sumário c APítulO 1 introdução à engenharia e ciência dos materiais... 1 1.1 Materiais e engenharia...2 1.2 Engenharia e ciência dos materiais...4 1.3 Tipos de materiais...4 1.3.1 Materiais metálicos...4 1.3.2 Materiais poliméricos...5 1.3.3 Materiais cerâmicos...7 1.3.4 Materiais compósitos...8 1.3.5 Materiais eletrônicos...9 1.4 Concorrência entre materiais...10 1.5 Avanços recentes na tecnologia e na ciência dos materiais e suas tendências futuras... 11 1.5.1 Materiais inteligentes... 11 1.5.2 Nanomateriais...12 1.6 Projeto e seleção...13 1.7 Resumo...14 1.8 Problemas...14 c APítulO 2 estrutura e ligações Atômicas... 16 2.1 Estrutura atômica e partículas subatômicas...17 2.2 Números atômicos, números de massa e massas atômicas...18 2.2.1 Números atômicos e números de massa...18 2.3 Estrutura eletrônica dos átomos...21 2.3.1 Teoria quântica de Planck e radiação eletromagnética...21 2.3.2 Teoria de Bohr do átomo de hidrogênio...24 2.3.3 Princípio da incerteza e funções de onda de Schrodinger...26 2.3.4 Números quânticos, níveis de energia e orbitais atômicos...28 2.3.5 Estado de energia de átomos multieletrônicos...30 2.3.6 Modelo quantum-mecânico e tabela periódica...31 2.4 Variações periódicas no tamanho atômico, na energia de ionização e na afinidade eletrônica.33 2.4.1 Tendências no tamanho atômico...33 2.4.2 Tendências na energia de ionização..34 2.4.3 Tendências na afinidade eletrônica...36 2.4.4 Metais, metaloides e não metais...36 2.5 Ligações primárias...38 2.5.1 Ligações iônicas...39 2.5.2 Ligações covalentes...43 2.5.3 Ligações metálicas...47 2.5.4 Ligações mistas...49 2.6 Ligações secundárias...51 2.7 Resumo...52 2.8 Problemas...53 c APítulO 3 estrutura cristalina e Amorfa nos materiais... 58 3.1 Rede espacial e células unitárias...59 3.2 Sistemas cristalográficos e redes de bravais...59 3.3 Principais estruturas cristalinas dos metais...60 3.3.1 Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC)...62 3.3.2 Estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC)...65 3.3.3 Estrutura cristalina hexagonal compacta (HC)...65 3.4 Posições atômicas em células unitárias cúbicas...67 3.5 Direções em células unitárias cúbicas...68 3.6 Índices de Miller de planos cristalográficos em células unitárias cúbicas...70 3.7 Planos e direções cristalográficas em células unitárias hexagonais...74 3.7.1 Índices de planos cristalográficos em células unitárias HC...74 3.7.2 Índices de direções em células unitárias HC...75 3.8 Comparação entre as estruturas cristalinas CFC, HC e CCC...75 3.8.1 Estruturas cristalinas CFC e HC...75 3.8.2 Estrutura cristalina CCC...77 3.9 Cálculo de densidades, planares e lineares em células unitárias...77 3.9.1 Densidade...77 3.9.2 Densidade atômica planar...79 3.9.3 Densidade atômica linear...80 3.10 Polimorfismo ou alotropia...81 3.11 Determinação de estruturas cristalinas...82 3.11.1 Fontes de raios X...82 3.11.2 Difração de raios X...83
xii Sumário 3.11.3 Análises de estruturas cristalinas por difração de raios X...85 3.12 Materiais amorfos...89 3.13 Resumo...90 3.14 Problemas...91 c APítulO 4 solidificação e imperfeições cristalinas... 96 4.1 Solidificação de metais...97 4.1.1 Formação do núcleo estável dentro do metal líquido...98 4.1.2 Crescimento de cristais no metal líquido e formação de uma estrutura de grãos...101 4.1.3 Estrutura de grão nos fundidos industriais...102 4.2 Solidificação de monocristais...104 4.3 Soluções sólidas metálicas...106 4.3.1 Soluções sólidas substitucionais...106 4.3.2 Soluções sólidas intersticiais...108 4.4 Imperfeições cristalinas...109 4.4.1 Defeitos pontuais...109 4.4.2 Defeitos lineares (discordâncias)... 