Prof. Willyan Machado Giufrida Curso de Engenharia Química. Ciências dos Materiais. Introdução

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Edite Fialho Ximenes
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1 Ciências dos Materiais Introdução

2 O que são Materiais? Uma parte da matéria no universo; São as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas, dispositivos ou produtos consumíveis. intimamente relacionados com a ascensão do homem: Idade da pedra Idade do bronze Idade do ferro

3 Civilizações antigas Pedra, madeira, argila, peles(couro), etc... Evolução Materiais naturais poderiam ser tratados originando outros com propriedades melhores.

4 Ciência e Engenharia de Materiais (CEM) é a área da atividade humana associada com a geração e com a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento dos materiais às suas propriedades e aplicações; a CEM, em conjunto, formam uma ponte de conhecimentos sobre materiais, que liga as ciência básicas às diversas especialidades de engenharia.

5 Ciências dos Materiais: visa essencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais. Engenharia de Materiais: se dedica principalmente à aplicação desses conceitos.

6 Ciências dos Materiais é um empreendimento com propósitos que alcançam desde o micromundo dos átomos e dos elétrons até o gigantesco macromundo material com funções e serviços que apóiem o homem na busca das soluções para os problemas da sociedade; é uma multidisciplina que abrange algumas outras disciplinas, como: metalurgia e cerâmicos; física do estado sólido e química orgânica.

7 Tipos de Materiais:

Metais Os metais estão ligados por retículos cristalinos, sendo que cada átomo fica circundado por 8 ou 12 outros átomos do mesmo elemento metálico, tendo, portanto,

8 Metais Os metais estão ligados por retículos cristalinos, sendo que cada átomo fica circundado por 8 ou 12 outros átomos do mesmo elemento metálico, tendo, portanto, atrações iguais em todas as direções; Essa estrutura em retículos e esse tipo de ligação química resultam em uma série de propriedades que são características dos átomos.

10 Condução de eletricidade: são ótimos condutores de eletricidade; os metais possuem um mar de elétrons livres, ou deslocalizados, esses elétrons permitem a transição rápida de eletricidade através do metal;

11 Condução de Calor: Ocorre na presença dos elétrons livres que são dotados de movimento. Esses elétrons permitem o trânsito rápido do calor; e por isso os metais são usados em panelas e caldeiras industriais.

12 Densidade elevada: normalmente os metais são densos, em virtude das estruturas compactas dos retículos cristalinos.

13 Pontos de fusão e ebulição altos: a força de atração causada pelo elétrons livres é muito forte, mantendo os átomos unidos com muita intensidade. Assim, para que se rompa essa ligação é preciso fornecer altas energias externas. Essa é uma característica que permite o uso dos metais em caldeiras, tachos e reatores nucleares, onde ocorrem aquecimentos intensos e eles não derretem.

14 Exemplo: Tungstênio (W): É o metal de maior ponto de fusão (3.403, 85 ºC).

15 Resistência a tração: são muito resistentes às forças que se aplicam sobre eles ao serem puxados ou alongados.

16 Maleabilidade e ductibilidade: maleabilidade é a capacidade de moldar os metais em lâminas finas; essas duas propriedades resultam do fato de os átomos dos metais poderem escorregar uns sobre os outros.

17 Liga de Al da asa de um avião

19 Cerâmicas e Vidros Composições de elementos metálicos e não metálicos; Óxidos, nitretos e carbetos; Argilas, cimento e vidro; Normalmente isolantes; Duros e quebradiços; Resistente a altas temperaturas

20 Exemplos: Al 2 O 3 (óxido de alumínio) Quimicamente estável Ponto de Fusão: Al = 660 C Al 2 O 3 = 2020 C

21 Outras características: Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão. São geralmente isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutoras, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos, em faixas específicas de temperatura). São comumente estáveis sob condições ambientais severas. Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis.

22 Principais materiais cerâmicos: Cerâmicas estruturais, louças, refratários (provenientes de matérias primas argilosas). Vidros e Vitro-Cerâmicas. Abrasivos. Cimentos. Cerâmicas Avançadas : aplicações eletroeletrônicas, térmicas, mecânicas, ópticas, químicas, biomédicas.

23 Principal tipo de vidro: vidro de sílica Sólido não cristalino que apresenta apenas ordenação atômica de curto alcance. Composição Química: Principal óxido: SiO 2 ; outros óxidos: CaO, Na 2 O, K 2 O e Al 2 O 3. Os produtos de vidro são conformados (moldados) a quente, quando o material está fundido (apresentase como um material de elevada viscosidade, que pode ser deformado plasticamente sem se romper).

