Aula 11

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Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11
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Ciência dos Materiais I
Prof. Nilson C. Cruz
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Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos 
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Polímeros
Monômero
Polímero
Ex: madeira, lã, couro, borracha, seda, plásticos...
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Polietileno (PE)
Poli (cloreto de vinila) (PVC)
Polipropileno (PP)
Polímeros
Etileno
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Polímeros
	Possíveis rotações e torções em torno de ligações simples podem levar à formação de cadeias poliméricas não necessariamente retilíneas.
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Polímeros
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Polímeros lineares
	As unidades são unidas em cadeias únicas. Ex. PVC, náilon, PMMA, PE, PS
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Polímeros ramificados
	São polímeros onde cadeias de ramificações laterais são conectadas às cadeias principais. É interessante observar que os polímeros com estrutura linear podem ser ramificados.
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Polímeros com ligações cruzadas
	São polímeros onde cadeias adjacentes estão unidas umas às outras através de ligações covalentes.
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enxofre
Vulcanização 
	Formação de ligações cruzadas através de ligações químicas.
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Polímeros em rede
	São polímeros que possuem muitas ligações cruzadas formando redes tridimensionais. Ex. epóxi.
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Cristalinidade em polímeros
Polietileno
Célula Unitária
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	Normalmente os polímeros são formados por regiões cristalinas dispersas no interior do material amorfo. O grau de cristalinidade pode variar de completamente amorfo até cerca de 95% cristalino.
Cristalinidade em polímeros
PE
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Cristalinidade em polímeros: esferulitas
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Cristalinidade em polímeros: esferulitas
Direção de crescimento
da esferulita
Material amorfo
Lamelas cristalinas
Molécula
de ligação
Ponto de nucleação
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Direção do aumento da resistência mecânica 
Ramificada 
Ligações Cruzadas
Rede
Estrutura molecular
e resistência mecânica de polímeros
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Propriedades mecânicas de polímeros 
Tensão x Deformação
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Propriedades mecânicas de polímeros 
Tensão x Deformação
Deformação
Tensão
Limite de resistência à tração
Limite de escoamento
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Propriedades mecânicas de polímeros 
Tensão x Deformação
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Propriedades mecânicas de polímeros 
Temperatura x Deformação
Tensão (MPa)
Deformação
PMMA
temperatura  resistência
temperatura  alongamento
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Deformação em polímeros plásticos e frágeis 
ruptura frágil
ruptura plástica 
x
Carga/descarga
x
Tensão (MPa)
Deformação
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Deformação em polímeros plásticos e frágeis 
Limite de
escoamento
Início da formação
do pescoço
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Deformação em elastômeros 
Ligações
cruzadas
Tensão 
Tensão 
	O aumento da entropia faz o polímero retornar à sua forma original quando a tensão é retirada!
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Plásticos 
	Quimicamente inertes, mecanicamente resistentes, isolantes, transparentes, translúcidos ou opacos, etc...
	Revestimentos, brinquedos, lentes, vedações, engrenagens, isolantes, garrafas, etc...
Aplicações de polímeros 
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Elastômeros
Aplicações de polímeros 
Elásticos... 
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UHMWPE
Aplicações de polímeros 
	Alta resistência química, a impacto, desgaste e abrasão, baixo coeficiente de atrito, autolubrificante e antiaderente.
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Propriedades magnéticas 
	Toda carga elétrica em movimento produz um campo magnético. Assim, cada elétron em um átomo pode ser considerado como um pequeno imã com momentos magnéticos orbital e de spin. 
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Propriedades magnéticas 
	Quando um campo magnético externo H é aplicado a um material, seus momentos magnéticos tendem a se alinhar com o campo, dando origem a uma magnetização M dada por 
M = m H
m = susceptibilidade magnética 
	Assim, a indução magnética ou densidade de fluxo magnético em um material sujeito a um campo magnético externo H é: 
B = 0H + 0 M
0 = permeabilidade do vácuo
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Propriedades magnéticas 
 
