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ENG1015 Introdução a Ciência e E Renan Salvate Campos Estrutura A estrutura de um material se refere ao arranjo dos seus componentes internos, sendo ele macroscópico ou microscópico. Propriedades Uma propriedade de um material consiste em uma peculiaridade do material em termos do tipo e da magnitude de sua resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. Podem ser agrupadas em seis categorias: • Mecânicas: Se referem à deformação a uma carga ou fo ça aplicada • Elétricas: Se referem à condutividade elétrica e a con tante dielétrica • Térmicas: É representada em termos da capacidade c lorífica e da condutividade térmica • Magnéticas: Demonstram a resposta a aplicação de um campo magnético. • Óticas: Representa as respostas a estímulos à radi ção eletromagnética e é caracterizada pelos índices de refração e refletividade. • Deteriorativas: Se referem à reatividade química dos mater ais. Processamento e desempenho O processamento define a estrutura do material e o desempenho se da através de suas propriedades. Processamento Estrutura Propriedade Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais Os Materiais A estrutura de um material se refere ao arranjo dos seus componentes internos, sendo ele macroscópico Uma propriedade de um material consiste em uma peculiaridade do material em termos do tipo e da nitude de sua resposta a um estímulo específico Podem ser agrupadas em seis categorias: Se referem à deformação a uma carga ou for- Se referem à condutividade elétrica e a cons- representada em termos da capacidade ca- lorífica e da condutividade térmica Demonstram a resposta a aplicação de um Representa as respostas a estímulos à radia- ção eletromagnética e é caracterizada pelos ão e refletividade. Se referem à reatividade química dos materi- Processamento e desempenho O processamento define a estrutura do material e o desempenho se da através de suas propriedades. Classificação dos materiais: Metais • São compostos por um ou mais elementos metálicos e alguns não metálicos em pequ nas quantidades. • Seus átomos são arranjados de maneira ord nada. • São densos, rígidos, resistentes, dúcteis (d formam sem fraturar) • Possuem elétrons não localizados, por isso são bons condutores de eletricidade e calor. • São opacos, porém brilham quando polidos. • Possuem propriedades magnéticas desejáveis. Cerâmicas: • São compostos por materiais metálicos e não metálicos, na maioria nitretos e carbetos. • São rígidos e resistentes. • Não são dúcteis nem resistem a fraturas • São isolantes de calor e eletricidade. • Resiste a altas temperaturas. • Podem ser opacos, translúcidos ou transp rentes. • Quando são constituídos a base de óxidos, xibem comportamento magnético. Polímeros • São compostos por materiais não metálicos • Estrutura molecular muito grande • Baixa densidade. • Não são rígidos nem resistentes • Muito dúcteis e flexíveis • Inertes quimicamente • Amolecem ou decompõem ras modestas. • Baixa condutividade elétrica • Não são magnéticos Compósitos Compósitos são compostos por dois ou mais materiais individuais. Seu objetivo é obter as propriedades n Desempenho P á g i n a | 1 Classificação dos materiais: stos por um ou mais elementos metálicos e alguns não metálicos em peque- Seus átomos são arranjados de maneira orde- São densos, rígidos, resistentes, dúcteis (de- formam sem fraturar). Possuem elétrons não localizados, por isso ondutores de eletricidade e calor. São opacos, porém brilham quando polidos. Possuem propriedades magnéticas desejáveis. São compostos por materiais metálicos e não metálicos, na maioria, consistidos de óxidos, nitretos e carbetos. resistentes. Não são dúcteis nem resistem a fraturas São isolantes de calor e eletricidade. Resiste a altas temperaturas. Podem ser opacos, translúcidos ou transpa- Quando são constituídos a base de óxidos, e- xibem comportamento magnético. São compostos por materiais não metálicos. Estrutura molecular muito grande. Não são rígidos nem resistentes. Muito dúcteis e flexíveis. Inertes quimicamente. Amolecem ou decompõem-se em temperatu- Baixa condutividade elétrica e térmica. Não são magnéticos. Compósitos são compostos por dois ou mais materiais Seu objetivo é obter as propriedades ne- ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 2 Renan Salvate Campos cessárias que não são encontradas em materiais iso- lados e incorporar as melhores características dos seus componentes. Semicondutores Possuem propriedades elétricas intermediária dos condutores e isolantes. São muito sensíveis a impure- zas. Foram os responsáveis pelo desenvolvimento de circuitos integrados e principalmente pela informáti- ca. Biomateriais São componentes empregados no interior do corpo humano. Não devem produzir toxinas, nem oxidarem. Devem ser compatíveis com o organismo. Podem ser formados por qualquer tipo de material. Nanomateriais São componentes elaborados em escala nano métrica (10-9). Criados para terem tamanhos e propriedades específicas para seu uso. Aplicação e processamento de ligas metálicas As ligas metálicas podem ser conformadas ou fabrica- das em componentes úteis. Tem suas propriedades modificadas pelos processos de fabricação e por tra- tamentos específicos. As ligas são classificadas em duas classes, as ferrosas onde o ferro é o principal componente e as não- ferrosas onde o ferro não está presente. Ligas ferrosas São importantes como materiais de construção e são produzidos em larga escala devido a grande concen- tração de ferro na crosta terrestre, por serem baratas de se extrair e manipular e por sua grande versatilida- de. Sua desvantagem é a suscetibilidade à corrosão. Aços São ligas constituídas principalmente de ferro e car- bono podendo ter a presença de outros elementos. Suas propriedades mecânicas dependem da concen- tração de carbono. Aços com baixo teor de carbono É o mais produzido, contém menos do que 0,25% de peso de C e não respondem a tratamentos térmicos que visem à formação de martensita, uma fase meta- estável composta por Fe que está supersaturada com C e que é o produto de uma transformação atér- mica da austenita. Figura 1: Martensita A resistência é obtida através de trabalho a frio. Microestrutura constituída de ferrita e perlita. Figura 2: Ferrita Figura 3: Perlita Tem baixa dureza e resistência, mas grande ductili- dade (capacidade de suportar deformação plástica antes de fraturar) e tenacidade (capacidade de absor- ver energia antes da fratura). São aplicáveis em automóveis (carcaça), formas estru- turais, tubulações, edificações, pontes e latas esta- nhadas. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 3 Renan Salvate Campos Figura 4: Estrutura de Aço com baixo teor de carbono • Limite de escoamento: 275 MPa • Limite de resistência: 415 a 550 MPa • Ductilidade: 25% AL Existem também aços de alta resistência e baixa liga formados por elementos como Cu, V, Ni e Mo. São mais resistentes, Limite de resistência ≤ 48MPa, mas igualmente dúcteis , conformáveis e usináveis. São mais resistentes a corrosão na CNTP. Aços com médio teor de carbono São ligas produzidas com concentrações de C entre 0,25% a 0,60% do peso. São tratadas termicamente por: • Austenitização : Transformação em austenita por aquecimento. • Têmpera: Resfriamento rápido a partir de temperatura acima da Tc . Trasnforma auste- nita em martensita. Aumenta tenacidade. • Revenimento: Aquecimento até abaixo da Tc e resfriamento adequando. Ajusta propriedades mecânicas. Possuem microestrutura da martensita revenida mais freqüentemente. Figura 5: Martensita Revenida Possuem baixa endurecibilidade e são tratados termi- camente em secções muito finas. Sãomais resistentes que os aços de baixo teor de carbono, porém menos dúcteis e tenazes. São aplicados a rodas e trilhos de trens, engrenagens e peças de máquinas que demandam grande resistên- cia. • Limite de escoamento: 430 a 585 MPa • Limite de resistência: 605 a 780 MPa • Ductilidade: 33% a 19% AL Aços com alto teor de carbono São ligas que possuem teores de carbono entre 0,60% a 1,40% de peso. São os mais duros e resistentes, porém os menos dúc- teis. São usados em condições endurecidas e revenidas e capazes de resistir a desgastes. Chamados de aços-ferramenta quando combinados com Cr, V, W e Mo e utilizados como facas de lâminas de corte, lâminas de serras, molas e arames de alta resistência. Figura 6: Lâmina com aço de alto teor de carbono Aços inoxidáveis São altamente resistentes a corrosão e tem como principal elemento o Cr, 11% do peso. São divididos em Martensíticos, Ferríticos e Austení- ticos. São usados em altas temperaturas, acima de 1000ºC e ambientes severos como fornos, aeronaves, mísseis e usinas nucleares. Figura 7: Aço Inoxidável Figura 8: Panela de aço inoxidável ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 4 Renan Salvate Campos Diagrama de Fases Diagramas de fases são importantes para relacionar a microestrutura e propriedades mecânicas. Conceitos básicos Componentes são metais puros ou compostos que compõem uma liga metálica. Sistema pode se referir a um corpo específico feito do material considerado ou uma série de ligas compostas pelo mesmo material. Limite de solubilidade é a concentração máxima de soluto que pode ser dissolvida no solvente para for- mar uma solução sólida a determinada temperatura. Fase é uma porção homogênea do sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Sistemas compostos por apenas uma fase são homo- gêneos enquanto que os formados por mais fases são heterogêneos. Microestrutura é uma característica definida pelo tamanho e organização dos grãos que formam o ma- terial. Ela é importante pára definir as propriedades mecânicas do material. Pode ser: CCC cúbica de corpo centrado: CFC cúbica de face centrada: Equilíbrio de fases consiste na constância das fases do sistema ao longo do tempo. Em determinadas varia- ções de meio esse equilíbrio pode ser afetado tempo- rariamente. Existem sistemas metaestáveis que após um desequi- líbrio não retornam mais a ele, o que torna necessário um maior cuidado ao lidar com esse tipo de material. Diagrama de fase As informações sobre o controle da estrutura das fases de um sistema é descrito pelo diagrama de fase. Definido por três parâmetros: temperatura, pressão e composição. Pode ser unitário se representar apenas um compo- nente ou binário se representar ligas. � Para temperatura T=300K e pressão P=70 bar a água é líquida. Sistemas isomorfos binários Considerando o diagrama de fases dos compostos A e B, temos a temperatura na vertical e a % em peso do componente B em relação ao A na horizontal: � O líquido L é uma solução homogênea � A fase sólida α é uma solução sólida substitu- ciona � O Sistema é isomorfo, pois os elementos têm solubilidade completa. � As linhas se interceptam quando o sistema é puro. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 5 Renan Salvate Campos � A composição das fases pode ser determina- da, caso o ponto especificado esteja em uma composição monofásica, basta verificar sua composição no eixo x, case esteja em região bifásica segue: o Traçar uma linha de amarração iso- térmica paralela ao eixo x no ponto determinado. o Localizar a interseção com as frontei- ras. o Traçar perpendiculares da interseção até o eixo x para encontrar a porcen- tagem dos componentes. � x% de A e y% de B para temperatura T=420ºC e 65%pB da liga na fase α+L � Para determinar a quantidade das fases usa- mos a regra da alavanca, se o ponto estiver localizado em uma região monofásica, essa fase representa 100%, ou seja, 1. Se o ponto estiver em fase bifásica, segue: o Traça a linha de amarração isotérmica sobre o ponto. o A fração da fase é dada pela razão en- tre o comprimento do segmento que liga o ponto até a interseção da linha de amarração com a linha de fronteira e o comprimento total da linha de amarração. � Quantidade de α é 15/45 = 0,33 = 33% � Quantidade de L é 30/45 = 0,67 = 67% Desenvolvimento da Microestrutura em ligas Isomorfas Resfriamento em condições de equilíbrio É importante examinar o desenvolvimento da micro- estrutura quando o material é resfriado. Em condições de equilíbrio o sistema resfria lentamente. Analisando o diagrama temos que: 1. Para uma composição de 50% em peso de B à temperatura 800ºC toda a solução é líquida 2. Para 50%p B e 500ºC as fases α e L estão pre- sentes e suas quantidades e composições po- dem ser determinadas. 3. Para 50%p B e 300ºC a solução está inteira- mente na fase α. Sistemas Eutéticos Binários Algumas ligas binárias são representadas por diagra- mas eutéticos binários. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 6 Renan Salvate Campos Neles existem três regiões monofásicas sendo L uma fase líquida, α uma fase sólida rica no elemento A e β uma fase sólida rica no elemento B. Ela existe quando os componentes não têm solubili- dade completa, ou seja, não é isomorfo e sim eutéti- co. � A linha solvus é o limite de solubilidade das fases α e β, tendo como pontos de solubilida- de máxima A e B respectivamente. � A linha líquidus é o limite de fusão da mistura � O ponto E é o ponto eutético. Para uma de- terminada concentração a mistura se solidifi- ca por completo sem passar por fases inter- mediárias. É ali que ocorre a reação eutética: ����� ⇌ ����� + ���� Desenvolvimento microestrutural em ligas eutéticas Com o resfriamento lento em condições de equilíbrio pode-se analisar diversas representações de formação de microestruturas eutéticas: � α Puro o O sólido formado com o resfriamento nessa condições é exclusivamente α. � α com pequenas porções de β o Nesse caso, o sólido α é formado em um primeiro momento, então peque- nas porções de β são solidificados por cima. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 7 Renan Salvate Campos � α Pró-eutetóide o O sólido α é solidificado antes da rea- ção eutética, por isso chama-se pró- euteóide. A Liga recebe o nome de Hipoeutetóide. Uma situação seme- lhante ocorre com o sólido β, e a liga se nomeia Hipereutetóide. � Eutetóide o Para essa concentração ocorre a rea- ção eutética, os sólidos α e β se solidi- ficam juntos em configuração de La- melas. Sistemas ferro-carbono De todas as ligas, a de ferro-carbono é uma das mais importantes, pois dela fabrica-se o aço e o ferro fun- dido. Diagrama de fase Ferro-Carbono O ferro puro quando aquecido apresenta duas mu- danças de estrutura cristalina antes de se fundir. � A temperatura ambiente sua forma estável é a ferrita. Representada por α tem estrutura CCC. � A 912ºC a ferrita é transformada em austeni- ta. Representada por γ tem estrutura CFC. � A 1394ºC a austenita é transformada em ferri- ta novamente. Representada por δ tem estru- tura CCC. � A 1538ºC ele se funde. Quando o ferro não está mais puro e tem uma con- centração de 6,7%p de Carbono, é chamado de Ce- mentita (Fe3C) e é o limite de concentração entre aços e ferros fundidos. Acima dessa concentração é a grafi- ta. O carbono é uma impureza intersticial do ferro. A Ferrita α tem solubilidade máxima de 0,022% a 727ºC, é baixa devido a estrutura CCC. É magnética abaixo de 768ºC e tem ρ=7,88 g/cm³. A Austenita γ não é estavel abaixo de 727ºC, tem solubilidade máxima de 2,14% a 1147ºC. Aestrutura CFC tem espaços intersticiais maiores, por isso a solu- bilidade é maior. Não é magnética. A Ferrita δ é semelhante a Ferrita α, exeto pela faixa de temperatura. A Cementita (Fe3C) se forma quando o limite de solu- bilidade do carbono na Ferrita é exedido abaixo de 727ºC e pode coexistir com a Austenita entre essa temperatura até 1147ºC. Ela é dura e frágil. Desenvolvimento da microestrutura em ligas ferro-carbono A estrutura formada pelo resfriamento da Austenita em composição eutética é a Perlita composta por Ferrita e Cementita, apresenta propriedades mecâni- cas intermediárias entre as componentes. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 8 Renan Salvate Campos Ligas Hipoeutetóides Quando o resfriamento ocorre antes do ponto eutéti- co, aparece a liga hipoeutetóide, formada por uma Ferrita pró-eutetóide nos contornos de grãos da Per- lita. Ligas Hipereutetóides Quando o resfriamento ocorre após o ponto eutético, aparece a liga hipereutetoide formada por Cementita pró-eutetóide nos contornos de grão da Perlita. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 9 Renan Salvate Campos Discordâncias – Defeitos Lineares Uma discordância é um defeito linear em torno do qual alguns átomos de estruturas estão desalinhados. Discordância de aresta Um defeito causado pelo término de um plano de elétrons no interior da estrutura. É linear, pois ocorre ao redor da linha na extremidade do semiplano, cha- mada de linha de discordância e é perpendicular ao plano da página. Discordância em espiral Um defeito causado por uma tensão cisalhante apli- cada na lateral da estrutura, causando uma torção no plano de deslizamento. É linear, pois ocorre ao redor da linha de discordância que sai da estrutura. Discordância Mista Normalmente os grãos apresentam discordâncias de aresta e em espiral simultaneamente, isso faz com que a linha de discordância faça curvas para se ade- quar às discordâncias. Vetor de Burgers É um vetor que representa a direção e a magnitude das discordâncias. Representado por �� é perpendicu- lar a linha de discordância de aresta e paralelo a linha de discordância em espiral. � Toda estrutura cristalina possui discordâncias, que foram introduzidas durante a solidifica- ção, deformação plástica e como conseqüên- cia das tensões térmicas causadas por um rá- pido resfriamento. Elas são essenciais para impedir o deslizamento dos planos de elé- trons aumentando a resistência do material. Propriedades mecânicas dos materiais Conceitos de tensão e deformação Ensaio de tração O ensaio de um material é feito para averiguar suas propriedades. Uma amostra é deformada normalmen- te até sua fratura. No ensaio de tração o corpo-de-prova é alongado pela máquina aplicando forças contrárias externas em suas extremidades. A medição do ensaio é a tensão aplica- da e o alongamento do corpo-de-prova. A tensão de engenharia σ padroniza a tensão aplicada à seção transversal do corpo-de-prova. � � �� ����� A deformação de engenharia ε é definida como a variação da deformação dividida pelo comprimento original. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 10 Renan Salvate Campos � � ∆� �� �%� Deformação Elástica A tensão e a deformação são proporcionais entre si e dependem de um módulo de elasticidade E [GPa] característico do material. � � ∙ � O processo de deformação proporcional a tensão, é uma deformação elástica. O gráfico deve ser linear: �A deformação elástica é temporária, quando a car- ga é liberada, o material volta a sua condição normal. É caracterizada como uma pequena alteração no es- paçamento atômico e no alongamento de suas liga- ções, que não se rompem. Deformação Plástica Quando a tração aplicada sobre um elemento é maior do que a suportada pela transformação elástica, ocor- re à deformação plástica, uma deformação não recu- perável. A deformação plástica ocorre na quebra das ligações atômicas seguidas pela formação de ligações com outros átomos. Para sólidos cristalinos, essa deformação ocorre por meio do escorregamento, envolvendo o movimento das discordâncias. Para sólidos não cristalinos ocor- rem por escoamento viscoso. Propriedades de tração Escoamento e limite de escoamento As estruturas são projetadas para garantir que ocor- ram apenas deformações elásticas quando sofrem tração, a partir do momento que sofrem o escoamen- to, ou seja, inicia-se a deformação plástica, o material perde suas funcionalidades. Esse escoamento ocorre quando a linearidade da de- formação elástica é modificada, esse ponto chama-se limite de escoamento e pode ser determinado pela interseção da curva tensão-deformação com uma reta paralela a reta de deformação elástica, distanciada de 0,002 dela. Limite de resistência a tração Após o início do escoamento a tensão aumenta até um valor máximo e diminui até a sua fratura. O ponto de máximo é o limite de resistência a tração e o pon- to de fratura é o limite de resistência a fratura. A partir do LRT começa a ocorrer o empescoçamento, até antes dele, a deformação era linear. Em projetos, o valor do limite de resistência descrito com o valor do limite de escoamento, devido ao fato de que se o material alcançar o limite de resistência real já sofreu transformação plástica e ficou inutilizá- vel. Diagrama tensão deformação Ductilidade A ductilidade é a medida do grau de deformação plás- tica sofrida pelo material até sua fratura. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 11 Renan Salvate Campos � Material com pouca deformação plástica (<5%Al) é frágil. � Material com muita deformação plástica é dúctil. A ductilidade é expressa em porcentagem de alon- gamento (%Al) %�� � �� ∙ �� �� ∙ 100 Onde l é o comprimento, sendo f na fratura e i no início. Resiliência Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando deformado e permitir a recuperação dessa energia quando a carga é retirada. Associado ao módulo de resiliência UR é dado pela metade da tensão no escoamento multiplicado pela deformação no escoamento, e sua unidade é [Pa] ou [J/m³]: "# � 1 2 ∙ % ∙ �% � % & 2� Materiais resilientes possuem altos limites de escoa- mento e baixos módulos de elasticidade, molas por exemplo. Tenacidade A capacidade do material absorver energia te sua fratura é dada pela sua tenacidade. Representada pela área da curva tensão-deformação até sua fratura, ou seja, materiais tenazes são resis- tentes e dúcteis. Sua unidade é [MPa] ou [J/m³]. Discordâncias e deformação plástica A deformação plástica ocorre devido ao movimento das discordâncias quando o material é submetido a tensões. A discordância de aresta sofre um escorregamento perpendicular a sua linha de discordância, que rompe todas as ligações atômicas por onde passa até emergir na superfície do material. Já na discordância em espiral, o movimento da de- formação é perpendicular a tensão, como se provo- casse um rasgo no material, rompendo as ligações até emergir na superfície. A densidade das discordâncias de um material é ex- pressa como o comprimento total de discordâncias por unidade de volume. Encruamento O fenômeno segundo o qual um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente quando sofre uma defor- mação plástica é chamada de encruamento. Esse trabalho a frio aumenta a densidade das discor- dâncias, deixando-as mais próximas ou aumentando sua quantidade. Com isso, uma discordância atrapalha o deslocamento da outra e o material fica mais duro e resistente, porém mais frágil. O aumento da resistência é proporcional a quantidade de trabalho aplicada. Para desfazê-la é necessário um trabalho a quente, como o recozimento.Estrutura dos Polímeros Moléculas de Hidrocarbonetos A maioria dos polímeros são materiais orgânicos, con- seqüentemente formados por hidrocarbonetos. As moléculas que possuem ligações covalentes duplas e triplas são insaturadas, Ex: Etileno (C2H4) e Acetileno (C2H2). As moléculas que possuem ligações covalentes sim- ples são saturadas, Ex: Metano (CH4), Etano (C2H6), Propano (C3H8). Grupos comuns de hidrocarbonetos • Alcoois ' − )* • Éteres ' − ) − ' • Ácidos ' − +,- .-/ • Aldeídos + � )/. #. • Aromático R ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 12 Renan Salvate Campos Química das moléculas poliméricas A forma genérica de representação de um polímero é: Onde R representa um átomo ou grupo orgânico, de- finido assim o tipo de polímero que a cadeia com n meros caracteriza. • Quando todas as unidades repetidas são i- guais, o polímero é um Homopolímero. • Quando as unidades repetidas são diferentes, o polímero é um Copolímero. Os tipos mais comuns são? • Politetrafluoretileno, Teflon • Cloreto de Polivinila, PVC • Polietileno, PE • Polipropileno PP • Poliestireno PS Peso molecular Polímeros com cadeias muito longas têm peso mole- cular elevado. Durante a polimerização as cadeias crescem em tamanhos variados resultando numa dis- tribuição do peso molecular. O peso molecular médio é determinado pela viscosi- dade e pressão osmótica do material. Forma Molecular As macromoléculas poliméricas são formadas por grandes cadeias que podem se dobrar e enrolar for- mando um emaranhado, e um polímero consiste de várias cadeias juntas de forma desorganizadas. Algumas características dependem dessa estrutura, como grandes alongamentos elásticos, flexibilidade e propriedades mecânicas e térmicas. Quanto mais simples for a unidade repetida, mais movimento tem o polímero, logo uma maior desorga- nização. Estrutura Molecular Polímeros lineares São aqueles em que as unidades repetidas são ligadas por uma única cadeia. São os mais flexíveis: PE, PVC, PS, Náilon e Fluorcarbonos Polímeros ramificados São aqueles que têm cadeias ramificadas laterais liga- das a cadeia principal. Sua compactação é prejudicada em relação a linear, resultando na redução de sua massa específica. LDPE – Polietileno de baixa densidade. Polímeros com ligações cruzadas São cadeias interligadas por ramificações. Obtida du- rante a síntese é irreversível. Processo de vulcanização da borracha. Polímeros em rede Monômeros multifuncionais contêm mais de três liga- ções covalentes, formam redes tridimensionais e pos- suem propriedades distintas. Epoxi, Poliuretano e fenol-formaldeído Polímeros Termoplásticos A classificação dos polímeros é dada devido as suas características térmicas. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 13 Renan Salvate Campos Os polímeros termoplásticos amolecem com o au- mento de temperatura e endurecem com o resfria- mento em um processo reversível. Com o aumento da temperatura as ligações atômicas se rompem, permitindo o deslocamento das cadeias adjacentes e voltam a se ligar quando resfriadas. São eles: PE, OS, PET, PVC Polímeros termorrígidos Tem estrutura em rede e se tornam duros em sua síntese, não amolecem com o aquecimento e são mais duros e resistentes que os termoplásticos. São eles: Borracha Vulcanizada, Epóxi, Resina Fenóli- ca, Resina Poliéster. Comportamento mecânico Tensão-deformação Existem três tipos diferentes de comportamentos tensão-deformação para os polímeros: a) Polímero Frágil que fratura durante a defor- mação elástica b) Plásticos, com deformação inicial elástica, se- guido por um escoamento e deformação plás- tica. c) Totalmente elástica, a classe dos elastômeros, borrachas. O módulo de elasticidade e a ductilidade são determi- nados de forma semelhante aos metais. A curva 2 tem o limite de escoamento na tensão no ponto de máximo. A variação de temperatura influencia nas característi- cas do polímero com maior sensibilidade que nos me- tais, produzindo uma maior ductilidade. Deformação viscoelástica Polímeros que variam suas propriedades entre extre- mos conforme a temperatura são viscoelásticos. A baixas temperaturas são sólidos como vidro, em temperatura ambiente parecem borracha e em eleva- das temperaturas são viscosos ou líquidos. A deformação elástica é dependente do tempo, e não instantânea, logo, não é completamente reversível. Deformação de elastômeros: Vulcanização O processo de formação de ligações cruzadas em elas- tômeros consiste em um processo químico irreversível conduzido em temperaturas elevadas. Com a adição de enxofre, os átomos de carbono que faziam ligações duplas se unem a ele e conseqüentemente às cadeias se unem também. Aumenta