110 4.4.3 Defeitos planares... 111 4.4.4 Defeitos volumétricos... 114 4.5 Técnicas experimentais para identificação da microestrutura e dos defeitos... 114 4.5.1 Metalografia óptica, tamanho de grão ASTM e determinação do diâmetro do grão... 114 4.5.2 Microscopia eletrônica de varredura (MEV)... 118 4.5.3 Microscopia eletrônica de transmissão (MET)... 119 4.5.4 Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (METAR)...120 4.5.5 Microscópicos eletrônicos de varredura por sonda e alta resolução 121 4.6 Resumo...123 4.7 Problemas...124 c APítulO 5 Processos termicamente Ativados e difusão em sólidos... 128 5.1 Processos cinéticos em sólidos...129 5.2 Difusão atômica em sólidos...132 5.2.1 Generalidades sobre a difusão em sólidos...132 5.2.2 Mecanismos de difusão...132 5.2.3 Difusão em regime estacionário...133 5.2.4 Difusão em regime não estacionário 136 5.3 Aplicações industriais de processos de difusão...137 5.3.1 Cementação do aço...137 5.3.2 Difusão de impurezas em lâminas de silício para circuitos integrados.140 5.4 Efeito da temperatura na difusão em sólidos..143 5.5 Resumo...145 5.6 Problemas...146 c APítulO 6 Propriedades mecânicas dos metais i... 149 6.1 Processamento de metais e ligas...150 6.1.1 Fundição de metais e ligas...150 6.1.2 Laminação a quente e a frio de metais e ligas...152 6.1.3 Extrusão de metais e ligas...154 6.1.4 Forjamento...155 6.1.5 Outros processos de conformação de metais...156 6.2 Tensão e deformação em materiais metálicos...157 6.2.1 Deformação elástica e plástica...157 6.2.2 Tensão e deformação de engenharia.158 6.2.3 Coeficiente de Poisson...160 6.2.4 Tensão e deformação de cisalhamento...160 6.3 Ensaio de tração e diagrama de tensão Deformação de engenharia...161 6.3.1 Valores das propriedades mecânicas obtidas a partir do ensaio de tração e do diagrama tensão-deformação de engenharia...162 6.3.2 Comparação entre curvas de tensão- -deformação de engenharia para algumas ligas...166 6.3.3 Tensão e deformação reais...166 6.4 Dureza e ensaio de dureza...168 6.5 Deformação plástica de monocristais...168 6.5.1 Bandas e linhas de escorregamento nas superfícies de cristais metálicos 168 6.5.2 Deformação plástica de cristais metálicos pelo mecanismo de escorregamento...170 6.5.3 Sistemas de escorregamento...171 6.5.4 Tensão de cisalhamento resolvida crítica em monocristais metálicos...174 6.5.5 Lei de Schmid...176 6.5.6 Maclagem...177 6.6 Deformação plástica de metais policristalinos...179 6.6.1 Efeito dos contornos de grão na resistência mecânica de metais...179
Sumário xiii 6.6.2 Efeito da deformação plástica na forma dos grãos e no arranjo das discordâncias...180 6.6.3 Efeito da deformação plástica a frio no aumento da resistência mecânica dos metais...180 6.7 Endurecimento de metais por solução sólida...183 6.8 Recuperação e recristalização de metais deformados plasticamente...183 6.8.1 Estrutura de um metal fortemente deformado a frio antes do reaquecimento...184 6.8.2 Recuperação...184 6.8.3 Recristalização...185 6.9 Superplasticidade em metais...188 6.10 Metais nanocristalinos...190 6.11 Resumo...191 6.12 Problemas...191 c APítulO 7 Propriedades mecânicas dos metais ii... 197 7.1 Fratura dos metais...198 7.1.1 Fratura dúctil...199 7.1.2 Fratura frágil...200 7.1.3 Tenacidade e teste de