Estrutura Cristalina

ESTRUTURAS CRISTALINAS DE CERÂMICA

- INTRODUÇÃO

A estrutura interna de todo o material cerâmico apresenta um arranjo coordenado de átomos. Tais arranjos variam desde modelos cristalinos altamente repetitivos até materiais amorfos/ vítreos, com coordenação somente com o átomo vizinho mais próximo [Van Vlack, 1973].

Materiais cristalinos: Aqueles nos quais os átomos estão situados em um arranjo que se repete ou é periódico ao longo de grandes distâncias atômicas.

Materiais não-cristalinos ou amorfos: Esta ordem atômica está ausente.

Unidade básica = Tetraedro SiO44Cada íon de Si4+ está ligado a 4 íons de O23

Muitas fases cerâmicas, da mesma forma que os metais, são cristalinas. Ao contrário dos metais, suas estruturas não contêm um grande número de elétrons livres. Os elétrons estão compartilhados por covalência ou sendo transferidos de um átomo para outro no regime de ligação iônica.

• As ligações iônicas conferem aos materiais cerâmicos uma estabilidade relativamente alta. • Possuem uma temperatura de fusão, em média superior à dos metais e materiais orgânicos. • De uma maneira geral, são também mais duros e mais resistentes à alteração química. • Quando sólidos, da mesma forma que os materiais orgânicos, são usualmente isolantes. • Em temperaturas elevadas, em virtude da maior energia térmica, conduzem a eletricidade, porém, de forma muito menos intensa que os metais.

- LIGAÇÕES QUÍMICAS

A ligação atômica variando desde puramente iônica até totalmente covalente.

Exibem uma combinação desses dois tipos de ligação (predominância das ligações iônicas), sendo o nível do caráter iônico dependente da eletronegatividade dos átomos.

- Ligação iônica

Ocorre entre elementos metálicos e não-metálicos; Requer grande diferença de eletronegatividade entre os elementos; Requer transferência de elétrons (os átomos do elemento metálico perdem seus elétrons de valência para os átomos não metálicos); Os átomos tornam-se íons com cargas positivas e negativas; Ligação não direcional; Exemplo: NaCl, MgO, etc.

- Ligação covalente

Configuração estável devido ao compartilhamento de elétrons entre átomos vizinhos; Átomos ligados covalentemente contribuem com ao menos um elétron, cada um, para a ligação; Ocorre entre átomos com pequenas diferenças de eletronegatividade; Os elétrons compartilhados pertencem a ambos os átomos; Ligação direcional; Exemplo: H2O, F2, etc.

A ligação atômica nesses materiais varia desde puramente iônica até totalmente covalente. Poucos compostos exibem ligações com caráter exclusivamente iônico ou covalente.

Muitas cerâmicas exibem uma combinação desses dois tipos de ligação, sendo o nível do caráter iônico dependente da eletronegatividade dos átomos.

Eletronegatividade do elemento A.

Eletronegatividade do elemento B.

Tabela 1 – Percentual de caráter iônico das ligações interatômicas para vários materiais cerâmicos.

Material Percentual de Caráter Iônico

CaF2 89

MgO 73

NaCl 67

Al2O3 63

SiO2 51

Si3N4 30

ZnS 18

SiC 12

- ESTRUTURAS CRISTALINAS

Figura 3 – Características geométricas dos 7 sistemas cristalinos e das 14 redes de Bravais.

- Estrutura cristalina cúbica simples (CS)

Número de átomos na célula unitária

n= 8x (1/8) = 1

Número de coordenação NC = 6

Parâmetro de rede a = 2R

Fator de empacotamento FEA (VA/ VC) = 0,52

1 sítio cúbico por célula unitária

- Estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC)

A rede cúbica de face centrada é uma rede cúbica na qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no centro de cada face do cubo. Os átomos se tocam ao longo das diagonais das faces do cubo.

Número de átomos na célula unitária n = 6x1/2 + 8x(1/8) = 4

Número de coordenação NC = 12

Parâmetro de rede a = 4R/(2)1/2

Fator de empacotamento FEA (VA/ VC) = 0,74

a) Sítios octaédricos

As`` bolinhas amarelas´´ representam os centros dos interstícios octaédricos