ciência dos materiais-demat-ee-ufrgs 5-3 propriedades...

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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

55--3 PROPRIEDADES EL3 PROPRIEDADES ELÉÉTRICAS TRICAS 5.3.1 INTRODU5.3.1 INTRODUÇÇÃOÃO

5.3.2 MECANISMOS DE CONDU5.3.2 MECANISMOS DE CONDUÇÇÃO E BANDAS DE ENERGIAÃO E BANDAS DE ENERGIA

5.3.3 RESISTIVIDADE EL5.3.3 RESISTIVIDADE ELÉÉTRICA DOS METAIS E LIGASTRICA DOS METAIS E LIGAS

5.3.4 CONDUTIVIDADE EL5.3.4 CONDUTIVIDADE ELÉÉTRICA DOS MATERIAIS IÔNICOSTRICA DOS MATERIAIS IÔNICOS

5.3.5 CONDUTIVIDADE EL5.3.5 CONDUTIVIDADE ELÉÉTRICA DOS MATERIAIS COVALENTESTRICA DOS MATERIAIS COVALENTES

5.3.6 SEMICONDUTORES5.3.6 SEMICONDUTORES

5.3.7 SUPERCONDUTIVIDADE5.3.7 SUPERCONDUTIVIDADE

5.3.8 COMPORTAMENTO DIEL5.3.8 COMPORTAMENTO DIELÉÉTRICOTRICO

55--3 PROPRIEDADES EL3 PROPRIEDADES ELÉÉTRICASTRICASCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

As propriedades elétricas servem para distinguir os materiais:

- geral: metal / não-metal

- específico: supercondutor ou não

Compreender as propriedades elétricas

METAISTEORIA DE BANDAS CONDUTORES

SEMICONDUTORESISOLANTES

Classificação geral dos materiais

segundo suas propriedades

elétricas

5.3.1 Introdu5.3.1 Introduççãoão

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Condutividade elétrica É o movimento de cargas elétricas (elétrons ou íons) de uma posição para outra.

σ = 1/ρ= n.q.μ

σ= condutividade elétrica (ohm-1.cm-1)ρ= resistividade elétrica (ohm.cm)n= número de portadores de carga por cm3

q= carga carregada pelo portador (coulombs) [q do elétron= 1,6x10-19 coulombs]

μ= mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s)

R = ρ . l/A



Para o conhecimento da teoria de bandas alguns conceitos devem estar presentes:

Resistência elétrica (R) de um fluxo de corrente édeterminada pelas dimensões do material e por sua resistividade.

Conceitos:


Resistividades elétricas e condutividades elétricas de alguns materiais5.3.1 Introdu5.3.1 Introduççãoão

RESUMINDOMetais: σ > 104 Ω-1m-1

Semicondutores: σ 10-3 a 104 Ω-1m-1

Isolantes: σ <10-3 Ω-1m-1

O diagrama mostra o range de condutividade elétrica para alguns

materiais, bem como sua classificação.

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5.3.2 Mecanismos de condu5.3.2 Mecanismos de conduçção e bandas de energiaão e bandas de energia

A condutividade elétrica σ do material depende:- n° de condutores ou transportadores de cargas por unidade de volume (n)- da carga de cada condutor (q) - da mobilidade do condutor (m)

⇒ n e m dependem da temperatura

⇒ condutores podem ser: ânions

cátions

elétrons

holes

σ = nqm


LÍQUIDOS condutividade iônica

SÓLIDOS principais transportadores de carga são os elétronsátomo isolado e- em níveis e subníveis de energiacristal níveis de energia se superpõe BANDAS

Origem das bandas de energia devido a aproximação dos átomos.

A banda de energia corresponde àum nível de energia de um átomo isolado

- As bandas de energia nemsempre se sobrepõem

- As bandas de energia podem comportar no máximo dois elétrons


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⇒ Bandas de energia:

banda de valência

banda proibida Eg: energia do gap

- É o espaço entre as bandas de energia- É o que distingue um semicondutor de um condutor ou

isolante

banda de condução

⇒ Nível de Fermi (EF): É definido como o nível de energia abaixo do qual todos os estados de energia estão ocupados a 0K.

EF

Probabilidade0,0 1,0

Banda de valência

Eelétron



Tipos característicos de estruturas de bandas de energia em sólidos

Condutor metálicoBanda de condução

parcialmente ocupada

Condutor metálico

Superposição da banda de valência com a banda de condução vazia

Isolante Semicondutor

Metal monovalente Metal bivalente

Apresentam banda proibida

Eg isolante > Eg semicondutor


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METAIS

- elétrons não preenchem todos os estados possíveis da banda de valência e a condução ocorre na banda de valência alta condutividade elétrica bandas

energia parcialmente preenchidas

- vazios entre os estados ocupados campo acelera e- e produz elétrico corrente elétrica

- passagem de e- da banda de valência para de condução é fácil

- dificultar o movimento de e- significa reduzir a condutividade elétrica.

