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Introdução à Ciência dos Materiais
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
Química Aplicada à Engenharia
Profa. Josy Eliziane Ramos
Abril 2016
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Introdução
EXISTEM MAIS DE 50.000 TIPOS DE MATERIAIS
Condições de Serviço: ditam as propriedades exigidas do material. 
resistência   ductilidade
Deterioração das propriedades durante uso: 
Resistência   Temperatura ou Corrosão
Fatores Econômicos (custo): também inclui despesas incorridas durante a fabricação (processamento).
Os materiais estão provavelmente mais entranhados na nossa cultura do que a nossa percepção. Nos transportes, habitação, vestiário, comunicação, recreação e produção de alimentos; virtualmente todos os seguimentos de nossa vida diária são influenciados em maior ou menor grau pelos materiais.
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Ciência e Engenharia de Materiais
Envolve a investigação das relações entre as estruturas e as propriedades dos materiais. 
Em contraste, a engenharia de materiais consiste, com base nessas correlações estrutura-propriedade, no projeto ou na engenharia da estrutura de material para produzir um conjunto de propriedades pré-determinadas. 
Investiga as estruturas e propriedades. 
Resultante do conhecimento da estrutura, propriedades, processamento e desempenho dos materiais. 
Conhecimento aplicado de materiais.
 Ciências de materiais
Ciência e engenharia de materiais
Engenharia de materiais
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Ciência e Engenharia de Materiais
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Ciência e Engenharia de Materiais
Assim, devemos ter atenção para as relações entre os elementos de estrutura e as propriedades dos materiais
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ESTRUTURA: geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes internos.
ESTRUTURA SUB-ATÔMICA: envolve elétrons no interior dos átomos individuais e as interações com seus núcleos;
ESTRUTURA ATÔMICA: engloba a organização dos átomos ou moléculas em relação uns aos outros;
ESTRUTURA MICROSCÓPICA: contém grandes grupos de átomos normalmente conglomerados;
ESTRUTURA MACROSCÓPICA: pode ser vista a olho nu.
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Ciência e Engenharia de Materiais
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Ciência e Engenharia de Materiais
PROPRIEDADE: é uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. As definições das propriedades são feitas de maneira independente da forma e do tamanho do material. 
MECÂNICA: relaciona deformação com uma carga ou força aplicada;
ELÉTRICA: o estímulo é um campo elétrico;
TÉRMICA: capacidade calorífica e condutividade térmica;
MAGNÉTICA: demonstram a resposta de um material à aplicação de um campo magnético;
ÓTICA: o estímulo é a radiação eletromagnética ou a luminosa;
DETERIORATIVA: indica a reatividade química dos materiais.
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Ciência e Engenharia de Materiais
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Ciência e Engenharia de Materiais
Além da estrutura e das propriedades, dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência e na engenharia de materiais: o “processamento” e o “desempenho”.
Com respeito às relações entre esses quatro componentes; estrutura, propriedades, processamento e desempenho, a estrutura de um material irá depender da maneira como ele será processado. Além disso, o desempenho de um material será uma função das suas propriedades. 
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Por que estudar a Ciência e Engenharia de Materiais? 
Muitos cientistas e engenheiros de aplicações sejam eles das áreas de mecânica, civil, química ou elétrica, irão uma vez ou outra se deparar com um problema de projeto que envolve materiais.
Exemplos:
 
engrenagem de transmissão, 
a superestrutura para um edifício, 
um componente para uma refinaria de petróleo, 
um chip de circuito integrado
Obviamente, os cientistas e engenheiros de materiais são especialistas totalmente envolvidos na investigação e no projeto de materiais.
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Por que estudar a Ciência e Engenharia de Materiais? 
Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleção do material correto dentre muitos milhares de materiais disponíveis. Existem vários critérios em relação aos qual a decisão final normalmente se baseia. 
Em primeiro lugar, as condições de serviço devem ser caracterizadas, uma vez que essas irão ditar as propriedades que o material deve possuir. 
Uma segunda consideração de seleção é qualquer deterioração das propriedades dos materiais que possa ocorrer durante operação em serviço. 
Finalmente, muito provavelmente a consideração final estará relacionada a fatores econômicos; Quanto irá custar o produto final acabado? Pode ser o caso de encontrar um material com o conjunto ideal de propriedades, mas seu preço ser proibitivo.
 
