Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Ciência dos materiais - CME Curso de Engenharia Eletrônica Fev/2015 Profa Sara Dereste sdereste@gmail.com INSTITUTO FEDERAL DE SÃO PAULO - IFSP A ciência dos materiais - Introdução INSTITUTO FEDERAL DE SÃO PAULO - IFSP Fev/2015 A ciência e a engenharia dos materiaisa Ciência: conjunto de conhecimentos sistematizados que, adquiridos via observação, identificação, pesquisa e explicação de determinadas categorias de fenômenos e fatos, são formulados de forma racional (Houaiss, 2004). Engenharia: atividade em que se realiza a aplicação de métodos científicos. Está embasada na tecnologia, porque busca responder às necessidades concretas da sociedade. Ciência e Engenharia dos Materiais (CEM) Área da atividade humana associada com a geração e aplicação de conhecimento que relaciona composição, estrutura e processamento dos materiais às suas propriedades e usos. (Cohen, 1987) Processamento Estrutura Propriedades Desempenho O ciclo global dos materiais Ciência e engenharia do meio ambiente Ciência e engenharia dos materiais (Cohen, 1987) Influência da escala Estudo dos materiais Efeito de escala Ciência dos materiais Nível microestrutural 10-7 – 10-3 mm Exemplos: moléculas de celulose, silicato de cálcio Engenharia dos materiais Nível macroestrutural > 1mm Exemplos: Madeira, concreto Nível mesoestrutural 10-3 a 1 mm Estudo das fases, grãos A importância do estudo e da escolha de materiais Conjunto de decisões: Características técnico-científicas Fator econômico Projeto Domínio dos cálculos sobre resistência dos materiais + Conhecimento das propriedades mecânicas dos mesmos Diagrama de escolha de materiais R es is tê nc ia Densidade Classificação dos materiais • Metais; • Cerâmicas; • Polímeros; • Compósitos; • Semicondutores; • Biomateriais. Classificação técnico-científica Materiais avançados: aplicados em alta tecnologia (aeroespacial, nanotecnologia). Ex. ligas quaternárias, Materiais não convencionais: fibras vegetais (coco, bambu) Além disso... Importância da evolução dos materiais Importância na manutenção da sustentabilidade Sustentabilidade é prover o melhor para as pessoas e para o ambiente tanto agora quanto para o futuro indefinido. Crescimento exponencial da população • Maior consumo de recursos • Maior geração de resíduos • Maior poluição ambiental Princípio de Pareto 20-80% Pequeno número de causas (~20%) é responsável pela maioria dos problemas (geralmente 80%) Válido em todos os setores da economia • Indústria da construção é a maior consumidora dos recursos naturais Ciclo aberto Ciclo fechado Descarte tradicional Descarte tende a zero Importância da formação profissional Lei 5.194 (BRASIL, 1966): essas profissões são caracterizadas pelas realizações de interesse social e humano que importem na realização, entre outros tópicos, do aproveitamento e da utilização de recursos naturais, dos meios de locomoção e comunicação e das edificações, serviços e equipamentos urbanos, rurais e regionais nos seus aspectos técnicos e artísticos. Formação profissional integrada: idéias, coisas e pessoas Bons profissionais geram projetos de excelência Dados da Finep (2013): Brasil forma 44 mil engenheiros (~1/2 para a eng. Civil), 6 engenheiros para cada mil trabalhadores. Estrutura Atômica e Ligação Interatômica INSTITUTO FEDERAL DE SÃO PAULO - IFSP Fev/2015 Tipos de ligações Ligações Primárias ou Fortes •Iônica •Covalente •Metálica Ligações Secundárias ou Fracas •van der Waals Ligações entre íons positivos (cátions) e negativos (ânions) motivados pela atração coulombiana. Essa ligação é a única em que a transferência de elétrons é definitiva. Uma ligação iônica envolve forças eletrostáticas que atraem íons de cargas opostas. Ligação não direcional: A força de ligação é igual em todas as direções. Tipos de ligações Ligação Iônica Ex. cloreto de sódio Ligações entre íons positivos (cátions) e negativos (ânions) motivados pela atração coulombiana. Essa ligação é a única em que a transferência de elétrons é definitiva. Uma ligação iônica envolve forças eletrostáticas que atraem íons de cargas opostas. Ligação não direcional: A força de ligação é igual em todas as direções. Tipos de ligações Ligação Iônica • Quando submetidos à esforços mecânicos que ultrapassam sua capacidade de resistência, os materiais iônicos são frágeis, ou seja, pouco dúcteis (cristal de NaCl). • Força aplicada perturba o balanço elétrico que mantém os átomos ligados o que favorece a ruptura. • Também são maus condutores elétricos. Neste tipo de ligação, os dois elementos possuem eletronegatividades semelhantes; os dois são ametais. Desse modo, eles preferem então compartilhar elétrons, criando ligações covalentes; •Ligação direcional •Materiais pouco dúcteis e de baixa condutividade elétrica. • Não