Ex.: - vibração térmica- solutos- defeitos cristalinos

Nível de fermi

Banda de valência incompleta



SEMICONDUTORES- banda de valência preenchida e banda de condução vazia

- largura da banda proibida é pequena e pode ser suplantada facilmente levando e- àbanda de condução ativação térmica

dopantes

- exemplos de largura de diamante - 6eV banda proibida: SiC - 3eV

silício - 1,1eVgermânio - 0,7evInSb - 0,18eVestanho cinzento - 0,08eV

Nível de fermi

BANDA DE

CONDUÇÃO

BANDA DE

VALÊNCIA

GAP DE ENERGIA


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ISOLANTES

- polímeros

- cerâmicos

- banda proibida é muito larga e difícil de ser suplantada

CONDUTIVIDADE ELÉTRICAMUITO BAIXA

Nível de fermi

BANDA DE

CONDUÇÃO

BANDA DE

VALÊNCIA

GAP DE ENERGIA



EFEITO DA TEMPERATURA- metais: diminui a condutividade elétrica a agitação térmica reduz o livre percurso

médio dos elétrons, a mobilidade dos mesmos e como conseqüência a condutividade.

- semicondutoresisolantes

Efeito da condutividade elétrica em vários materiais

O aumento da temperatura fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais.


↑ T aumenta a condutividade elétrica

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5.3.3 Resistividade el5.3.3 Resistividade eléétrica de metais e ligastrica de metais e ligas

- alta condutividade elétrica grande n° de e- livres podem ser promovidos acima de EF

- rede cristalina sem defeitos e vibrações (0 K) ρ é nula

- resistência elétrica resulta do espalhamento de e- devido:vibrações da redeátomos de impurezadefeitos cristalinos

- resistividade elétrica de um material monofásico (Matthiessen)ρt vibrações térmicasρi impurezasρd deformação

ρ = ρt + ρi +ρd

EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA NA RESISTIVIDADE DO MATERIAL



Variação da resistividade elétrica com a temperatura para o Cu puro e três soluções sólidas Cu-Ni. O efeito da deformação na resistividade da

liga Cu 1,2Ni também é apresentado.

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- contribuição dos átomos de soluto em solução sólida é descrita por Nordheim

ρi = Aci (1-ci)

A - constanteci - fração atômica de soluto

Variação da resistividade elétrica com a composição para o sistema Ag-Au, para três diferentes temperaturas.

Obs.:Em ligas bifásicas ρ é uma propriedade aditiva

5.3.3 Resistividade el5.3.3 Resistividade eléétrica de metais e ligastrica de metais e ligasEFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA NA RESISTIVIDADE DO MATERIAL

EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE

ESTRUTURA PERFEITA A

BAIXA TEMPERATURAMOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS

ALTA TEMPERATURA

MOVIMENTO DOS ELÉTRONS

EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS



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5.3.4 Condutividade el5.3.4 Condutividade eléétrica dos materiais iônicostrica dos materiais iônicos

- resultado das contribuições eletrônica e iônica

- importância de cada contribuição pureza e temperatura

- modelo de bandas é válido, porém o n° de e- na banda de condução é muito baixo portanto predomina a iônica

- difusão dos íons depende da presença de defeitos pontuais

- condutividade elétrica de sólidos iônicos ↑ temperatura↑ abruptamente na

fusão


σi = Ne2D/kT = (Ne2/kT) D0exp(-Q/kT)

N - n°de posições iônicas de um mesmo sinal por unidade de volumee - carga do elétronD - difusividadek - constante de BoltzmanT - temperatura em KQ - energia de ativação para a difusão

5.3.4 Condutividade el5.3.4 Condutividade eléétrica dos materiais iônicostrica dos materiais iônicos

Condutividade iônica: σi

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- estrutura em bandas de polímeros é típica dos isolantesσ - 10-10 a 10-17 Ω-1m-1

- polímeros de alta pureza a condução é eletrônica

- condução iônica pode ser ativada pela presença de impurezasrestos de monômeroscatalisadoresaumento da temperatura

- aditivos condutores podem aumentar σ entre 1 e 50 Ω-1m-1 como em borrachas de silicones

- exemplos de polímeros condutores: poliacetileno e polianilina

5.3.5 Condutividade el5.3.5 Condutividade eléétrica dos materiais covalentestrica dos materiais covalentes


⇒ GRAFITA: comportamento elétrico diferenciado

- plano basal (0001) σ ≅ de condutores metálicos

- na direção c ⊥ (0001) σ é 105 vezes menor

- condução eletrônica origem na mobilidade eletrônica da cada anel hexagonal de átomos de C, ao longo de cada camada

- introdução de átomos estranhos entre as camadas aumenta o número de transportadores de carga e a condutividade elétrica

5.3.5 Condutividade el5.3.5 Condutividade eléétrica dos materiais covalentestrica dos materiais covalentes

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PROPRIEDADES: Tem resistividade entre metais e isolantes

10-6-10-4 Ω.cm 1010-1020 Ω.cm

- A condutividade aumenta com o aumento de temperatura (ao contrário dos metais)

- A condutividade aumenta com a adição de certas dopantes (impurezas)- A condutividade diminui com a presença de imperfeições nos cristais.


