Aula 11 - Propriedades físicas de materias e suas aplicações

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Ciência dos Materiais I
Prof. Nilson C. Cruz
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Visão Geral sobre Propriedades Físicas e 
Aplicações de Materiais: metais, polímeros, 
cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos 
Visão Geral sobre Propriedades Físicas e 
Aplicações de Materiais: metais, polímeros, 
cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos 
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Polímeros
Monômero
Polímero
Ex: madeira, lã, couro, borracha, seda, plásticos...
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C C C C C C
HHHHHH
HHHHHH
Polietileno (PE)
ClCl Cl
C C C C C C
HHH
HHHHHH
Poli (cloreto de vinila) (PVC) Polipropileno (PP)
HH
HHH H
C C C C C C
CH3
HH
CH3CH3H
Polímeros
Etileno
C C
HH
HH
C C
HH
HH
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Polímeros
Possíveis rotações e torções em torno de ligações 
simples podem levar à formação de cadeias poliméricas não 
necessariamente retilíneas.
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Polímeros
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Polímeros lineares
As unidades são unidas em cadeias únicas. 
Ex. PVC, náilon, PMMA, PE, PS
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Polímeros ramificados
São polímeros onde cadeias de ramificações 
laterais são conectadas às cadeias principais. É
interessante observar que os polímeros com 
estrutura linear podem ser ramificados.
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Polímeros com 
ligações cruzadas
São polímeros onde cadeias adjacentes estão 
unidas umas às outras através de ligações 
covalentes.
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enxofre
Vulcanização 
Formação de ligações cruzadas através de 
ligações químicas.
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Polímeros em rede
São polímeros que possuem muitas ligações 
cruzadas formando redes tridimensionais. Ex. epóxi.
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Cristalinidade em polímeros
Cadeias dobradas
Polietileno
Célula Unitária
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Normalmente os polímeros são formados por regiões cristalinas 
dispersas no interior do material amorfo. O grau de cristalinidade pode 
variar de completamente amorfo até cerca de 95% cristalino.
Cristalinidade em 
polímeros
Região
cristalina
Região
amorfa PE
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Cristalinidade em 
polímeros: esferulitas
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Cristalinidade em 
polímeros: esferulitas
Direção de crescimento
da esferulita
Material amorfo
Lamelas cristalinas
Molécula
de ligação
Ponto de nucleação
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Direção do aumento da resistência mecânica 
Ramificada Ligações Cruzadas RedeLinear
Ligações
secundárias
Estrutura molecular
e resistência mecânica de polímeros
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17/64Deformação 
T
e
n
s
ã
o
 
(
M
P
a
)
Plástico
Elastômero
Frágil
Propriedades mecânicas de polímeros 
Tensão x Deformação
Limite de resistência
à tração
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Propriedades mecânicas de polímeros 
Tensão x Deformação
Deformação
T
e
n
s
ã
o
Limite de resistência à tração
Limite de escoamento
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Propriedades mecânicas de polímeros 
Tensão x Deformação
100 -6509,0 – 14,58,3 - 31,4Polietileno (baixa densidade)
10 – 120026,2 – 33,122,1 – 31,0Polietileno (alta densidade)
2,0 – 5,553,8 – 73,148,3 – 72,4PMMA
1006004100Metais
200 – 400-20,7 – 34,5PTFE
40 – 8040,7 – 44,840,7 – 51,7PVC
15 – 30044,8 – 82,875,9 – 94,5Náilon
Alongamento na 
fratura
(%)
Limite de 
escoamento
(MPa)
Limite de resistência
à tração
(MPa) 
Polímero 
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Propriedades mecânicas de polímeros 
Temperatura x Deformação
T
e
n
s
ã
o
 
(
M
P
a
)
Deformação
PMMA
↑temperatura ↓ resistência
↑temperatura ↑ alongamento
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Deformação em polímeros 
plásticos e frágeis 
ruptura frágil
ruptura plástica 
x
deslizamento das
regiões cristalinas
estrutura 
fibrilar
próximo à ruptura
alinhamento das
regiões cristalinas
próximo à ruptura
polímeros
semicristalinos alongamento
das regiões
amorfas
Carga/descarga
Estrutura inicial
estrutura
em rede
estrutura
linear
x
T
e
n
s
ã
o
 