impacto...201 7.1.4 Temperatura de transição dúctil para frágil...202 7.1.5 Tenacidade à fratura...203 7.2 Fadiga de metais...205 7.2.1 Tensões cíclicas...208 7.2.2 Principais alterações estruturais que ocorrem em um metal dúctil durante o processo de fadiga...209 7.2.3 Principais fatores que afetam a resistência à fadiga de um metal...210 7.3 Taxa de propagação da trinca...210 7.3.1 Correlação entre o comprimento da trinca e sua propagação com a tensão...210 7.3.2 Gráfico da taxa de crescimento da trinca versus intervalo do fator de intensidade de tensão...212 7.3.3 Cálculos para a vida em fadiga...213 7.4 Fluência e tensão de ruptura dos metais...214 7.4.1 Fluência de metais...214 7.4.2 O teste de fluência...216 7.4.3 Teste de ruptura por fluência...217 7.5 Representação gráfica da fluência e tensão de ruptura tempo-temperatura usando o parâmetro de Miller Larsen...217 7.6 Estudo de caso de falha de componentes metálicos...219 7.7 Recentes avanços e futuras direções no melhoramento do desempenho mecânico dos metais...221 7.7.1 Melhora na ductilidade e na resistência simultaneamente...221 7.7.2 Comportamento em fadiga de metais nanocristalinos...222 7.8 Resumo...222 7.9 Problemas...223 c APítulO 8 diagramas de Fase... 227 8.1 Diagramas de fase de substâncias puras...228 8.2 Regra das fases de Gibbs...229 8.3 Curvas de resfriamento...230 8.4 Sistemas isomorfos binários...231 8.5 Regra da alavanca...232 8.6 Solidificação fora do equilíbrio de ligas metálicas...236 8.7 Sistemas binários eutéticos...238 8.8 Sistemas binários peritéticos...243 8.9 Sistemas binários monotéticos...246 8.10 Reações invariantes...247 8.11 Diagramas de fases com fases e compostos intermediários...248 8.12 Diagramas de fases ternários...252 8.13 Resumo...254 8.14 Problemas...254 c APítulO 9 ligas de engenharia... 261 9.1 Produção de ferro e aço...262 9.1.1 Produção de gusa em alto-forno...262 9.1.2 Produção de aço e processamento dos principais produtos de aço...263 9.2 O sistema ferro-carbono...265 9.2.1 O diagrama de fase ferro-carboneto de ferro...265 9.2.2 Fases sólidas no diagrama de fase Fe-Fe 3 C...266 9.2.3 Reações invariantes no diagrama de fase Fe-Fe 3 C...266 9.2.4 Resfriamento lento dos aços-carbono 267 9.3 Tratamentos térmicos de aços-carbono...271 9.3.1 Martensita...271 9.3.2 Decomposição isotérmica da austenita...273 9.3.3 Diagrama de transformação por resfriamento contínuo para aços-carbono eutetoides...278 9.3.4 Recozimento e normalização dos aços-carbono...279
xiv Sumário 9.3.5 Revenimento dos aços-carbono...280 9.3.6 Classificação dos aços-carbono e propriedades mecânicas típicas...283 9.4 Aços de baixa liga...283 9.4.1 Classificação dos aços com ligas...285 9.4.2 Distribuição dos elementos de liga nos aços com ligas...285 9.4.3 Efeito de elementos de liga na temperatura eutetoide dos aços...286 9.4.4 Temperabilidade...287 9.4.5 Propriedades mecânicas típicas e aplicações dos aços de baixa liga...291 9.5 Ligas de alumínio...291 9.5.1 Endurecimento por precipitação...291 9.5.2 Propriedades gerais e produção do alumínio...297 9.5.3 Ligas de alumínio para trabalho mecânico...297 9.5.4 Ligas de alumínio para fundição...301 9.6 Ligas de cobre...303 9.6.1 Propriedades gerais do cobre...303 9.6.2 Produção do cobre...303 9.6.3 Classificação das ligas de cobre...303 9.6.4 Ligas de cobre para trabalho mecânico...304 9.7 Aços inoxidáveis...308 9.7.1 Aços inoxidáveis ferríticos...308 9.7.2 Aços inoxidáveis martensíticos...308 9.7.3 Aços inoxidáveis austeníticos...310 9.8 Ferros fundidos... 