Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

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1 Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos 1/64 2/64 Polímeros Polímeros Monômero C C C C C C C C C C Etileno Polietileno (PE) Polímero Ex: madeira, lã, couro, borracha, seda, plásticos... C C C C C C Cl Cl Cl Poli (cloreto de vinila) (PVC) C C C C C C C 3 C 3 C 3 Polipropileno (PP) 3/64 4/64

2 Polímeros Polímeros Possíveis rotações e torções em torno de ligações simples podem levar à formação de cadeias poliméricas não necessariamente retilíneas. 5/64 6/64 Polímeros lineares Polímeros ramificados As unidades são unidas em cadeias únicas. Ex. PVC, náilon, PMMA, PE, PS São polímeros onde cadeias de ramificações laterais são conectadas às cadeias principais. É interessante observar que os polímeros com estrutura linear podem ser ramificados. 7/64 8/64

3 Polímeros com ligações cruzadas Vulcanização São polímeros onde cadeias adjacentes estão unidas umas às outras através de ligações covalentes. Formação de ligações cruzadas através de ligações químicas. enxofre 9/64 10/64 Polímeros em rede Cristalinidade em polímeros São polímeros que possuem muitas ligações cruzadas formando redes tridimensionais. Ex. epóxi. Célula Unitária Cadeias dobradas 11/64 Polietileno 12/64

4 Cristalinidade em polímeros Cristalinidade em polímeros: esferulitas 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. Região cristalina Região amorfa PE 13/64 14/64 Cristalinidade em polímeros: esferulitas Estrutura molecular e resistência mecânica de polímeros Direção de crescimento da esferulita Lamelas cristalinas Material amorfo Ligações secundárias Linear Molécula de ligação Ramificada Ligações Cruzadas Rede Direção do aumento da resistência mecânica Ponto de nucleação 15/64 16/64

5 Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Tensão (MPa) Frágil Plástico Limite de resistência à tração Elastômero Limite de resistência à tração Limite de escoamento Tensão Deformação 17/64 Deformação 18/64 Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Propriedades mecânicas de polímeros Temperatura x Deformação Polímero Polietileno (baixa densidade) Polietileno (alta densidade) PMMA Limite de resistência à tração (MPa) 8,3-31,4 22,1 31,0 48,3 72,4 Limite de escoamento (MPa) 9,0 14,5 26,2 33,1 53,8 73,1 Alongamento na fratura (%) ,0 5,5 Tensão (MPa) PMMA temperatura resistência temperatura alongamento Náilon 75,9 94,5 44,8 82, PVC 40,7 51,7 40,7 44, PTFE 20,7 34, Deformação Metais /64 20/64

6 Deformação em polímeros plásticos e frágeis Deformação em polímeros plásticos e frágeis próximo à ruptura Estrutura inicial Tensão (MPa) xruptura frágil Carga/descarga ruptura plástica x estrutura fibrilar próximo à ruptura Tensão Limite de escoamento Início da formação do pescoço estrutura linear estrutura em rede Deformação deslizamento das regiões cristalinas Deformação polímeros semicristalinos alongamento das regiões amorfas alinhamento das regiões cristalinas 21/64 A deformação é confinada ao pescoço! 22/64 Deformação em elastômeros Ligações cruzadas Aplicações de polímeros Plásticos Quimicamente inertes, mecanicamente resistentes, isolantes, transparentes, translúcidos ou opacos, etc... Tensão Tensão Revestimentos, brinquedos, lentes, vedações, engrenagens, isolantes, garrafas, etc... O aumento da entropia faz o polímero retornar à sua forma original quando a tensão é retirada! 23/64 24/64

7 Aplicações de polímeros Aplicações de polímeros Elastômeros UMWPE Elásticos... Alta resistência química, a impacto, desgaste e abrasão, baixo coeficiente de atrito, autolubrificante e antiaderente. UMWPE 25/64 26/64 Propriedades magnéticas 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. Quando um campo magnético externo é aplicado a um material, seus momentos magnéticos tendem a se alinhar com o campo, dando origem a uma magnetização M dada por M = χ m χ m = susceptibilidade magnética núcleo + - elétron Assim, a indução magnética ou densidade de fluxo magnético em um material sujeito a um campo magnético externo é: B = µ 0 + µ 0 M µ 0 = permeabilidade do vácuo 27/64 28/64

