Física dos Materiais FMT0502 ( )

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1 Física dos Materiais FMT0502 ( ) 1º Semestre de 2010 Instituto de Física Universidade de São Paulo Professor: Antonio Dominguesdos Santos Fone: de junho

2 Cerâmicas Cerâmicas são materiais inorgânicos e não-metálicos. São formadas por elementos químicos metálicos e não-metálicos, onde as ligações são iônicas ou preponderantemente iônicas. Cerâmicas tradicionais (à base de argila): louça, porcelana, tijolos, telhas, azulejos, vidros e cerâmicas de altas temperaturas. Hoje, Óxidos, nitretos, carbetos e muito mais! (sendo os óxidos as cerâmicas mais frequentes)

3 Cerâmicas AP r A cos α = cos 30 = = AO r + r A C

4 Cerâmicas Estrutura do NaCl 0,102/0,181 Estrutura do tipo AX Estrutura CFC Com 2 sub-redes Número de coordenação 6 Outros exemplos: FeO, LiF, MgO, MnS Mesmas estruturas cristalinas dos metais

5 Cerâmicas Estrutura do tipo AX Estrutura do CsCl 0,170/0,181 Estrutura do ZnS Blenda de Zinco Estrutura CS Com 2 sub-redes Número de coordenação 8 Estrutura CFC Com 2 sub-redes Número de coordenação 4 Outros: ZnTe, SiC

6 Estrutura do tipo A m X p Estrutura do CaF 2 Fluorita Cerâmicas Estrutura do tipo A m B n X p Conhecida como Perovskita Estrutura do BaTiO 3 Titanato de bário Estrutura CFC Estrutura CS Célula unitária com 8 cubos Número de coordenação 8(4) Ânions e cátions com cargas diferentes Mesma estrutura do CsCl

7 Cerâmicas Cálculo de densidade em cerâmicas ρ + = n( A A ) C A VN c A Soma das massas atômicas de cátions e ânions na unidade da fórmula Volume da célula unitária e número de Avogadro número de unidades da fórmula em uma célula unitária Qual a densidade do NaCl?

8 Cerâmicas Materiais baseados no carbono Grafeno Diamante Grafite Fulereno

9 Cerâmicas Ligações covalentes!!! Materiais baseados no carbono Grafeno Diamante Grafite Nanotubos

10 Cerâmicas à base de silicatos Vidros SiO 2 cristalino SiO 2 não cristalino (amorfo) (quartzo) (vidro) cristobalita

11 Imperfeições em cerâmicas Outros mecanismos de compensação de cargas (para FeO) Carga deve se manter neutra no sólido Impurezas (devem ser semelhantes) Defeitos aparecem aos pares

12 Diagramas de fases em cerâmicas Sistema Al 2 O 3 Cr 2 O 3 Sistema MgO Al 2 O 3

13 Propriedades mecânicas de cerâmicas Mecanicamente, as cerâmicas são muito rígidas e portanto frágeis!!! Elas possuem micro-trincas ou fissuras, que se propagam facilmente. Em geral as fraturas acontecem internamente aos grãos, ao longo de planos cristalográficos de alta densidade atômica. Comportamento tensão-deformação Em geral ensaios de tração são difíceis de serem aplicados em cerâmicas (elas não resistem às garras de fixação). Ensaios de flexão: A presença de umidade no meio circundante é especialmente danoso e potencializa a propagação das trincas (em um aparente processo de corrosão). Resistência à flexão ou resistência à fratura

14 Propriedades mecânicas de cerâmicas Comportamento tensão-deformação Ensaios de flexão: Limite de ruptura Inclinação

15 Processamento das cerâmicas Prensagem do pó Abrasivos Sinterização

16 Física dos Materiais Ligações químicas Polímeros

17 Polímeros ou Macromoléculas Moléculas de hidrocarbonetos - Cada átomo de carbono possui 4 elétrons para fazer ligações covalentes. - Cada átomo de hidrogênio possui 1 elétron. - As ligações intramoleculares são covalentes. Exemplos: Etileno (C 2 H 4 ) Acetileno (C 2 H 2 ) Butano (C 4 H 10 ) H C C H Isomerismo Ligações Simples, Duplas e Triplas Insaturadas Isobutano (C 4 H 10 )

18 Alguns compostos parafínicos C n H 2n+2 Polímeros ou Macromoléculas Moléculas de hidrocarbonetos Mero Polímero Monômero Isobutano -12,3

