Ciência e Tecnologia de Materiais

Prévia do material em texto

1 
Ciência e Tecnologia de Materiais 
ENG1015 
 
http://www.dema.puc-rio.br/moodle 
 
 
 
DEMa - Depto. de Engenharia de Materiais 
 
 
 
 última atualização em 6/8/2012 por sidnei@puc-rio.br 
2 
Estrutura do Curso 
• Introdução: Os materiais na engenharia 
• Base teórica 
• Estudos de Caso => Aplicações Tecnológicas 
Modernas 
 Materiais Estruturais 
Estudo 1 - Aços Especiais 
Estudo 2 - Polímeros e Compósitos 
 Materiais Funcionais 
Estudo 3 - Semicondutores para Dispositivos Ópticos e 
Eletrônicos 
• Livro Texto 
 W.D.Callister, “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma 
Introdução”, LTC. 
3 
Critério de Aprovação/Controle de Faltas 
• Presença obrigatória 
 Número máximo de faltas = 5 aulas 
 Se o aluno exceder este número estará Reprovado por Faltas, independente das 
notas das provas 
• Provas 
 Duas provas, P1, P2, e uma prova final, PF, se necessário 
 Se Média(P1,P2) ≥ 6.0 e P1,P2 ≥ 3,0 => AP, caso contrário faz PF 
 Se fizer PF => MédiaFinal = (PF+Média)/2 
 Se MédiaFinal ≥ 5,0 => AP 
 Caso contrário - RM 
• Provas 
 Sempre às segundas-feiras, de 17 às 19 horas 
 P1 – 24/09, P2 – 26/11, PF – 03/12 
4 
INTRODUÇÃO 
Os Materiais na Engenharia 
Livro Texto - Capítulo 1 
5 
As Classes de Materiais 
• Metais 
• Cerâmicas 
• Polímeros 
• Compósitos 
• Semicondutores 
6 
Metais 
• Características básicas 
 Resistentes (suportam 
tensões elevadas antes 
de romper) 
 Dúcteis (deformam 
antes de romper) 
 Superfície “metálica” 
 Bons condutores de 
corrente elétrica e de 
calor 
7 
• Aços 
• Ferros Fundidos 
• Metais Não Ferrosos 
Metais na Tabela Periódica 
8 
Cerâmicas e vidros 
• Propriedades básicas 
 alto ponto de fusão & 
estabilidade térmica 
(refratários) 
 são isolantes térmicos e 
elétricos 
 são frágeis (rompem sem 
deformar) 
 podem ser transparentes 
Exército de terracota 
China – 200 a.c. 
Cerâmica super 
isolante térmica 
Bulbo transparente 
Cilindro translúcido contendo gás em alta temperatura 
9 
As cerâmicas na tabela periódica 
Cerâmicas são formadas por combinação de metais 
(quadrados verdes) com os elementos C, N, O, P e S. 
Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais 
10 
Polímeros 
• Características básicas 
 A maioria dos polímeros é 
sintética (feitos pelo homem) 
 Polímero mais abundante é 
natural: celulose 
 Materiais altamente moldáveis 
 Baixa densidade 
 Em geral são menos resistentes 
do que metais e cerâmicas 
11 
Os polímeros na tabela periódica 
Principais elementos formadores dos materiais poliméricos 
12 
Compósitos 
• Combinação de metais, cerâmicas e polímeros 
Metais 
Polímeros Cerâmicos 
Compósitos 
Concreto Fibra de vidro Ti/SiC 
13 
Objetivo: flutuar 
Propriedade: Baixa densidade 
Espuma 
Polímero impermeável 
Objetivo 
• Fabricar uma estrutura de engenharia com 
propriedades/características que não seriam obtidas 
usando cada material separadamente. 
 
