Slide - Unifacs - ( Estrutura Atômica / Sistema Cristalino)

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Ciência e Tecnologia dos Materiais 
Escala do tempo
Composição/Estrutura 
Síntese/processamento
Estrutura atômica
Sistemas cristalinos
Defeitos/imperfeições
Escala do tempo dos materiais
Idades
Materiais
O que podemos saber sobre os materiais?
-Quais elementos estão presentes
-Como conseguiram se reunir
-Como se organizam uns em relação aos outros
-Qual processo foi usado
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Composição significa a natureza química do material
 Porcelana: quartzo, a mulita e a fase vítrea (Óxido de Si, Al2 O3 /SiO2)
Estrutura Associada ao arranjo dos componentes do material em estudo
Buckyball
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A estrutura pode (e deve) ser analisada em diferentes escalas:
• Estrutura em escala atômica (menor ou igual a nm = 10-9m)
• Nanoestrutura (da ordem de nm)
– Sólidos Amorfos (alguns nm) e Sólidos Cristalinos (~ >100nm até mm=10-3m)
• Microestrutura (alguns μm = 10-6m até mm)
• Macroestrutura (normalmente igual ou maior que mm)
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Síntese o processo pelo qual os materiais são feitos a partir de ocorrência natural ou pela combinação química 
Processamento Diferentes maneiras de transformar os materiais em componentes úteis e/ou mudando suas propriedades
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Figura 1. Tetraedro da ciencia e engenharia dos materiais. 
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Macrografia
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ESTRUTURAS
Propriedades de um material
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Propriedade
Tipo e intensidade de resposta que o material fornece em função do estímulo externo que recebe
Principais propriedades
Físicas; Químicas; Mecânicas; Térmicas;
Ópticas; Elétricas; Magnéticas; de degradação;
Processamento e desempenho
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Processamento: conjunto de técnicas que visam a obtenção da forma e das propriedades necessárias para determinada aplicação.
Desempenho: resposta do material ao estímulo externo nas condições reais da aplicação
Tipo:
Metais e ligas
Cerâmicas
Compósitos
Polímeros e plásticos
Fibras
Carbono
Biomateriais
Industrias:
Aeroespacial
Automotiva
Construção
Eletrônica
Energia e potência
Médica
Plásticos
Celulose e papel
Esportes
Aplicações:
Máquinas e equipamentos mecânicos
Componentes elétricos e eletrônicos
Baterias e células de combustível
Biomedicina
Armazenamento de dados
Detetores
Magnetica
Componentes supercondutores
Formas de Classificação dos Materiais
Classificação dos materiais
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Classificação dos materiais
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Classificação dos materiais
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Metais
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Composição: combinação de elementos metálicos.
Ligação química: Grande número de elétrons livres. Propriedades gerais:
Resistência mecânica de moderada a alta
Moderada plasticidade
Alta tenacidade
Opacos
Bons condutores elétricos e térmicos
Cerâmicas
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Composição: combinação de elementos metálicos e não metálicos (óxidos, carbetos e nitretos) por meio de ligações covalentes e iônicas.
Tipos: Cerâmicas tradicionais; cerâmicas finas ou de alto desempenho, vidros e vitro-cerâmicas (devitrificação); cimentos; refratários.
Propriedades gerais:
Isolantes térmicos e elétricos
Refratários
Inércia química
Corpos duros e frágeis.
Cerâmicas
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Polímeros
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Composição: compostos orgânicos: carbono, hidrogênio, oxigênio e outros elementos, tais como nitrogênio, enxôfre e cloro.
Compostos de massas moleculares muito grandes (macro-moléculas)
Tipos: Termoplásticos; termorígidos e elastômeros.
Propriedades gerais:
Baixa densidade
Flexibilidade e facilidade de conformação
Tenacidade
Geralmente pouco resistentes a altas temperaturas
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Polímeros
Compósitos (compostos)
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Composição: constituídos por mais de um tipo de material:
Matriz
Reforçador
Projetados para apresentar as melhores características de cada um dos materiais envolvidos.
