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Se
me
stre
de
20
10
Inst
itu
tod
e F
ísic
a
Un
ive
rsid
ad
ed
e S
ão
Pa
ulo
Pro
fess
or:
A
nto
nio
Do
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gu
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s S
an
tos
E-m
ail
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nto
s@if
.usp
.br
Fo
ne
: 3
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1.6
88
6
htt
p:/
/pla
to.i
f.u
sp.b
r/~
fmt0
50
2n
/
22
de
jun
ho
Cerâmicas
Cerâm
icas são
materiais in
orgân
icos e não
-metálicos.
São
form
adas por elem
entos quím
icos metálicos e não
-metálicos, onde
as ligações são
iônicas ou preponderan
temen
te iô
nicas.
Cerâm
icas tradicionais (à
base de argila): lo
uça, p
orcelan
a, tijo
los,
telhas, azulejos, vidros e cerâmicas de altas temperaturas.
Hoje, . . .
. . . Óxidos, nitretos, carbetos e muito m
ais !
(sen
do os óxidos as cerâm
icas m
ais freq
uen
tes)
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Se
me
stre
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20
10
cos
cos30
A
AC
AP
r
AO
rr
α=
°=
=+
Cerâmicas
Estrutura do NaC
l
0,102/0,181
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Se
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Estrutura CFC
Com 2 sub-redes
Número de coordenação 6
Outros exemplos: FeO, LiF, MgO, MnS
Cerâmicas
Estrutura do tipo AX
Mesmas estruturas cristalinas dos metais
Estrutura do CsC
l
0,170/0,181
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Estrutura CS
Com 2 sub-redes
Número de coordenação 8
Cerâmicas
Estrutura do ZnS
Blenda de Zinco
Estrutura CFC
Com 2 sub-redes
Número de coordenação 4
Outros: ZnTe, SiC
Estrutura do tipo AX
Estrutura do CaF
2
Fluorita
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Estrutura CS
Célula unitária com 8 cubos
Número de coordenação 8(4)
Ânions e cátions co
m cargas diferen
tes
Mesma estrutura do CsC
l
Cerâmicas
Estrutura do tipo A
mXp
Estrutura do BaT
iO3
Titan
ato de bário
Estrutura CFC
Estrutura do tipo A
mB
nXp
Conhecida co
mo Perovskita
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Cálculo de densidade em cerâmicas
Cerâmicas
()
CA
cA
nA
A
VN
ρ+
=∑
∑
número de unidades da fórm
ula
em uma célula unitária
Soma das m
assas atômicas
de cátions e ânions na
unidade da fórm
ula
Volume da célula unitária
e número de Avogadro
Qual a den
sidad
e do NaC
l ?
Cerâmicas
Materiais baseados no carbono
Diaman
teGrafite
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Fulereno
Grafeno
Ligações covalentes ! ! !
Cerâmicas
Materiais baseados no carbono
Diaman
teGrafite
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20
10
Grafeno
Nan
otubos
Cerâmicas à
base de silicatos
Vidros
SiO
2cristalino SiO
2não
cristalino (am
orfo)
(quartzo) (vidro)
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cristobalita
Imperfeições em cerâmicas
Outros m
ecanismos de
compensação de cargas
(para FeO)
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43
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2)
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Se
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20
10
Impurezas (devem ser
semelhantes)
Carga deve se m
anter
neutra no sólido
Defeitos aparecem aos pares
Diagramas de fases em cerâmicas
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Sistema Al 2O
3–Cr 2O
3Sistema M
gO –
Al 2O
3
Propriedades m
ecânicas de cerâmicas
Mecanicamente, as cerâmicas são m
uito
rígidas e portanto frágeis !!!
Elas possuem
micro-trincas ou fissu
ras, que
se propag
am facilm
ente.
Em geral as fraturas acontecem in
ternam
ente
aos grãos, ao lo
ngo de planos
cristalográfico
s de alta den
sidad
e atômica.
A presença de umidad
e no m
eio circu
ndan
te é
especialm
ente dan
oso
e potencializa a
propag
ação
das trincas (em um aparen
te
processo de co
rrosão).