311 9.8.1 Propriedades gerais... 311 9.8.2 Tipos de ferros fundidos... 311 9.8.3 Ferro fundido branco... 311 9.8.4 Ferro fundido cinzento...312 9.8.5 Ferro fundido dúctil...314 9.8.6 Ferro fundido maleável...315 9.9 Ligas de magnésio, titânio e níquel...316 9.9.1 Ligas de magnésio...316 9.9.2 Ligas de titânio...318 9.9.3 Ligas de níquel...318 9.10 Ligas para fins especiais e aplicações...320 9.10.1 Intermetálicos...320 9.10.2 Ligas com memória de forma...321 9.10.3 Metais amorfos...323 9.11 Resumo...325 9.12 Problemas...325 c APítulO 10 materiais Poliméricos... 331 10.1 Introdução...332 10.1.1 Termoplásticos...332 10.1.2 Plásticos termofixos (termorrígidos)...332 10.2 Reações de polimerização...333 10.2.1 Estrutura de ligação covalente de uma molécula de etileno...333 10.2.2 Estrutura de ligação covalente de uma molécula de etileno ativada...333 10.2.3 Reação geral para a polimerização do polietileno e o grau de polimerização...334 10.2.4 Passos para a polimerização em cadeia...335 10.2.5 Peso molecular médio para termoplásticos...336 10.2.6 Funcionalidade de um monômero...337 10.2.7 Estrutura de polímeros lineares não cristalinos...337 10.2.8 Polímeros vinil e vinilideno...337 10.2.9 Homopolímeros e copolímeros...338 10.2.10 Outros métodos de polimerização...341 10.3 Métodos de polimerização industrial...341 10.4 Cristalinidade e estereoisomeria em alguns termoplásticos...343 10.4.1 Solidificação de termoplásticos não cristalinos...343 10.4.2 Solidificação de termoplásticos parcialmente cristalinos...344 10.4.3 Estrutura de materiais termoplásticos parcialmente cristalinos...344 10.4.4 Estereisomeria em termoplásticos...346 10.4.5 Catalisadores Ziegler e Natta...346 10.5 Processamento de materiais plásticos...347 10.5.1 Processos usados para materiais termoplásticos...347 10.5.2 Processos usados para materiais termofixos...350 10.6 Termoplásticos de uso generalizado...351 10.6.1 Polietileno...353 10.6.2 Cloreto de polivinila e copolímeros 355 10.6.3 Polipropileno...356 10.6.4 Poliestireno...357 10.6.5 Poliacrilonitrila...357 10.6.6 Estireno-acrilonitrila (SAN)...358 10.6.7 ABS...358 10.6.8 Metacrilato de polimetila (PMMA) 359 10.6.9 Fluoroplásticos...360 10.7 Termoplásticos de engenharia...361 10.7.1 Poliamidas (nylons)...362 10.7.2 Policarbonato...364 10.7.3 Resinas fenilênicas baseadas em óxido...364 10.7.4 Acetais...365 10.7.5 Poliésteres termoplásticos...366 10.7.6 Sulfeto de polifenileno...367 10.7.7 Polieterimida...368 10.7.8 Ligas poliméricas...368
Sumário xv 10.8 Plásticos termofixos (termorrígidos)...369 10.8.1 Fenólicos...370 10.8.2 Resinas epóxi...371 10.8.3 Poliésteres insaturados...373 10.8.4 Resinas de amino (ureias e melaminas)...374 10.9 Elastômeros (borrachas)...376 10.9.1 Borracha natural...376 10.9.2 Borracha sintética...378 10.9.3 Propriedades dos elastômeros de policloropreno...379 10.9.4 Vulcanização dos elastômeros de policloropreno...379 10.10 Deformação e reforço de materiais plásticos...382 10.10.1 Mecanismos de deformação para termoplásticos...382 10.10.2 Reforçando os termoplásticos...383 10.10.3 Reforçando os plásticos termofixos..386 10.10.4 O efeito da temperatura na resistência dos materiais plásticos...386 10.11 Fluência e fratura dos materiais poliméricos..387 10.11.1 Fluência dos materiais poliméricos..387 10.11.2 Relaxamento de tensão dos materiais poliméricos...387 10.11.3 Fratura dos materiais poliméricos..389 10.12 Resumo...391 10.13 Problemas...392 c APítulO 11 cerâmica... 