5.3.6 Semicondutores 5.3.6 Semicondutores –– Condutividade eletrônicaCondutividade eletrônica

EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES

- silício, germânio (Grupo IV da Tabela Periódica)- GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela Periódica)- PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Periódica)

Observe: 95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com silício65% dos dispositivos de semicondutores do grupo III-V são para uso militar

Num semicondutor, os elétrons podem ser excitados para a banda de condução por energia elétrica, térmica ou óptica (fotocondução)

e- excitado banda de condução buraco ou uma vacância na banda de valência

contribui para a corrente

Dois tipos de conduçãocondução intrínseca semicondutor intrínsecocondução extrínseca semicondutor extrínseco


vai para

deixa

UTILIZAÇÃO: FABRICAÇÃO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E OPTOELETRÔNICOS

- Transistor- LEDS- Células solares- Diodos-Circuito integrado


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Condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros Um semicondutor pode ser tipo "p" ( condução devido aos buracos)

tipo "n" (condução devidos aos elétrons)

Este tipo de condução se origina devido à presença de uma imperfeição eletrônica ou devido à presença de impurezas residuais intrínsecas.

CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)

CONDUÇÃO INTRÍNSECA



Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para proporcionar elétrons ou buracos extras.Os semicondutores extrínsecos podem ser:

Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos extrasTipo n: com impurezas que proporcionam elétrons extras

Os processos utilizados para dopagem são: difusãoimplantação iônica

Deve-se considerar:Os elétrons tem maior mobilidade que os buracosA presença de impurezas pode alterar o tamanho do gap de energia do semicondutor

CONDUÇÃO EXTRÍNSECA (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO)



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SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P

Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopanteburacos extras

Impurezas tipo "p" ou aceitadores proporcionam buracos extra

Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com boro (valência 3)


BORO É UM DOPANTE TIPO P PARA O SILÍCIO PORQUE PROPORCIONA BURACOS EXTRA NIVEL DE FERMI

Nível aceitador


SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N

Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopanteImpurezas tipo ”n" ou doadores proporcionam elétrons extra

Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com fósforo (valência 5)


FÓSFORO É UM DOPANTE TIPO NPARA O SILÍCIO PORQUE PROPORCIONA ELÉTRONS EXTRA NIVEL DE FERMI

Elétrons doadores


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Exemplos de materiais cerâmicos semicondutoresextrínsecos tipo n, p e anfóteros.

SnIrO2PbSeCo3O4

GeUO2PbSMn3O4

Ti2SSiPbTe

SiCAl2O3

Anfótero

SeCuIPr2O3

NiOMnO

Hg2O

TeSb2S3Cu2SSnOCr2O3

MoO2

Bi2Te3SnSCu2O

CoOAg2O

Tipo p

WO3Cs2SAg2SZnO

Fe3O4Ta2O5SnO2CdOU3O8

ZnF2PbCrO4

BaOCdSe

MnO2V2O5

Hg2SBaTiO3

Cs2SeCdSNb2O5TiO2

Tipo n

CONDUÇÃO EXTRÍNSECA (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO)



APLICAÇÃO


Dispositivos eletrônicos como transistores, circuitos integrados, chips, usam a combinação de semicondutores extrínsecos tipo “p” e tipo “n”

DIODO é um dispositivo que permite a corrente fluir em um sentido e não em outro. É construído juntando um semicondutor tipo “n” e tipo “p”.

JUNÇÃO P-N

- Quando uma voltagem é aplicada como no esquema (b), os dois tipos de cargas se moverão em direção àjunção onde se recombinarão. A corrente elétrica iráfluir.

- No esquema (c), a voltagem causará o movimento de cargas para longe da junção. A corrente não irá fluir no dispositivo.


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- ocorre quando a resistividade do material for nula

- temperatura crítica (Tc) resistividade torna-se bruscamente nula

- até 1986 melhores supercondutores Tc < 23 K material deveria ser resfriado em hélio líquido para tornar-se supercondutor

- mais tarde: supercondutores cerâmicos com Tc mais altas:

Y1Ba2Cu3O7-x Tc ≅ 100Knitrogênio líquido é suficiente para resfriar

- supercondutividade desaparece: acima da Tccampo magnéticocorrente elétrica


5.3.7 Supercondutividade el5.3.7 Supercondutividade eléétricatrica

PARÂMETROS QUE DEFINEM UM SUPERCONDUTOR

- MATERIAL DIELÉTRICO: material isolante

- RIGIDEZ DIELÉTRICA: tensão máxima que o material pode suportar antes de perder as características de ser isolante para vidros, polímeros e cerâmicos ≅ 10 a 40 V/mm

Constante dielétrica:Capacitor ⇒⇒ constituído de duas placas metálicas paralelas separadas por uma distância

"d" e de área "A". capacitância⇒⇒ medida da habilidade de armazenar uma carga elétrica.

⇒⇒ adição de um dielétrico aumenta a capacitância por um fator κ, proporcionalmente.

C = k ε A κ: constante dielétricad e: permeabilidade do meio

Propriedades Básicas dos Materiais Dielétricos


5.3.8 Comportamento diel5.3.8 Comportamento dieléétricotrico

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FERROELÉTRICOS- não têm um centro de simetria ⇒⇒ formam um momento dipolar- polarização permanente ⇒⇒ propriedades PIEZOÉLETRICAS

Estrutura do BaTiO3. (a) Acima de 120ºC é cúbica. (b) Abaixo de 120ºC é levemente tetragonal, apresentando um momento dipolar elétrico.

5.3.8 Comportamento diel5.3.8 Comportamento dieléétricotrico


- materiais dielétricos onde a polarização pode ser induzida pela aplicação de forças

Esquema dos dipolos elétricos em um material piezoelétrico. (a) Material em condições normais. (b) Tensão compressiva causa uma ddp.

