Classificação e Estruturas de Materiais

Prévia do material em texto

ENGA47 – TECNOLGOCIA DOS MATERIAIS…
Apresentação da Disciplina
Vitaly Felix Rodriguez Esquerre
Bacharel Eng. Eletrônica 1994 (Revalidado como Eng. Eletricista em 2009 UFMG)
Mestre em Eng. Elétrica 1999 - Unicamp
Doutor em Eng. Elétrica 2003 - Unicamp
Pós-doutorado 2003-2005 - Hokkaido University
Pós-doutorado 2005-2006 - Unicamp
Docente 2006 – IFBA, Docente 2010 - UFBA
Pós-doutorado 2015 - U.C. San Diego
EMENTA
Materiais condutores: estrutura física, propriedades e aplicações das ligas metálicas e resistivas. Materiais semicondutores: estrutura cristalina, bandas de energia, lei de ação das massas, tipos de dopagem, mecanismos de condução (deriva e difusão). Materiais isolantes: polarização, constante dielétrica, fator de perdas, análise e aplicações. Materiais magnéticos: campos e grandezas magnéticas, tipos de magnetismo, domínios magnéticos e tipos de energia determinantes, efeito da temperatura, magnetização e desmagnetização de um metal ferromagnético, materiais magnéticos duros e macios, ferrites. Materiais piezoelétricos. Eletrocerâmicas. Materiais ópticos: óptico-eletrônica e fibras ópticas.
OBJETIVOS 
Discutir os conceitos básicos da Física Moderna com relevância para a atual Ciência dos Materiais. Estudar as relações entre as características elétricas, magnéticas e ópticas dos materiais com as suas propriedades estruturais visando sua aplicação em dispositivos de engenharia elétrica. Incentivar o aluno à pesquisa constante acerca do uso de novos materiais em Engenharia Elétrica. Neste contexto, é estimulada a consulta e a discussão de artigos (principalmente on-line) de grupos de pesquisa em materiais e dispositivos eletro-eletrônicos; promovendo a constante atualização do futuro profissional 
METODOLOGIA
O conteúdo será apresentado em aulas expositivas com discussões dos conceitos teóricos e resolução de exercícios envolvendo aplicações em engenharia
CONTEÚDO
Capítulo 1 - Propriedades Gerais dos Materiais
 
1.1 Introdução a Ciência dos Materiais, Classificação dos Materiais.
1.2 Noções de energia em um átomo, estrutura eletrônica dos elementos; atração interatômica; ligações iônica, covalente e metática
1.3 Propriedades Elétricas: condutividade iônica e eletrônica nos sólidos, líquidos ebgases.
1.4 A estrutura de sólidos cristalinos: conceitos fundamentais, célula unitária.
1.5. Estruturas Cristalinas: CS, CCC, CFC.
1.6. Índices de Miller: direções e planos.
1.7 Densidade linear e planar.
1.8. Difração de raios X, lei de Bragg, técnicas de difração
 
CONTEÚDO
Capítulo 2 - Materiais Magnéticos e Aplicações
2.1 Introdução.
2.2 Comportamento magnético; curvas de magnetização e histerese; classificação dos materiais quanto à permeabilidade, perdas por histerese e correntes parasitas, domínios de Weiss, Temperatura de Curie.
2.3 Materiais Magnéticos: ferro; ligas de ferro e silício, materiais para ímãs permanentes, ligas ferromagnéticas diversas.
 
CONTEÚDO
Capítulo 3 - Materiais Condutores e Aplicações
3.1 Características dos materiais condutores: variação da resistência com a temperatura e freqüência; resistência de contato nos metais.
3.2 Materiais de Elevada Condutividade.
3.3 Materiais de Elevada Resistividade.
3.4 Resisitividade de Ligas e Misturas.
3.5 Aplicações Especiais.
 