398 11.1 Introdução...399 11.2 Estruturas cristalinas cerâmicas simples...400 11.2.1 Ligações covalentes e iônicas em compostos cerâmicos simples...400 11.2.2 Arranjos iônicos simples encontrados em sólidos ionicamente ligados...401 11.2.3 Estrutura cristalina de cloreto de césio (CsCl)...403 11.2.4 Estrutura cristalina do cloreto de sódio (NaCl)...404 11.2.5 Espaços intersticiais nos retículos cristalinos CFC e HC...407 11.2.6 Estrutura cristalina da blenda de sulfeto de zinco (ZnS)...409 11.2.7 Estrutura cristalina do fluoreto de cálcio (CaF 2 )...410 11.2.8 Estrutura cristalina da antifluorita... 411 11.2.9 Estrutura cristalina do coríndon (Al 2 O 3 )... 411 11.2.10 Estrutura cristalina da espinela (MgAl 2 O 4 )... 411 11.2.11 Estrutura cristalina da perovskita (CaTiO 3 )...412 11.2.12 O carbono e seus alótropos...412 11.3 Estruturas de silicato...415 11.3.1 Unidade estrutural básica das estruturas de silicato...415 11.3.2 Estruturas em ilha, cadeia e anel dos silicatos...415 11.3.3 Estruturas em folha de silicatos...415 11.3.4 Cadeias de silicatos...417 11.4 Processamento de cerâmicas...418 11.4.1 Preparação do material...418 11.4.2 Formação...418 11.4.3 Tratamentos térmicos...422 11.5 Cerâmicas tradicionais e de engenharia...424 11.5.1 Cerâmicas tradicionais...424 11.5.2 Cerâmicas de engenharia...425 11.6 Propriedades mecânicas das cerâmicas...428 11.6.1 Generalidades...428 11.6.2 Mecanismos para a deformação de materiais cerâmicos...428 11.6.3 Fatores que afetam a resistência de materiais cerâmicos...429 11.6.4 Resistência de materiais cerâmicos...430 11.6.5 Transformação de endurecimento da zircônia parcialmente estabilizada...431 11.6.6 Falha das cerâmicas por fadiga...432 11.6.7 Materiais cerâmicos abrasivos...433 11.7 Propriedades térmicas das cerâmicas...433 11.7.1 Materiais refratários cerâmicos...433 11.7.2 Refratários acídicos...434 11.7.3 Refratários básicos...434 11.7.4 Ladrilhos cerâmicos de isolamento para o ônibus espacial de órbita...434 11.8 Vidros...435 11.8.1 Definição de vidro...436 11.8.2 Temperatura de transição vítrea...436 11.8.3 Estrutura dos vidros...437 11.8.4 Composições do vidro...438 11.8.5 Deformação viscosa de vidros...440 11.8.6 Métodos de formação para vidro...441 11.8.7 Vidro temperado...443 11.8.8 Vidro reforçado quimicamente...443 11.9 Revestimentos cerâmicos e engenharia de superfície...444 11.9.1 Vidros de silicatos...444 11.9.2 Óxidos e carbetos...444 11.10 Nanotecnologia e cerâmicas...445 11.11 Resumo...446 11.12 Problemas...447
xvi Sumário c APítulO 12 materiais compósitos... 451 12.1 Introdução...452 12.2 Plásticos reforçados por fibras...452 12.2.1 Fibras de vidro para reforçar resinas plásticas...452 12.2.2 Fibras de carbono para reforçar plásticos...454 12.2.3 Fibras de aramida para reforçar plásticos...455 12.2.4 Comparação de propriedades mecânicas de fibras de carbono, de aramida e de vidro utilizadas para reforçar plásticos...455 12.3 Materiais compósitos plásticos reforçados por fibras...456 12.3.1 Materiais para a matriz de plásticos reforçados por fibras...456 12.3.2 Materiais compósitos plásticos reforçados por fibras...457 12.3.3 Equações para o módulo de elasticidade de um compósito de fibras contínuas e matriz plástica, do tipo laminado, em condições de isodeformação e de isotensão...459 12.4 Processos de molde aberto para materiais compósitos plásticos reforçados por