24 Estrutura dos Metais Cerâmicos Cerâmicos cristalinos: É mais complexa que a dos metais, uma vez que eles são compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de átomo ocupa posições determinadas no reticulado cristalino. Exemplo : Titanato de Bário (BaTiO 3 )

25 Vidros (Cerâmicas Não-Cristalinas)

26 Estrutura dos Materiais Cerâmicos - Defeitos

27 Classificação dos Materiais Cerâmicos Baseada na Aplicação

29 Polímeros A palavra polímeros vem do grego poli, que significa muitas, e meros, que é partes. Usualmente o termo plástico é utilizado para designar os materiais poliméricos. É correto? Plástico significa: capaz de ser moldado

30 Quimicamente, os POLÍMEROS são: materiais naturais ou sintéticos; geralmente de origem orgânica; compostos por cadeias com altos pesos moleculares; Polimerização: Os polímeros são compostos por macromoléculas, obtidos através de reações de polimerização de compostos simples denominados monômeros. Sendo que a unidade repetidora, mais simples dos polímeros denomina-se mero.

34 Copolímeros:

37 Aplicações:

38 Biopolímeros - Biomateriais Para amenizar os efeitos decorrentes do uso de materiais poliméricos convencionais, novos polímeros de caráter biodegradável estão sendo desenvolvidos em função de aplicações que necessitam do material por período de tempo determinado. A biodegradação é um processo pelo qual microorganismos como bactérias, fungos ou algas convertem os materiais em dióxido de carbono, água e biomassa.

39 Dentre uma gama de novos polímeros pode-se destacar os poli(hidroxi alcanoatos) (PHA s). PHA s pertence a família dos poliesteres naturais lineares de acidos hidroxialcanoicos Fórmula estrutural geral dos PHA s Fórmula estrutural do poli(hidroxibutirato) PHB Fórmula estrutural química do PHBV

40 Compósitos Combinação de materiais de diferentes características; Formados por dois materiais a nível macroscópico; Enorme gama de propriedades; Excelentes rigidez e resistência específicas; Fibras e matriz cerâmicas resistem a altas temperaturas.

43 Aplicações:

44 Semicondutores São materiais que não são bons condutores e também não são bons isolantes; A condutividade dos semicondutores não é como dos condutores, (metais), entretanto, eles têm algumas características elétricas que os tornam especiais; Os elementos silício (Si), germânio (Ge) e estanho (Sn) são limites entre metálicos e não metálicos.

temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas.

45 Em comparação com os metais e os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas. O silício e o germânio são muito utilizados na construção de dispositivos eletrônicos.

46 Aplicações:

47 Nanomateriais São materiais contendo cristais ou clusters de átomos com dimensões da ordem do nanômetro, que corresponde a uma escala intermediária entre o átomo isolado e o material macroscópico.

48 Desenvolvimento de materiais: várias propriedades que devem ser levadas em consideração: Econômicas Mecânicas Superficiais Fabricação Físicas e Químicas Microestruturais Estéticas

50 Propriedades Econômicas: Preço Custos Financeiros Valor de Mercado Incentivos Fiscais Disponibilidade Fornecedores Alternativos Materiais com Propriedades Equivalentes Atualização Tecnológica Necessário Estudo Permanente

51 Relação entre Ligações Químicas e Propriedades dos materiais

52 As propriedades dos materiais, tais como estado físico (sólido, líquido ou gasoso), os pontos de ebulição e fusão, entre outras, devem-se, em grande parte, devido ao tipo de ligação química que seus átomos realizam para a sua formação. Existem três tipos básicos de ligações químicas denominadas primárias: Iônica, Covalente e Metálica.

53 Ligações Primárias fortes: Ligação metálica: Eletropositivo + Eletropositivo Ligação covalente: Eletronegativo + Eletronegativo Ligação iônica: Eletropositivo + Elétronegativo Temos também as ligações secundárias: Pontes de Hidrogênio, forças de Vander Waals, ligações intermoleculares fracas, dipolos naturais, dipolos induzidos, etc..

54 As propriedades principais resultantes de cada uma dessas ligações são: Substâncias Iônicas: Formação de retículos cristalinos; Caráter sólidas e quebradiços; Elevados pontos de fusão e ebulição; Conduzem corrente elétrica; São polares; Elevada dureza.

55 Substâncias moleculares: Podem ser encontradas nos três estados físicos; Compostos covalentes sólidos: sacarose (açúcar), grafite, diamante, enxofre e fósforo; Pontos de fusão e ebulição menores que os das substâncias iônicas; Podem ser polares ou apolares; não conduzem corrente elétrica;

56 Substâncias Metálicas: A maioria dos metais é sólida em condições ambientes; Brilho metálico característico; Densidade elevada; Pontos de fusão e ebulição elevados;

58 Estruturas Cristalinas: Estruturas Cristalinas são formadas por unidades básicas e repetitivas denominadas de Células Unitárias; Célula Unitária - menor arranjo de átomos que pode representar um sólido cristalino; Existem 7 sistemas cristalinos básicos que englobam todas as substâncias cristalinas conhecidas;

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