Aula 1 - Ciência dos materiais.pptx

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Materiais Elétricos
Introdução a ciência dos materiais
Prof.: Francesco Eduardo Guimarães Caterina
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Perguntas
Explique o termo “estrutura”? 
Quais são os diferentes reinos estruturais? Explique cada um deles.
Explique o termo “propriedade”?
As propriedades podem ser agrupadas em 6 categorias, quais são elas? Explique cada uma delas.
Qual é a relação entre os termos “desempenho”, “processamento”, “estrutura” e “propriedade”? Faça esquema utilizando setas (→) e explique o ordenamento.
Quais são os fatores que devem ser levados em consideração na escolha do material?
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Perspectiva Histórica
 Primeiros seres humanos tinham acesso a um número limitado de materiais que ocorrem naturalmente:
 Ex.: Pedra, madeira, argila, peles, etc.
 Descoberta de técnicas para a produção de matérias que tinham propriedades superiores àquelas dos materiais naturais → através de tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias.
 Ex.: cerâmicas e vários metais.
 Aplicação de matérias era limitada dada a um conjunto específico relativamente limitado de materiais, sendo escolhido aquele que mais se adequava a uma aplicação dado suas características.
Perspectiva Histórica
 Somente nos últimos 100 anos que os cientistas compreenderam as relações entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedades → permitiu que fosse possível moldar, de modo significativo, as características dos materiais.
 Começa a se desenvolver dezenas de milhares de materiais diferentes, com características relativamente específicas, as quais atendem a diversas necessidades.
 Exs.: metais, plásticos, vidros e fibras.
 Percebe-se que o desenvolvimento de muitas das tecnologias que promovem uma melhoria na nossa qualidade de vida está associado ao acesso a materiais adequados.
 Compreender o tipo de material é com frequência o precursor de um progresso gradativo de alguma tecnologia.
 Ex.: automóveis não seriam possíveis sem a disponibilidade a baixo custo do aço ou outro material substituto.
Ciência de materiais
 Envolve a investigação das relações que existem entre as estruturas e as propriedades dos materiais.
 Na engenharia seu propósito se trata de, baseado nessas correlações estrutura-propriedade, obter um conjunto de propriedades adequadas a um projeto.
 Estrutura: se refere ao arranjo dos componentes internos de um material.
 Existem diferentes reinos de Estruturas:
Macroscópicos: podem ser vistos ao olho nu.
Microscópico: contém grandes grupos de átomos conglomerados.
Atômica: engloba a organização dos átomos ou moléculas, uns em relação aos outros.
Subatômica: envolve elétrons nos átomos individuais e as interações com os seus núcleos.
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Ciência de materiais
Ciência de materiais
 Propriedade: em serviço, todos os materiais são expostos a estímulos externos que causam uma resposta. Essa resposta varia em termos do tipo e magnitude de acordo com o material.
 Ex.: amostra submetida à ação de forças deformará; ou
 Ex.: uma superfície metálica polida refletirá luz.
 Geralmente, a definição de propriedades são feitas de modo que elas sejam independentes da forma e tamanho do material.
 As propriedades podem ser agrupadas em 6 categorias:
Mecânica: relacionadas a deformação quando aplicado uma carga ou força. Exs.: elasticidade e resistência.
Elétrica: o estímulo é um campo magnético. Ex.: condutividade elétrica.
Térmica: representado em termos de capacidade calorífica e condutividade térmica.
Magnética: o estímulo é um campo elétrico.
Óptica: o estímulo é a radiação eletromagnética ou luminosa. Ex.: refração e refletividade.
Deterioração: relacionada a reatividade química do material.
Ciência de materiais
 Outros componentes de grande relevância nessa ciência são:
 Processamento: influência na estrutura do material e, portanto, nas suas propriedades.
 Desempenho: relacionado com as propriedades do material (magnitude).
Processamento
Estrutura
Propriedades
Desempenho
Exemplo
Propriedades ópticas
Transmitância da luz
Transparente
monocristal
Translúcido
Policristalino denso
Opaco
Policristalino poroso
Óxido de alumínio
Diferentes desempenhos no parâmetro transmitância óptica
Óxido de alumínio
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Problema de escolha do material
Deve-se levar em consideração:
 Condições de serviço devem ser caracterizadas → ditam propriedades necessárias do material.
 Apenas em raras ocasiões um material possui a combinação máxima ou ideal de propriedades (geralmente é necessário abrir mão de uma característica por outra).
 Levar em consideração condições fora dos limites de normalidade.
 Ex.: resistência e ductilibade, normalmente um material que possui alta resistência terá uma ductibilidade apenas limitada.
 Qualquer deterioração do material que possa ocorrer durante a operação.
Ex.: reduções da resistência mecânica resultante da exposição a temperaturas elevadas ou ambientes corrosivos.
 Preço do material para projeto ou produto (aspecto econômico).
 Ex.: material com conjunto ideal de propriedades, mas proibitivamente caro. 
Não existe um conjunto padrão de procedimentos a serem seguidos na escolha de materiais corretos para determinada aplicação. Cada situação é diferente e requer conhecimento sobre os materiais e as condições às quais estarão sujeitos.