com isso o módulo de elasticidade, limite de resistência a tração, a resistên- cia a oxidação. A capacidade de alongamento é redu- zida. Plásticos Os polímeros plásticos apresentam rigidez estrutural e uma grande variedade de características e proprieda- des. Podem ser termoplásticos ou termofixos, e de- vem ser utilizados abaixo da temperatura de transição vítrea (amorfo) ou temperatura de fusão (cristalino) ou devem possuir ligações cruzadas suficientes para manterem-se inalterados com o aquecimento. São eles: PE, PP, PVC, PS, Fluorcarbono, Epóxis, Fenó- licos e Poliesteres. Elastômeros As propriedades dos elastômeros dependem do grau de vulcanização. Os mais comuns são a borracha na- tural, o SRB utilizado em pneus de automóveis, o N- BR, importante por sua resistência ao intumescimento (crescimento, expansão) e a borracha de silicone composta por átomos alternados de silício e oxigênio, que possuem alta flexibilidade a baixa temperatura e mantém a estabilidade em temperatura elevada. A- lém de serem biocompatíveis e algumas vulcanizarem em temperatura ambiente. ENG1015 Introdução a Ciência e E Renan Salvate Campos Materiais compósitos seguem o princípio de ação combinada, ou seja, as melhores propriedades de materiais distintos são combinadas para gerar um novo material com propriedades ideais para sua apl cação. São compostos por duas fases. A Matriz nua e envolve a segunda, a fase dispersa segunda responsável pela classificação do compósito. Ela pode ser composta de partículas, fibras ou estr turas. Compósitos reforçados por partículas Os compósitos que tem sua resistência aumentada por dispersão são compostos por partículas de escala nanométrica. O aumento da resistência se deve ao fato de as partículas impedirem o movimento das discordâncias da matriz quando esse suporta uma carga. Limite de escoamento, resistência a tração dureza são melhoradas. Os compósitos com resistência aumentada por culas grandes são compostos por partículas de outro material, de tamanho considerável e distribuição h mogênea. Servem para aumentar a resistência da matriz ou ocupar volume do mesmo no caso de um material caro. Um exemplo são os cermetos tos de cerâmica-metal muito utilizado como ferr menta de corte para aços endurecidos. Pneus de a tomóveis com borracha e negro de fumo, partículas provenientes da combustão que aumentam a resi tência a tração, tenacidade, resistência a tração e à abrasão. Compósitos Partículas Partículas Grandes Dispersão Fibras Contínuas Descontínuas Estrutural Laminadas Sanduiche Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais Compósitos princípio de ação ou seja, as melhores propriedades de materiais distintos são combinadas para gerar um novo material com propriedades ideais para sua apli- Matriz, que é contí- fase dispersa. Sendo a ponsável pela classificação do compósito. Ela pode ser composta de partículas, fibras ou estru- Compósitos reforçados por partículasOs compósitos que tem sua resistência aumentada são compostos por partículas de escala aumento da resistência se deve ao fato de as partículas impedirem o movimento das discordâncias da matriz quando esse suporta uma Limite de escoamento, resistência a tração e Os compósitos com resistência aumentada por partí- são compostos por partículas de outro material, de tamanho considerável e distribuição ho- mogênea. Servem para aumentar a resistência da matriz ou ocupar volume do mesmo no caso de um cermetos, compósi- metal muito utilizado como ferra- . Pneus de au- tomóveis com borracha e negro de fumo, partículas provenientes da combustão que aumentam a resis- tência a tração, tenacidade, resistência a tração e à Concreto Um compósito comum com partículas grandes, a brita e a areia, agregados por uma cerâmica, o cimento. Pode ser asfáltico para pavimentação ou Portland para estruturas. O concreto Portland é composto por cimento Po tland, um agregado fino (areia), um agregado (brita) e água. As partículas servem para reduzir o custo do concreto. Deve existir uma porção adequada de cada material para garantir características ideais. É muito resistente a compressão, porém frágil a tração, por isso ele é comumente reforçad Concreto armado Antes do concreto curar, podem ser inseridos no seu interior vergalhões de aço, o que aumenta sua resi tencia a tração, compressão e cisalhamento. Pode ser mais reforçado com adição de materiais fibrosos de de que não se decomponham em c posição ao cimento. Concreto pretendido Outra forma de fortalecer é o concreto é o pretensi namento. Colocam-se cabos de aço totalmente tr cionados na forma do concreto, quando este seca os cabos são soltos e a compressão dos cabos dão uma grande resistência a tração ao concreto. O concreto deve ser de alta qualidade, pequena contração e baixa taxa de fluência. Concreto reforçado com fibras A orientação das fibras é importante assim como a sua concentração. As fibras podem estar totalmente alinhadas, quando são contínuas ou parcialmente alinhadas ou aleatórias quando são descontínuas. Sendo a distribuição uniforme, melhor a qualidade. Compósitos com fibras contínuas alinhadas O comportamento tensão deformação depende da composição dos componen ção da tração; No caso de uma tensão longitudinal mesmo sentido das fibras acontecem etapas: Alinhadas Dispersas P á g i n a | 14 compósito comum com partículas grandes, a brita e a areia, agregados por uma cerâmica, o cimento. ltico para pavimentação ou Portland O concreto Portland é composto por cimento Por- tland, um agregado fino (areia), um agregado grosso e água. As partículas servem para reduzir o to do concreto. Deve existir uma porção adequada de cada material para garantir características ideais. É muito resistente a compressão, porém frágil a tração, por isso ele é comumente reforçado. Antes do concreto curar, podem ser inseridos no seu interior vergalhões de aço, o que aumenta sua resis- tencia a tração, compressão e cisalhamento. Pode ser mais reforçado com adição de materiais fibrosos des- de que não se decomponham em contato com a ex- Outra forma de fortalecer é o concreto é o pretensio- se cabos de aço totalmente tra- cionados na forma do concreto, quando este seca os cabos são soltos e a compressão dos cabos dão uma rande resistência a tração ao concreto. O concreto deve ser de alta qualidade, pequena contração e baixa Concreto reforçado com fibras A orientação das fibras é importante assim como a sua concentração. As fibras podem estar totalmente inhadas, quando são contínuas ou parcialmente alinhadas ou aleatórias quando são descontínuas. Sendo a distribuição uniforme, melhor a qualidade. Compósitos com fibras contínuas alinhadas O comportamento tensão deformação depende da composição dos componentes e da direção da aplica- tensão longitudinal, ou seja, no mesmo sentido das fibras acontecem etapas: ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 15 Renan Salvate Campos 1- A fibra e a matriz se deformam elasticamente, em seguida a matriz escoa mas as fibras con- tinuam a deformação elástica. 