14 
Aplicações Típicas 
15 
Semicondutores 
• Propriedades básicas 
 Todos os componentes 
eletrônicos do computador 
 Condutividade finamente 
controlada pela presença de 
impurezas - dopantes. 
 Podem ser combinados entre 
si para gerar propriedades 
eletrônicas e óticas “sob 
medida”. 
 São a base da tecnologia de 
opto-eletrônica - lasers, 
detetores, circuitos 
integrados óticos e células 
solares. história dos chips 
16 
Os semicondutores na tabela periódica 
Quando combinados entre si os metais das colunas II, III, V e VI 
assumem propriedades semicondutoras. 
17 
Ciência e Engenharia de Materiais 
Aplicações 
Propriedades 
Microestrutura 
e Composição 
Síntese e 
Processamento 
18 
Propriedades e Ligação Química 
• Ligação química 
 Ligação Metálica (ligação forte entre os átomos) 
 Elétrons livres 
• Consequência 
 Boa condutividade 
Elétrica 
Térmica 
“mar” de elétrons 
19 
Propriedades e Arranjo Atômico 
• Arranjo Tridimensional dos Átomos 
 Material Cristalino – ordem de longo alcance 
 Material Amorfo –ordem de curto alcance 
Carbono amorfo. 
Note a desorganização na posição dos átomos. 
2nm 
Imagens obtidas com Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET). 
Material cristalino 
Note a organização na posição dos átomos. 
2nm 
20 
Propriedades e Estrutura Cristalina 
• Arranjo Tridimensional dos Átomos 
 Diferentes Estruturas Cristalinas 
Alumínio 
(estrutura cúbica) 
Magnésio 
(estrutura hexagonal) 
Ambos são metais mas o Al é 
mais dúctil devido à estrutura 
cúbica 
Al Mg 
21 
Propriedades e Arranjo Microestrutural 
• Arranjo Microestrutural 
 Orientação relativa entre cristais 
Fusão Solidificação Policristal: Grãos 
22 
Propriedades e Fases 
• Presença de Fases 
Policristal monofásico Policristal polifásico 
23 
Ex: Alumina porosa e não-porosa 
A presença de poros causa espalhamento de 
luz e o material se torna opaco. 
50 µm 50 µm 
A eliminação dos poros através da adição de 
0,1% de MgO gera um material translúcido. 
Lâmpada 
de vapor de sódio. 
O gás em alta temperatura 
(1000ºC) é guardado dentro de 
um cilindro translúcido de 
alumina. 
Grão ou 
cristal 
Poli-cristal 
Poros 
24 
Biomateriais 
• Os biomateriais podem ser metálicos, 
cerâmicos, poliméricos ou compósitos, 
usados em sistemas vivos. 
• Característica básica: 
biocompatibilidade 
 Podem atuar dentro de um organismo 
hospedeiro sem disparar uma resposta 
imune. Se o biomaterial dispara a 
resposta imune, ele será rejeitado pelo 
corpo. 
• Os biomateriais podem ser sub-
divididos em 
 Biomateriais estruturais (ou inertes): cuja 
principal função é dar um suporte físico 
para o corpo. 
 Biomateriais funcionais (ou ativos): que 
realizam uma função no corpo, diferente 
da sustentação física. 
25 
Nanomateriais 
• Desenvolvimento de 
pesquisa e tecnologia no 
nível atômico ou molecular 
na escala de 
aproximadamente 1-100nm. 
• Criação e uso de estruturas, 
dispositivos e sistemas que 
possuem novas 
propriedades e funções por 
causa de suas dimensões 
nanométricas. 
• Habilidade de controlar e 
manipular na escala atômica.
 
 
26 
Aplicações Possíveis 
• Aumentar espetacularmente a capacidade de 
armazenamento e processamento de dados dos 
computadores; 
• Criar novos mecanismos para liberação de medicamentos, 
mais seguros e menos prejudiciais ao paciente dos que os 
disponíveis hoje; 
• Criar materiais mais leves e mais resistentes do que metais 
e plásticos, para prédios, automóveis, aviões; 
• Economia de energia, proteção ao meio ambiente, menor 
uso de matérias primas escassas, são possibilidades muito 
concretas dos desenvolvimentos em nanotecnologia que 
estão ocorrendo hoje e podem ser antevistas. 
 
27 
Naturais Artificiais 
A Escala das coisas