se consegue alterar facilmente a posição entre os átomos • Não promove o transporte de carga elétrica via movimento dos elétrons sem a ruptura da ligação covalente. Tipos de ligações Ligação Covalente Exemplos: materiais cerâmicos, semicondutores e polímeros!Gás oxigênio • Nos metais, existe uma grande quantidade de elétrons quase livres, os elétrons de condução, que não estão presos a nenhum átomo em particular. Tipos de ligações Ligação Metálica • Estes elétrons são compartilhados pelos átomos, formando uma nuvem eletrônica, responsável pela alta condutividade elétrica e térmica destes materiais. • Na ligação metálica há compartilhamento de elétrons, semelhante à ligação covalente, mas o compartilhamento envolve todos os átomos. • Nos metais, existe uma grande quantidade de elétrons quase livres, os elétrons de condução, que não estão presos a nenhum átomo em particular. Tipos de ligações Ligação Metálica • Ligações não direcionais: átomos “presos” na nuvem eletrônica não são fixados numa única posição. • Boa ductilidade • Bons condutores elétricos: diante de um campo elétrico, há o movimento dos elétrons da nuvem. • As ligações de van der Waals juntam moléculas ou grupos de átomos por meio de atrações eletrostáticas fracas. • Princípio das ligações secundárias é similar ao da ligação iônica, ou seja, atração de cargas opostas, porém, não há transferência de elétrons. • A atração depende das distribuições assimétricas de cargas positiva e negativa dentro de cada átomo ou de uma unidade molecular que está sendo ligada. A essa assimetria dá-se o nome de dipolo. Tipos de ligações Ligações secundárias – van der Waals Espaço interatômico e energia de ligação Espaço interatômico é a distância de equilíbrio entre os átomos, sendo determinado por um balanço entre forças de atração e de repulsão. Metal: diâmetro do átomo ou 2x o raio do átomo Materiais ligados ionicamente: soma de dois diferentes raios iônicos Átomos com distâncias inferiores à distância de equilíbrio sofrem efeitos repulsivos dos seus núcleos, enquanto que átomos separados por distâncias superiores à distância de equilíbrio vão perdendo a força que os mantém unidos. Espaço interatômico e energia de ligação Energia de ligação é a energia mínima requerida para criar ou para quebrar a ligação. A força que une dois ou mais átomos (ou moléculas) depende do tipo de ligação e dos elementos envolvidos e está relacionada com o espaço interatômico. Ligação Energia de ligação (KJ/mol) Iônica 625-1550 Covalente 520-1250 Metálica 100-800 Van der Waals <40 Módulo de elasticidade: representa a capacidade de deformação, em regime elástico, quandouma força ou tensão é aplicada. Módulos altos significam grande dificuldade de alterar a posição original entre os átomos o que está associado à alta energia de ligação. Propriedades dos materiais afetadas por essas relações: Espaço interatômico e energia de ligação Energia de ligação é a energia mínima requerida para criar ou para quebrar a ligação. A força que une dois ou mais átomos (ou moléculas) depende do tipo de ligação e dos elementos envolvidos e está relacionada com o espaço interatômico. Ligação Energia de ligação (KJ/mol) Iônica 625-1550 Covalente 520-1250 Metálica 100-800 Van der Waals <40 Propriedades dos materiais afetadas por essas relações: Coeficiente de variação térmica: representa quanto um material se expandirá ou se contrairá sob efeito da temperatura. Quando um material é aquecido, a energia fornecida provoca separação atômica. Se a energia de ligação for alta, a energia oriunda do aquecimento não provocará a separação atômica, ou seja, esse material apresentará baixo coeficiente de variação térmica. Ligações atômicas características dos principais materiais Arranjos atômicos Estruturas Estruturas Estruturas Moleculares Cristalinas Amorfas Agrupamento de átomos Ex. gases em geral (O2, N2), líquidos (H2O), materiais betuminosos. Organização na disposição espacial dos átomos. Cristais. Ex. alguns polímeros Sílica (quartzo) Não há organização entre os átomos do material. Ex. vidro, baquelite Estrutura cristalina Muitos materiais - metais, algumas cerâmicas, alguns polímeros - ao se solidificarem, se organizam numa rede geométrica 3D - a rede cristalina. Estes materiais cristalinos, têm uma estrutura altamente organizada, em contraposição aos materiais amorfos, nos quais não há ordem de longo alcance. Cristais de TiO2 Carbono amorfo Estrutura cristalina Diamante O mais duro material natural! Célula Unitária Como a rede cristalina tem uma estrutura repetitiva, é possível descrevê- la a partir de uma estrutura básica, como um “tijolo”, que é repetida por todo o espaço. Estrutura cristalina Estrutura cristalina Estrutura cristalina dos metais Os 7 sistemas cristalinos http://www.materials.ac.uk/elearning/matter/Crystallography/3dCr