Aula 1 Introdução aos Materiais

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Introdução aos Materiais
Disciplina COEQ0062 – Química de Polímeros
Prof. Dr. Paulo Henrique S. L. Coelho
Engenharia Química
Centro de Ciências Exatas e Tecnologia
Universidade Federal do Maranhão
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Introdução ao estudo dos materiais 
Introdução 
 Processamento-estrutura-propriedade-desempenho
Transmitância à luz de três amostras de óxido de alumínio. Da esquerda para a 
direita: material monocristalino, que é transparente; um material policristalino e 
completamente denso (não-poroso), que é translúcido; e um material policristalino 
que contém ~ 5% porosidade, que é opaco
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Introdução ao estudo dos materiais 
Metais – ligação metálica 
+ + + +
+ + + +
+ + + +
- - -
- - -
- - -
Núcleo dos íons
Nuvem de elétrons das 
camadas de valência
Elétrons deslocáveis
(Ex.: anel aromático de C)
CAMPO ELÉTRICO
-altas T fusão e ebulição
-alto Módulo de Elasticidade;
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Introdução ao estudo dos materiais 
Cerâmicos - ligação iônica
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Introdução ao estudo dos materiais 
Polímeros e sólidos covalentes - ligação covalente
Energia da camada de valência é menor quando formada a
molécula, portanto, irá requerer energia para ser revertida.
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Estruturas cristalinas 
Estruturas de sólidos cristalinos
 Sólido: substância que mantém um volume e uma forma 
fixos; 
 Material cristalino: é aquele em que os átomos estão 
situados em um arranjo que se repete;
 Estrutura cristalina ou retículo cristalino: maneira 
segundo a qual os átomos, íons ou moléculas estão 
arranjados espacialmente (ou seja estrutura se ordenada 
se repete nas 3 dimensões);
 Cristal: material com características geométricas 
definidas.
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Estruturas cristalinas 
Célula unitária ou cela unitária
 Uma pequena fração do retículo cristalino que se repete para formar 
o cristal
 É a menor entidade que contém todas as características 
encontradas no cristal inteiro, ou seja, é o bloco de construção
básico da estrutura cristalina
Uma rede: pontos em um plano num arranjo regular e repetitivo. A 
célula unitária quadrada pode ser usada para gerar a rede inteira
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Estruturas cristalinas 
Célula unitária ou cela unitária
Diferentes maneiras de escolher uma célula unitária para uma rede
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Estruturas cristalinas 
Células unitárias derivadas dos 7 arranjos 
cristalinos de Bravais
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Estruturas cristalinas 
Estrutura cúbica simples - CS
 É o tipo mais simples entre as estruturas cúbicas
 Não permite alto grau de empacotamento dos átomos
 Metais não apresentam essa estrutura, exceto o polônio
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Estruturas cristalinas 
Fator de empacotamento atômico
 VA = volume do átomo (4/3. . r
3)
 r = raio do átomo
 a = 2 r 
 Vc = a3
FEA = Nº de átomos x volume de átomos em uma célula unitária = N VA
Volume total da célula unitária Vc
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Estruturas cristalinas 
Estrutura cúbica simples – Fator de 
empacotamento atômico
 Nº de átomos que ocupam a célula = 1 (1/8 x 8 vértices)
 Vc = a3 = (2r)3 = 8r3
FEA = 1. 4/3 . . r 3
8r3
FEA = 0,52 
r
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Estruturas cristalinas 
Estrutura cúbica de corpo centrado - CCC
 Tipo comum de estrutura encontrada em metais
 Encontrada no cromo, tungstênio, bário, lítio, potássio, 
etc.