2- A matriz escoa até a fratura, se as fibras fratu- rarem antes, não serão todas ao mesmo tem- po, algumas fibras permanecerão intactas ga- rantindo a coesão do compósito Compósitos com matriz polimérica Consistem em uma resina polimérica como matriz e fibras como meio de reforço. É muito utilizada devido a facilidade de fabricação a temperatura ambiente e do baixo custo. As mais comuns são: • GFRP – Fibra de Vidro • CFRP – Fibra de Carbono • Fibra de Aramida Compósitos com matriz metálica As matrizes metálicas são feitas para trabalhos em temperaturas elevadas, tem maior rigidez e resistên- cia a abrasão e fluência. O reforço melhor a conduti- vidade térmica e a estabilidade dimensional. Não de- grada em fluidos orgânicos. São mais caros e tem utili- zação restrita a componente de motores, reforços estruturais e veículos aeroespaciais. Compósitos com matriz cerâmica Resistentes a temperatura e oxidação, os cerâmicos seriam perfeitos se não fosse à fragilidade. A tenacidade é melhorada com a incorporação de partículas cerâmicas, que impedem à propagação das trincas aumentando também a resistência à tração. São muito utilizados como ferramentas de corte de aços endurecidos. Compósitos Carbono-Carbono Uma matriz de carbono reforçada por fibras de carbo- no é cara e possui alto módulo e limites de resistência. Resiste a altas temperaturas, são tenazes e resistem à fluência, baixa expansão e condutividade térmica. Oxidam a altas temperaturas. São empregados em motores de foguetes, superfícies de atrito para reentrada na atmosfera, e em veículos de alto desempenho. Compósitos laminados Formadas por uma série de lâminas de alta resistên- cia, que são empilhadas em sentidos diferentes e uni- das uns aos outros. Tem uma alta resistência em to- das as direções do plano bidimensional. Aplicado no esqui moderno. Painéis Sanduíche Projetadas para ser de baixo peso com resistência elevada, consiste em duas laminas externas unidas a um núcleo mais espesso. As lâminas são rígidas e resistentes, já o núcleo é leve e possui baixo módulo de elasticidade. O núcleo suporta as lâminas e resiste a tensões de cisalhamento. São usados em telhados, pisos e paredes de prédios, aviões e espaçonaves. Propriedades elétricas A exploração das propriedades elétricas de um mate- rial é verificar suas repostas a campos elétricos. Condução elétrica Lei de Ohm A facilidade de um material de transmitir corrente elétrica é uma das principais características elétricas do material. Ela pode ser representada pela Lei de Ohm. 0 � ' ∙ 1 Onde, V [Volt = J/C] é uma voltagem aplicada ao ma- terial, R [Ω = V/A] a resistência do material e i [A = C/s] a corrente que passa por ele. ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 16 Renan Salvate Campos Outra característica é a resistividade, que diferente da Resistência, não está relacionada à geometria da a- mostra. 2 � ' ∙ � � Onde ρ [Ω∙m] é a resistividade, R a resistência, A [m²] a área da seção transversal perpendicular a corrente e l a distancia entre os dois pontos de medição da vol- tagem. Condutividade elétrica A condutividade σ também pode ser usada para re- presentar as propriedades elétricas do material. Ela nada mais é do que o inverso da resistividade, ou seja, indica a capacidade do material induzir corrente elé- trica. A intensidade do campo elétrico ou diferença de po- tencial E é dada pela voltagem que percorre o materi- al dividia pelo seu comprimento, ou pode ser descrita como a densidade de corrente J (J = i/A) dividida pela condutividade do material: � � 0 � � 3 Os materiais sólidos exibemuma grande faixa de con- dutividade, isso pode ser usada para classificar os materiais conforme sua capacidade de conduzir cor- rente. Podendo se dividir em 3 grupos: Condutores, semicondutores e isolantes. • Condutores: Em sua maioria metais, σ ≈ 107 • Semicondutores: 10-6 ≤ σ ≤ 104 • Isolantes: 10-10 ≤ σ ≤ 10-20 Estruturas das bandas de energia Para cada átomo individual existem níveis energéticos discretos que podem ser ocupados pelos elétrons, os quais estão arranjados em camadas. Quando um átomo está sozinho, ele apresenta sua ordenação eletrônica comum, porém, quando ele está na presença de outros átomos, a distâncias pequenas, o núcleo de um átomo influencia no outro. Essa influ- encia faz com que os estados atômicos se dividam em uma série de outros estados para formar as bandas de energia eletrônica. A extensão dessa divisão depende do espaço inter- atômico, quando menor ele for, mais divisões ocor- rem. Entre bandas adjacentes, pode existir espaços vazios, no espaço entre as bandas, não há lugar disponível para ocupação dos elétrons. Porém, podem existir estados vazios em uma banda, em que em princípio nenhum elétron a ocupa, mas um elétron de outra banda pode preenchê-la. Os elétrons de cada átomo em um sólido estão sujei- tos à interação com os átomos vizinhos. Ao aproxi- marmos um átomo isolado a outros, os níveis de e- nergia de cada um são perturbados levemente pela presença do vizinho, pois o Princípio de Exclusão de Pauli não permite que ocupem níveis de energia i- guais. Se aproximarmos um grande número de áto- mos, teremos um grande número de níveis de energia próximos uns dos outros, formando uma "banda de energia" quase contínua no lugar dos discretos níveis de energia que os átomos teriam individualmente. Existem quatro tipos diferentes de banda: ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 17 Renan Salvate Campos A) banda eletrônica encontrada em metais como o cobre, onde existem estados eletrônicos disponíveis abaixo e adjacentes aos estados preenchidos B) banda eletrônica encontrada em metais como magnésio, onde existe superposição das bandas mais externas. C) banda eletrônica de isolantes, a estrutura da banda de valência está separada das bandas de condução por um longo espaço. D) banda eletrônica de semicondutores, a estrutura da banda de valência está separada das bandas de condução por um pequeno espaço. A energia correspondente ao estado preenchido mais elevado é chamada de Energia de Fermi, nos metais, ela se encontra na mais alta posição dos esta- dos/bandas preenchidas e nos isolantes e semicondu- tores, se encontra no meio do espaçamento entre as bandas. Condução em termos de banda Somente podem ser influenciados por um campo elé- trico, aqueles elétrons que tem energia maior do que a energia de Fermi, chamados de elétrons livres. Nos semicondutores e isolantes, também encontramos os buracos, entidades com energia menor do que a de Fermi e participam da condução eletrônica. A condutividade elétrica está diretamente ligada a quantidade de elétrons livres e buracos. Da mesma forma é feita a distinção entre condutores, semi