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Comportamento tensão-deform
ação
Em geral ensaios de tração são
difíceis de serem aplicados em
cerâmicas (elas não resistem às
garras de fixação).
Ensaios de flexão:
Resistência àflexão ou
resistência àfratura
Propriedades m
ecânicas de cerâmicas
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Comportamento tensão-deform
ação
Ensaios de flexão:
Inclinação
Lim
ite de ruptura
Processamento das cerâmicas
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Abrasivos
Prensagem do pó
Sinterização
Física dos Materiais
Ligações quím
icas
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Polímeros
Polím
eros ou Macromoléculas
Moléculas de
hidrocarbonetos
Exemplos: E
tileno (C
2H
4) A
cetileno (C
2H
2) B
utano (C4H
10)
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Se
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-Cada átomo de carbono possui 4 elétrons para
fazer ligações covalentes.
-Cada átomo de hidrogênio possui 1 elétron.
-As ligações intramoleculares são covalentes.
HC
CH
−≡
−
Isobutano (C
4H
10)
Isomerismo
Ligações
Sim
ples,
Duplas e
Triplas
Insaturadas
Polím
eros ou Macromoléculas
Moléculas de
hidrocarbonetos
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20
10
Alguns compostos parafínicos C
nH2n
+2
Isobutano
-12,3
Polímero
Mero
Monômero
Física dos Materiais
Polímeros
Lista de Meros para os Polím
eros mais comuns
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Trifuncional
Física dos Materiais
Polímeros
Massa m
olecular
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43
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50
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Se
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de
20
10
Em geral, no processo de produção
as cadeias poliméricas apresentam
uma grande variedade de tamanhos.
Quantidade de
semelhantes
Massa de
semelhantes
ni
iM
xM
=∑
pi
iM
wM
=∑
nn
Mn
m=
p
p
Mn
m=
Grau de polimerização
Onde m éa massa m
olecu
lar
do m
ero
Massa
s moleculares típicas
~100 g/m
ol
gases ou
líquidos
~1.000 g/m
ol
sólid
os
pastoso
s
>10.000 g/m
ol
sólid
os
(até
vários milhões ! ! !)
Física dos Materiais
Polímeros
Possíveis estruturas molecu
lares
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Física dos Materiais
Características mecân
icas
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50
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10
Lim
ite de elasticidad
e
Lim
ite de resistên
cia
àtração
Dep
endên
cia co
m a
temperatura
Frágeis
Plásticos
Altam
ente elásticos
Física dos Materiais
Características mecân
icas
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10
Física dos Materiais
Características mecân
icas
Fís
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s M
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50
2 (
43
00
50
2)
1º
Se
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10
Dependência com a temperatura
Polímero amorfo
Física dos Materiais
Características mecân
icas
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10
Estágios de deform
ação de um
polímero semicristalino
Concentração
Características geo
métricas e esp
aciais das partícu
las da fase dispersa
que podem
influen
ciar nas propried
ades dos co
mpósitos
Tamanho
Form
a
Distribuição
Orientação
Compósitos: Mistura sólida de materiais de classes diferen
tes.
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Compósitos
Classificaç
ão dos co
mpósitos
Compósitos: Mistura sólida de materiais de classes diferen
tes.
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50
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Se
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20
10
Compósitos Tipos de matrizes (plasticidad
e):
metálicas,
poliméricas e
cerâmicas (pouco
usadas).
Comportam
ento m
ecân
ico dos co
mpósitos
Compósitos: Mistura sólida de materiais de classes diferen
tes.
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Compósitos
Compósitos co
m fibras
Compósitos:
Mistura sólida de materiais de classe
s diferen
tes.
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20
10
Orien
tação das fibras:
a)Contínuas e alin
had
as
b)
Desco
ntínuas e alin
had
as
c)Desco
ntínuas e desorien
tadas
Anisotrópico
Isotrópico
Compósitos co
m fibras ou partícu
las
Compósitos:
Mistura sólida de materiais de classe
s diferen
tes.
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50
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de
20
10
Tipos de matrizes (plasticidad
e):
metálicas,
poliméricas e
cerâmicas (pouco
usadas).
Fibras ou Partícu
las (rigidez):
metálicas,
poliméricas e
cerâmicas.