(
M
P
a
)
Deformação
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Deformação em polímeros 
plásticos e frágeis 
Deformação
T
e
n
s
ã
o
 
Limite de
escoamento
A deformação é confinada ao pescoço! 
Início da formação
do pescoço
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Deformação em 
elastômeros 
Ligações
cruzadas
Tensão Tensão 
O aumento da entropia faz o polímero retornar à
sua forma original quando a tensão é retirada!
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Plásticos 
Quimicamente inertes, mecanicamente resistentes, 
isolantes, transparentes, translúcidos ou opacos, etc...
Revestimentos, brinquedos, lentes, vedações, 
engrenagens, isolantes, garrafas, etc...
Aplicações de polímeros 
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Elastômeros
Aplicações de polímeros 
Elásticos... 
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UHMWPE
Aplicações de polímeros 
Alta resistência química, a impacto, desgaste e abrasão, 
baixo coeficiente de atrito, autolubrificante e antiaderente.
UHMWPE
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Propriedades magnéticas 
Toda carga elétrica em movimento produz um 
campo magnético. Assim, cada elétron em um átomo pode 
ser considerado como um pequeno imã com momentos 
magnéticos orbital e de spin. 
+
--
elétron
núcleo
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Propriedades magnéticas 
Quando um campo magnético externo H é aplicado a um 
material, seus momentos magnéticos tendem a se alinhar com o 
campo, dando origem a uma magnetização M dada por 
M = χm H χm = susceptibilidade magnética 
Assim, a indução magnética ou densidade de fluxo magnético 
em um material sujeito a um campo magnéticoexterno H é: 
B = µ0H + µ0 M µ0 = permeabilidade do vácuo
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Propriedades magnéticas 
(1) diamagnético
n
e
n
h
u
m
o
p
o
s
t
o
(2) paramagnético
a
l
e
a
t
ó
r
i
o
a
l
i
n
h
a
d
o
(3) ferromagnético
a
l
i
n
h
a
d
o
a
l
i
n
h
a
d
o
H = 0 Com campo
χm < 0 
Campo com o material 
é menor que no vácuo 
χm ~ 10-5 – 10-2
Não magnéticos 
χm ~ 106
B ≈ µ0 M
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Propriedades magnéticas 
Campo magnético, H
D
e
n
s
i
d
a
d
e
 
d
o
 
f
l
u
x
o
,
 
B
Ferromagnético
Paramagnético
Vácuo
Diamagnético
µ0M
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Magnetização e 
temperatura de Curie
M
a
g
n
e
t
i
z
a
ç
ã
o
 