Exemplo: 
Produtos fabricados em “fibras de vidro” – cerâmico, reforçando uma matriz de material polimérico.
Compósitos (compostos)
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Figura 1 Polímeros são usados em uma variedade de componentes eletrônicos, incluindo estes comutadores, onde são requeridas a resistência à umidade e baixa condutividade. 
 (Courtesy of CTS Corporation.)
Figura 2 Circuitos integrados para computadores e outros equipamentos eletrônicos são função do comportamento elétrico único de materiais semicondutores. (Courtesy of Rogers Corporation.)
Figura 3 A asa em X de helicópteros avançados recai em um material composto de polímero reforçado com fibra de carbono. (Courtesy of Sikorsky Aircraft Division—United Technologies
Corporation.)
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Metais e Ligas
Liga de Al-Cu
Cerâmicas refratárias
Polímeros
 Polietileno/PVC
Aplicações
Fuselagem de aeronave
Revestimento interno de fornos
Embalagem de comida
Propriedades
Boa resistência mecânica, baixo peso, boa conformação.
 
Resistência a alta temperatura, resist. mecânica
Facilmente transformada em filme fino e flexível
Exemplos de aplicações e propriedades para cada categoria de material
Exemplos de aplicações e propriedades para cada categoria de material
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Semicondutores 
 Silica
Compósitos
Carbeto de W e
Co (CW-Co)
Aplicações
Transistores e circuitos integrados
Ferramentas de corte para usinagem
Propriedades
Comportamento elétrico único
 
Alta dureza e boa resistência ao choque
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Figure 2. Resistência representativa de várias categorias de materiais. 
Ligações Químicas Primárias
Dorotéia/UNIFACS
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Ligações iônicas
Ligações covalentes
Ligações metálicas
Qual a diferença entre átomo e molécula?
Átomo é o elemento químico em si isolado. Molécula é a menor parte da matéria que ainda mantém suas características fisico-químicas. Por exemplo, na molécula da água (H2O) temos 2 átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio.
Átomo é a menor parte de um elemento. 
Molécula é a combinação de átomos de um ou mais elementos.
Materiais segundo o tipo de ligação química
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 Densidade é a massa por unidade de volume de um material, normalmente expressa em g/cm3 ou lb/in.3
 Índice Resistência/Densidade é a resistência de um material dividida por sua densidade; 
 Materiais com alto índice resistência/densidade são resistentes e leves.
Projeto e seleção de materiais
Kahoot classificação dos materiais
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 Cristalino é o material composto de um ou mais cristais. Em cada cristal, átomos ou íons apresentam repetição de longo alcance. 
 Monocristal é o material cristalino que é feito de apenas um cristal (não possui contornos de grãos.
 Grãos são os cristais em um material policristalino.
 Material Policristalino é o que é composto de muitos cristais. 
 Contornos de grãos são regiões entre os grãos de um material policristalino. 
Classificação baseada na estrutura
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Exercício de fixação
Classifique os seguintes materiais como metais, cerâmicos, polímeros ou compósitos:
Bronze; Epoxi; Concreto; Fibra de vidro ; Borracha
Que materiais são usados para fazer garrafas térmicas? Quais propriedades particulares os tornam próprios para esta aplicação?
Descreva algumas propriedades mecânicas importantes que devem ser consideradas na seleção do material para a asa de avião.
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Exercício de fixação
Você deseja selecionar materiais para montar um circuito simples. Quais materiais você escolheria?
O primeiro passo para fabricação de filamento de tungstênio para lâmpadas é por metalurgia do pó em vez de fundição. Explique.
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Exercício de fixação
Quais são as categorias principais dos materiais para engenharia?
Quais são algumas das propriedades importantes de cada uma das cinco categorias de materiais para engenharia?
Defina materiais compósitos e dê um exemplo
O que são nanomateriais?
Faça uma lista de cinco itens da sua cozinha e classifique os materiais usados para cada item.
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Exercício de fixação
Descreva as propriedades utilizadas dos materiais em cada uma das seguintes aplicações e explique porque isso ocorre:
 - aço para vigas de construção em estrutura metálica, 
- uma liga deCo-Cr-Mo para implante de quadril, 
- policarbonato para lentes de óculos, 
- bronze para peças artísticas.
