Exercício 13: Explique porque os materiais cerâmicos apresentam altos módulos de elasticidade e baixa ductilidade.
Passo 1
O enunciado pede para entendermos, com base na estrutura atômica e no tipo de ligações químicas, por que os materiais cerâmicos apresentam módulos de elasticidade muito altos e, ao mesmo tempo, comportamento plástico quase nulo (baixa ductilidade). Vamos usar conceitos de ligações iônicas/covalentes, rigidez de rede e mobilidade de discordâncias.
Passo 2
O módulo de elasticidade (módulo de Young) mede a rigidez de um material: quanto maior a energia e a força necessárias para distorcer a rede cristalina, maior é o módulo. Em cerâmicos, os átomos são mantidos juntos por ligações iônicas e covalentes, que são fortemente direcionais e de alta energia de ligação. Essa alta energia de ligação faz com que a rede seja muito resistente a pequenas deformações elásticas, resultando em módulos de elasticidade elevados.
Em um modelo simplificado, a rigidez de ligações químicas é dada pela segunda derivada do potencial de energia interatômico em relação à distância entre átomos. Como as ligações iônicas/covalentes têm poços de energia mais profundos e curtos, a curvatura do potencial é grande, e isso se traduz em valores altos de módulo de Young. Concluímos assim o porquê dos cerâmicos serem tão rígidos.
Em um modelo simplificado, a rigidez de ligações químicas é dada pela segunda derivada do potencial de energia interatômico em relação à distância entre átomos. Como as ligações iônicas/covalentes têm poços de energia mais profundos e curtos, a curvatura do potencial é grande, e isso se traduz em valores altos de módulo de Young. Concluímos assim o porquê dos cerâmicos serem tão rígidos.
Passo 3
A ductilidade depende da capacidade de as discordâncias (defeitos cristalinos) se moverem e deslizarem em planos cristalográficos, provocando deformação plástica. Em cerâmicos, as ligações são carregadas (iônicas) ou muito direcionais (covalentes), de modo que o movimento de discordâncias leva átomos de cargas iguais a se aproximarem — gerando forte repulsão coulombiana — e exige quebrar ligações fortes. Além disso, as redes cristalinas dos cerâmicos geralmente têm poucos sistemas de deslizamento ativos, o que impede a propagação da deformação plástica.
Passo 4
Portanto, resumindo:
- Altos módulos de elasticidade ocorrem porque ligações iônicas/covalentes são fortes e rígidas.
- Baixa ductilidade ocorre porque essas mesmas ligações dificultam o movimento de discordações e há poucos planos de deslizamento, levando ao comportamento frágil.
Resposta
Os cerâmicos têm módulos de elasticidade elevados devido à rigidez das ligações iônicas/covalentes em suas redes cristalinas. Ao mesmo tempo, essas ligações fortes e direcionais impedem o movimento de discordações e reduzem o número de sistemas de deslizamento, resultando em baixa ductilidade.