fibras...462 12.4.1 Processo de deposição manual...462 12.4.2 Processo de spray...463 12.4.3 Processo de autoclave em embalagem a vácuo...463 12.4.4 Processo de enrolamento de fio...465 12.5 Processos de molde fechado para plásticos reforçados por fibras...465 12.5.1 Moldagem por compressão e moldagem por injeção...465 12.5.2 O processo MF ou de moldagem de folha...465 12.5.3 Processo de pultrusão contínua...466 12.6 Concreto...466 12.6.1 Cimento portland...467 12.6.2 Água de mistura para o concreto...469 12.6.3 Agregados para o concreto...469 12.6.4 Aprisionamento de ar...469 12.6.5 Resistência à compressão do concreto...470 12.6.6 Dosagem das misturas de concreto...470 12.6.7 Concreto armado e concreto protendido...471 12.6.8 Concreto protendido...471 12.7 Asfalto e misturas asfálticas...473 12.8 Madeira...474 12.8.1 Macroestrutura da madeira...474 12.8.2 Microestruturas de madeiras macias...475 12.8.3 Microestrutura de madeiras rijas...476 12.8.4 Estrutura da parede celular...477 12.8.5 Propriedades das madeiras...478 12.9 Estruturas em sanduíche...480 12.9.1 Estrutura em sanduíche de colmeia de abelha...481 12.9.2 Materiais metálicos revestidos...481 12.10 Compósitos de matriz metálica e compósitos de matriz cerâmica...481 12.10.1 Compósitos de matriz metálica (CMMs)...481 12.10.2 Compósitos de matriz cerâmica (CMCs)...483 12.10.3 Compósitos cerâmicos e nanotecnologia...486 12.11 Resumo...487 12.12 Problemas...488 c APítulO 13 corrosão... 493 13.1 Geral...494 13.2 Corrosão eletroquímica de metais...494 13.2.1 Reações de óxido-redução...494 13.2.2 Potenciais dos eletrodos da meia-pilha padrão para metais...495 13.3 Pilhas galvânicas...497 13.3.1 Pilhas galvânicas macroscópicas com eletrólitos molares...497 13.3.2 Pilhas galvânicas com eletrólitos não molares...498 13.3.3 Pilhas galvânicas com ácidos ou eletrólitos alcalinos sem íons metálicos presentes...500 13.3.4 Corrosão microscópica de pilhas galvânicas de um eletrodo...500 13.3.5 Pilhas galvânicas de concentração..501 13.3.6 Pilhas galvânicas criadas por diferenças na composição, na estrutura e na tensão...503 13.4 Taxas de corrosão (cinemática)...505 13.4.1 Taxa da corrosão uniforme ou galvanização de um metal em solução aquosa...505 13.4.2 Reações de corrosão e polarização..506 13.4.3 Passivação...510 13.4.4 Séries galvânicas... 511 13.5 Tipos de corrosão...512 13.5.1 Corrosão uniforme ou por ataque geral...512 13.5.2 Corrosão galvânica ou bimetálica..512
Sumário xvii 13.5.3 Corrosão por pite...513 13.5.4 Corrosão por frestas...514 13.5.5 Corrosão intergranular...515 13.5.6 Corrosão por tensão...517 13.5.7 Erosão-corrosão...519 13.5.8 Dano por corrosão...519 13.5.9 Corrosão por atrito...519 13.5.10 Lixiviação seletiva...520 13.5.11 Dano causado por hidrogênio...520 13.6 Oxidação dos metais...521 13.6.1 Filmes óxidos de proteção...521 13.6.2 Mecanismo da oxidação...522 13.6.3 Taxa de oxidação (Cinética)...523 13.7 Controle de corrosão...525 13.7.1 Seleção de material...525 13.7.2 Revestimento...526 13.7.3 Design...527 13.7.4 Alteração do ambiente...527 13.7.5 Proteção anódica e catódica...528 13.8 Resumo...529 13.9 Problemas...529 c APítulO 14 Propriedades elétricas dos materiais... 