Por isso, quanto mais familiarizado estiverem técnicos, engenheiros e cientistas com as várias características e relações estrutura-propriedade, assim como as técnicas de processamento dos materiais, mais capacitado e confiante ele estará para fazer escolhas ponderadas de materiais com base nesses critérios. 
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Classificação dos materiais 
A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química:
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Compósitos (combinação de dois ou mais)
Semicondutores (características elétricas peculiares)
Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)
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Classificação dos materiais 
 METAIS: são normalmente combinações de elementos metálicos. Possuem grande número de elétrons não-localizados, ou seja, não estão ligados a qualquer átomo em particular. 
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Classificação dos materiais 
 CERÂMICOS: compostos entre os elementos metálicos e não-metálicos; são freqüentemente óxidos, nitretos e carbetos. 
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Classificação dos materiais 
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Classificação dos materiais 
 POLÍMEROS: São formados pela combinação de unidades – “meros”. Leves e não-frágeis; Opacos/transparentes; Baixa densidade e resistência mecânica; Não suportam altas temperaturas.
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Classificação dos materiais 
COMPÓSITOS: São “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte; muitos dos recentes desenvolvimento em materiais envolvem materiais compósitos.
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Classificação dos materiais 
SEMICONDUTORES: As características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material; os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores.
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Classificação dos materiais 
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Evolução
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Materiais avançados
Os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia são algumas vezes chamados de materiais avançados. 
Por alta tecnologia (High-tech) subentendemos um dispositivo ou produto que opera ou que funciona utilizando princípios relativamente intricados e sofisticados; 
Exemplos: equipamentos eletrônicos, computadores, sistema de fibra ótica, espaçonaves, aeronaves e foguetes militares. 
Esses materiais avançados consistem tipicamente em materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas ou em materiais de alto desempenho desenvolvidos recentemente. 
Além disso, eles podem ser de todos os tipos de materiais, e são em geral relativamente caros. 
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Materiais avançados
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Materiais do Futuro 
Materiais Inteligentes:
Grupo de materiais novos e de última geração que estão atualmente sendo desenvolvidos e que terão influência significativa sobre muitas das nossas tecnologias. 
O adjetivo “inteligente” implica que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e então responder a essas mudanças de uma maneira predeterminada, 
como também ocorre com os organismos vivos. 
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). 
Os atuadores podem ser chamados para mudar a
forma, a posição, a freqüência natural ou as características mecânicas em resposta as mudanças de temperatura, campos elétricos, e/ou campos magnéticos. 
 
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Nanotecnologia 
Cientistas compreendiam a química e a física dos materiais a partir do estudo de estruturas grandes e complexas e então investigar os blocos construtivos fundamentais que compõem essas estruturas, que são menores e mais simples. Essa abordagem é algumas vezes chamada de ciência “de cima para baixo”. 
Contudo, com o advento dos microscópios de ponta de prova, que permitem a observação dos átomos e das moléculas individuais, ficou possível manipular e mover átomos e moléculas e formar novas estruturas, dessa forma desenhando novos materiais fabricados a partir de constituintes que são simples ao nível atômico (isto é, construir “materiais por projeto”). 
A isso chamamos de abordagem “de baixo para cima”; o estudo das propriedades desses materiais é conhecido por “nanotecnologia”, onde o prefixo “nano” indica que as dimensões dessas entidades estruturais são da ordem do nanômetro (10-9m) – como regra, inferiores a 100 nanômetros (o equivalente a aproximadamente 500 diâmetros atômicos). Um exemplo de material desse tipo é o nonotubo de carbono. 
Em futuro próximo, vamos sem dúvida alguma descobrir que um número cada vez maior 
dos nossos avanços tecnológicos fará uso desses materiais nanoengenheirados.  
 
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Necessidades dos Materiais Modernos 
Muitos materiais que usamos são derivados de recursos não renováveis, isto é, recursos 
que não são possíveis de ser regenerados. 
Dentre estes materiais estão incluídos os polímeros, para os quais a matéria prima principal é o petróleo, e alguns metais. Esses recursos não renováveis estão se tornando gradualmente escassos, o que exige: 
	1) A descoberta de reservas adicionais; 
	2) O desenvolvimento de novos materiais que possuam propriedades comparáveis, mas que apresentem um impacto ambiental menos adverso;
	3) Maiores esforços de reciclagem e o desenvolvimento de novas tecnologias de reciclagem. 
Como uma conseqüência dos aspectos econômicos não somente da produção, mas também do impacto ambiental e de fatores ecológicos, está tornando cada vez mais importante considerar o ciclo de vida “desde o berço até o túmulo” dos materiais em relação ao seu processo global de fabricação. 
 
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Propriedades X Produção
PROPRIEDADES
Propriedades mecânicas gerais
Propriedades gerais não-mecânicas
Propriedades de superfície
Preço e disponibilidade
Propriedades de produção – facilidade de fabricação, união e acabamento
Propriedades estéticas – aparência, textura, sensação táctil
PROJETO
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