8 Propriedades magnéticas Propriedades magnéticas = 0 Com campo (1) diamagnético χ m < 0 Não magnéticos (2) paramagnético χ m ~ nenhum aleatório oposto alinhado Campo com o material é menor que no vácuo Densidade do fluxo, B Ferromagnético Paramagnético µ 0 M Vácuo Diamagnético (3) ferromagnético χ m ~ 10 6 alinhado alinhado B µ 0 M Campo magnético, 29/64 30/64 Magnetização e temperatura de Curie Com o aumento da temperatura se torna mais difícil a orientação dos momentos magnéticos. Domínios magnéticos Domínios são pequenas regiões onde existe o alinhamento na mesma direção de todos os momentos magnéticos. Magnetização de saturação (10 6 A/m) Fe 3 O 4 Temperatura ( C) Fe Temperatura de Curie 31/64 Domínios Fronteiras entre domínios Contorno de grão Fronteira do domínio 32/64

9 Domínios magnéticos Domínios magnéticos À medida que um campo é aplicado, os domínios mudam de forma e de tamanho. Bsat Indução Magnética (B) 0 = 0 Campo magnético () 33/64 Domínios com momentos magnéticos alinhados crescem às custas daqueles fracamente alinhados! = 0 34/64 isterese isterese Quando o campo é reduzido à partir da saturação, a curva de M versus não retorna seguindo seu trajeto original. Isto é histerese! M B 3 3. Remanência, = 0 mas a magnetização continua M 2. A aplicação de causa magnetização Coercividade, C 1. Estado inicial desmagnetizado Saturação B = µ 0 ( + M) 35/64 36/64

10 isterese isterese O campo não tem de ser aumentado até que a saturação seja atingida! 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. Repetidos ciclos com alternado e decrescente são usados para desmagnetizar materiais ferromagnéticos 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! 37/64 38/64 isterese Armazenamento magnético Materiais magneticamente moles e duros. B Materiais moles Núcleos de transformadores Materiais duros Imãs permanentes Meio de gravação Cabeça de gravação Ciclo quadrado Dispositivos de memória Entrada do sinal Gravar Ler Saída do sinal 39/64 40/64

11 Armazenamento magnético Transformador de tensão Núcleo ferromagnético 20 kbyte/mm X Enrolamento primário Enrolamento secundário 12 Mbyte/mm 2 B X 41/64 42/64 Interação de luz com sólidos de metais Os metais são opacos para a maioria das radiações do espectro eletromagnético! Eles são transparentes para raios x e γ. Incidente, I 0 Absorvida, I A Transmitida, I T Refletida, I R I 0 = I R + I T + I A 43/64 44/64

12 Células solares de metais luz Criação de par elétron-buraco 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! Silício tipo n Junção p-n Silício tipo p /64 46/64 de não-metais de não-metais Refração 47/64 48/64

13 Refração Reflexão interna total θ 1 ( v 1 n 1 sen θ 1 = n 2 sen θ 2 v 2 c θ 2 ni = = índice de refração v ( i c = velocidade da luz no vácuo n 2 n 1 ' θ 1 n κ κ = constante dielétrica θ c θ 1 n Senθ C = n /64 50/64 Fibras ópticas Perfis de índice de refração Degrau Gradual (parabólico) 51/64 52/64

14 de não-metais Reflexão A fração da luz incidente em uma superfície que é refletida, a refletividade do material, é dada por I R R = 0 Quando a luz incide normalmente à interface, R n I n 2 1 = n2 + n1 2 n 1 = 1 para vácuo ou ar 53/64 de não-metais Absorção Ao percorrer uma distância x dentro de um material com coeficiente de absorção α, a intensidade de luz absorvida será I A = I 0 e -αx 54/64 de não-metais Transmissão A intensidade de luz transmitida através de um material com espessura l e coeficiente de absorção α é de não-metais As intensidades de luz transmitida, refletida e absorvida são funções do comprimento de onda da radiação incidente. I T = I 0 (1-R) 2 e -αl Vidro verde 55/64 56/64

15 de não-metais Diodos emissores de luz (LED) A 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. Sob determinadas circunstâncias, a aplicação de polarização direta a uma junção semicondutora, ocorre a emissão de radiação visível ou no infravermelho. Transmitância (%) 80 safira 70 rubi Comprimento de onda (µm) 57/64 58/64 Diodos emissores de luz orgânicos (OLED) Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 59/64 60/64

16 Laser de rubi (Al 2 O 3 + 0,05% Cr 3+ ) Laser de rubi Antes da excitação Após excitação Emissão espontânea 61/64 Laser 62/64 Laser de semicondutor Laser de semicondutor 63/64 64/64