CONTEÚDO
Capítulo 4 - Materiais Isolantes e Aplicações
 4.1 Introdução: polarização dos dielétricos e constante dielétrica.
 4.2 Comportamento dos Dielétricos Sólidos Líquidos e Gasosos em Serviço: resistividade superficial; resitência de isolamento; modelo dos dielétricos sólidos; perdas, efeito corona e ruptura.
4.3 Materiais Isolantes: tipos; características e classificações.
4.4 Aplicações: materiais isolantes para cabos, linhas de transmissão, máquinas elétricas, etc
 
CONTEÚDO
Capítulo 5 - Materiais Supercondutores e Aplicações
 5.1 Introdução a Supercondução, Teoria BCS, Campos críticos
 5.2 Supercondutores de Tipo I, Tipo II, Vórtices, Técnicas de Fabricação.
 5.3 Materiais Supercondutores e Aplicações
 
CONTEÚDO
Capítulo 6 - Materiais Semicondutores e Aplicações
 6.1 Características Principais: portadores de carga elétrica (elétrons livres e lacunas); impurezas nos semicondutores; concentração de portadores; situações de desequilíbrio; efeito Hall.
 6.2 Correntes nos Semicondutores. mobilidade; difusão e drift; resistividade dos semicondutores
 6.3 Materiais e Tecnologia de Fabricação dos Semicondutores.
 6.4. Dispositivos Semicondutores: Junção PN, Transistor PNP e NPN.
 
CONTEÚDO
Capítulo 7 - Materiais Ópticos e Aplicações
 7.1 Características Principais: constantes dielétricas, Lei de Snell, Reflexão, Refração
 7.2 Transmissividade, Refletividade e Absortividade.
 7.3 Materiais Opacos e Transparentes.
 7.4 Revestimento antireflexivo, Fibras Ópticas e Guias de Onda Dielétricos Periódicos. Técnicas de Fabricação
.
 
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA:
[1]	Página da disciplina, http:// http://www.dee.eng.ufba.br/home/vitaly/enga47/enga47.htm e http://www.cefetba.br/professores/vitaly/eng406/
[2]	S. O. Kasap, Principles of Electronic Materials and Devices, 3rd Ed., McGraw Hill, 2003. 
[3]	W. D. Callister Jr, Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, 5a Ed., LTC Editora, 2002. 
[4]	W. Schmidt, Materiais Elétricos, Editora Edgard Blücher Ltda; vol. 1 e 2. 2a Ed., 2002. 
[5]	J. F. Shackelford, Introduction to Material Science for Engineers, 6th Ed., Prentice Hall, NJ 2004. 
[6]	D. R. Askeland e P. P. Phulé, The Science and Engineering of Materials, 5th Ed, Thomson, 2006.
.
 
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR:
[1]	G. C. Rolim, Materiais Elétricos - Apostila do Curso EEL7051 – Materiais Elétricos, Universidade Federal de Santa Catarina. http://www.labspot.ufsc.br/~jackie/matelet.html acessado no dia 29 de julho de 2009. 
[2]	E. M. Rezende, Materiais usados em Eletrotécnica, Editora Livraria da Física, 2003. 
[3]	L. Solymar e D. Walsh, Electrical Properties of Materials, Oxford University Press, 2003. 
[4]	I Jones, Materials Science for Electrical and Electronic Engineers, Oxford University Press, 2000. 
[5]	D. Jiles, Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Chapman and Hall, New York, 1991. 
[6]	B. S. Mitchell, An Introduction to Materials Engineering and Science for Chemical and Materials Engineers, John Wiley & Sons Inc., Canada, 2004. 
[7]	W. D. Callister Jr., Fundamentals of Materials Science and Engineering, 5th Ed, John Wiley & Sons Inc., 2001. 
[8]	R. E. Hummel, Electronic Properties of Materials, 3rd Ed., Springer, 2004. 
[9]	W. D. Callister, Materials science and Engineering: An introduction, 6th Ed. Wiley, 2002. 
	JULHO
	DOM	SEG	TER	QUA	QUI	SEX	SÁB
	01	02
	03	04	05	06	07	08	09
	10	11	12	13	14	15	16
	17	18	19	20	21	22	23
	24	25	26	27	28	29	30
	31
	AGOSTO
	DOM	SEG	TER	QUA	QUI	SEX	SÁB
	01	02	03	04	05	06
	07	08	09	10	11	12	13
	14	15	16	17	18	19	20
	21	22	23	24	25	26	27
	28	29	30	31
	SETEMBRO
	DOM	SEG	TER	QUA	QUI	SEX	SÁB
	01	02	03
	04	05	06	07	08	09	10
	11	12	13	14	15	16	17
	18	19	20	21	22	23	24
	25	26	27	28	29	30
	OUTUBRO
	DOM	SEG	TER	QUA	QUI	SEX	SÁB
	01
	02	03	04	05	06	07	08
	09	10	11	12	13	14	15
	16	17	18	19	20	21	22
	23	24	25	26	27	28	29
	30	31
DATAS IMPORTANTES
 
