Ciencia dos Materiais

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Mundo dos Materiais
Prof. Diana Furtado.
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
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 
Compósitos
Misturas de diferentes materiais
Propriedades mistas
Leves
Resistentes
Duros
Moldáveis
Unidade 2: 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
Unidade 3: FATOR DE EMPACOTAMENTO IÔNICO
FEI
Calcule o fator de empacotamento iônico (FEI) do MgO, que tem a estrutura do NaCl.
 Considere: a = 2rMg2+ + 2rO2-
Calcule a densidade do MgO
 
Massa Atômica. 
Cerâmicas e Vidros
Vidros
O vidro de sílica de cal de soda comum e feito pela fusão de Na2CO3, CaCO3 e SiO2, os carbonatos se rompem, liberando gás de CO2 que ajudam a misturar o vidro fundido. Para 1000Kg de vidro para recipientes (15% p Na2O, 10% p CaO, 75% de SiO2). Qual é a fórmula do lote da matéria – prima (Percentual em peso de Na2CO3, CaCO3 e SiO2)?
MATERIAIS POLIMÉRICOS
Arranjo em padrão repetitivo é difícil de ser encontrado na cadeias longas 
A maioria do plásticos comerciais é não cristalino
 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!
Características Estruturais
Grau de polimerização (n) 
Determinado apartir de propriedades físicas.
TERMOPLÁSTICOS e TERMOFIXOS
Ramificadas e não cruzadas.
PET 
LDPE, HDPE, UHMWPE
Exercício
Um copolímero de ABS contém frações em peso iguais de cada componente polimérico. Qual e a fração molar de cada componente? Suponha 100g de cada componente.
COMPÓSITOS
Compósito reforçado com fibra.
Fibra de vidro convencional
Compósitos Avançados
SEMICONDUTORES
Tecnologia dessa indústria tem impulsionado a obtenção de cristais com graus de perfeição extremamente elevado 
Estruturas reais mais próximas das perfeições teóricas
SEMICONDUTORES
4- DEFEITOS DO CRISTAL E ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
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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. 
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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
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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
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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
Comportamento Mecânico 
Ensaio de ruptura por tração
PLASTICIDADE
Ciência dos Materiais
Tensão x Deformação
Tensão x Deformação
Tensão x Deformação
Tensão x Deformação
DUREZA
FLUÊNCIA
Cristal de Plástico
DIFUSÃO
D = Coeficiente de difusão.
Gradiente de concentração.
Difusão Estado estacionário
Transporte de massa inalterado com o tempo
EXERCÍCIO
Comportamento Térmico
Prof. Diana Furtado
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
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°).
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
Exercício
Um forno de Al2O3 com 0,1 m de extensão é aquecido a partir de temperatura ambiente (25°C) até 1000°C. Considerando que o tubo não e mecanicamente restringindo, calcule o aumento do comprimento produzido por esse aquecimento.
Condutividade Térmica
Condutividade Térmica
Condutividade Térmica
Exercício
Calcule a taxa de transferência de calor em estado estacionário (em J/m2/s) em uma chapa de cobre com 10mm de espessura se houver um aqueda de temperatura de 50°C (50°C para 0°C)
Choque Térmico