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Estrutura Atômica
Dorotéia/UNIFACS
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Massa Atômica (ou peso atômico) = A
Corresponde à média ponderada das massas atômicas dos isótopos do elemento (A= Z + N)
Unidade de Massa Atômica (u.m.a.) 
1 u.m.a. = 1/12 (A do Carbono = 12)
1 mol = 6,023x1023 átomos (número de Avogrado)
1 u.m.a./átomo = 1 g/mol
Massa Atômica do ferro:
A Fe= 55,85 g/mol
Estrutura Atômica
Dorotéia/UNIFACS
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Exercício
Calcule o número de átomos em 100 g de prata. 
1 mol = 6,023x1023 átomos (número de Avogrado)
A Ag= g/mol
Energia de ligação atômica
Dorotéia/UNIFACS
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Energia Líquida (E0)
Algumas propriedades dos materiais dependem da forma da resultante da energia de ligação e do tipo de ligação.
Condição de equilíbrio
Energia de ligação atômica
Dorotéia/UNIFACS
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Materiais com alta energia de ligação possuem temperatura de fusão elevada
À temperatura ambiente, os sólidos possuem alta energia de ligação e os gasosos baixa
Energia de ligação atômica
Dorotéia/UNIFACS
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A rigidez ou módulo de elasticidade depende da forma de sua curva de Força líquida (FT) em função da separação interatômica
Dorotéia/UNIFACS
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ARRANJO ATÔMICO
Por quê estudar?
Propriedades de alguns materiais estão diretamente associadas à sua estrutura cristalina 
Exemplo: Alumínio metálico não é transparente (CFC). Como espinélio é transparente.
Explica a diferença significativa nas propriedades de materiais cristalinos e não cristalinos de mesma composição
 
Exemplo: materiais cerâmicos e poliméricos não-cristalinos tendem a ser opticamente transparentes enquanto cristalinos não.
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ARRANJO ATÔMICO
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ARRANJO ATÔMICO
propriedades dos materiais sólidos cristalinos 
depende da estrutura cristalina
maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos.
SÍLICA SiO2 :ESTADO CRISTALINO –QUARTZO
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ARRANJO ATÔMICO
Materiais não-cristalinos ou amorfos 
 não existe ordem de longo alcance na disposição dos átomos
Vidro é um líquido super-resfriado – ordem de curto alcance
Ordenamento a curto alcance
 Ângulos, distâncias e simetria com ordenação a curto alcance.
 Ocorre na H2O, que apresenta uma orientação preferencial, no SiO2 e no polietileno.
 em materiais não-cristalinos ou amorfos
H
O
O
H2O
SiO2
Ordem a longo alcance x material amorfo
Dorotéia/UNIFACS
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ORDENAÇÃO DE ÁTOMOS
Cristal
Vidro
Gás
Ordem a longo alcance
Ordem a curto alcance
Sem ordenamento
 Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons se dispõem em relação à seus vizinhos.
Dorotéia/UNIFACS
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Ordem a longo alcance
	Na solidificação
SOLIDIFICAÇÃO	Cristais se formam no sentido 						contrário da retirada de calor
SATURAÇÃO de uma 	 solução.
 Como os cristais se formam?
ou por saturação de uma solução
Dorotéia/UNIFACS
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Defeitos macroscópicos
Dorotéia/UNIFACS
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Dendritas em uma liga cobre-chumbo.
Dendritas de magnésio crescendo a partir do líquido
Defeitos macroscópicos
Dorotéia/UNIFACS
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Rechupe em um lingote de nióbio
Defeitos macroscópicos
Dorotéia/UNIFACS
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Segregação
Estrutura do lingote
Grãos refinados equiaxiais na superfície 
Grãos colunares em direção ao centro
Linha central de segregação e porosidade
Defeitos microscópicos
Microestrutura de materiais cristalinos: grão (contorno, forma, tamanho, orientação) e fases sujeitas à observação microscópica.
Dorotéia/UNIFACS
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grão
contorno de grão
poro
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