01/09/16 Prova 1
27/10/16 Prova 2
31/10/16 Segunda Chamada (Apenas alunos com justificativa prevista no Regulamento de Graduaçao)
	Capítulo	Provas
	01	P1
	02
	03
	04	P2
	05
	06
	07
AVALIAÇÃO
Escolha das equações
Cálculos 
Consistência dos resultados
Conceitos Teóricos
*
AVALIAÇÃO
*
AVALIAÇÃO
*
AVALIAÇÃO
*
ENGA47 – TECNOLGOCIA DOS MATERIAIS…
Capítulo 01
Propriedades da Matéria
Vitaly Esquerre
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação Funcional dos Materiais
	 Aerospacial
	 Biomedica
	 Materiais Eletrônicos
	 Energia e Meioambiente
	 Materiais Magnéticos
	 Fotônicos ou Materiais Ópticos
	 Materiais Inteligentes
	 Materiais Estruturais
Classificação 
Funcional 
dos Materiais
Materiais
 Inteligentes
PZT
Ligas de Ni-Ti 
Fluídos MR
Gels polímeros
AerospacialCompostos de 
carbono,
SiO2, silício amorfo, 
ligas de alumínio
Zerodur
Estruturas
Aços
Ligas de alumínio,
Concreto
Fibras de vidro
Plásticos
 madeiras
Estruturas
Aços
Ligas de alumínio,
Concreto
Fibras de vidro
Plásticos
 madeiras
Eletrônica
Si, GaAs,
 Ge, PZT,
Al, Cu, 
polymeros
Magnéticos
Fe, Fe-Si, NiZn
Ferritas,
 CoPtTaCr
Energia e 
Ambiental
Si:H amorfo, 
UO2,
NiCd, ZrO2
Ópticos
SiO2, GaAs,
Vidros, Al2O3,
YAG, ITO
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Structural feature
Dimension (m)
atomic bonding
crystals (ordered atoms)
second phase particles
crystal texturing
< 10
-10
 