19 Física dos Materiais Polímeros Lista de Meros para os Polímeros mais comuns Trifuncional

20 Física dos Materiais Polímeros Massa molecular Em geral, no processo de produção as cadeias poliméricas apresentam uma grande variedade de tamanhos. Quantidade de semelhantes Massa de semelhantes Massas moleculares típicas ~100 g/mol gases ou líquidos ~1.000 g/mol sólidos pastosos > g/mol sólidos (até vários milhões!!!) M n = xm M i i p = wm i i n n = M m n n p = M m p Grau de polimerização Onde m é a massa molecular do mero

21 Física dos Materiais Polímeros Possíveis estruturas moleculares

22 Física dos Materiais Características mecânicas Limite de resistência à tração Frágeis Plásticos Altamente elásticos Limite de elasticidade Dependência com a temperatura

23 Física dos Materiais Características mecânicas

24 Física dos Materiais Características mecânicas Dependência com a temperatura Polímero amorfo

25 Características mecânicas Física dos Materiais Física dos Materiais FMT0502 ( ) Estágios de deformação de um polímero semicristalino 1º Semestre de 2010

26 Compósitos Compósitos: Mistura sólida de materiais de classes diferentes. Características geométricas e espaciais das partículas da fase dispersa que podem influenciar nas propriedades dos compósitos Concentração Tamanho Forma Distribuição Orientação

27 Compósitos Compósitos: Mistura sólida de materiais de classes diferentes. Classificação dos compósitos Tipos de matrizes (plasticidade): metálicas, poliméricas e cerâmicas (pouco usadas).

28 Compósitos Compósitos: Mistura sólida de materiais de classes diferentes. Comportamento mecânico dos compósitos

29 Compósitos: Mistura sólida de materiais de classes diferentes. Compósitos com fibras Orientação das fibras: a) Contínuas e alinhadas b) Descontínuas e alinhadas c) Descontínuas e desorientadas Anisotrópico Isotrópico

30 Compósitos: Mistura sólida de materiais de classes diferentes. Compósitos com fibras ou partículas Fibras ou Partículas (rigidez): metálicas, poliméricas e cerâmicas. Tipos de matrizes (plasticidade): Alta adesão entre matriz e enxerto metálicas, poliméricas e cerâmicas (pouco usadas).

31 Energia / Momento Matéria Fótons Íons Átomos Elétrons Neutrons Prótons Caracterização dos Materiais Propriedade a ser caracterizada Fótons Íons Átomos Elétrons Neutrons Prótons Energia / Momento Matéria 0,1Å (20kV)

32 Caracterização dos Materiais Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão

33 Caracterização dos Materiais Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Espessura necessária para absorver 99% da radiação incidente

34 Caracterização dos Materiais Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura

35 Caracterização dos Materiais Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Imagem de alta resolução com elétrons retroespalhados e secundários para nanopartículas de Pt em um suporte de grafite.

36 Caracterização dos Materiais Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura

37 Caracterização dos Materiais Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Transmissão Formação da imagem em TEM

38 Caracterização dos Materiais Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Transmissão Atomic-resolution electron micrograph of Al [001] with misfit accommodation by edge dislocations (arrowed). Each spot corresponds to projection of individual Al atomic column [82].

39 Caracterização dos Materiais Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Transmissão

40 Caracterização dos Materiais Diagrama de energias de átomos isolados

41 Caracterização dos Materiais Modos extensionais e torcionais Diagrama de energias de sistemas moleculares

42 Absorção de radiação eletromagnética por um átomo Caracterização dos Materiais Espalhamento Raman e Rayleigh

43 Caracterização dos Materiais Raios X Fe 0.44 Pt 0.56 /Pt/SiO 2 FePt(111) 2θ = o Pt(111) 2θ = o Intensity (a.u.) θ (degree) fluorescência difração Cromo-niquel sobre prata-cobre

44 Caracterização dos Materiais Íons PIXE (particle-induced X-ray Emission) Em geral, usa-se feixe de partículas alfa ou protons -Colisões elásticas determinam a massa atômica que provocou o espalhamento dos íons 20 Energy(MeV) Normalized Yield 5 RBS (Rutherford Back-Scattering Analysis) Channel

45 Caracterização dos Materiais Íons SIMS (Secondary Ions Mass Spectrometry Analysis) Fonte de íons Esquema geral do SIMS Permite a análise composicional em profundidade, com resolução lateral de ~10 microns e sensibilidade composicional de partes por milhão (~0,1 ppm)

46 Caracterização dos Materiais Íons Em geral, íons são mais utilizados para produzir alterações estruturais ou morfológicas nos materiais (por exemplo: dopagem de semicondutores, endurecimento de metais, Feixe de Íons Focalizados (FIB),... )

47 Propriedades Elétricas Metais Isolantes e Semicondutores Estrutura de bandas em sólidos

48 Propriedades Elétricas Mobilidade eletrônica (µ) va =µ ee Condutividade σ = ne µ e Para metais: ρ = ρ t + ρ i + ρ d Termos correspondentes à efeitos térmicos, de impurezas e de deformações