e isolantes. Metais Para os metais é muito simples levar os elétons livres para os estados vazios, como ela está bem próxima do estado preenchido, qualquer energia levemente mai- or que a energia de Fermi, que excite o elétron é ca- paz de fazê-lo. Semicontudores e isolantes Nesse caso, os estados vazios adjacentes a banda pre- enchida não estão disponíveis. Para que os elétrons se tornem livres é necessária uma excitação com energia suficiente para ultrapassar o espaçamento. Quanto maior o espaçamento, maior a energia necessária, logo quanto menor o espaçamento, maior será a con- dutividade elétrica do material. Semicondução Intrínseca Os semicondutores intrínsecos são aqueles que apre- sentam estrutura de banda eletrônica conforme mos- trado no item D, ou seja, uma banda de valência está completamente separada da outra por um espaço “proibido” relativamente estreito. Os dois semicondutores básicos são o Silício (Si) e o Germânio (Ge), que apresentam energia de espaça- mento de 1,1 eV e 0,7 eV respectivamente, valores menores do que 2 eV, que é o limite para semicondu- tores. Além de integrarem o mesmo grupo na tabela periódica, eles se ligam por ligações covalentes. Outros compostos semicondutores são: • Arseneto de Gálio (GaAs) • Antimônio de Índio (InSb) • Sulfeto de Cádmio (CdS) • Telureto de Zinco (ZnTe) Esses elementos, quando fora do composto apresen- tam características isolantes. Buracos Na semicondutividade intrínseca quando um elétron é excitado para a banda de condução, fica faltando um elétron nas ligações covalentes ou nos esquemas de bandas, um estado vazio nas bandas de valência. Essa falta de elétron pode ser vista como um buraco, que “se move” conforme os outros elétrons preen- chem o lugar daquele que foi excitado. Semicondução Extrínseca Na semicondução Extrínseca o comportamento elétri- co é caracterizado pelas impurezas, que induzem um excesso de elétrons livres ou buracos ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 18 Renan Salvate Campos Tipo n Imaginando uma cadeia de silícios, por exemplo, com valência 4, se for adicionada uma impureza substitu- cional de valência 5, um elétron ficará livre para ser levado para as bandas de condução. Quando esse elétron livre é excitado para a banda de condução, nenhum buraco se forma na banda de valência, por isso, impurezas desse tipo são chamadas de doadoras. Ex.: P, As e Ab. Tipo p Um efeito oposto ocorre quando é adicionada a essa cadeia de silício uma impureza de valência 3. Dessa forma, surge um buraco nas ligações covalentes, que faz com que os elétrons se movimentem para cobri-lo, ou seja, o buraco “se move” e gera a condução elétri- ca. Quando esse buraco chega ao topo da banda de valência, cria um estado no espaço entre as bandas, mas sem criar nenhum elétron livre, por conta disso é chamada de receptoras. Ex.: Al, B, Ga O processo de transformar ligas e materiais com pure- za extremamente elevada em supercondutores com a adição de impurezas é chamado de dopagem. Dispositivos semicondutores A junção Retificadora p-n Um retificador, ou diodo é um dispositivo que permite que uma corrente passe em somente uma direção, por exemplo, transforma corrente alternada em con- tínua. Uma junção retificadora p-n é construída como uma única peça de semicondutor, e dopada de modo a ser do tipo n em um lado e do tipo p em outro. Quando uma bateria é ligada a peça, o terminal posi- tivo pode ser conectado ao lado p e o negativo ao lado n, formando um fluxo para frente, ou seja, polari- zação direta. A polaridade oposta forma fluxo reverso, ou seja, polarização inversa. Curva V-I O transistor O transistor é de essencial importância para a infor- mática. Eles são capazes de amplificar um sinal elétri- co e servem também como interruptores nos compu- tadores para o processamento e o armazenamento de informações. Os tipos principais são os transistores de junção e o MOSFET (transistor semicondutor de efeito de campo metal-óxido). Leds Os leds são diodos emissores de luz. Dispositivos que convertem elétrons em fótons. A junção PN polarizada diretamente injeta elétrons da corrente, na banda de condução, nos buracos na banda de valência da região tipo P e emitem fótons. São formados por semicondutores e suas cores de- pendem no material que os formam. Dependendo do material, o gap de energia entre as duas bandas é menor ou maior, essa energia define a cor da luz emi- tida. ENG1015 Introdução a Ciência e E Renan Salvate Campos Fontes de energia renovável A crescente procura por energias alternativas fazemnecessária o desenvolvimento de tecnologia que t nha a mesma eficiência e preços menores do que a produção energética atual. Hidráulica Eletricidade gerada pela força da água, a energia p tencial da represa é transformada em cinética nas comportas e em elétrica nas turbinas. Energia renov vel de baixa emissão em funcionamento graves prejuízos ambientais para implantação. Eólica Eletricidade gerada pela força dos ventos, a energia cinética movimenta as pás dos cata-ventos e a turbina a transforma em energia elétrica. Existem 2.000 us nas eólicas no mundo, sendo 4 no Brasil, com geração de 1MW até 10 MW. Energia limpa, nenhuma emissão de poluentes, porém cara e pouca geração. Depende muito de fatores ambientais. Solar Eletricidade gerada pela excitação das fotocélulas pela luz solar. O sol transforma, por fusão nuclear, 657 milhões de toneladas de H2 em 653 milhões de ton ladas de He. Somente 2 bilionésimos da energia irr diada chega a Terra. Energia limpa e abundante, p rém ainda cara. Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais Fontes de energia renovável A crescente procura por energias alternativas fazem necessária o desenvolvimento de tecnologia que te- nha a mesma eficiência e preços menores do que a gerada pela força da água, a energia po- tencial da represa é transformada em cinética nas comportas e em elétrica nas turbinas. Energia renová- vel de baixa emissão em funcionamento, mas com ambientais para implantação. gerada pela força dos ventos, a energia ventos e a turbina . Existem 2.000 usi- nas eólicas no mundo, sendo 4 no Brasil, com geração de 1MW até 10 MW. Energia limpa, nenhuma emissão tes, porém cara e pouca geração. Depende Eletricidade gerada pela excitação das fotocélulas pela luz solar. O sol transforma, por fusão nuclear, 657 em 653 milhões de tone- 2 bilionésimos da energia irra- diada chega a Terra. Energia limpa e abundante, po- Biomassa Eletricidade gerada pela queima de gazes liberados na decomposição de matéria orgânica em aterros sanit rios controlados. Polui menos que a queima de bustíveis fósseis e apresenta uma solução para o cúmulo de lixo. Necessário um grande controle para evitar vazamento de substâncias tóxicas nos freáticos. Células de combustíveis Descoberta em 1839 possui um funcionamento muito simples, e consegue gerar uma grande