(c) A aplicação de uma voltagem causa uma diferença dimensional.

5.3.8 Comportamento diel5.3.8 Comportamento dieléétricotricoPIEZOELÉTRICOS

(a)

(b)

(c)

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55--4 PROPRIEDADES MAGN4 PROPRIEDADES MAGNÉÉTICAS TICAS 5.4.1 INTRODU5.4.1 INTRODUÇÇÃOÃO

5.4.2 CONCEITOS B5.4.2 CONCEITOS BÁÁSICOSSICOS

5.4.3 COMPORTAMENTO MAGN5.4.3 COMPORTAMENTO MAGNÉÉTICO DOS MATERIAISTICO DOS MATERIAIS

5.4.4 DIAMAGNETISMO5.4.4 DIAMAGNETISMO

5.4.5 PARAMAGNETISMO5.4.5 PARAMAGNETISMO

5.4.6 FERROMAGNETISMO5.4.6 FERROMAGNETISMO

5.4.7 FERRIMAGNETISMO5.4.7 FERRIMAGNETISMO

5.4.8 ANTIFERROMAGNETISMO5.4.8 ANTIFERROMAGNETISMO

5.4.9 MATERIAIS MAGN5.4.9 MATERIAIS MAGNÉÉTICOS MOLES E DUROSTICOS MOLES E DUROS

55--4 PROPRIEDADES MAGN4 PROPRIEDADES MAGNÉÉTICASTICASCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS


⇒ Materiais magnéticos apresentam grande uso no cotidiano:- fita K 7 (fita magnética)- cartão magnético- componentes de computadores- geradores e transformadores de eletricidade- motores elétricos

⇒ Vantagem deste tipo de material: armazenam muita informação em pouco espaço⇒ Propriedades magnéticas estão relacionadas com a mobilidade dos elétrons, por isso propriedades elétricas e magnéticas são relacionadas.⇒ Fe, alguns aços, magnetita (Fe3O4) materiais magnéticos

⇒ Propriedades magnéticas são determinadas pela estrutura: eletrônicacristalinamicroestrutura

⇒ Átomos podem ou não apresentar momento magnético⇒ Materiais diferem em resposta a um campo elétrico e a um campo magnético

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- Relações entre o campo magnético aplicado (H) e a intensidade do campo magnético induzido (B)


Em (a) H é gerado pela passagem de uma corrente i por uma espira cilíndrica de comprimento l e contendo Nvoltas, B é medido em termos de fluxo magnético no vácuo B0 (Wb/m2)

B0 = μ0 Hμ0 - permeabilidade magnética no vácuo (4π 10-7 H/m)B - dado em Tesla (T)Em (b) a densidade de fluxo magnético b dentro do sólido é: B = μ H

Permeabilidade Magnética (μ)- é a intensidade de magnetização - varia em função da intensidade do campo- é característica do material

μ= tg θ B/H


- As propriedades magnéticas de um material podem ser medidas por diferentes parâmetros

Ex.: permeabilidade magnética relativa


μr = μμ0

μ e μr medem a facilidade com que um campo magnético B pode ser introduzido em um material sob a ação de um campo externo H

Ex.: suscetibilidade magnética relativa (χm)χm = μr - 1

- Permeabilidade magnética relativa (μr) de alguns materiaisFe “puro” (0,1% impurezas) 0,5 . 103

Aço silício (4,25% Si) 1,5 . 103

Aço silício (3,25% Si) com grão orientados (textura) 2,0 . 103

“Supermalloy” (79%Ni; 16%Fe; 5%Mo) 1,0 . 104

Ferrita cerâmica (Mn, Zn)Fe2O4 1,5 . 103

Ferrita cerâmica (Ni, Zn)Fe2O4 0,3 . 103

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- Materiais tendem a diferir sua resposta quando em presença de um campo magnético

- Efeitos magnéticos são originados em correntes elétricas associadas a elétrons em órbitas atômicas ou a spins de elétrons

- Classificação de materiais quanto ao comportamento magnético:DiamagnéticosParamagnéticosFerromagnéticosFerrimagnéticosAntiferromagnético



55--4 PROPRIEDADES MAGN4 PROPRIEDADES MAGNÉÉTICASTICAS5.4.2 5.4.2 DiamagnetismoDiamagnetismo

-Comportamento diamagnético ocorre quando o átomo (sem um momento magnético) aceita um alinhamento no campo magnético, sendo a magnitude muito pequena ede direção oposta ao do campo aplicado

-Forma muito fraca de magnetismo: persiste enquanto um campo magnético externo for aplicado: ausência de campo externo momento magnético nulo-Todos materiais são diamagnéticos muito fracos: observa-se quando não há outro tipo de magnetismo. -Susceptibilidade de materiais diamagnéticos(χm): -10-6 a -10-5 (não varia com a T)

Configuração de dipolos de um material diamagnéticos. (a) na ausência de um campo externo. (b) na presença de um campo externo.

