Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 1/64 Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11

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Ciência dos Materiais IProf. 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

Regiãocristalina

Regiãoamorfa PE


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Cristalinidade em polímeros: esferulitas


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Cristalinidade em polímeros: esferulitas

Direção de crescimentoda esferulita

Material amorfo

Lamelas cristalinas

Moléculade

ligação

Ponto de nucleação


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Direção do aumento da resistência mecânica

Ramificada Ligações Cruzadas RedeLinear

Ligaçõessecundárias

Estrutura moleculare resistência mecânica de

polímeros


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17/64Deformação

Tensã

o (

MPa)

Plástico

Elastômero

Frágil

Propriedades mecânicas de polímeros

Tensão x Deformação

Limite de resistência à tração


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Deformação

Ten

são

Limite de resistência à tração

Limite de escoamento


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Polímero Limite de resistência

à tração(MPa)

Limite de escoamento

(MPa)

Alongamento na

fratura(%)

Polietileno (baixa

densidade)8,3 - 31,4 9,0 – 14,5 100 -650

Polietileno (alta densidade)

22,1 – 31,0 26,2 – 33,1 10 – 1200

PMMA 48,3 – 72,4 53,8 – 73,1 2,0 – 5,5

Náilon 75,9 – 94,5 44,8 – 82,8 15 – 300

PVC 40,7 – 51,7 40,7 – 44,8 40 – 80

PTFE 20,7 – 34,5 - 200 – 400

Metais 4100 600 100


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Temperatura x Deformação

Ten

são (

MPa)

Deformação

PMMA

temperatura resistência

temperatura alongamento


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Deformação em polímeros plásticos e

frágeis

ruptura frágil

ruptura plástica x

deslizamento dasregiões cristalinas

estrutura fibrilar

próximo à ruptura

alinhamento dasregiões cristalinas

próximo à ruptura

polímerossemicristalinos alongamento

das regiões amorfas

Carga/descarga

Estrutura inicial

estruturaem rede

estruturalinear

xTen

são (

MPa)

Deformação


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Deformação em polímeros plásticos e

frágeis

Deformação

Ten

são Limite de

escoamento

A deformação é confinada ao pescoço!

Início da formaçãodo pescoço


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Deformação em elastômeros

Ligaçõescruzadas

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


Elásticos...


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UHMWPE


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.

+--

elétronnúcleo


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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 = m H m = susceptibilidade magnética

Assim, a indução magnética ou densidade de fluxo magnético em um material sujeito a um campo magnético externo H é:

B = 0H + 0 M 0 = permeabilidade do vácuo


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(1) diamagnético

nenh

um

opos

to

(2) paramagnético al

eató

rio

alin

hado

(3) ferromagnético

alin

hado

alin

hado

H = 0 Com campo

m < 0 Campo com o material é menor que no vácuo

m ~ 10-5 – 10-2

Não magnéticos

m ~ 106B ≈ 0 M


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Campo magnético, H

Den

sid

ad

e d

o fl

uxo,

B

Ferromagnético

Paramagnético

Vácuo

Diamagnético

0M


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Magnetização e temperatura de Curie

Magneti

zaçã

o d

e s

atu

raçã

o (

10

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

Fronteirado domínio

Domínios são pequenas regiões onde existe o alinhamento na mesma direção de todos os momentos magnéticos.

Domínios

Fronteirasentre domínios

Contornode grão


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Campo magnético (H)

Indu

ção

Mag

nétic

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.



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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 = 0 (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 durosImãs permanentes

Ciclo quadradoDispositivos de memória

Materiais molesNúcleos de transformadores

Histerese

Materiais magneticamente moles e duros.


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Entrada do sinal Saída do sinalLerGravar

Cabeçade 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

Enrolamentoprimário 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 .


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Células solares

Silício tipo n

Silício tipo p

Junção p-n

luz

+

-

++ +

---

Criação de parelétron-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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metaisRefração


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Refração

(

(

1

2

v1

v2

n1 sen 1 = n2 sen 2

ii

cn

v = índice de refração

c = velocidade da luz no vácuo

n = constante dielétrica


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Reflexão interna total

1

'1

2

1C

nSen

n

n1

n2

c


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Fibras ópticas


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Gradual (parabólico)

Perfis de índice de refração

Degrau


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metaisReflexão A fração da luz incidente em uma superfície

que é refletida, a refletividade do material, é dada por

0

RIRI

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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metaisAbsorção

Ao percorrer uma distância x dentro de um material com coeficiente de absorção , a intensidade de luz absorvida será

IA = I0 e -x


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metaisTransmissão

A intensidade de luz transmitida através de um material com espessura l e coeficiente de absorção é

IT = I0 (1-R)2e -l


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metaisAs intensidades de luz transmitida, refletida e absorvida

são funções do comprimento de onda da radiação incidente.

Vidro verde


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metaisA 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

Tra

nsm

itân

cia

(%

)

rubi

safira

Comprimento de onda (m)


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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

LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation


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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

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