Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

1. Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

2. Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos

3. Polímeros Monômero Polímero Ex: madeira, lã, couro, borracha, seda, plásticos...

4. H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C C C H H H H CH3 H CH3 H CH3 Cl Cl Cl Polímeros Etileno Polietileno (PE) Polipropileno (PP) Poli (cloreto de vinila) (PVC)

5. Polímeros Possíveis rotações e torções em torno de ligações simples podem levar à formação de cadeias poliméricas não necessariamente retilíneas.

6. Polímeros

7. Polímeros lineares As unidades são unidas em cadeias únicas. Ex. PVC, náilon, PMMA, PE, PS

8. 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.

9. Polímeros com ligações cruzadas São polímeros onde cadeias adjacentes estão unidas umas às outras através de ligações covalentes.

10. Vulcanização Formação de ligações cruzadas através de ligações químicas. enxofre

11. Polímeros em rede São polímeros que possuem muitas ligações cruzadas formando redes tridimensionais. Ex. epóxi.

12. Cadeias dobradas Cristalinidade em polímeros Célula Unitária Polietileno

13. Região cristalina Região amorfa Cristalinidade em polímeros 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. PE

14. Cristalinidade em polímeros: esferulitas

15. Cristalinidade em polímeros: esferulitas Direção de crescimento da esferulita Lamelas cristalinas Material amorfo Molécula de ligação Ponto de nucleação

16. Ligações secundárias Linear Estrutura molecular e resistência mecânica de polímeros Ramificada Ligações Cruzadas Rede Direção do aumento da resistência mecânica

17. Limite de resistência à tração Frágil Tensão (MPa) Plástico Elastômero Deformação Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação

18. Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Limite de resistência à tração Limite de escoamento Tensão Deformação

19. Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação

20. Propriedades mecânicas de polímeros Temperatura x Deformação PMMA temperatura  resistência temperatura  alongamento Tensão (MPa) Deformação

21. estrutura fibrilar próximo à ruptura próximo à ruptura Estrutura inicial estrutura linear estrutura em rede deslizamento das regiões cristalinas polímeros semicristalinos alongamento das regiões amorfas alinhamento das regiões cristalinas Deformação em polímeros plásticos e frágeis x ruptura frágil ruptura plástica x Tensão (MPa) Carga/descarga Deformação

22. Tensão Deformação A deformação é confinada ao pescoço! Deformação em polímeros plásticos e frágeis Limite de escoamento Início da formação do pescoço

23. Deformação em elastômeros Ligações cruzadas Tensão Tensão O aumento da entropia faz o polímero retornar à sua forma original quando a tensão é retirada!

24. Aplicações de polímeros Plásticos Quimicamente inertes, mecanicamente resistentes, isolantes, transparentes, translúcidos ou opacos, etc... Revestimentos, brinquedos, lentes, vedações, engrenagens, isolantes, garrafas, etc...

25. Aplicações de polímeros Elastômeros Elásticos...

26. UHMWPE Aplicações de polímeros UHMWPE Alta resistência química, a impacto, desgaste e abrasão, baixo coeficiente de atrito, autolubrificante e antiaderente.

27. + núcleo elétron - - 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.

28. Propriedades magnéticas Quando um campo magnético externoH 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

29. Propriedades magnéticas Com campo H = 0 Campo com o material é menor que no vácuo (1) diamagnético nenhum oposto m < 0 Não magnéticos (2) paramagnético alinhado aleatório m ~ 10-5 – 10-2 B ≈ 0 M (3) ferromagnético alinhado alinhado m ~ 106

30. Densidade do fluxo, B 0M Campo magnético, H Propriedades magnéticas Ferromagnético Paramagnético Vácuo Diamagnético

31. Magnetização de saturação (106 A/m) Temperatura (°C) Magnetização e temperatura de Curie Com o aumento da temperatura se torna mais difícil a orientação dos momentos magnéticos. Fe Temperatura de Curie Fe3O4

32. Fronteira do domínio Domínios magnéticos Domínios são pequenas regiões onde existe o alinhamento na mesma direção de todos os momentos magnéticos. Domínios Fronteiras entre domínios Contorno de grão

33. H B sat H H H Indução Magnética (B) H 0 Campo magnético (H) H = 0 Domínios magnéticos À medida que um campo H é aplicado, os domínios mudam de forma e de tamanho.

34. Domínios magnéticos H = 0 Domínios com momentos magnéticos alinhados crescem às custas daqueles fracamente alinhados! H H

35. 3. Remanência, H = 0 mas a magnetização continua 2. A aplicação de H causa magnetização 4. Coercividade, HC 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! M H 1. Estado inicial desmagnetizado

36. B 3 2 4 H 1 Saturação Histerese M H B = 0 (H + M)

37. 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

38. 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!

39. Histerese Materiais magneticamente moles e duros. Materiais moles Núcleos de transformadores B Materiais duros Imãs permanentes H Ciclo quadrado Dispositivos de memória

40. Armazenamento magnético Meio de gravação Cabeça de gravação Entrada do sinal Saída do sinal Gravar Ler

41. Armazenamento magnético 20 kByte/mm2 8.000 X 12 Mbyte/mm2 500.000 X

42. Transformador de tensão Núcleo ferromagnético Enrolamento primário Enrolamento secundário B

43. Interação de luz com sólidos Incidente, I0 Absorvida, IA Transmitida, IT Refletida, IR I0 = IR + IT + IA

44. Propriedades ópticas de metais Os metais são opacos para a maioria das radiações do espectro eletromagnético! Eles são transparentes para raios x e .

45. Células solares Criação de par elétron-buraco luz - - - - Silício tipo n Junção p-n + + + + Silício tipo p

46. 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!

47. Propriedades ópticas de não-metais

48. Propriedades ópticas de não-metais Refração

49. Refração n1 sen 1 = n2 sen 2 1 ( v1 v2 ( = índice de refração 2 c = velocidade da luz no vácuo  = constante dielétrica

50. Reflexão interna total n2 n1