Al2O3 -1,81 10-5

Cobre -0,96 10-5

Ouro -3,44 10-5

Silício -0,41 10-5NaCl -1,41 10-5

- Susceptibilidade magnética (χm) de diamagnéticos é negativa- Diamagnéticos não apresentam Tc- Supercondutores tem comportamento diamagnético

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55--4 PROPRIEDADES MAGN4 PROPRIEDADES MAGNÉÉTICASTICAS5.4.3 5.4.3 ParamagnetismoParamagnetismo

- Átomos individuais possuem momentos magnéticos:orientações ao acaso magnetização nula para

um grupo de átomos

Dipolos podem ser alinhados na direção do campo aplicado

Configuração de dipolos em um material paramagnético: a) na ausência de campo externo; b) com campo externo aplicado

- Paramagnetismo: forma muito fraca de magnetismo sem aplicação prática- Paramagnetismo é observado: metais (ex.: Cr, Mn), gases diatômicos (O2 e NO), íons de metais de transição, terras raras, seus sais e óxidos.- Susceptibilidade magnética: 10-5 a 10-3

(positiva e diminui com a temperatura)

χm = KT

K= constante T = temperatura

- Paramagnéticos não apresentam Tc

Representação esquemática dos momentos magnéticos de um material paramagnético.

Alumínio 2,07 10-5

Cromo 3,13 10-4

Cloreto de cromo 1,51 10-3

Sulfato de Mn 3,70 10-3

Molibdênio 1,19 10-4

Sódio 8,48 10-6

Titânio 1,81 10-4

Zircônio 1,09 10-4

- Materiais metálicos com momento magnético na ausência de campo externo- Exemplos: Feα(CCC), cobalto, níquel, gadolíneo, ligas de manganês como MnBi e Cu2MnAl- Susceptibilidade magnética (χm) alta de ≅ 106

- Temperatura crítica temperatura de currie (θc), acima desta perdem o ferromagnetismo e tornam-se paramagnéticos

- θc varia conforme o material: Fe (770°C), Ni (358°C), Co (1130°C), Gd (20°C), SmCo5 (720°C) e Nd2Fe14B (312°C).- Susceptibilidade magnética (χm) diminui com o aumento da temperatura


55--4 PROPRIEDADES MAGN4 PROPRIEDADES MAGNÉÉTICASTICAS5.4.6 Ferromagnetismo5.4.6 Ferromagnetismo

(a) Configuração de dipolos de um material ferromagnéticos na ausência de um campo externo. (b) Configuração de dipolos no ferro α.

χm = CT- θ

C = constanteT = temperaturaθ aproximadamente igual a θc

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55--4 PROPRIEDADES MAGN4 PROPRIEDADES MAGNÉÉTICASTICAS5.4.7 5.4.7 FerrimagnetismoFerrimagnetismo

Ferrimagnetismo ocorre em alguns materiais cerâmicos que apresentam forte magnetização permanente ferritas (fórmula geral: MFe2O4, e M é um elemento metálico)

• Protótipo das ferritas: Fe3O4 = Fe++O- -(Fe+++)2(O- -)3

- Momentos magnéticos dos 2 tipos de íons não se cancelam totalmente e o material apresenta magnetismo permanente

cátion Fe++ interstícios octaédricoscátion Fe+++ interstícios tetraédricosânion O- - magneticamente neutro

MAGNETITA

Configuração dos momentos magnéticos na

ferrita

- Temperatura crítica- Susceptibilidade magnética (χm) diminui com o aumento da temperatura (T)

χm ≈ KT± θ

K = constanteT = temperaturaθ é diferente de θc

Ex: Fe, Ni, Mn, Co, Cu, e MgNiFe2O4, (Mn, Mg)Fe2O4

- Protótipo deste caso é o MnO material cerâmico, com caráter iônico e estrutura cristalina CFC tipo NaCl

- momento magnético O- - é zero- momento magnético M++ é permanente num arranjo que forma momentos opostos ou antiparalelo


55--4 PROPRIEDADES MAGN4 PROPRIEDADES MAGNÉÉTICASTICAS5.4.8 Antiferromagnetismo5.4.8 Antiferromagnetismo

Diagrama esquemático mostrando a configuração de momentos magnéticos no MnO

- O material como todo não apresenta momento magnético- Alguns compostos de metais de transição apresentam este comportamento: MnO, CoO, NiO, Cr2O3, MnS, MnSe e CuCl2- Temperatura crítica temperatura de Néel (θn)- Susceptibilidade magnética (χm) da ordem dos materiais paramagnéticos e diminui com o aumentoda temperatura (T)

χm ≈ CT± θ

C = constanteT = temperaturaθ é diferente de θn

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55--4 PROPRIEDADES MAGN4 PROPRIEDADES MAGNÉÉTICASTICAS5.4.9 Compara5.4.9 Comparaççãoão

Dependência da temperatura na susceptibilidade magnética (a) paramagnético, (b) ferromagnético (mostrando a transição para paramagnético), (c) antiferromagnético

(mostrando a transição para paramagnético).

a b c

(cerâmicos)

(cerâmicos)(cerâmicos)

(metais)

(metais)

CURVA DE MAGNETIZAÇÃO OU DE HISTERESE• Indução residual (Br) - é a indução

magnética que se conserva no corpo magnetizado, depois de anulada a intensidade do campo. (Gauss)

• Força coercitiva (Hc)- é a intensidade de campo que tem de ser aplicado para desmagnetizar. (Oersted)

• Material com elevado Hc: consome energia para alinhar os domínios magnéticos, de uma direção para outra. A quantidade de energia necessária para magnetizar é proporcional a área do ciclo de histerese.