d
e
 
s
a
t
u
r
a
ç
ã
o
 
(
1
0
6
A
/
m
)
Temperatura (°C)
Fe
Fe3O4
Com o aumento da temperatura se torna mais difícil a 
orientação dos momentos magnéticos.
Temperatura de Curie
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Domínios magnéticos 
Fronteira
do domínio
Domínios são pequenas regiões onde existe o alinhamento 
na mesma direção de todos os momentos magnéticos. 
Domínios 
Fronteiras
entre domínios 
Contorno
de grão
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Campo magnético (H)
I
n
d
u
ç
ã
o
M
a
g
n
é
t
i
c
a
(
B
)
0
Bsat
H
H
H
H
H
H = 0
À medida que um campo H é aplicado, os domínios mudam de 
forma e de tamanho.
Domínios magnéticos 
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Domínios magnéticos 
Domínios com momentos 
magnéticos alinhados 
crescem às custas 
daqueles fracamente 
alinhados!
H = 0
H
H
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Histerese
Quando o campo H é reduzido à partir da saturação, a curva de 
M versus H não retorna seguindo seu trajeto original. Isto é histerese!
H
1. Estado inicial desmagnetizado
M
4. Coercividade, HC
2. A aplicação de H causa 
magnetização
3. Remanência, H = 0 mas a
magnetização continua
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Histerese
1
2
3
4
M
H
B
H
B = µ0 (H + M)Saturação 
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Histerese
O campo não tem de ser aumentado até que a 
saturação seja atingida!
Repetidos ciclos com H alternado e 
decrescente são usados para 
desmagnetizar materiais 
ferromagnéticos 
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Histerese
A área no interior da curva de histerese representa a perda de energia, 
na forma de calor, por unidade de volume do material durante um ciclo de 
magnetização-desmagnetização. 
A energia necessária para 
desmagnetizar um imã permanente é
proporcional à área do maior 
retângulo que pode ser desenhado 
sob a curva no segundo quadrante! 
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H
B
Materiais duros
Imãs permanentes
Ciclo quadrado
Dispositivos de memória
Materiais moles
Núcleos de transformadores
Histerese
Materiais magneticamente moles e duros.
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Entrada do sinal Saída do sinal
LerGravar
Cabeça
de gravação
Meio de gravação
Armazenamento magnético
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Armazenamento magnético
20 kByte/mm2
12 Mbyte/mm2
500.000 X
8.000 X
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B
Enrolamento
primário Enrolamento
secundário
Núcleo ferromagnético
Transformador de tensão
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Interação de luz 
com sólidos
Incidente, I0
Refletida, IR
Transmitida, IT
Absorvida, IA
I0 = IR + IT + IA
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Propriedades ópticas 
de metais
Os metais são opacos para a maioria das radiações 
do espectro eletromagnético! Eles são transparentes 
para raios x e γ.
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Células solares
Silício tipo n
Silício tipo p
Junção p-n
luz
+
-
++ +
-
-
-
Criação de par
elétron-buraco
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Propriedades ópticas 
de metais
A maior parte da radiação absorvida é reemitida com o 
mesmo comprimento de onda. Os metais são bons refletores, com 
refletividades em torno de 95% da luz incidente!
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Propriedades ópticas 
de não-metais
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Propriedades ópticas 
de não-metais
Refração
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Refração 
(
(
θθθθ1
θθθθ2
v1
v2
n1 sen θ1 = n2 sen θ2
i
i
c
n
v
= = índice de refração 
c = velocidade da luz no vácuo
n κ≅ κ = constante dielétrica
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Reflexão interna total
1θ
'
1θ
2
1
C
nSen
n
θ =
n1
n2
c
θ
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Fibras ópticas
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Gradual (parabólico)
Perfis de índice de refração 
Degrau
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Propriedades ópticas 
de não-metais
Reflexão 
A fração da luz incidente em uma superfície que é
refletida, a refletividade do material, é dada por
0
RIR
I
=
Quando a luz incide normalmente à interface, 
2
2 1
2 1
n nR
n n
 
−
=  
+ 
n1 = 1 para vácuo ou ar
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Propriedades ópticas 
de não-metais
Absorção 
Ao percorrer uma distância x dentro de um 
material com coeficiente de absorção αααα, a 
intensidade de luz absorvida será
IA = I0 e -ααααx
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Propriedades ópticas 
de não-metais
Transmissão 
A intensidade de luz transmitida através de 
um material com espessura l e coeficiente de 
absorção α é
IT = I0 (1-R)2e -ααααl
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Propriedades ópticas 
de não-metais
As intensidades de luz transmitida, refletida e absorvida são 
funções do comprimento de onda da radiação incidente.
Vidro verde
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Propriedades ópticas 
de não-metais
A absorção seletiva em determinados comprimentos de onda faz 
com que os materiais sejam coloridos. A cor observada é o resultado da 
combinação dos comprimentos de onda transmitidos.
40
60
70
80
50
0.3 0.5 0.7 0.9
T
r
a
n
s
m
i
t
â
n
c
i
a
(
%
)
rubi
safira
Comprimento de onda (µm)
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Diodos emissores de 
luz (LED)
Sob determinadas circunstâncias, a aplicação de polarização direta a 
uma junção semicondutora, ocorre a emissão de radiação visível ou no 
infravermelho.
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Diodos emissores de 
luz orgânicos (OLED)
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Laser
Light
Amplification 
by
Stimulated
Emission of
Radiation
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Laser de rubi
(Al2O3 + 0,05% Cr3+)
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Laser de rubi
Antes da excitação 
Após excitação
Emissão espontânea 
Laser
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Laser de semicondutor
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Laser de semicondutor