Alta ad
esão entre matriz
e en
xerto
Caracterização dos Materiais
Energia /
Momen
to
Matéria
Propried
ade
a ser
caracterizad
a
Fótons
Íons
Átomos
Elétrons
Neu
trons
Prótons
Fótons
Íons
Átomos
Elétrons
Neu
trons
Prótons
Energia /
Momen
to
Matéria
0,1Å
(20kV)
Caracterização dos Materiais
Feixe de elétrons
MicroscopiaEletrônicade Varredura
e de Transmissão
Caracterização dos Materiais
Feixe de elétrons
Espessura
necessáriapara
absorver99% daradiaçãoincidente
Microscopia
Eletrônicade Varredura
e de Transmissão
Caracterização dos Materiais
Feixe de elétrons
Microscopia
Eletrônicade Varredura
Caracterização dos Materiais
Feixe de elétrons
Microscopia
Eletrônicade Varredura
e de Transmissão
Imagem
de altaresolução
com elétronsretro-
espalhadose secundários
para
nanopartículasde Pt em
um suportede grafite.
Caracterização dos Materiais
Feixe de elétrons
Microscopia
Eletrônicade Varredura
Caracterização dos Materiais
Feixe de elétrons
Microscopia
Eletrônicade Transmissão
Form
ação
da
imagem
em
TE
M
Caracterização dos Materiais
Feixe de elétrons
Microscopia
Eletrônicade Transmissão
Ato
mic
-resolu
tion e
lectr
on
mic
rogra
ph o
f A
l [0
01]
with
mis
fit
accom
modatio
n b
y e
dg
e
dis
locations (
arr
ow
ed).
Each s
pot
corr
espo
nds t
o p
roje
ctio
n
of
indiv
idua
l A
l ato
mic
colu
mn [
82].
Caracterização dos Materiais
Feixe de elétrons
Microscopia
Eletrônicade Transmissão
Caracterização dos Materiais
Diagrama de energias de
átomos isolados
Caracterização dos Materiais
Diagrama de energias de
sistemas m
oleculares
Modos extensionais e torcionais
Caracterização dos Materiais
Absorção de radiação
eletromagnética por um átomo
Espalhamento Raman e
Rayleigh
Caracterização dos Materiais
Raios X
Cromo-niquel sobre
prata-cobre
difração
fluorescência
30
35
40
45
0
50
00
100
00
150
00
200
00
250
00
300
00
350
00
FeP
t(11
1)
2θ
= 4
0.9
5o
Pt(
11
1)
2θ
= 3
9.8
5o
Fe
0.4
4P
t 0.5
6/P
t/S
iO2
Intensity (a.u.)
2θ
(de
gre
e)
Caracterização dos Materiais
Íons
RBS (Rutherford Back-Scattering Analysis)
200
250
300
350
400
Channel
05
10
15
20
NormalizedYield
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Energy(MeV)
Em geral, usa-se feixe de
partículas alfa ou
protons
-Colisões elásticas
determ
inam a m
assa
atômica que provo
cou o
espalhamento dos íons
PIXE (particle-induced X-ray Emission)
Caracterização dos Materiais
Íons
SIM
S (Secondary Ions M
ass Spectrometry Analysis)
Fonte
de íons
Esquemageraldo SIM
S
Perm
ite a análise composicional
em profundidade, com resolução
lateral de ~10 m
icrons e
sensibilidade composicional de
“partes por milhão (~0,1 ppm)”
Caracterização dos Materiais
Íons
Em geral, íons são m
ais utilizados
para produzir alterações estruturais
ou m
orfológicas nos m
ateriais
(por exemplo: dopagem de
semicondutores, endurecim
ento de
metais, F
eixe de Ío
ns Focalizados
(FIB), . . . )
Propried
ades Elétricas
Fís
ica
do
s M
ate
ria
is–
FM
T0
50
2 (
43
00
50
2)
1º
Se
me
stre
de
20
10
Metais
Isolantes e Sem
icondutores
Estrutura de ban
das em sólidos
Propried
ades Elétricas
Fís
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do
s M
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50
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43
00
50
2)
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Se
me
stre
de
20
10
Mobilidad
e eletrônica (µ µµµ)
Condutividad
e
ae
vE
µ=
en
eσ
µ=
Para metais:
ti
dρ
ρρ
ρ=
++
Termos co
rresp
onden
tes à
efeitos térm
icos, de im
