Aula_01_introdução à CTM

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Ciências e Tecnologia dos Materiais 
ECT1401 
 
 
Profa. Dra. Kaline Melo de Souto Viana 
kalineviana@ect.ufrn.br 
 
 
INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E 
TECNOLOGIA DE MATERIAIS 
Ciência versus Tecnologia 
• O que é Ciência ? 
– O estudo do porquê as coisas 
acontecem de forma natural. 
• O que é Tecnologia ? 
– A aplicação do conhecimento, 
ferramentas e processos para 
resolver problemas práticos e 
estender as capacidades 
humanas 
 
“Porquê” 
“Como” 
Ciência dos Materiais 
• Envolve a investigação das correlações entre 
composição, síntese e processamento, estruturas e 
propriedades dos materiais. 
Tratamentos 
térmicos 
Microestrutura Propriedades 
mecânicas 
Estrutura, Processamento e 
Propriedades 
• As propriedades dependem da estrutura 
D
u
re
za
 (
B
H
N
) 
Taxa de resfriamento (ºC/s) 
100 
2 00 
3 00 
4 00 
5 00 
6 00 
0.01 0.1 1 10 100 1000 
(d) 
30 mm 
(c) 
4 mm 
(b) 
30 mm 
(a) 
30 mm 
O processo pode 
mudar a estrutura 
• A tecnologia “ou engenharia” dos materiais, a partir 
dos conhecimentos de ciências dos Materiais, 
desenvolve modos de converter ou transformar 
materiais em dispositivos ou estruturas úteis. 
Tecnologia dos Materiais 
Metais, cerâmicas, 
polímeros 
Importância dos Materiais 
• Os materiais têm influenciado significativamente 
o desenvolvimento da humanidade desde o início 
de sua existência. 
 
• Grandes avanços tecnológicos estão sempre 
associados a descoberta de novos materiais. 
 
Importância dos Materiais 
• Como estaria a aviação hoje sem as ligas de alta 
resistência de alumínio e sem os polímeros de alto 
desempenho? 
 
• Como estariam os computadores sem o domínio do 
Si ? 
 
• Como estaria a medicina/odontologia sem os 
BIOmateriais ? 
 
• Como estaria a internet sem a fibra ótica ? 
Importância dos Materiais 
• Por quê devemos conhecer e estudar os materiais? 
“Para que possamos continuar evoluindo” 
 
• Os materiais sempre guiaram a nossa sociedade 
 Idade da pedra 
 Idade do bronze 
 Idade do ferro 
 Hoje ? 
• Idade do Silício ? 
• Idade dos polímeros ? 
 
 
Evolução dos Materiais 
• Da origem até 7 mil anos atrás → materiais naturais 
(madeira, pedra, ossos, couro, etc...) 
 
• Há cerca de 7 mil anos → inicio do domínio da fabricação de 
utensílios domésticos com argilas 
(materiais cerâmicos primitivos) 
 
• Cerca de 6 a 7 mil anos → primeiros utensílios metálicos 
(arado, carroça, espadas, etc...) 
• Cerca de 2 mil anos → apenas 7 metais e algumas ligas eram 
conhecidos 
(cobre, prata, ferro, mercúrio, ouro, chumbo, estanho, bronze (Cu+Sn)) 
 
• Atualmente conhecemos e utilizamos milhares de ligas metálicas 
distintas 
Classificação dos Materiais 
• Há varias formas de classificação. Uma delas considera 
cinco categorias : 
 
 Metais e Ligas; 
 Cerâmicas, Vidros e Vidro-cerâmicas; 
 Polímeros (plásticos); 
 
Palavras chave: ligações químicas, propriedades, aplicações 
Materiais do Futuro 
• Ou materiais do presente ? 
 
Materiais inteligentes: capazes de detectar 
estímulos externos, tais como temperatura, umidade, 
tensão, ..., e de responder a esses estímulos. 
 
Nanomateriais: materiais estruturados em escala 
atômica ou molecular; o que lhes confere 
propriedades superiores aos materiais estruturados 
em escala macroscópica . 
 