49 Semicondutores Condutividade intrínsica σ = ne µ e + pe µ b Por elétrons e buracos

50 Semicondutores extrínsicos Tipo n Condutividade σ = ne µ e + pe µ b Por elétrons e buracos

51 Semicondutores extrínsicos Tipo p Condutividade σ = ne µ e + pe µ b Por elétrons e buracos

52 Semicondutores extrínsicos Condutividade σ = ne µ e + pe µ b Por elétrons e buracos

53 Condução elétrica Cerâmicas iônicas Polímeros, σ total = σ e + σ ion Em geral são maus condutores elétricos Mobilidade iônica µ = ion ned KT i i Onde: D é o coeficiente de difusão e n é a valência Porém, mesmo em altas temperaturas, as cerâmicas iônicas permanecem isolantes Polímeros condutores São polímeros especiais que apresentam condutividade próxima a dos metais (~10 7 (Ω.m) -1 ). Exemplos: poliacetileno, polipirol, poliparfenileno e polianilina, com dopagem de impurezas apropriadas. Podem ser dos tipos p ou n. Vantagens: baixa densidade, flexibilidade e facilidade de produção.

54 Dielétricos São isolantes que exibem estruturas com dipolos elétricos (atômicos ou moleculares). São usados em capacitores.

55 Efeito Hall Efeito Hall é o fenômeno onde um campo magnético aplicado perpendicularmente à direção de movimento de uma partícula carregada exerce sobre a partícula uma força perpendicular tanto ao campo magnético como à direção do movimento. Do equilíbrio entre as forças elétrica e magnética sobre os portadores de cargas, temos: Como: q qe = qvb I = = nevcd t I B E = necd temos: x z y E, a voltagem Hall: V = ce = H y I x B z ned -V +V +V -V Com os parâmetros intrínsicos define-se o coeficiente Hall: R H = 1 ne Para elétrons Para buracos E, a mobilidade dos portadores de carga: σ µ = = R H σ ne

56 Propriedades Magnéticas L = mvr R

57 Propriedades Magnéticas O magnetismo é preponderantemente um efeito do spin do elétron!

58 Princípio de exclusão de Pauli e as moléculas H 2 O mesmo ocorre quando há h formação de uma ligação química (covalente) Ligação simples Nesse caso, os dois elétrons de spins opostos ocupam um mesmo orbital molecular. O 2 Ligação dupla Camadas fechadas têm spin total nulo.

59 Princípio de exclusão de Pauli e os sólidos Metal Isolante Em metais,, os níveis n discretos de energia são substituídos por bandas de energia com um número n macroscópico ( ) de estados finamente espaçados. ados. Cada estado é ocupado por 2 elétrons com spins opostos. Em isolantes, as camadas fechadas têm spin total nulo.

60 Comportamentos magnéticos

61 Comportamentos magnéticos Exemplos : oxigênio, sódio, sais de ferro e de níquel, alumínio, silício.

62 Comportamentos magnéticos Paramagnetismo M = NgJ µ B ( X ) B J x = gj µ B K T g = 1 + B / B J( J + 1) + S( S _1) L( L + 1) 2 J( J + 1) Fator de Landé Função de Brillouin 2J + 1 (2 J + 1) x 1 x B J( x) = cotgh cotgh 2J 2J 2J 2J

63 Ferromagnetismo: Fe, Co, Ni,... O ferromagnetismo acontece quando existe uma diminuição da energia com o alinhamento (parcial ou total) dos spins dos elétrons de um material. Isso ocorre abaixo de uma temperatura crítica T c Esse é um efeito coletivo: um efeito coletivo: é preciso um alinhamento de um número macroscópico ( ( ) de spins para que ele aconteça. a. Energia de Troca (exchange energy). U = 2JS i is Onde: U j Onde: U é a energia de troca, J é a integral de troca e S é o spin eletrônico.

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66 Domínios magnéticos Na verdade, se você pegar um pedaço o grande de Fe natural, ele não será um íma permanente. Isso porque ele é composto por um número n enorme de pequenos ímãs (domínios) cada um apontando em uma direção. Isso é energeticamente mais favorável. vel. Domínio Parede de domínio Estrutura de domínios de Fe + 3% Si.

67 Outros tipos de magnetismo

68 Dependência do tamanho Monodomínio Multidomínios Superparamagneto Partículas monodomínio e superparamagnéticas têm tamanhos menores que micrometros, na faixa de menos que 500 nm. Por isso são chamadas de nanopartículas magnéticas. O limite entre multidomínio e monodomínio depende do mineral magnético.