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Mundo dos Materiais Prof. Ronaldo Rocha Importância dos Materiais ao longo do Tempo Eng. e Ciência dos Materiais Ciência de Materiais Entender as relações entre síntese, processamento, estrutura e propriedades dos materiais. Engenharia de Materiais Como transformar materiais em dispositivos ou estruturas úteis. Propriedades GORILLA GLASS Alta resistência. Praticamente Indestrutível. Mistério? Temperado troca de íons Igual a outros vidros, porque ele e melhor? Comparação a outros Materiais! Como uma folha de Papel! Ainda mais fino? GL2,GL3 e GL4 Não é destrutível, mas chega perto. Somente na superfície. Para todas situações. Desvantagens Quantos Materiais Diferentes Existem? Entre 40000 e 80000 diferentes, contando as variantes de tratamento térmico e composição de cada material COMO ESCOLHER ?? Classificação dos Materiais METAIS Combinação de elementos metálicos (Ligas) Elétrons Deslocalizados Bons Condutores Não transparentes Resistentes Moldáveis Cerâmicas Materiais inorgânicos metálicos e não metálicos ligados entre si. Isolantes térmico e elétrico (Al2O3) Alta dureza (TiO2) Resistentes a altas temperaturas Polímeros Plásticos formados por longas cadeias carbônicas Leves Flexíveis Propriedades ópticas, elétricas e mecânicas ajustáveis Resistentes Moldáveis Compósitos Misturas de diferentes materiais Propriedades mistas Leves Resistentes Duros Moldáveis Semicondutores Si, Ge, GaAs Base da indústria eletrônica Características elétricas intermediárias entre condutores e isolantes Propriedades extremamente sensíveis à dopagem com impurezas BIOMATERIAIS Naturais e Sintéticos Biocompatível Biofuncional Resistente a corrosão Esterilizável ESTRUTURA ATÔMICA LIGAÇÃO IÔNICA NUMERO DE COORDENAÇÃO LIGAÇÃO COVALENTE ÂNGULO DE LIGAÇÃO LIGAÇÃO METÁLICA DIPOLO INDUZIDO LIGAÇÃO DE VAN DER WAALS PONTES DE HIDROGÊNIO DIPOLO PERMANENTE Materiais Metálicos Hexagonal Compacta (hc) MATERIAIS CERÂMICOS Grandes Variedades de Composição Química Muitas contém Metais Fator de Empacotamento iônico ESTRUTURA CERÂMICA MX CCC ? CFC ? MgO, CaO, FeO e NiO ESTRUTURA CERÂMICA MX2 ESTRUTURA CERÂMICA MX2 ESTRUTURA CERÂMICA M2X3 ESTRUTURA CERÂMICA M’M’’X3 ESTRUTURA CERÂMICA M’M’’2X4 ESTRUTURA CERÂMICA GRAFITE ESTRUTURA CERÂMICA Buckyball e Buckytube MATERIAIS POLIMÉRICOS Arranjo em padrão repetitivo é difícil de ser encontrado na cadeias longas A maioria do plásticos comerciais é nãocristalino O arranjo cristalino pode aparecer em regiões da microestrutura MATERIAIS POLIMÉRICOS POLIETILENO (C2H4)n ortorrômbica MATERIAIS POLIMÉRICOS Kevlar. Este polímero enquadra-se no grupo de poliaramidas MATERIAIS POLIMERICOS Outros usos do Kevlar, segundo a própria DuPont, fabricante do material, é em pistas de esqui, nas trilhas em ziguezague, em terrenos desérticos exigentes e até mesmo no espaço. Além disso, o polímero pode ser utilizado para forrar o compartimento do motor de aviões, para a fabricação de raquetes de tênis, composição de alguns pneus e capacetes, capas de celulares, ou mesmo em abrigos para proteção contra tornados. A versatilidade deste material é inquestionável! SEMICONDUTORES Tecnologia dessa indústria tem impulsionado a obtenção de cristais com graus de perfeição extremamente elevado Estruturas reais mais próximas das perfeições teóricas SEMICONDUTORES Difração de Raios - X Difração de Raios - X ATIVIDADE LER O CAPÍTULO 3 RESOLVER EXERCÍCIO PROPOSTO. ACESSAR: http://wwwteach.ch.cam.ac.uk/links/3Dindex.html e analisar de forma interativa as estruturas cristalinas em 3D de vários materiais 4- DEFEITOS DO CRISTAL E ESTRUTURA NÃO CRISTALINA 43 ASSUNTO - Imperfeição química – solução sólida - Defeitos pontuais - Defeitos LINEARES (discordâncias) - Defeitos PLANARES O QUE É UM DEFEITO? É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos no tipo de átomos O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. 