quantidade de energia. Dois eletrodos conectados externamente por um ci cuito elétrico e separados por um eletrólito são e postos, sob a presença de um nio como combustível de um lado e ao O hidrogênio se divide em um íon H anodo. O O2 percorre o eletrólito para se encontrar com o H+ e formar água e calor, e o elétron gera co rente elétrica. P á g i n a | 19 Eletricidade gerada pela queima de gazes liberados na decomposição de matéria orgânica em aterros sanitá- rios controlados. Polui menos que a queima de com- bustíveis fósseis e apresenta uma solução para o a- cúmulo de lixo. Necessário um grande controle para evitar vazamento de substâncias tóxicas nos lençóis Células de combustíveis Descoberta em 1839 possui um funcionamento muito nsegue gerar uma grande quantidade de Dois eletrodos conectados externamente por um cir- cuito elétrico e separados por um eletrólito são ex- postos, sob a presença de um catalisador, ao Hidrogê- de um lado e ao O2 no outro. rogênio se divide em um íon H+ e um elétron no percorre o eletrólito para se encontrar e formar água e calor, e o elétron gera cor- ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 20 Renan Salvate Campos Conceitos gerais Baseia seu funcionamento em células eletroquímicas comuns, como as pilhas, por exemplo, contém dois eletrodos, positivo e negativo. Gera eletricidade da queima de um combustível, que no caso pode ser o Hidrogênio puro, obtido diretamente da célula ou outros combustíveis como o CH4 ou C2H5OH (etanol). Reação Movida pela concentração de O2, sendo alta no lado do Catodo e quase nula no lado do Anodo, funciona com a difusão de íons no seu interior, e a reação se completa no lado do Anodo 2*& � 4* 5 + 46. )& + 46 . � 2)& . 2*& + )& � 4* 5 + 2)& . � 2*&) Vantagens e desvantagens Duas vezes mais eficientes que motores a combustão. Reação silenciosa. Emissão de calor e vapor de água. Custo 4 vezes maior do que combustível fóssil. Tipos de células AFC – Célula Alcalina Utiliza KOH como combustível, e tem 60% de eficiên- cia. Desenvolvida pela NASA em 1930 e é utilizada em ônibus espaciais. Dura mais de 80.000 horas de vôo, mas usa Pt como catalisador, por isso é muito cara. PEFC – Célula a eletrólito polimérico Também conhecida como membrana de troca de pró- tons, tem de 40% a 50% de eficiência. Possui alta den- sidade de corrente, facilidade de funcionamento, po- rém utiliza Pt como catalisador. Exemplos � Projeto NECAR armazena as células de com- bustível e reservatório de hidrogênio sob os bancos. � Projeto AUTOnomia da GM tem um chassi removível com as células, e reservatórios de hidrogênio, assim como o motor. Deixa livre o interior da cabine. � Motocicleta ENV pesa até 80kg e faz 0 a 100km/h em 14s Desvantagens do H2 nos carros O H2 não é um combustível, e deve ser processado. Tem armazenamento perigoso quando comparado a combustíveis fósseis. Têm de 30% a 50% de perda de energia para sua obtenção, compressão e transforma- ção em energia. Não existe infra-estrutura de distribu- ição. DMFC – Células de metanol direto Utilizando um eletrólito polimérico, retira o H2 dire- tamente do metanol dispensando a necessidade de reforma do combustível. Utilizado em dispositivos portáteis. PAFC – Células de ácido fosfórico Utiliza ácido fosfórico como eletrólito. Foi a primeira tecnologia a ser comercializada. Funciona em unida- des estacionárias ou em grandes veículos. Tem efici- ência de 80%. Utiliza Pt como catalisador, por isso é muito caro. MCFC – Células de carbonato fundido Utiliza um eletrólito de sal carbonato fundido, que trabalha a alta temperatura. Tem eficiência de 60% a 85%. Vantajosa por usar Ni como catalisador, e pode ser alimentada por hidrocarbonetos. SOFC – Células de óxido sólido Utiliza como eletrólito a Zircônia (ZrO2) e a Ítria (Y2O3). Trabalha em altas temperaturas, entre 800ºC e 1000ºC. Eficiência de 85%. Vantajosa por usar Ni co- ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 21 Renan Salvate Campos mo catalisador, e pode ser alimentada por hidrocar- bonetos. Apresenta alto desgaste de materiais. Mais eficiente e menos poluente do que combustíveis fósseis: Catodo O material mais utilizado é a Manganita de Lantânio dopada com Estrôncio (LSM) por possuir alta conduti- vidade elétrica, coeficiente de expansão térmica (CET) compatível com outros componentes da pilha, estabi- lidade química, porosidade suficiente para o transpor- te de O2. Anodo O material mais utilizado é o NiO/YSZ que se reduz facilmente a Ni/YSZ em atmosfera de H2. Serve para promover um local adequado para a reação do H2 com os íons provenientes do eletrólito e remover os elé- trons resultantes da reação para o circuito externo. Possui porosidade adequada, estabilidade química e física em atmosfera oxidante e redutora, CET adequa- do, boa condutividade elétrica, alta condutividade catalítica e é compatível quimicamente com a pilha. Eletrólito Deve ser um material sólido capaz de transportar íons de oxigênio. A combinação ZrO2 + Y2O3 promove o transporte dos íons pelas vacâncias de oxigênio. A Zircônia pura é instável, com a presença da Ítria, ela fica estável e apresenta mais vacâncias para o oxigê- nio. A mistura possui baixa porosidade, para impedir a passagem de gases, deve ser muito fina para a passa- gem dos íons, tem alta condutividade para íons de oxigênio, baixa condutividade eletrônicapara diminuir as perdas da corrente no circuito externo, CET compa- tível e deve trabalhar a altas temperaturas. Zircônia - ZrO2 Possui estrutura cristalina CFC, sendo o Zr nas extre- midades e no meio das faces. As vacâncias são lugares aonde deveriam estar os átomos de O2, mas estão vazios. O processo de difusão do Oxigênio ocorre com saltos dos íons, entre as posições da rede. Como o espaço é pequeno, demanda muita energia, logo, alta tempera- tura. Célula unitária Tensão elétrica A tensão elétrica máxima é de 0,7V, limitada pela energia de Gibbs de formação da água. A corrente depende do número de moléculas reagindo por ins- tante, o que pode aumentar em áreas maiores. Para a elevação da tensão, são necessárias várias células ligadas em série. Empilhamento Existem duas formas de empilhamento, em tubos ou em pilhas: ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 22 Renan Salvate Campos Fluxo de gases Interconectores Os conectores que fazem a transferência da corrente da célula para o circuito deverem resistir às elevadas temperaturas e ao ambiente hostil. Cerâmicos • LaCrO3 é o mais utilizado pois suporta as tem- peraturas de 800ºC a 1000ºC • Resistente ao ambiente oxidativo e redutor. • Baixa condutividade térmica e elétrica. • Difíceis de conformar Metais • Cr, Fe e Ni são os mais utilizados para células de temperaturas intermediárias. • Baixo custo • Boa condutividade térmica, reduzindo a tem- peratura da célula. • Alto CET
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