Aplicações, propriedades e exemplos representativos para cada classe de materiais 
Materiais Exemplos de aplicação Propriedades 
Metais e ligas 
Cobre Fios elétricos 
Alta condutividade elétrica, boa 
conformabilidade 
Ferro fundido cinzento 
Blocos de motores para 
automóveis 
Fundibilidade, usinabilidade, 
amortecimento de vibrações 
Aços-liga 
Ferramentas, chassis de 
automóveis 
Endurecibilidade por 
tratamento térmico 
Cerâmicas e Vidros 
SiO2-Na2O-CaO Vidro de janelas 
Transparência óptica, 
isolamento térmico 
Al2O3, MgO, SiO2 Refratários 
Isolamento térmico, 
refratariedade, inércia química 
Titanato de bário 
Capacitores para 
microeletrônica 
Grande capacidade de 
armazenamento de cargas 
elétricas 
Sílica 
Fibras óticas para tecnologia da 
informação 
Índice de refração adequado, 
baixas perdas ópticas 
Aplicações, propriedades e exemplos representativos para cada classe de materiais 
Materiais Exemplos de aplicação Propriedades 
Polímeros 
Polietileno Embalagens para alimentos 
Moldabilidade, flexibilidade e 
hermetismo 
Epóxi 
Encapsulamento de circuitos 
integrados 
Isolante elétrico e resistência à 
umidade 
Fenólicos 
Adesivos para união de 
compensados 
Resistência mecânica e á 
umidade 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
Materiais Metálicos 
Materiais Metálicos 
• São materiais inorgânicos formados por elementos 
metálicos da tabela periódica; 
• A ligação química que predomina nos metais é do tipo 
metálica; 
• Em decorrência do tipo de ligação química, os metais 
possuem: 
– Elevada condutividade elétrica 
– Elevada condutividade térmica 
– Elevada plasticidade a frio “capacidade de sofrer 
deformação plástica sem se romper” 
 
 
Ligação metálica - Modelo 
*Envolve elétrons partilhados e não é direcional. 
*Os átomos estão empilhados de uma forma relativamente 
compacta com uma arranjo sistemático e regular. 
*Os átomos estão tão próximos uns dos outros que os 
elétrons de valência exteriores são atraídos para os 
núcleos dos seus numerosos vizinhos. 
*Os elétrons de valência NÃO estão estritamente associados 
a um átomo específico no sólido, estando mais ou 
menos livres para vagar por todo o metal. 
*Pode-se imaginá-los como pertencendo ao metal como um 
todo, formando uma “Nuvem Eletrônica”. 
*Os outros elétrons (não os de valência) formariam o “centro 
iônico” com carga positiva líquida equivalente à 
magnitude da carga dos elétrons de valência por 
átomo. 
*Energias de ligação podem ser: 
 fracas (Hg, 68Kj/mol; Tm = -39ºC) ou 
 fortes (W, 850 Kj/mol; Tm = 3410 ºC) 
Energia de ligação metálica 
1. Quando os átomos de um metal, 
formam um cristal sólido  Há 
diminuição da energia total dos 
átomos individuais. 
2. a0 (distância de equilíbrio) é 
alcançada  atingi-se um mínimo 
de energia. 
3. Na ligação  Forma cristal metálico 
 as energias dos elétrons 
diminuem para níveis ligeiramente 
mais baixos. 
4. Os elétrons de valência num cristal 
metálico  formam uma “banda de 
energia”. 
Energia de ligação metálica 
 Número de elétrons de valência   energias de ligação e os pontos de fusão. 
 
• Ferro; 
• Cobre; 
• Alumínio; 
• Platina; 
• Ouro; 
• Prata; 
• Bronze 
• ..... 
 
Materiais Metálicos 
Materiais Cerâmicos 
Materiais Cerâmicos 
• São compostos formados entre elementos metálicos e não-
metálicos da tabela periódica; 
• Geralmente são óxidos; 
• A ligação química pode variar de puramente iônica até 
totalmente covalente; 
• São mais resistentes a altas temperaturas que metais e 
polímeros; 
• Em decorrência do tipo de ligação química, as cerâmicas são: 
– Relativamente rígidas e resistentes 
– Muito duras mas também frágeis 
– Altamente susceptíveis a fratura 
– Tipicamente isolantes a passagem de calor e eletricidade 
 
• Ocorre entre íons + e - / ligação não direcional 
• Necessita transferência de elétrons. 
• Requer grande diferenca de eletronegatividade. 
• Exemplo: NaCl 
Ligação Iônica 
Na (metal) 
instável 
Cl (não metal) 
instável 
Elétron 
+ - 
Atração 
Coulombica 
Na (cátion) 
estável 
Cl (ânion) 
estável 
•Resultamda transferência de elétrons de um átomo para 
outro. 
 