533 14.1 Condução elétrica nos metais...534 14.1.1 O modelo clássico da condução elétrica nos metais...534 14.1.2 A lei de Ohm...535 14.1.3 Velocidade de deriva de elétrons em um metal condutor...537 14.1.4 Resistividade elétrica dos metais...538 14.2 Modelo de bandas de energia de condução elétrica...541 14.2.1 Modelo de bandas de energia para metais...541 14.2.2 Modelo de bandas de energia para isolantes...542 14.3 Semicondutores intrínsecos...543 14.3.1 Mecanismos de condução elétrica em semicondutores intrínsecos...543 14.3.2 Transporte de cargas elétricas na rede cristalina do silício puro...543 14.3.3 Diagramas de bandas de energia para semicondutores elementares intrínsecos...544 14.3.4 Relações quantitativas da condução elétrica em semicondutores elementares intrínsecos...544 14.3.5 O efeito da temperatura sobre a semicondutividade intrínseca...546 14.4 Semicondutores extrínsecos...548 14.4.1 Semicondutores extrínsecos do tipo n (tipo negativo)...548 14.4.2 Semicondutores extrínsecos do tipo p (tipo positivo)...549 14.4.3 Dopagem de materiais semicondutores de silício extrínseco 549 14.4.4 Efeito da dopagem sobre as concentrações de portadores em semicondutores extrínsecos...550 14.4.5 Efeito da concentração total de impurezas ionizadas sobre a mobilidade dos portadores de carga no silício à temperatura ambiente...552 14.4.6 Efeito da temperatura sobre a condutividade elétrica de semicondutores extrínsecos...553 14.5 Dispositivos semicondutores...555 14.5.1 A junção p-n...555 14.5.2 Algumas aplicações de diodos de junção p-n...557 14.5.3 O transistor de junção bipolar...558 14.6 Microeletrônica...559 14.6.1 Transistores microeletrônicos bipolares planos...559 14.6.2 Transistores microeletrônicos planos de efeito de campo...560 14.6.3 Fabricação de circuitos integrados microeletrônicos...562 14.7 Compostos semicondutores...566 14.8 Propriedades elétricas de materiais cerâmicos...568 14.8.1 Propriedades básicas dos materiais dielétricos...568 14.8.2 Materiais isolantes cerâmicos...570 14.8.3 Materiais cerâmicos para capacitores...571 14.8.4 Semicondutores cerâmicos...572 14.8.5 Materiais cerâmicos ferroelétricos..573 14.9 Nanoeletrônica...575 14.10 Resumo...576 14.11 Problemas...577 c APítulO 15 Propriedades Ópticas e materiais supercondutores... 580 15.1 Introdução...581 15.2 A luz e o espectro eletromagnético...581 15.3 Refração da luz...582 15.3.1 Índice de refração...582 15.3.2 A lei de Snell de refração da luz...583 15.4 Absorção, transmissão e reflexão da luz...584 15.4.1 Metais...584 15.4.2 Vidros silicatos...584
xviii Sumário 15.4.3 Plásticos...586 15.4.4 Semicondutores...586 15.5 Luminescência...587 15.5.1 Fotoluminescência...588 15.5.2 Catodoluminescência...588 15.6 Emissão estimulada de radiação e lasers...589 15.6.1 Tipos de lasers...591 15.7 Fibras ópticas...592 15.7.1 Perda de luz em fibras ópticas...592 15.7.2 Fibras ópticas monomodo e multimodo...594 15.7.3 Fabricação de fibras ópticas...594 15.7.4 Sistemas de comunicação de fibra óptica modernos...595 15.8 Materiais semicondutores...595 15.8.1 Estado supercondutor...595 15.8.2 Propriedades magnéticas de supercondutores...597 15.8.3 Fluxo de corrente e campos magnéticos em supercondutores...598 15.8.4 Supercondutores de alto campo e alta corrente...598 15.8.5 Óxidos supercondutores de alta temperatura crítica (T c )...599 15.9 Problemas...600 c APítulO 16 Propriedades magnéticas... 603 16.1 Introdução...604 16.2 Campos e grandezas magnéticas...604 16.2.1 Campos magnéticos...604 16.2.2 Indução magnética...605 16.2.3 Permeabilidade magnética...606 16.2.4 Susceptibilidade magnética...607 16.3 Tipos de magnetismo...607 16.3.1 Diamagnetismo...607 16.3.2 Paramagnetismo...607 16.3.3 Ferromagnetismo...608 16.3.4 Momento magnético de um elétron desemparelhado...608 16.3.5 Antiferromagnetismo...610 16.3.6 Ferrimagnetismo... 