55--4 PROPRIEDADES MAGN4 PROPRIEDADES MAGNÉÉTICASTICAS5.4.10 Magn5.4.10 Magnééticos moles e durosticos moles e duros

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CURVA HISTERÉTICA PARA LIGAS MAGÉTICAS DURAS E MACIAS



- Ligas magnéticas macias significa que é fácil de ser magnetizado e desmagnetizado

- Ligas magnéticas duras significa que ele permanece magnético ou éum magneto permanente

MAGNÉTICOS MACIOSMAGNÉTICOS DUROS



MATERIAL MAGNETO MOLE: Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e baixo Br. A área do ciclo de histerese e a perda de energia por ciclo são pequenas. Opera na presença de um campo magnético.

- São ligas organizadas. Geralmente metais puros com boa qualidade estrutural.- São empregadas como ligas a serem submetidas à magnetização alternada (núcleos de

transformadores) Ex.: geradores, motores elétricos e transformadores (para estas aplicações énecessário materiais magnéticos moles, de baixa remanência, como: Fe puro, aço ao silício, supermalloy e ferritas cúbicas do tipo espinélio).

EFEITO DA TEMPERATURA: As características de um ferromagnético (material magnético mole) variam com a T↑T ↑energia térmica ↑ mobilidade das paredes

de Bloch dos domíniosmagnéticos

Paredes de Bloch: fronteira entre domínios vizinhos, região de transição, espessura≅ 100 nm, onde a direção de magnetização muda gradualmente, é um defeito bidimensionalMAGNETIZAÇÃO E DESMAGNETIZAÇÃO: São facilitadas: T > θCcomportamento ferromagnético desaparece

Efeitos da T (a) ciclo de histerese, (b) magnetização de saturação.

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MATERIAL MAGNETO MOLE: Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e baixo Br. A área do ciclo de histerese e a perda de energia por ciclo são pequenas.



MATERIAL MAGNETO MOLE:

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é magnetizado durante a fabricação e deve reter o magnetismo após a retirada do campo magnético.

→ Se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto Br→ Importante: resistência a desmagnetização (área BH émaximizada)→ Apresenta um ciclo de histerese grande.→ São ligas endurecidas com estruturas desequilibradas, dispersas→ São utilizadas na fabricação de imãs permanentes→ Aplicações: refrigeradores e fones de ouvido, utilizando- se: ferritas cerâmicas, SmCo5, Sm2Co17 e NdFeB→ Magnetos duros são constituídos de ferromagnéticos, e algumas ferritas hexagonais

MATERIAL MAGNETO DURO:

Aumento da eficiência (energia magnética máxima) dos

magnetos permanentes no século XX.



é magnetizado durante a fabricação e deve reter o magnetismo após a retirada do campo magnético.MATERIAL MAGNETO DURO:

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é magnetizado durante a fabricação e deve reter o magnetismo após a retirada do campo magnético.MATERIAL MAGNETO DURO:

EFEITO DOS ELEMENTOS LIGA

→ Aumentam a força coercitiva ou “dureza” magnética

→ Diminuem o tamanho de grão

→ A formação de uma segunda fase, pela adição de elementos de liga (acima do limite de solubilidade),contribui para o aumento do Hc. Quanto mais elevada a dispersão da segunda fase maior o Hc.

→ O endurecimento causado pela transformações de fase ou pela diminuição do tamanho de grão aumentam o Hc, porque evitam a redistribuição ao acaso dos domínios magnéticos.



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EFEITO DOS ELEMENTOS LIGA



CapCapíítulo 6 tulo 6 --DegradaDegradaçção dos ão dos

MateriaisMateriais


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6. DEGRADA6. DEGRADAÇÇÃO DOS MATERIAIS EM USOÃO DOS MATERIAIS EM USO

66--1 Introdu1 Introduççãoão

66--2 Corrosão2 Corrosão

66--3 Radia3 Radiaççãoão

66--4 Desgaste4 Desgaste


6.1 INTRODU6.1 INTRODUÇÇÃOÃO


⇒⇒ Categorias dos materiais metal, cerâmico e polímeroaplicação

devido ao tipo de propriedades definidas na estrutura

⇒⇒ Uso degradação ou colapso dos materiais

selecionar o melhor material para determinada aplicação,que suporte maiores esforços mecânicos e interação com o meio


29

6.1 INTRODU6.1 INTRODUÇÇÃOÃO


⇒⇒ Ação do meio sobre o material:CORROSÃORADIAÇÃODESGASTE(físico)


Isto ocorre porque nenhum material é totalmente inerte a qualquer ambiente. Conseqüência: degradação do material

⇒⇒ A degradação pode ser classificada em quatro mecanismos:1. Químico2. Eletroquímico3. Radiação induzida4. Desgaste

6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO


⇒ Oxidação reação química direta entre metal e oxigênio da atmosfera (também Ni, S, etc.): pode limitar a aplicação

⇒ Óxido sobre o metal: 1. protege ou 2. facilita a oxidação contínua⇒ Estabilidade: óxidos metálicos têm maior estabilidade (maior energia de ligação ⇒⇒ ponto de fusão mais elevado) em relação ao metal puro