Problema de escolha do material
Este metal = tungstênio
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Problema de escolha do material
Problema de escolha do material
Problema de escolha do material
Nessa tecnologia, um semicondutor semelhante ao usado nos micro computadores, quando atravessado por energia, emite luminosidade.
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Problema de escolha do material
 Se metade de toda a iluminação mundial fosse convertida à tecnologia LED até 2025, seria possível economizar 120 gigawatts de eletricidade.
 Isso reduziria as emissões de CO2 em 350 milhões de toneladas por ano. Nos EUA, equivaleria a tirar 7,5 milhões de carros das ruas.
Perguntas
Explique o termo “estrutura”? 
Quais são os diferentes reinos estruturais? Explique cada um deles.
Explique o termo “propriedade”?
As propriedades podem ser agrupadas em 6 categorias, quais são elas? Explique cada uma delas.
Qual é a relação entre os termos “desempenho”, “processamento”, “estrutura” e “propriedade”? Faça esquema utilizando setas (→) e explique o ordenamento.
Quais são os fatores que devem ser levados em consideração na escolha do material?
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Tipos de Indústria – Influência dos Materiais
Perguntas
Os agrupamentos dos materiais sólidos são baseados em quais critérios?
Do que é composto os Metais, Cerâmicas e Polímeros respectivamente? Cite elementos.
Cite ao menos 3 propriedades dos Metais, Cerâmicas e Polímeros respectivamente.
Ser refratário é a propriedade de qual dos materiais: Metais, Cerâmicas ou Polímeros? E o que significa ser refratário.
O que são compósitos? Cite ao menos dois exemplos.
Qual é o objetivo dos materiais compósitos?
Classificação dos materiais
 Os materiais sólidos foram convenientemente agrupados em três categorias básicas:
Metais
Cerâmicas
Polímeros
 Agrupamento baseado na composição química e na estrutura atômica, e a maioria dos matérias se enquadra em um ou outro grupo distinto.
 A exceção são os compósitos, que são combinações “engenheiradas” de dois ou mais materiais diferentes.
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Metais
 Materiais nesse grupo são compostos por:
Um ou mais elementos metálicos, tais como ferro (Fe), alumínio (Al), cobre (Cu), titânio (Ti), ouro (Au) e níquel (Ni); e
Com frequência também por elementos não metálicos, como carbono (C), nitrogênio (N) e oxigênio (O). Ex.: Ferro, Aço, Ferro-fundido (liga de Fe e [%]C), latão (liga Cu e Zn). 
Ducteis = capazes de grande número de deformação sem sofre fratura.
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Metais
 Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados em uma maneira ordenada.
 Em comparação às cerâmicas e aos polímeros são relativamente densos.
 Características mecânicas: relativamente rígidos, resistentes, deformáveis (ductéis e resistentes à fratura).
 Razão pela qual possui amplo
uso em aplicações estruturais.
 Possuem grande número de elétrons não localizados, isto é, não estão ligados a nenhum átomo em particular → confere propriedades específicas: são bons condutores de eletricidade e calor.
Metais na Tabela Periódica
Cerâmicas
Argila mineral Al2O3 · 2SiO2 · H2O
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Cerâmicas
 Comportamento mecânico: relativamente rígidos e resistentes, contudo exibem certa fragilidade (ausência de ductilidade) e são altamente suscetíveis a fratura.
 São tipicamente isolantes à passagem de calor e eletricidade → baixa condutividade.
 Mais resistentes a temperatura elevadas e a ambientes severos do que os metais e polímeros → refratários.
 Capazes de suportar altas Temp. sem perder suas propriedades físico-químicas.
 Características ópticas: podem ser transparentes, translúcidas ou opacas.
termo refratário é atribuído a um grupo de materiais, na sua maioria cerâmicas, capazes de suportar altas temperaturas sem perder suas propriedades físico-químicas, entre elas, resistência, baixas condutividade térmica e condutividade elétrica.
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Cerâmicas na Tabela Periódica
 O silício é o segundo elemento mais abundante da crosta terrestre.
 26 a 28% da crosta terrestre é composto de silício.
Semi-metais
Semi-metais
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Cerâmicas
Tenacidade é o impacto necessário para levar um material à ruptura. Ou seja, é uma medida de quantidade de energia que um material pode absorver antes de fraturar.
Os materiais cerâmicos, por exemplo, têm uma baixa tenacidade.
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Cerâmicas
Parte superior de pistões
Rotor de turbinas a gás
Motor com partes cerâmicas
Polímeros
 Incluem os materiais plásticos e borracha.
 Muitos deles são compostos orgânicos, que têm sua química baseada no carbono (C), no hidrogênio (H) e em outros elementos não metálicos (ex.: O, N, e Si).
 Têm estruturas moleculares muito grandes, com frequência na forma de cadeias.
 Exs.: polietileno (PE), náilon, cloreto de polivinila (PVC), policarbonato (PC), poliestireno (OS) e a borracha silicone.
Polímeros
 Tipicamente possuem baixas massas específicas.