44 Solução Sólida – Imperfeição Química Para ocorrer a mistura completa nas soluções de sólidos metálicos, as regras de Hume-Rothery devem ser obedecidas: Menos de 15% de diferença nos raios atômicos; A mesma estrutura cristalina Eletronegatividade semelhante; A mesma valência. Solução Sólida – Imperfeição Química Solução Sólida – Imperfeição Química Solução Sólida – Imperfeição Química Defeitos Pontuais Defeitos Pontuais Defeitos Pontuais - FRENKEL Ocorre em sólidos iônicos Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion Defeitos Pontuais - SCHOTTKY CONSIDERAÇÕES GERAIS Vazios e Schottky favorecem a difusão Estruturas de empacotamento fechado tem um menor número intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky Porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições 53 Defeitos Lineares - Discordância Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ Defeitos Lineares - Discordância Defeitos Planares Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas Defeitos Planares GRÃO A forma do grão é controlada: - pela presença dos grãos circunvizinhos O tamanho de grão é controlado - Composição química - Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação 58 Defeitos Planares Defeitos Planares Defeitos Planares Fração de local coincidente Imperfeições tridimensionais Teoria da rede Aleatória Vidros Metálicos – amorfo Rigidez Alta e Resistente a Corrosão Imperfeições tridimensionais Ler capítulo sobre microscopia livro cap. 4 Difusão Estado estacionário EXERCÍCIO Comportamento Mecânico Ensaio de ruptura por tração PLASTICIDADE Tensão x Deformação Tensão x Deformação Tensão x Deformação Tensão x Deformação DUREZA FLUÊNCIA Cristal de Plástico Comportamento Térmico Prof. Ronaldo Rocha Capacidade Térmica e Calor Específico Capacidade Térmica: quantidade de calor exigida para elevar a temperatura do corpo em 1 K (= 1 °C). Calor Específico: Calor específico (c): quantidade de calor exigida para elevar a temperatura de uma base unitária de massa em 1 K (= 1 C°). Cp = Propriedade medida a pressão constante Cv = Propriedade medida a volume constante Para muitos sólidos a temperatura ambiente, tem-se: Capacidade Térmica e Calor Específico Calor Específico para vários metais Expansão Térmica Aumento da Temperatura do corpo. Aumento das vibrações dos átomos. Aumento dos espaçamentos dos átomos Aumento do volume do corpo Expansão Térmica Coeficiente Linear de Expansão Térmica: (α) Expansão Térmica Coeficiente Linear de Expansão Térmica: (α) Expansão Térmica Condutividade Térmica Condutividade Térmica Condutividade Térmica Choque Térmico Exercícios Verificou-se que Marégrofos, que o nível médio global dos mares aumentou entre 0,1 m a 0,2m durante o século XX. Relacione essa causa com a expansão térmica da água e seus efeitos com relação a mudanças climáticas no planeta. Qual o Cpda água? Porque uma grande massa de água serve como estabilizador do clima? Pesquise sobre isolamento térmico mais eficaz e ecológico. Expresse o resultado de suas pesquisas na próxima aula. Explique porque uma churrasqueira usa material refratário.
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