ystallography/7crystalsystems.html Estrutura cristalina As 14 redes de Bravais Estrutura cristalina Fator de empacotamento atômico onde N = número de átomos que ocupam efetivamente a célula, VA = volume do átomo (esfera rígida de raio definido) = 4..r3/3, r = raio do átomo, e VC = volume da célula unitária. A forma de classificar o nível de ocupação efetiva de uma célula unitária por átomos é o fator de empacotamento atômico (FE). Número de coordenação: número de átomos vizinhos mais próximos Número de átomos por célula unitária Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica simples (CS) Nesta estrutura, cada átomo apresenta seis vizinhos mais próximos; logo, o seu número de coordenação (NC) é igual a 6. O parâmetro da rede (a) é dado pelo tamanho da aresta do cubo, neste caso: a=2r r= raio atômico Número de átomos por célula unitária Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica simples (CS) onde N = número de átomos que ocupam efetivamente a célula, VA = volume do átomo (esfera rígida de raio definido) = 4..r3/3, r = raio do átomo, e VC = volume da célula unitária. Ou seja, apenas 52% da célula cúbica simples está preenchida por átomos. Índice de ocupação baixo o que faz da estrutura CS ter baixa estabilidade. Ex.: Po Número de átomos por célula unitária Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica corpo centrado (CCC) Cada átomo possui oito vizinhos mais próximos e, desta forma, o seu número de coordenação (NC) é igual a 8. O parâmetro da rede (a), nesse caso, é calculado a partir do valor da diagonal principal do cubo (valor conhecido) e da diagonal de uma de suas faces. Assim tem-se: Número de átomos por célula unitária Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica corpo centrado (CCC) 68% da célula unitária está ocupada por átomos. Vários metais cristalizam nesta fase: lítio, vanádio, cromo, tungstênio. Número de átomos por célula unitária Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica de face centrada (CFC) Número de coordenação (NC) dessa estrutura é igual a 12. O parâmetro da rede (a), neste caso, é calculado a partir do valor da diagonal de uma de suas faces, que é o valor conhecido: Número de átomos por célula unitária Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica de face centrada (CFC) Ou seja, 74% desta célula unitária são efetivamente preenchidos por átomos, que é o valor máximo do índice de ocupação que pode ser conseguido quando se considera o átomo como uma esfera rígida de raio definido. Desta forma, o empacotamento da célula unitária CFC é o mais eficiente possível. O níquel (Ni), o cobre (Cu), o alumínio (Al), o ouro (Au), a prata (Ag), a platina (Pt) e o chumbo (Pb), são exemplos de metais que apresentam a estrutura CFC. Cristais Hexagonais Estruturas hexagonais simples (HS) Número de coordenação (NC) é igual a 8. Os parâmetros da rede (a, c) são dados por: a= c = 2r Cristais Hexagonais Estruturas hexagonais simples (HS) O fator de empacotamento atômico (FEA) é dado por: 60% da célula é ocupada por átomos. Valor baixo! Cristais normalmente não formam esta fase. Cristais Hexagonais Estruturas hexagonais compacta (HC) Formada por dois hexágonos sobrepostos que apresentam um átomo em cada vértice e um átomo nos seus centros, e também por um plano intermediário de três átomos. Cada átomo apresenta doze vizinhos mais próximos; logo, o seu número de coordenação (NC) é igual a 12. Os parâmetros da rede (a, c) são dados por: Cristais Hexagonais Estruturas hexagonais compacta (HC) O fator de empacotamento atômico (FE) é dado por: 74% da célula está ocupada por átomos. Ex. magnésio (Mg), zinco (Zn), cádmio (Cd), cobalto (Co), titânio (Ti) e berílio (Be). Posições, direções e planos cristalinos Densidades atômicas do cristal Densidade volumétrica Também é interessante definir a densidade volumétrica ou simplesmente densidade da célula unitária. Considerando o material com uma estrutura perfeita, a densidade da célula unitária (densidade teórica ou calculada) representa a densidade volumétrica do material; portanto, densidade é definida como a massa por unidade de volume do material, ou seja: n= número de átomos da célula unitária; A=peso atômico; VC=vol. da célula unitária e NA=Número de Avogadro (6,023 x 1023 at/mol). O cobre, por exemplo, possui estrutura CFC, massa atômica igual a 63,54g/mol e raio atômico igual 1,278Å, sua densidade será igual a 8,93 g/cm3. = n*A/ VC*NA (g/cm3) Número de átomos por célula unitária • Calcule o volume de uma célula unitária CFC em termos de raio atômico R. • Para o raio atômico do chumbo (0,175 nm-CFC) calcule o volume de sua célula unitária. a2+ a2 = (4R)2 a = 2R√2 VC= a3 = 16R3√2 VC= a3 = 16R3√2 VC=16*(0,175x10-9)3√2 =0,121269x10-27 m Obs: equações racionalizadas!
Compartilhar