Questões de Introdução a Ciências dos Materiais

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2º Trabalho de Introdução a Ciências dos Materiais – 1ª Etapa – 2025 
 
1 – Detalhar a classificação dos materiais, diferenciando materiais metálicos, 
poliméricos, cerâmicos, compósitos, semicondutores e avançados ou de 
engenharia. 
 
Metais: Os metais são compostos por um ou mais elementos metálicos, e com 
frequência também por elementos não metálicos em quantidades relativamente 
pequenas. Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados de uma 
maneira muito ordenada. São relativamente rígidos, resistentes e ainda assim 
são dúcteis e resistentes a fratura. Os metais são bons condutores de 
eletricidade e de calor e não são transparentes à luz visível. Além disso, alguns 
metais têm propriedades magnéticas interessantes. 
 
Polímeros: Os polímeros incluem os familiares materiais plásticos e de 
borracha. Muitos deles são compostos orgânicos que têm sua química baseada 
no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não metálicos. Eles têm 
estruturas moleculares muito grandes, em geral na forma de cadeias, que com 
frequência possuem uma estrutura composta por átomos de carbono. Os 
polímeros não são tão rígidos nem tão resistentes quanto esses outros tipos de 
materiais. Uma das maiores desvantagens dos polímeros é sua tendência em 
amolecer e/ou decompor em temperaturas baixas, o que, em algumas 
situações, limita seu uso. Possuem baixa condutividade elétrica e não são 
magnéticos. 
 
Cerâmicos: Os materiais cerâmicos são compostos formados entre elementos 
metálicos e não metálicos, na maioria das vezes, são óxidos, nitretos e 
carbetos. As cerâmicas tradicionais são compostas por minerais argilosos (por 
exemplo a porcelana), assim como o cimento e o vidro. Em relação ao 
comportamento mecânico, os materiais cerâmicos são relativamente rígidos e 
resistentes e tipicamente muito duras. Historicamente, as cerâmicas sempre 
exibiram extrema fragilidade (ausência de ductilidade) e são altamente 
suscetíveis à fratura, entretanto, novas cerâmicas estão sendo criadas para 
apresentar uma melhor resistência à fratura. Esses materiais são tipicamente 
isolantes à passagem de calor e são mais resistentes a temperaturas elevadas 
e a ambientes severos que os metais e os polímeros. Em relação às suas 
características ópticas, as cerâmicas podem ser transparentes, translúcidas ou 
opacas. Alguns dos óxidos cerâmicos (por exemplo, Fe3O4) exibem 
comportamento magnético. 
Compósitos: Um compósito é composto por dois (ou mais) materiais individuais 
(metais, cerâmicas e polímeros). O objetivo de projeto de um compósito é 
atingir uma combinação de propriedades que não é exibida por nenhum 
material isolado e, também, incorporar as melhores características de cada um 
dos materiais que o compõem. Alguns materiais de ocorrência natural também 
são compósitos por exemplo, a madeira e o osso. Entretanto, a maioria dos 
compósitos que estudados são sintéticos. 
 
Materiais avançados: Os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia 
são algumas vezes denominados materiais avançados. Por alta tecnologia 
subentendemos um dispositivo ou produto que opera ou que funciona usando 
princípios relativamente complexos e sofisticados como alguns equipamentos 
eletrônicos, por exemplo. Podemos listar dentre dessa classificação: 
Materiais semicondutores: possuem propriedades elétricas que são 
intermediárias entre aquelas exibidas pelos condutores elétricos e os isolantes. 
Eles tornaram possível o advento dos circuitos integrados, os quais 
revolucionaram as indústrias de produtos eletrônicos e de computadores. 
Biomateriais: são empregados em componentes implantados no corpo humano 
para a substituição de partes do corpo doentes ou danificadas. 
Materiais inteligentes: esses materiais são capazes de sentir mudanças nos 
seus ambientes e responder segundo maneiras predeterminadas. Os 
componentes de um material (ou sistema) inteligente incluem algum tipo de 
sensor (que detecta um sinal de entrada) e um atuador (que executa uma 
função de resposta e adaptação). 
Nanomateriais: eles não são diferenciados com base em sua química, mas, em 
lugar disso, em função do seu tamanho. O prefixo nano indica que as 
dimensões dessas entidades estruturais são da ordem do nanômetro. 
 