10
-10
10
-8
-10
-1
10
-8
-10
-4
> 10
-6
Classificação dos Materiais – Metais
Elementos puros ou mistura de elementos metálicos (ligas) – ligações metalicas 
	 Bons condutores de eletricidade
	 Bons condutores de calor 
	 Apariência brilhante – não transparentes 
	 Duros 
	 Deformáveis
	 Algumas vezes magnéticos 
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação dos Materiais – Cerámicos
Compostos entre elementos metálicos e não metálicos - Ligações iônicas ou covalentes
	 Duros
	 Quebradiço
	 Isolantes elétricos
	 Condução térmica baixa
	 Resistentes ao calor e corrosão
	 Podem ser transparentes ou opácos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação dos Materiais–Polímeros 
Compostos orgânicos baseados em C, H e outros elementos não metálicos – ligações covalente e secundárias
	 Propriedades variadas
	 Densidade baixa
	 Não condutores
	 Ponto de fusão baixo
	 Podem ser muito flexíveis
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Outras sub-classes de materiais
Compósitos
	Consistem em mais de um tipo de material
Semicondutores
	Tem propriedades elétricas intermediárias entre as dos condutores e isolantes
Biomaterials
- Materiais para implantação no interior do corpo humano
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Atômica
Âtomos compostos de núcleo (prótons e nêutrons) circundado por elétrons.
Q=1,6 x 10-19C Mp=Mn=1,67x10-27kg Me=9,11x10-31 kg
Elementos químicos caracterizados pelo número atômico Z.
Z: 1-94.
Massa atômica A = soma da massa de nêutrons e prótons 
Peso atômico (média ponderada da massa dos isótopos)
Unidades g/mol.
1 mol = 6,023 x 1023 Âtomos ou moléculas
Fe 55,85 g/mol.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Atômica
Porque estudarmos a estrutura atômica?
Algumas propriedades importantes dos materiais dependem dos arranjos geométricos dos átomos e também das interações que existem entre os átomos ou moléculas constituintes.
Estrutura atômica
Configurações Eletrônicas dos Átomos e Tabela Periódica
Tipos de ligações interatômicas
Energias de Ligação
Distâncias e Energias de Equilíbrio
Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. 
Peso atômico 107,868 g/mol
Exemplo
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. 
SOLUÇÃO
Número de âtomos =
=5.58  1023 
Exemplo
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Pesquisadores estão considerando o uso de nanopartículas de materiais magnéticos como um meio de armazenar gandes quantidades de dados. Estas partículas podem armazenar dados na ordem de um trilhão de bits por polegada quadrada. 10 a 100 vezes a mais do que qualquer outro dispositivo tais como discos rígidos
Se os pesquisadores estão considerando o uso de partículas de Ferro (Fe) com diâmetro de 3nm. Quantos átomos existem em cada partícula? 
Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3. 
Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol.
Exemplo
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Solução
O rádio de uma partícula é 1.5 nm.
Volume de cada nanopartícula magnética de Ferro 
= (4/3)(1.5  10-7 cm)3
= 1.4137  10-20 cm3
Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3. 
Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol.
Peso de cada nanopartícula de Fe 
= 7.8 g/cm3  1.4137  10-20 cm3
= 1.102  10-19 g.
Um mol de 55,85 g de Fe contem 6.023  1023 átomos, então, o número de átomos em uma nanopartícula de Ferro será 1188.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Modelo atômico de Bohr
Estrutura Atômica
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Comparação dos modelos
Três primeiros níveis
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Energias relativas dos elétrons
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Eletrônica dos Elementos
18.bin
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Eletrônica dos Elementos
19.bin
20.bin
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Âtomo de sódio
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Eletronegatividades
Eletronegatividade pequena
Eletronegatividade grande
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Forças e Energias de Ligação
EL = EA + ER 
EL =energia liquida
EA =energia de atração
ER =energia de repulsão
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações Iônicas: Metal + não metal configurações estáveis
 doa aceita elétrons
• acontece entre + and - íons.
• precisa de transferência de elétrons
• diferência entre as eletronegatividades deve ser grande
• Exemplo: NaCl
Neônio
Argônio
Atração de Coulomb
Ligação iônica no cloreto de sódio NaCl
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações Iônicas:
