circuitos de alta voltagem (porcelana). Algumas cerâmicas possuem características elétricas especiais que permitem várias aplicações: dielétricos para capacitores, óxidos condutores, supercondutores, encapsulamento elétrico e outras.

• Uso habitacional – concreto, vidro, peças sanitárias.

Os materiais cerâmicos são inorgânicos e não metálicos. A maioria das cerâmicas é formada por átomos de um elemento metálico e átomos de elementos não metálicos(ametálicos). Lembrando-se da tabela periódica os metais estão à esquerda (ex: Ca, Mg, Na) e possuem tendência a perder elétrons (formando cátions), os ametais estão à direita (ex: O, F, Cl) e com tendência a ganhar elétrons (formando ânions).

O termo cerâmica vem do grego keramicos, que significa “matéria queimada”, indicando que estes materiais são obtidos geralmente por processo que envolve altas temperaturas, chamado cozimento. Como exemplo desses materiais podemos citar porcelana da louça, a argila do tijolo e da telha e os vidros, sem esquecer os componentes eletrônicos e materiais aeroespaciais.

Alguns compostos estão presentes na maioria destes materiais cerâmicos: a sílica (SiO2); o calcáreo (CaCO3); o feldspato (Na2CO3); a dolomita (NaSO4).

Duas características influenciam as estruturas cristalinas das cerâmicas:

- A carga elétrica: o cristal deve ser eletricamente equilibrado, ou seja, a quantidade de cargas elétricas positivas dos cátions deve ser igual à quantidade de cargas elétricas negativas dos ânions. Por exemplo, o fluoreto de cálcio, cada íon cálcio tem carga positiva e cada íon flúor tem uma única carga negativa, assim devem existir duas vezes mais íons F-1 do que íons Ca+2 e o composto terá fórmula química CaF2.

- Segundo o tamanho dos íons devem ser compatíveis, em função dos seus raios atômicos. Normalmente os cátions metálicos são menores que os ânions ametálicos, sendo que estes valores referidos pela razão rc / ra é menor que 1.

Figura 2

Na figura 2 os cátions estão representados pelos círculos menores e os ânions pelos círculos maiores. As estruturas da esquerda e do meio são estáveis, já a estrutura da direita é instável.

Quando esta razão é muito baixa (valores abaixo de 0,15) representam uma estrutura pouco estável devido à diferença no tamanho dos átomos associados. À medida que esta razão se aproxima de 1, a estrutura fica mais estável.

razão rc / ra = 0,15 razão rc / ra = 0,50 Figura 3

Um conceito muito utilizado em cristalografia é o da “célula unitária”, que é o menor volume que possui todas as características no cristal inteiro. Abaixo podemos ver algumas células unitárias:

NaCl CsCl ZnS CaF2 Figura 4

Exercício:

Considerando a figura anexa como uma célula unitária entre dois elementos, um metálico e outro ametálico, calcule a razão entre os raios atômicos:

a) Para sódio (Na) e cloro (Cl). Raios atômicos respectivamente: 0,102nm e 0,181nm.

b) Para potássio (K) e iodo (I). Raios atômicos respectivamente: 0,138nm e 0,220nm.

c) Qual a estrutura mais estável?

Outro parâmetro no estudo dos cristais é o número de coordenação, que vem a ser o número de átomos vizinhos de um átomo no reticulado. Na estrutura CCC é 8, no CFC e no HC é 12.

Cerâmicas de Silicatos

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