 2 – Correlacionar os tipos de materiais descritos na Questão 1 com a ligação 
química predominantes existente em cada um deles. 
 
Materiais metálicos: A ligação metálica é encontrada nos metais e nas suas 
ligas. Nesse modelo, os elétrons de valência não estão ligados a nenhum 
átomo em particular no sólido e estão mais ou menos livres para se 
movimentar ao longo de todo o metal. Eles podem ser considerados como 
pertencentes ao metal como um todo, ou como se formassem um “mar de 
elétrons”. Os elétrons restantes, os que não são elétrons de valência, 
juntamente com os núcleos atômicos, formam o que é denominado núcleos 
iônicos. 
 
Materiais poliméricos: A ligação predominante neste tipo de material será a 
ligação covalente. Para esses materiais, as configurações eletrônicas estáveis 
são adquiridas pelo compartilhamento de elétrons entre átomos adjacentes. 
Dois átomos que estão ligados de maneira covalente vão contribuir, cada um, 
com pelo menos um elétron para a ligação, e os elétrons compartilhados 
podem ser considerados como pertencentes a ambos os átomos. 
 
Materiais cerâmicos: A ligação em materiais cerâmicos geralmente é iônica. Os 
átomos de um elemento metálico perdem com facilidade seus elétrons de 
valência para os átomos de elementos não metálicos. Nesse processo, todos 
os átomos adquirem configurações estáveis. Porém, também é possível 
observar em alguns casos a ligação covalente nestes materiais a depender dos 
elementos envolvidos na ligação. Quando a diferença de eletronegatividade é 
pequena e o caráter iônico é baixo, ocorre o compartilhamento de elétrons, 
como no caso dos vidros. 
 
Nos demais tipos de materiais, podem ser encontradas qualquer um dos três 
tipos de ligações, tendo em vista que suas composições podem variar nestas 
três classes principais. 
 
3 – Defina materiais monocristalinos e policristalinos. Defina Anisotropia. Defina 
polimorfismo e Alotropia. 
 
Monocristalinos: são materiais constituídos por um único cristal em toda a 
extensão do material, sem interrupções. 
Policristalinos: constituído de vários cristais ou grãos, cada um deles com 
diferentes orientações cristalográficas. 
Anisotropia: é a dependência das propriedades físicas dos monocristais de 
algumas substâncias, em relação à direção na qual as medições são feitas. 
Polimorfismo: acontece quando um material específico possui mais do que uma 
estrutura cristalina. 
 
Alotropia: Quando sólidos elementares, ou seja, em um material formado 
apenas por um elemento químico possui mais que uma estrutura cristalina. 
 
4 - Explique, através dos conceitos fundamentais, o que é uma estrutura 
cristalina, definindo célula unitária, parâmetro de rede e fator de 
empacotamento atômico. 
Estrutura cristalina pode ser definida como a maneira segundo a qual os 
átomos, íons ou moléculas estão arranjados no espaço. Todos os metais, 
muitos materiais cerâmicos e certos polímeros formam estruturas cristalinas 
sob condições normais de solidificação. Os materiais que não se cristalizam, 
essa ordem atômica é ausente (materiais não cristalinos ou amorfos). Dessa 
forma, denominamos célula unitária como o menor agrupamento que se repete. 
A célula unitária é a unidade estrutural básica, ou bloco construtivo, da 
estrutura cristalina. 
O parâmetro de rede de é a distância entre as posições média dos centros dos 
átomos. 
O Fator de empacotamento atômico é a relação entre a soma dos volumes das 
esferas de todos os átomos no interior de uma célula unitária dividida pelo 
volume da célula unitária (volume total da rede).