Slide - Unifcas - (Imperfeições e Defeitos)

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Densidade atômica planar
Defeitos pontuais
Soluções sólidas
Cristalografia
 Imperfeições cristalinas
Densidade atômica planar
DAP= Área total de átomos 
 Área do plano
Os centros dos átomos devem estar no plano
Exercícios – Índices de Miller/ Densidade planar célula cúbica
Calcule a densidade planar para os planos (010) e (020) na célula CS do polônio. 
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Dorotéia/UNIFACS
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 Todos os materiais contém uma variedade de defeitos e imperfeições em sua rede cristalina.
As propriedades de alguns materiais são fortemente influenciadas pela presença das imperfeições.
Por “defeito cristalino” é designada uma irregularidade na rede cristalina.
O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado.
Mesmo sendo poucos, eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa.
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material;
A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento) 
EFEITOS DA PRESENÇA DE IMPERFEIÇÕES (EXEMPLOS)
 As propriedades dos materiais são sensíveis aos defeitos; nem sempre é de forma negativa, e características específicas podem ser elaboradas pela introdução controlada de defeitos particulares.
IMPERFEIÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA
Defeitos Pontuais			associados c/ 1 ou 2 						 posições atômicas
	
Defeitos lineares		 	uma dimensão
Defeitos planos
 ou interfaciais contornos bidimensionais 
Impurezas átomos de impurezas podem
 existir como defeito pontual
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DEFEITOS PONTUAIS
Lacunas ou vacâncias ou vazios
Átomos Intersticiais
Schottky
Frenkel
Impurezas
Ocorrem em sólidos iônicos, ou seja materiais cerâmicos
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LACUNAS
Envolve a falta de um átomo, onde em um local deveria estar ocupado, o átomo não está presente.
São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais).
Não é possível criar um material isento desse tipo de defeito.
Dorotéia/UNIFACS
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São essenciais em processos de difusão
Quantidade aumenta com a temperatura
DEFEITOS PONTUAIS - LACUNAS
O número de lacunas (vazios) em equilíbrio Nv para uma dada quantidade de material depende da temperatura, de acordo com a equação:
= Nº total de sítios atômicos
= Energia necessária para a formação de uma lacuna
= Constante de Boltzmann (8,62x10-5 eV/átomo-K)
= Temperatura absoluta
DEFEITOS PONTUAIS - LACUNAS
ou
Calcule o número de lacunas em equilíbrio por metro cúbico de cobre a uma temperatura de 1000ºC. A energia para a formação de uma lacuna é de 0,9 eV/átomo; o peso atômico ( massa atômica – A) e a densidade (a 1000ºC) para o cobre são de 63,5 g/mol e 8,4 g/cm3, respectivamente.
N= 0,7963 x 1023 átomos/cm3
Nv= 2,2 x 1025 vazios/m3
DEFEITOS PONTUAIS – AUTOINTERSTICIAL
É um átomo do cristal que se encontra comprimido no interior de um interstício, um pequeno espaço vazio que sob circunstâncias ordinárias não é ocupado.
Em metais, produz distorções grandes na rede.
INTERSTICIAIS - IMPUREZA
Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício
A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância
Dorotéia/UNIFACS
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Defeitos pontuais: a)lacuna ou vazio; b) átomo intersticial; c) pequeno átomo substitucional; d)grande átomo substitucional; e)defeito de Frenkel e f) defeito de Schottky.
IMPUREZAS EM SÓLIDOS
Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes
Mesmo com técnicas sofisticadas é dificil refinar metais até uma pureza que seja superior a:
	99,9999% = 1022 a 1023 átomos de impurezas por m3
A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais
Exemplo: prata de lei é uma liga composta por 92,5% de prata e 7,5% de cobre (a prata pura é resistente à corrosão, mas é muito macia).
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A adição de impurezas pode formar: SOLUÇÕES SÓLIDAS
Existem vários termos relacionado a impurezas e soluções sólidas. Com relação às ligas os termos normalmente empregados são: SOLUTO E SOLVENTE
SOLVENTE: átomo ou composto presente em maior quantidade; ocasionalmente estes são chamados de átomos hospedeiros
SOLUTO: é usado para indicar um elemento ou composto presente em menor concentração
IMPUREZAS EM SÓLIDOS
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DEFEITOS PONTUAIS – IMPUREZAS EM SÓLIDOS
Soluções sólidas		 < limite de 							solubilidade
Segunda fase	 > limite de 							solubilidade
		A solubilidade depende :
Temperatura
Tipo de impureza
Concentração da impureza
A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR:
SOLUÇÕES SÓLIDAS
À medida que os átomos do soluto são adicionados ao material hospedeiro, a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova estrutura é formada.
Os átomos de impurezas estão distribuídos aleatoriamente e uniformemente no interior do sólido.
Substitucional
Intersticial
Soluto – elemento em menor concentração
Solvente – elemento em maior concentração (átomos hospedeiros)
DEFEITOS PONTUAIS – ÁTOMO SUBSTITUCIONAL
 Fator do tamanho atômico: diferença entre os raios atômicos é menor do que ± 15% (aprox.);
 Estrutura cristalina: as estruturas cristalinas devem ser as mesmas, para que a solubilidade seja apreciável;
 Eletronegatividade: quanto mais próximos os valores, maior a tendência a formar uma solução sólida substitucional;
 Sendo iguais todos os fatores acima, um metal terá uma maior tendência de dissolver um outro metal de maior valência do que um de menor valência.
Características para a formação de uma solução sólida substitucional (fatores de Hume-Rothery)
DEFEITOS PONTUAIS – ÁTOMO SUBSTITUCIONAL
EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
Cu + Ni são solúveis em todas as proporções
 