• O Na doa o seu elétron de valência, 
tornando-se eletropositivo  Na+ 
• O Cl recebe elétrons, tornando-se 
eletronegativo  Cl- 
• Formação de íons (cátions e ânions) 
 
Ligação Iônica 
Na11 = 1s2 2s2 2p6 3s1 
Cl17 = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 
Energias e Força de ligação 
• O entendimento de muitas propriedades físicas dos materiais é 
devido ao conhecimento das forças interatômicas que ligam os 
átomos. 
• Para longas distâncias, as interações são desprezíveis, mas com a 
aproximação dos átomos cada um exerce força sobre o outro. 
• As energias de ligação iônicas são relativamente elevadas e 
situam-se na faixa de 600 a 1500Kj/mol (aproximadamente 3 a 8 
eV/átomo) – o que explica as elevadas temperaturas de fusão de 
sólidos iônicos. 
 
Exemplos de ligações iônicas 
• ligação predominante nas Cerâmicas 
Give up electrons Acquire electrons 
He 
- 
N e 
- 
Ar 
- 
K r 
- 
Xe 
- 
Rn 
- 
F 
4.0 
Cl 
3.0 
B r 
2.8 
I 
2.5 
At 
2.2 
Li 
1.0 
Na 
0.9 
K 
0.8 
Rb 
0.8 
Cs 
0.7 
Fr 
0.7 
H 
2.1 
Be 
1.5 
Mg 
1.2 
Ca 
1.0 
Sr 
1.0 
Ba 
0.9 
Ra 
0.9 
Ti 
1.5 
Cr 
1.6 
Fe 
1.8 
Ni 
1.8 
Zn 
1.8 
As 
2.0 
Cs Cl 
MgO 
CaF 
2 
NaCl 
O 
3.5 
Energia de ligação 
• Os materiais iônicos são 
duros e quebradiços e, além 
disso, isolantes elétricos e 
térmicos. 
• É a ligação 
predominante nos 
materiais cerâmicos. 
• É forte  PF dos materiais é geralmente alto. 
 
Sólido iônico E* (kJ/mol) PF (oC) 
NaCl 640 801 
MgO 1000 2800 
* Os valores são negativos. 
Fonte: Smith, 1998. 
• Alumina (Al2O3) 
• Sílica (SiO2) 
• Nitreto de Silício (Si3N4) 
• Carbeto de Silício (SiC) 
• Argilas 
• vidros 
 
 
Materiais Cerâmicos 
Materiais Poliméricos 
Materiais Poliméricos 
• São compostos orgânicos quimicamente baseados no 
carbono, hidrogênio, e em outros elementos não-metálicos 
(como O, N e Si); 
• Possuem estruturas moleculares muito grandes, na forma de 
cadeias que possuem átomos de C como sua espinha dorsal 
(cadeia principal); 
• Ligação química predominantemente covalente; 
• Em decorrência da sua estrutura característica são: 
– Extremamente dúcteis e flexíveis 
– Possuem baixa densidade 
– Não suportam altas temperaturas 
– Possuem baixas condutividades térmicas 
 
Ligações covalentes 
• Ligações direcionais, resultam do compartilhamento 
de elétrons entre átomos adjacentes. 
 
C H H 
H 
H 
Elétron 
compartilhado 
do C 
Elétron 
compartilhado 
do H 
Molécula de 
metano (CH4) 
• Ocorrem entre átomos 
com pequenas diferenças 
de eletronegatividade e 
que estão próximos uns 
dos outros na tabela 
periódica. 
• C tem 4 e- de valência e 
precisa de outros 4; H tem 
1 e- de valência e precisa 
de mais um. 
• Têm eletronegatividades 
semelhantes. 
 
 
C6 = 1s2 2s2 2p2 
H1 = 1s1 
• São direcionais e formam ângulos bem definidos. 
• Ligação C-C: 109,5º 
• Ocorre entre átomos específicos 
que participa no compartilham seus 
elétrons completando a camada de 
valência e tornando a molécula 
estável. 
•Apresentam grande faixa de 
energias de ligação e pontos de 
fusão. 
•Ex: C na estrutura diamante funde 
a 3550ºC enquanto o bismuto funde 
a 270 ºC. • Exemplos: H2, Cl2, HNO3, 
diamante e silício. 
Ligações covalentes 
• Influência direta nas propriedades dos materiais. 
 
Ligações covalentes múltiplas 
Ligação Energia de ligação 
(kJ/mol) 
C – C 370 
C = C 680 
C  C 890 
Fonte: Smith, 1998. 
Materiais Poliméricos 
• Polietileno (PE) 
• Cloreto de Polivinila (PVC) 
• Náilon 
• Poliestireno (PS) 
• Borracha 
• Silicone