purezas e
de deform
ações
Sem
icondutores
Fís
ica
do
s M
ate
ria
is–
FM
T0
50
2 (
43
00
50
2)
1º
Se
me
stre
de
20
10
Condutividad
e intrínsica
eb
ne
pe
σµ
µ=
+
Por elétrons e buraco
s
Sem
icondutores extrínsico
s
Tipo n
Fís
ica
do
s M
ate
ria
is–
FM
T0
50
2 (
43
00
50
2)
1º
Se
me
stre
de
20
10
Condutividad
e
eb
ne
pe
σµ
µ=
+
Por elétrons e buraco
s
Sem
icondutores extrínsico
s
Tipo p
Fís
ica
do
s M
ate
ria
is–
FM
T0
50
2 (
43
00
50
2)
1º
Se
me
stre
de
20
10
Condutividad
e
eb
ne
pe
σµ
µ=
+
Por elétrons e buraco
s
Sem
icondutores extrínsico
s
Fís
ica
do
s M
ate
ria
is–
FM
T0
50
2 (
43
00
50
2)
1º
Se
me
stre
de
20
10
Condutividad
e
eb
ne
pe
σµ
µ=
+
Por elétrons e buraco
s
Condução elétrica
Fís
ica
do
s M
ate
ria
is–
FM
T0
50
2 (
43
00
50
2)
1º
Se
me
stre
de
20
10
Cerâmicas iônicas
Onde: D é
o coeficiente de difusão e
n é
a valência
tota
le
ion
σσ
σ=
+
ii
ion
neD KT
µ=
Mobilidade iônica
Porém, mesmo em altas
temperaturas, as
cerâmicas iônicas
perman
ecem
iso
lantes
Polímeros,
Em geral são
mau
s co
ndutores elétrico
s
Polímeros co
ndutores
São
polím
eros especiais que
apresentam condutividad
e próxima a
dos metais (~10
7(Ω ΩΩΩ.m
)-1).
Exemplos: poliacetilen
o, p
olipirol,
polip
arfenilen
o e polian
ilina, com
dopag
em de im
purezas ap
ropriad
as.
Podem
ser dos tipos p ou n.
Van
tagen
s: baixa den
sidad
e,
flexibilidad
e e facilidad
e de
produção.
Dielétricos
Fís
ica
do
s M
ate
ria
is–
FM
T0
50
2 (
43
00
50
2)
1º
Se
me
stre
de
20
10
São
iso
lantes que exibem
estruturas co
m dipolos
elétrico
s (atômicos ou
molecu
lares).
São
usados em
cap
acitores.
Efeito Hall
Fís
ica
do
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ate
ria
is–
FM
T0
50
2 (
43
00
50
2)
1º
Se
me
stre
de
20
10
Efeito Hall é
o fenômeno onde um
campo m
agnético aplicado
perpendicularm
ente à
direção de
movimento de uma partícula
carregada exerce sobre a partícula
uma força perpendicular tanto ao
campo m
agnético como à
direção do
movimento.
Para elétrons
+V
-V-V
+V
Para buraco
s
qE
qvB
=
Do equilíbrio entre as forças elétrica e
mag
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Como:
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E, a voltag
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y
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Com os parâm
etros intrínsico
s define-se o coeficiente Hall:
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e=
E, a m
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Propried
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o O
mag
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smo
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ante
men
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Liga
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Isol
ante
Isol
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Comportamen
tos mag
néticos
Comportamen
tos mag
néticos
Exemplos :
oxigênio, sódio, sais de ferro e
de níquel, alumínio, silício.
Comportamen
tos mag
néticos
Param
agnetismo
()
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BX
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o
Superparamagneto
Monodomínio
Multidomínios
Partículas monodomínioe superparamagnéticastêm tamanhos menores
que micrometros, na faixa de menos que 500 nm. Por isso são chamadas
de nanopartículasmagnéticas.
O limite entre multidomínioe monodomíniodepende do mineral magnético.
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