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Estruturas cristalinas 
Estrutura cúbica de corpo centrado – Fator de 
empacotamento atômico
 Nº de átomos que ocupam a célula
1 (1/8 x e vértices) + 1 centro = 2 átomos
 Vc = a3
 a = 4r/√ 3
 Vc = a3 = 64 r3 / 3√3
FEA = 8/3 . . r3
64 r3 / √3
FEA = 0,68 4 r
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Estruturas cristalinas 
Estrutura cúbica de face centrada
 Encontrada em muitos metais, cobre alumínio, prata e 
ouro, níquel, platina
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Estruturas cristalinas 
Estrutura cúbica de corpo centrado – Fator de 
empacotamento atômico
 Nº de átomos que ocupam a célula
1 (1/8 x 8 vértices) + 3 (1/2 .6 faces no centro) = 4 átomos
 Vc = a3
 a = 2√2 r
 Vc =a3 = 16 r3 √2
FEA = 16/3 . . r3
16 r3 / √2
FEA = 0,74 4 r
r
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Estruturas cristalinas 
Estrutura hexagonal compacta
 Última estrutura comumente encontrada nos metais
 Encontrada no zinco, cádmio, magnésio e titânio
 FEA = ao da CFC 0,74
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Estruturas cristalinas 
Direções e planos cristalinos
 É necessário identificar direções e planos específicos 
em cristais para correlacionar propriedades e estrutura, 
como por exemplo:
 propriedades mecânicas x direções e planos: 
módulo de elasticidade (direções mais compactas 
maior módulo);
 deformação plástica (deslizamento de planos 
planos (cadeias) compactos(as)).
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Estruturas cristalinas 
Monocristais
 O arranjo periódico e repetido de átomos é perfeito ou 
se estende ao longo da totalidade da amostra, 
formando um monocristal
Vários monocristais de fluorita
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Estruturas cristalinas 
Materiais policristalinos
 São compostos por uma coleção de muitos cristais 
pequenos ou grãos
Pequenos cristais com formatos irregulares
Chamados de grãos.
Nos polímeros podem ser chamados de 
esferulitos.
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Estruturas cristalinas 
Sólidos não-cristalinos ou amorfos
 São carentes de um arranjo atômico regular e 
sistemático ao longo de distâncias atômicas 
relativamente grandes
Cristalino Não-cristalino
ESTRUTURA PROPRIEDADE
PROCESSAMENTO
PRODUTO
MATERIAL
Resistência 
mecânica;
Condutividade 
Térmica/Elétrica;
Densidade
ESCOLHA
Custo e 
Disponibilidade
Propriedades
Aspectos Gerais
Estrutura Interna e Propriedades
"As propriedades do material originam-se em sua estrutura interna".
Estrutura interna: os átomos e a forma como se associam com seus
"vizinhos": cristais, moléculas e microestruturas.
Processamento e Propriedades
Busca-se, com a escolha de propriedades, a facilidade no 
processamento.
Durante o processamento, pode ocorrer a mudança de propriedades,
quando o processo alterar as estruturas internas do material, através de
sua deformação.
Estruturas
Comportamento Mecânico
Deformação Elástica: onde a
deformação relativa inicial é
proporcional à tensão, é reversível.
Módulo de Elasticidade: medido nesta
região.
Deformação Plástica: deslocamento
permanente entre os átomos do
material.
Ductilidade: deformação plástica
requerida para fratura.
Deformação
Resistência ao Escoamento: capacidade do material resistir à sua
deformação plástica.
Limite de Resistência ou Resistência Mecânica: força máxima
suportada/área inicial seção transversal.
Tenacidade: energia requerida para ruptura de material.
Ensaios Charpy e Izod.
Dureza: resistência de um material à penetração em uma superfície.
Dureza Brinell (HB): calculado a partir da área da superfície impressa
por um penetrador de forma esférica.
Dureza Rockwell (HR): medida de profundidade de penetração. Há
escalas diferentes para grupos distintos de materiais.
Resistência á Dureza
Temperatura: nível de atividade térmica
Conteúdo de calor: energia térmica
capacidade térmica
Capacidade Térmica: variação do conteúdo de calor por grau (oC)
Calores de Transformação
Fusão
Vaporização
Mudança da 
estrutura atômica 
e molecular
Característica Térmicas
- Metais;
- Polímeros;
- Cerâmicas.
Metais (elementos metálicos)
- Altas condutibilidades (térmica/elétrica): elétrons 
deslocáveis;
- Alta densidade;
- Opacos.
CARACTERÍSTICAS GERAIS
REVISÃO – Tipos de Materiais
Cerâmicos (elementos metálicos e não metálicos)
- Duro e frágil;
- Resistentes, principalmente a altas T;
- Baixas condutibilidades.
Polímeros (macromoléculas não metálicas)
- Isolantes térmico e elétrico(transmissão é feita por vibração 
atômica e não transporte eletrônico;
- Baixa densidade;
- Translúcidos (pouca reflexão).
REVISÃO – Tipos de Materiais