Cerâmicas e Vidros
Cerâmicas e vidros são sólidos inorgânicos não metálicos — cerâmicas cristalinas e vidros amorfos — cuja forte ligação iónica e covalente confere elevada dureza, estabilidade térmica e química, e uma vasta gama de comportamentos elétricos e óticos.
Definition
Cerâmicas e vidros são materiais inorgânicos não metálicos, quer cristalinos (cerâmicas) quer amorfos (vidros), ligados por forças iónicas e covalentes, e caracterizados por dureza, estabilidade térmica, isolamento elétrico ou função controlada, e fragilidade intrínseca.
Scope
Esta área abrange a química dos materiais inorgânicos não metálicos: a estrutura e formação de vidros através da vitrificação de um líquido subarrefecido; as cerâmicas estruturais e funcionais cristalinas, incluindo óxidos, carbonetos e nitretos, utilizadas pelas suas propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e óticas; e o processamento de pós e a sinterização pelos quais os componentes cerâmicos são consolidados em corpos densos. Conecta a ligação e a microestrutura à fragilidade, refratariedade e resposta funcional destes materiais.
Sub-topics
Core questions
- O que distingue um vidro de uma cerâmica cristalina?
- Como a ligação confere às cerâmicas a sua dureza, refratariedade e fragilidade?
- Como as cerâmicas funcionais são adaptadas para funções elétricas e óticas?
- Como os pós cerâmicos são consolidados em componentes densos?
Key concepts
- Transição vítrea
- Formadores e modificadores de rede
- Cerâmicas de óxido, carboneto e nitreto
- Fragilidade e fratura
- Sinterização e densificação
- Cerâmicas funcionais
Key theories
- Formação de vidro por vitrificação
- Quando um fundido é arrefecido suficientemente rápido para evitar a cristalização, torna-se um líquido subarrefecido cada vez mais viscoso que congela num sólido amorfo na transição vítrea; os óxidos formadores de rede constroem a rede tridimensional aleatória característica do vidro.
- Ligação, microestrutura e propriedades cerâmicas
- As ligações iónicas-covalentes fortes e direcionais tornam as cerâmicas duras, rígidas e termicamente e quimicamente estáveis, mas também frágeis, porque existem poucas formas de deformação sem quebrar ligações; a microestrutura, especialmente a porosidade e o tamanho do grão, controla então a resistência e a função.
Clinical relevance
Cerâmicas e vidros são essenciais em toda a tecnologia: as cerâmicas estruturais fornecem componentes resistentes ao desgaste e ao calor, as cerâmicas funcionais servem como condensadores, sensores e eletrólitos sólidos, os vidros óticos formam lentes e fibras, e as biocerâmicas são utilizadas em implantes — aplicações todas enraizadas na ligação e microestrutura aqui descritas.
History
Cerâmicas e vidros estão entre os materiais de engenharia mais antigos, mas a sua compreensão científica é recente: a teoria da rede aleatória de Zachariasen de 1932 explicou a estrutura do vidro, e o trabalho de Kingery em meados do século XX estabeleceu a ciência cerâmica ao ligar o processamento, a microestrutura e as propriedades, transformando um ofício empírico numa disciplina quantitativa de materiais.
Key figures
- W. David Kingery
- William Houlder Zachariasen
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kingery1976
- shelby2005
Frequently asked questions
- O vidro é um sólido ou um líquido?
- O vidro é um sólido. É amorfo, não possuindo a ordem cristalina de longo alcance da maioria dos sólidos, e forma-se pelo congelamento de um líquido subarrefecido na transição vítrea. A antiga afirmação de que o vidro flui ao longo dos séculos é um equívoco; à temperatura ambiente a sua viscosidade é demasiado elevada para um fluxo mensurável.
- Por que as cerâmicas são fortes, mas frágeis?
- As mesmas ligações iónicas e covalentes fortes e direcionais que tornam as cerâmicas duras e estáveis também deixam poucos mecanismos para a deformação plástica. Sem um movimento fácil de discordâncias, o stress aplicado concentra-se em falhas e propaga fissuras, de modo que as cerâmicas falham por fratura frágil em vez de flexão.