 Características mecânicas: em geral, não são tão rígidos nem tão resistentes. Por outro lado, são extremamente dúcteis e flexíveis (isto é, plásticos), de forma a serem facilmente conformados em formas complexas. 
 Entretanto, em função da sua densidade reduzida, muitas vezes as suas rigidez e resistência em relação sua massa são comparáveis às dos metais e das cerâmicas.
 Em geral, são quimicamente inertes, não reagindo em um grande número de ambientes.
 Possui tendência de amolecer e/ou decompor em temperaturas modestas, o que, em algumas situações, limita seu uso → baixa resistência térmica.
 Possuem baixa condutividade elétrica.
Polímeros na Tabela Periódica
Classificação dos Materiais
Mesma aplicação – Diferentes materiais
Compósitos
 Composto formado por dois ou mais materiais individuais, os quais se enquadram nas categorias de metais, cerâmicas e polímeros.
 Exs.: osso e madeira (ocorrem naturalmente), fibra de vidro e fibra de carbono (sintéticos).
 Ex.: Fibra de vidro: pequenas fibras de vidro são encerradas dentro de um material polimérico (normalmente epóxi ou um poliéster) → produto com baixa massa específica, relativamente rígido, resistente e flexível.
Compósitos
 Tem como objetivo apresentar propriedades que não são exibidas por qualquer material isolado e, também, incorporar as melhores características de cada um dos materiais que o compõe.
Perguntas
Os agrupamentos dos materiais sólidos são baseados em quais critérios?
Do que é composto os Metais, Cerâmicas e Polímeros respectivamente? Cite elementos.
Cite ao menos 3 propriedades dos Metais, Cerâmicas e Polímeros respectivamente.
Ser refratário é a propriedade de qual dos materiais: Metais, Cerâmicas ou Polímeros? E o que significa ser refratário.
O que são compósitos? Cite ao menos dois exemplos.
Qual é o objetivo dos materiais compósitos?
Propriedades dos materiais
Massa Específica
(g/cm³)
Propriedades dos materiais
Rigidez
(módulo de elasticidade)
Rigidez é a resistência de um corpo á deformação por uma força aplicada. É uma qualidade inerente ao material.
Propriedades dos materiais
Resistência
(limite de resistência a tração)
Propriedades dos materiais
Resistência a fratura
Mecânica da fratura: estuda os processos mecânicos que levam à propagação de fendas, fissuras e outros "defeitos", diminuindo a resistência do material
Propriedades dos materiais
Condutividade elétrica
Perguntas
O que são materiais avançados?
Qual é a principal característica dos semicondutores? O que é um material dopante?
Qual importância do estudo da ciência dos materiais?
Materiais avançados
 São materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia (dispositivos ou produtos sofisticados).
 Exs.: câmeras de vídeo, fibras ópticas, computadores, espaçonaves, aeronaves, etc.
 Tipicamente são materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas e também materiais de alto desempenho que foram desenvolvidos recentemente.
 Podem pertencer a todos os tipos de materiais (metais, cerâmicas e polímeros).
 Em geral são de alto custo.
 Incluem: Semicondutores, biomateriais, materiais inteligentes e nanomateriais.
Semicondutores
 Semicondutores: possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas exibidas pelos condutores elétricos (ou seja, metais e as ligas metálicas) e os isolantes (cerâmicas e os polímeros).
 Ex.: Todos componentes eletrônicos dos computadores, lasers, células solares.
 Extremamente sensíveis à presença de mínimas concentrações de átomos de impurezas (dopantes) → influência negativamente na condutividade.
Semicondutores na Tabela Periódica
Materiais avançados
 Biomateriais: materiais empregados em componentes implantados no corpo humano.
Não podem produzir substâncias tóxicas.
Devem ser compatíveis com tecidos do corpo (não podem ser alérgenos).
 Materiais Inteligentes: materiais de última geração, o adjetivo inteligente implica que esses materiais são capazes de responder a uma mudança no ambiente.
 Ex.: ligas de memória da forma: são metais que, após terem sido deformados, retornam às suas formas originais quando a temperatura é modificada.
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Materiais avançados
Necessidade de materiais modernos
 Apesar de tremendo progresso obtido ao longo dos últimos anos na disciplina da ciência de materiais, ainda existem desafios tecnológicos, que incluem o desenvolvimento de materiais no sentido de:
 Reduzir os impactos ambientais causados pela produção e descarte de materiais.
 Melhoramento de propriedade específicas:
 Peso, no caso dos veículos → reduzir o consumo de combustíveis no transporte.
 Aumento da temperatura de operação de motores → melhor eficiência dos combustíveis.
 Utilização dos recursos naturais de maneira mais eficiente → escassez de recursos.
 Produção de energia → células solares.
 Célula combustíveis de hidrogênio (integrada ou não aos automóveis) e catalisadores.
 Tecnologias de controle da poluição do ar e água → filtros.
Meio
Ambiente
X
Economia
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Perguntas
O que são materiais avançados?
Qual é a principal característica dos semicondutores? O que é um material dopante?
Qual importância do estudo da ciência dos materiais?