611 16.4 Efeito da temperatura sobre o ferromagnetismo... 611 16.5 Domínios ferromagnéticos... 611 16.6 Tipos de energia determinantes da estrutura dos domínios ferromagnéticos...613 16.6.1 Energia de troca...613 16.6.2 Energia magnetostática...613 16.6.3 Energia de anisotropia magnetocristalina...613 16.6.4 Energia de parede de domínio...614 16.6.5 Energia magnetoestritiva...614 16.7 Magnetização e desmagnetização de metais ferromagnéticos...615 16.8 Materiais magnéticos moles...616 16.8.1 Propriedades desejadas para materiais magnéticos moles...616 16.8.2 Perdas de energia nos materiais magnéticos moles...616 16.8.3 Ligas de ferro-silício...617 16.8.4 Vidros metálicos...618 16.8.5 Ligas de níquel-ferro...619 16.9 Materiais magnéticos duros...621 16.9.1 Propriedades dos materiais magnéticos duros...621 16.9.2 Ligas alnico...623 16.9.3 Ligas de terras raras...624 16.9.4 Ligas magnéticas de neodímio-ferro-cobalto...625 16.9.5 Ligas magnéticas de ferro-cromo-cobalto...625 16.10 Ferritas...626 16.10.1 Ferritas magneticamente moles...626 16.10.2 Ferritas magneticamente duras...629 16.11 Resumo...629 16.12 Problemas...630 c APítulO 17 materiais Biológicos e Biomateriais.. 634 17.1 Introdução...635 17.2 Materiais biológicos: osso...635 17.2.1 Composição...635 17.2.2 Macroestrutura...635 17.2.3 Propriedades mecânicas...636 17.2.4 Biomecânica de fratura óssea...636 17.2.5 Viscoelasticidade do osso...637 17.2.6 Remodelação óssea...637 17.2.7 Modelo de osso compósito...638 17.3 Materiais biológicos: tendões e ligamentos...639 17.3.2 Microestrutura...639 17.3.3 Propriedades mecânicas...641 17.3.4 Relação estrutura e propriedades...641 17.3.5 Modelagem constitutiva e viscoelasticidade...642 17.3.6 Lesão no ligamento e no tendão...644 17.4 Material biológico: cartilagem articular...645 17.4.1 Composição e macroestrutura...645 17.4.2 Microestrutura...645 17.4.3 Propriedades mecânicas...646 17.4.4 Degeneração da cartilagem...646 17.5 Biomateriais: metais em aplicações biomédicas...647 17.5.1 Aços inoxidáveis...647 17.5.2 Ligas à base de cobalto...648
Sumário xix 17.5.3 Ligas de titânio...649 17.5.4 Alguns problemas da aplicação ortopédica de metais...649 17.6 Polímeros em aplicações biomédicas...651 17.6.1 Aplicações cardiovasculares de polímeros...651 17.6.2 Aplicações oftálmicas...652 17.6.3 Sistemas de fornecimento de droga 653 17.6.4 Materiais de sutura...653 17.6.5 Aplicações ortopédicas...653 17.7 Cerâmicas em aplicações biomédicas...654 17.7.1 Alumina em implantes ortopédicos...654 17.7.2 Alumina em implantes dentários...655 17.7.3 Implantes cerâmicos e conectividade ao tecido...655 17.7.4 Cerâmicas nanocristalinas...656 17.8 Aplicações de compósitos na área da biomedicina...657 17.8.1 Aplicações ortopédicas...657 17.8.2 Aplicações em odontologia (dentística)...658 17.9 Corrosão em biomateriais...658 17.10 Desgastes em implantes biomédicos...660 17.11 Engenharia de tecidos...662 17.12 Resumo...663 17.13 Problemas...663 Referências para estudos Posteriores... 667 APêndice i Algumas Quantidades Físicas e suas unidades... 671 Respostas para os exercícios selecionados...673 glossário... 677 índice... 691 Apêndices on-line APêndice i Propriedades importantes de Alguns materiais para engenharia APêndice ii Algumas Propriedades dos Principais elementos APêndice iii Raios iônicos dos elementos