Exemplo: PF do Al 660°C PF do Al2O3 2054°C


6.2.1 Oxidação - Ataque químico da atmosfera

30



⇒⇒ Existem 4 mecanismos possíveis na oxidação de metais:1. Formação de um óxido poroso, não protetor;2. Filme não poroso: o cátion difunde-se pelo filme e reagem com o oxigênio na interface óxido-meio;3. Filme não poroso: íons O-2 reage na interface metal-óxido;4. Filme não poroso onde cátions e ânions se difundem simultaneamente, quase a mesma taxa, e reagindo dentro da camada


6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera



TAXA DE OXIDAÇÃO1. Filme não protetor: filme de óxido poroso através do qual o O2 pode passar continuamente e reagir na interface metal-óxido: crescimento do filme à taxa constate



dy = C1dt

y = C1t + C2onde:C2 = y para t = 0

CRESCIMENTO LINEAR DA TAXA

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2--4. Um filme não poroso através do qual os íons se difundem de forma a reagir com o oxigênio na face externa (óxido-meio) ou no interior ou na interface óxido-metal: razão de crescimento da camada diminui com o crescimento da espessura do filme óxidoLEI DE FICK



dy = C3 1dt y

y2 = C4t + C5onde:C5 = y2 para t = 0

TAXA DE CRESCIMENTO PARABÓLICA, COM CAMADA

DENSA E UNIFORME



Comparação entre o crescimento linear e o parabólico



32



Interação entre os tipos de mecanismospor exemplo lei de crescimento cúbica

Mecanismos de adição iônica e difusão



y3 = C6t + C7onde:C7 = y3 para t = 0

TAXA DE CRESCIMENTO CÚBICA

Exemplo: oxidação da camada de zircônio



Como saber se um metal forma uma camada protetora de óxido?

LEI DE PILLINGLEI DE PILLING--BEDWORTHBEDWORTHdescreve a tendência de um metal formar ou não uma camada protetora



R = M . da . m . D

onde:M = massa do óxidoD = densidade do óxidom = massa do metald = densidade do metala = n° de átomos do metal

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LEI DE PILLINGLEI DE PILLING--BEDWORTHBEDWORTH



R = M . da . m . D

R < 1 ⇒ o volume de óxido tende a ser insuficiente para cobrir o substrato metálico, tendendo a formar um substrato poroso e não protetor

R > 2 ⇒ espalhamento do óxido deixando a superfície porosa, formando uma camada não protetora

1 > R < 2 ⇒ pode ser criada uma camada protetora



LEI DE PILLINGLEI DE PILLING--BEDWORTHBEDWORTH



Óxidos protetores Óxidos não-protetoresBe - 1,59 Li 0,57Cu - 1,68 Na - 0,57Al - 1,28 K - 0,45Si - 2,27 Ag - 1,59Cr - 1,99 Cd - 1,21Mn - 1,79 Ti - 1,95Fe - 1,77 Mo - 3,40Co - 1,99 Hf - 2,61Ni - 1,52 Sb - 2,35Pd - 1,60 W - 3,40Pb - 1,40 Ta - 2,33Ce - 1,16 U - 3,05

Razão de Pilling-Bedworthpara vários metais

34




6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico

Força motriz

concentração de íons na solução

Reação anódica

Fe° → Fe2+ + 2e-

Reação catódica

Fe2+ + 2e- → Fe°




6.2.3 Corrosão galvânica de dois metaisForça motriz

diferente tendência que estes metais têm de se ionizar

Quanto menor o potencial de redução mais ativo é o metal,

e mais anódico

sujeito à corrosão

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6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais

Equilíbrio Potencial de eletrodoMetal - metal vs eletrodo de H a 25°C (V)

Au - Au3+ +1.498Pt - Pt2+ +1.2Pd - Pd2+ +0.987Ag - Ag+ +0.799H2 - H+ 0.000Al - Al3+ -1.662Mg - Mg2+ -2.363Na - Na+ -2.174K - K+ -2.925

Menos ativomais nobremais catódico

Mais ativomenos nobremais anódico




6.2.3 Corrosão galvânica de dois metaisPode ocorrer em meio aquoso diferenciado, por exemplo água do mar, e além disso, entre ligas metálicas diferentes.

Nobre oucatódico

Ativo ou anódico

Série galvânica da água do marPlatinaGrafitePrataInconel(passivo) (80 Ni, 13 Cr, 7 Fe)Níquel (passivo)EstanhoChumboSolda chumbo estanhoLigas de magnésio

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6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais

Parafuso de aço em uma placa de latão criando uma célula galvânica

Célula galvânica pode ser

produzida em escala

microscópica




6.2.3 Corrosão galvânica de dois metaisCélula galvânica

Em ambientes ácidos a corrosão ocorre mesmo na ausência de oxigênio

microestrutura

Ambiente neutro

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6.2.4 Corrosão por redução gasosa• Duas moléculas de água são consumidas por 4 e- no circuito externo para reduzir a molécula de oxigênio para 4 íons OH.