Valências dos dois tipos
de íons.
r
A
n
r
B
EL = EA + ER = 
+
-
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se
sepadaros uma distância de 1,25 nm.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se
sepadaros uma distância de 1,25 nm.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligação Covalente
Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
São fortes.
	Eletronegatividade similar
	Example: CH4
C: tem 4 e- de valência
 e precisa de mais 4
H: tem 1 e-,de valência
 e precisa de mais 1
Electronegatividades são
similares
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligação Covalente
Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
Ligação covalente molécula de metano CH4
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligação Covalente
Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
Ligação covalente no silício
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligações covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO2)
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligações covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO2)
Solução
Sílicio tem 4 elétrons de valência e compartilha elétrons com 4 átomos de oxigênio, resultando em 8 elétrons para cada átomo de silício.
Porém, o oxigênio tem valência 6 e ompartilha elétrons com 2 átomos de silício resultando em 8 elétrons para cada átomo de oxigênio.
Na figura a seguir é ilustrada uma estrutura possível
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
% caráter iônico =
% caráter covalente =
Ex: MgO		XMg = 1.3
			XO = 3.5
%)
100
(
 x 
%)
100
(
 x 
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO2) tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e covalente.
Determine a porcentagem dessas ligações.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO2) tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e covalente.
Determine a porcentagem dessas ligações.
Solução
Da tabela periódica obtem-se que a eletronegatividade do silício é 1,8 e a do oxigênio é 3,5.
% covalent = exp[-0.25(3.5 - 1.8)2] x 100% 
 = exp(-0.72) x 100% = 48,6%
% iônica = (1- exp[-0.25(3.5 - 1.8)2]) x 100 % 
 = (1 - exp(-0.72)) x 100%= 51,4 %
ENG101 –MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações Metálicas
Metais e suas ligas
Elétrons de valência não estão
ligados aos átomos
Formam um mar de elétrons
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas elétricas em 10 cm3 de prata.
Densidade da prata é 10.49 g/cm3 
O peso atômico da prata é 107.868 g/mol
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas elétricas em 10 cm3 de prata.
Solução
A valência da prata Ag é 1, e apenas os elétrons de valência conduzem cargas elétricas. Densidade da prata é 10.49 g/cm3 
O peso atômico da prata é 107.868 g/mol.
Peso de 10 cm3 = (10 cm3)(10.49 g/cm3) = 104.9 g
 àtomos =
 elétrons = (5.85  1023 atoms)(1 elétron valência/atom)
	 = 5.85  1023 elétrons de valência em 10 cm3
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares 
Ligações fracas.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares 
Ligações fracas.
Molécula de água
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Propriedades Elétricas 
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução em sólidos condutores, mercúrio e metais em fusão
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução nos líquidos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução nos gases
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução nos gases
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
		 Exemplo de Aplicações Propriedades
Metais e Ligas
 Aço Automóveis Castable, machinable, 						 vibration damping
Cerâmicos e	
vidros
 SiO2-Na2O-CaO Vidros 		 Opticamente transparentes, 						 isolantes térmicos
Polímeros
 Polietileno	 Embalagem de comidas	 Finas espesuras, 
 flexíveis 						 
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
		 Exemplo de Aplicações Propriedades
Semicondutores 
 Silício	 Transistor e circuitos comportamento elétrico
		 integrados			 único
Compósitos	 Ferramentas de corte Duras e resistentes a Tungstênio carbide máquinas		 impactos
-cobalt (WC-Co)				
					 
)
868
.
107
(
)
10
023
.
6
)(
100
(
23
mol
g
mol
atoms
g
´
ò
=
Fdr
E
(
)
(
)
e
Z
e
Z
A
2
1
0
4
1
pe
=
2
1
,
z
z
 
 
  
1
-
e
-
 
(
X
A
-
X
B
)
2
4
æ 
è 
ç 
ç 
ç 
ö 
ø 
÷ 
÷ 
÷ 
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-
-
4
)
(
 
2
B
A
e
X
X
ionico
 
70.2%
 
 
(100%)
 x 
e
1
 
 
ionico
carater 
 
%
4
)
3
.
1
5
.
3
(
 
2
=
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-
=
-
-
23
23
10
85
.
5
/
868
.
107
)
/
10
023
.
6
)(
9
.
104
(
´
=
´
mol
g
mol
atoms
g