Questão 18 - Por que os materiais cerâmicos são frágeis e geralmente isolantes térmicos e elétricos?

Passo 1

O enunciado pede para explicar por que os materiais cerâmicos são frágeis e, ao mesmo tempo, geralmente isolantes térmicos e elétricos. O conteúdo envolve a natureza das ligações químicas em cerâmicos e os mecanismos de transporte de carga e calor em sólidos.

Passo 2

Os cerâmicos apresentam ligações predominantemente iônicas e/ou covalentes, que são fortes e altamente direcionais. Em função disso não ocorre deslizamento de discordâncias como nos metais, ou seja, eles não sofrem deformação plástica significativa antes de romper. Qualquer microfissura que se forma cresce rapidamente até a fratura sem que haja escoamento — é o que chamamos de comportamento frágil.

Passo 3

A estrutura eletrônica dos cerâmicos caracteriza-se por uma grande lacuna de energia entre a banda de valência e a banda de condução, o chamado gap de banda ( E_g) largo. Com poucos portadores livres (elétrons ou lacunas), a resistividade elétrica fica muito alta e, portanto, cerâmicos são isolantes elétricos.

Passo 4

No transporte de calor em sólidos há duas contribuições principais: elétrons e fônons (vibrações da rede cristalina). Como em cerâmicos não há elétrons livres e a condução por fônons é fortemente dispersa em defeitos, contornos de grão e poros, a condutividade térmica cai bastante. Isso faz com que a maioria dos cerâmicos seja também isolante térmico.

Resposta

Cerâmicos são frágeis porque suas ligações iônicas/covalentes são rígidas e não permitem deformação plástica, levando à fratura rápida por microfissuras. São isolantes elétricos devido ao amplo gap de banda e à falta de portadores livres, e isolantes térmicos porque só transportam calor por fônons, processo este fortemente dispersado por defeitos e contornos de grão.

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