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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 2 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 3 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; 4 Introdução ao estudo dos materiais Cerâmicos - ligação iônica 5 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. 6 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. 7 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 8 Estruturas cristalinas Célula unitária ou cela unitária Diferentes maneiras de escolher uma célula unitária para uma rede 9 Estruturas cristalinas Células unitárias derivadas dos 7 arranjos cristalinos de Bravais 10 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 11 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 12 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 13 Estruturas cristalinas Estrutura cúbica de corpo centrado - CCC Tipo comum de estrutura encontrada em metais Encontrada no cromo, tungstênio, bário, lítio, potássio, etc. 14 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 15 Estruturas cristalinas Estrutura cúbica de face centrada Encontrada em muitos metais, cobre alumínio, prata e ouro, níquel, platina 16 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 17 Estruturas cristalinas Estrutura hexagonal compacta Última estrutura comumente encontrada nos metais Encontrada no zinco, cádmio, magnésio e titânio FEA = ao da CFC 0,74 18 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)). 19 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 20 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. 21 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
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