• Fe do cátodo é fonte de elétrons

Reação anódica

O2 + 2H2O +4e- → 4 OH-




6.2.4 Corrosão por redução gasosa

Vários exemplos práticos de corrosão devido a concentração de oxigênio na célula

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6.2.5 Efeito da tensão mecânica sobre a corrosão

Regiões de alta tensão são anódicas em relação a

regiões de baixa tensão

Logo, um estado de mais alta energia de um metal

tensionado em relação ao de menor energia induz a uma barreira de ionização




6.2.5 Efeito da tensão mecânica sobre a corrosãoExemplo: prego dobrado, ou devido a

própria fabricação de um prego, observa-se zonas tensionadas, sujeitas à

corrosão

Em uma microestrutura os contornos de grão são regiões de mais alta energia, logo são mais susceptíveis para acelerar o ataque à

corrosão e desenvolvê-la

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6.2.6 Prevenção contra à corrosão1. Selecionar os materiais de acordo com sua aplicação

p. ex.: para não formar um par galvânico2. O projeto deve ser executado de forma que não ocorram regiõestensionadas, mais propícias à corrrosão3. Utilizar revestimentos protetores, modificando a superfície do material. Os revestimentos podem ser:

- metálicos: ex. cromagem, zincagem, aço estanhado- cerâmicos: ex. esmaltação, aspersão térmica- polímeros: ex. pintura com base polimérica

4. Pode-se ainda utilizar como método de prevenção à corrosão:- ânodo de sacrifício- corrente imposta- aço inox com cromo




6.2.6 Prevenção contra à corrosãoExemplos de utilização de revestimentos protetores

(a) aço galvanizado consiste de um revestimento de zinco sobre o substrato de aço

(b) contraste: um revestimento mais nobre como placas de estanho é protegida pelo aço.

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6.2.6 Prevenção contra à corrosão

ÂNODO DE SACRIFÍCIOExemplo: em navios, onde placas de Zn ou Mg oxidam e protegem o metal

Exemplos de utilização de revestimentos protetores




6.2.6 Prevenção contra à corrosão

CORRENTE IMPOSTAPara não haver migração de elétrons no sentido normal da reação

Exemplos de utilização de revestimentos protetores

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6.2.7 Degradação química de Cerâmicos e PolímerosCERÂMICOS

- não tem e- livres ⇒ difícil par galvânico

- são mais estáveis no meio

- susceptível à corrosão devido a H2O na fadiga estática

- corrosão à quente em cerâmicos ⇒ termocorrosão (materiais refratários)




6.2.7 Degradação química de Cerâmicos e Polímeros

POLÍMEROS

Degradam em presença de O2 e com ultravioleta

enfraquecimento e quebra das grandes cadeias (moléculas)

Exemplo: borracha não vulcanizada (corrosão por solventes orgânicos)

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6.3 RADIAÇÃO



Danos em função da energia envolvida na onda eletromagnética

E = h . ν

ν = c / λ

onde:E = energiah = constante de Planck (0,6626 10-33 J/s)ν = freqüência

Tipos de radiação- eletromagnética- ultravioleta- raios X- raios γ- por partículas α e β- neutrons

6.3 RADIAÇÃO



Radiação por neutrons podem provocar vacâncias ou outros defeitos

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6.4 DESGASTE



Segundo os fenômenos de desgaste do material, pode-se classificá-lo como:

ADESIVO

ABRASIVO

EROSÃO

CAVITAÇÃO

6.4 DESGASTE



Desgaste não depende somente da partícula que está desgastando mas também da superfície desgastada e do meio

SISTEMA TRIBOLÓGICO

44

6.4 DESGASTE



ADESIVO

Duas superfícies de contato deslizando uma sobre a outra, resultando no arrancamento de partículas

V = k P x3 H

V = volume de material desgastadok = coeficiente de atrito entre superfíciesx = distância de deslocamento relativoP = cargaH = dureza da superfície atacada

6.4 DESGASTE



ABRASIVO

Superfície dura sobre uma mais mole, ocorrendo a perda de material desta segunda superfície.

Ex.: Usinagem

Desgaste abrasivo como um polimento

Desgaste abrasivo como um desbaste

Desgaste abrasivo entre dois materiais

com diferentes graus de dureza. Material

superior estádesgastando o

inferior.

Desgaste abrasivo entre dois materiais

com diferentes graus de dureza. Material

superior estádesgastando o inferior,

formando sulcos.

45

6.4 DESGASTE



EROSÃO

Jato de partículas sobre uma superfície

Ex.: jato de areia

Partículas retiradas por desgaste

6.4 DESGASTE



CAVITAÇÃO

Colapso de bolhas causa desgaste e a superfície fica com aspecto polida, porém côncava

46

6.4 DESGASTE



1 2

3 45

1-fadiga da fase intergranular

3-indução de microtrincas no grão

5-desprendimento de fragmentos do grão4-desprendimento do grão

12-microtrincas no contorno de grão

6.4 DESGASTE



polímero

aço baixa liga

aço

fe fu nodular

fe fu cinz

basalto

aluminafe fu b

dureza

resistência aodesgaste

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6.4 DESGASTE



o,o

0,5

1,0

20 40 60 80 100

borracha

perda de espessuradesgaste em relação ao aço St37

ângulo de impacto

aço hadfield

cerâmica

6.4 DESGASTE



Variação da erosão com o ângulo de impacto para o alumínio e a alumina erodidos por partículas de carbeto de silício, demonstrando o comportamento característico de materiais dúcteis e frágeis.

48

6.4 DESGASTE



CAVITAÇÃO

Colapso de bolhas causa desgaste e a superfície fica com aspecto polida, porém côncava

ciência dos materiais-demat-ee-ufrgs 5-3 propriedades...

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