 
(1) diamagnético
 
nenhum
 
oposto
 
(2) paramagnético
 
aleatório
 
alinhado
 
(3) ferromagnético
 
alinhado
 
alinhado
 
 
H = 0
Com campo
m < 0 
Campo com o material é menor que no vácuo 
m ~ 10-5 – 10-2 
Não magnéticos 
m ~ 106
B ≈ 0 M
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Propriedades magnéticas 
Ferromagnético
Paramagnético
Vácuo
Diamagnético
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Magnetização e temperatura de Curie
Fe
Fe3O4
	Com o aumento da temperatura se torna mais difícil a orientação dos momentos magnéticos.
Temperatura de Curie
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Domínios magnéticos 
Domínios são pequenas regiões onde existe o alinhamento na mesma direção de todos os momentos magnéticos. 
Domínios 
Fronteiras
entre domínios 
Contorno
de grão
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À medida que um campo H é aplicado, os domínios mudam de forma e de tamanho.
Domínios magnéticos 
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Domínios magnéticos 
Domínios com momentos magnéticos alinhados crescem às custas daqueles fracamente alinhados!
H = 0
H
H
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Histerese
	Quando o campo H é reduzido à partir da saturação, a curva de M versus H não retorna seguindo seu trajeto original. Isto é histerese!
H 
 
 
 
1. Estado inicial desmagnetizado
 
 
 
 
M
 
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Histerese
M
H
B = 0 (H + M)
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Histerese
	O campo não tem de ser aumentado até que a saturação seja atingida!
Repetidos ciclos com H alternado e decrescente são usados para desmagnetizar materiais ferromagnéticos 
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Histerese
	A área no interior da curva de histerese representa a perda de energia, na forma de calor, por unidade de volume do material durante um ciclo de magnetização-desmagnetização. 
A energia necessária para desmagnetizar um imã permanente é proporcional à área do maior retângulo que pode ser desenhado sob a curva no segundo quadrante! 
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H
B
Materiais duros
Imãs permanentes
Ciclo quadrado
Dispositivos de memória
Materiais moles
Núcleos de transformadores
Histerese
Materiais magneticamente moles e duros.
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Entrada do sinal
Saída do sinal
Ler
Gravar
Cabeça
de gravação
Meio de gravação 
Armazenamento magnético
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Armazenamento magnético
20 kByte/mm2
12 Mbyte/mm2
500.000 X
8.000 X
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B
Enrolamento
primário
Enrolamento
secundário
Núcleo ferromagnético
Transformador de tensão
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Interação de luz com sólidos
Incidente, I0
Refletida, IR
Transmitida, IT
Absorvida, IA
I0 = IR + IT + IA 
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Propriedades ópticas de metais
	Os metais são opacos para a maioria das radiações do espectro eletromagnético! Eles são transparentes para raios x e .
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Células solares
Silício tipo n
Silício tipo p
Junção p-n
luz
+
-
+
+
+
-
-
-
Criação de par
elétron-buraco
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Propriedades ópticas de metais
	A maior parte da radiação absorvida é reemitida com o mesmo comprimento de onda. Os metais são bons refletores, com refletividades em torno de 95% da luz incidente!
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Propriedades ópticas de não-metais
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Propriedades ópticas de não-metais
Refração
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Refração 
(
(
1
2
v1
v2
n1 sen 1 = n2 sen 2 
= índice de refração 
c = velocidade da luz no vácuo
 = constante dielétrica
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Reflexão interna total
n1
n2
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Fibras ópticas
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Gradual (parabólico)
Perfis de índice de refração 
Degrau
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Propriedades ópticas de não-metais
Reflexão 
	A fração da luz incidente em uma superfície que é refletida, a refletividade do material, é dada por
	Quando a luz incide normalmente à interface, 
n1 = 1 para vácuo ou ar
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Propriedades ópticas de não-metais
Absorção 
	Ao percorrer uma distância x dentro de um material com coeficiente de absorção , a intensidade de luz absorvida será 
IA = I0 e -x
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Propriedades ópticas de não-metais
Transmissão 
	A intensidade de luz transmitida através de um material com espessura l e coeficiente de absorção  é 
IT = I0 (1-R)2e -l
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Propriedades ópticas de não-metais
	As intensidades de luz transmitida, refletida e absorvida são funções do comprimento de onda da radiação incidente.
Vidro verde
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Propriedades ópticas de não-metais
	A absorção seletiva em determinados comprimentos de onda faz com que os materiais sejam coloridos. A cor observada é o resultado da combinação dos comprimentos de onda transmitidos.
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Diodos emissores de luz (LED)
	Sob determinadas circunstâncias, a aplicação de polarização direta a uma junção semicondutora, ocorre a emissão de radiação visível ou no infravermelho.
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Diodos emissores de luz orgânicos (OLED)
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Laser
Light
Amplification by
Stimulated
Emission of
Radiation
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Laser de rubi
(Al2O3 + 0,05% Cr3+)
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Laser de rubi
Antes da excitação 
Após excitação
Emissão espontânea 
Laser
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Laser de semicondutor
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Laser de semicondutor