Cu
Ni
Raio atômico
0,128nm=1,28 A
0,125 nm=1,25A
Estrutura
CFC
CFC
Eletronegatividade
1,9
1,8
Valência
+1 (as vezes +2)
+2
DEFEITOS PONTUAIS – ÁTOMO SUBSTITUCIONAL
DEFEITOS PONTUAIS – ÁTOMOS INTERTICIAIS
Características para a formação de uma solução sólida INTERSTICIAL
DEFEITOS PONTUAIS – ÁTOMOS INTERSTICIAIS
O diâmetro atômico de uma impureza intersticial deve ser significativamente menor do que o diâmetro dos átomos hospedeiros;
Concentração máxima de átomos de impureza inferior a 10%;
Introduzem alguma deformação na rede cristalina sobre os átomos hospedeiros adjacentes;
 Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas.
Ex.: carbono e ferro
LOGARÍTMOS - Definição
Suponhamos dois reais positivos a e b (a ≠ 1). Se ax = b, dizemos que x é o logaritmo de b na base a (simbolicamente loga b = x).
loga b = x ⇔ ax = b
 a é a base;
 b é o logaritmando ou antilogaritmo;
 x é o logaritmo;
Condição de existência do logaritmo
Da definição, concluímos que o logaritmo só existe sob certas condições:
 loga b = x ⇔ 
 b > 0
 a > 0
 a ≠ 1
Logaritmo do produto
De modo geral, o logaritmo do produto de dois números, numa certa base, é a soma dos logaritmos desses números, na mesma base.
Loga (x.y) = loga x + loga y
Para o produto de três ou mais fatores, a propriedade continua válida.
Logaritmo do quociente
De modo geral, o logaritmo do quociente de dois números, numa certa base, é a diferença dos logaritmos desses números, na mesma base.
Loga = loga x – loga y
 x
y
Logaritmo da potência
Generalizando, o logaritmode uma potência, é igual ao produto do expoente da potência pelo logaritmo da base.
Loga xk = k . loga x
Exercício
Calcule a energia para a formação de lacunas na prata, sabendo-se que o número de lacunas em equílibrio a 800ºC é de 3,6 x 1023 m-3. A massa atômica e a densidade (a 800ºC) para a prata são, respectivamente, 107,9 g/mol e 9,5 g/cm3.
Determine os índices de Miller para os seguintes planos e direções