Download - Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 1/64 Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz
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Ciência dos Materiais IProf. Nilson C. Cruz
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Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros,
cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos
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Polímeros
Monômero
Polímero
Ex: madeira, lã, couro, borracha, seda, plásticos...
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C C C C C C
HHHHHH
HHHHHH
Polietileno (PE)
ClCl Cl
C C C C C C
HHH
HHHHHH
Poli (cloreto de vinila) (PVC) Polipropileno (PP)
HH
HHH H
C C C C C C
CH3
HH
CH3CH3H
Polímeros
Etileno
C C
HH
HH
C C
HH
HH
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Polímeros
Possíveis rotações e torções em torno de ligações simples podem levar à formação de cadeias poliméricas não necessariamente retilíneas.
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Polímeros
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Polímeros lineares
As unidades são unidas em cadeias únicas. Ex. PVC, náilon, PMMA, PE, PS
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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.
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Polímeros com ligações cruzadas
São polímeros onde cadeias adjacentes estão unidas umas às outras através de ligações covalentes.
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enxofre
Vulcanização
Formação de ligações cruzadas através de ligações químicas.
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Polímeros em rede
São polímeros que possuem muitas ligações cruzadas formando redes tridimensionais. Ex. epóxi.
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Cristalinidade em polímeros
Cadeias dobradas
Polietileno
Célula Unitária
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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.
Cristalinidade em polímeros
Regiãocristalina
Regiãoamorfa PE
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Cristalinidade em polímeros: esferulitas
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Cristalinidade em polímeros: esferulitas
Direção de crescimentoda esferulita
Material amorfo
Lamelas cristalinas
Moléculade
ligação
Ponto de nucleação
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Direção do aumento da resistência mecânica
Ramificada Ligações Cruzadas RedeLinear
Ligaçõessecundárias
Estrutura moleculare resistência mecânica de
polímeros
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17/64Deformação
Tensã
o (
MPa)
Plástico
Elastômero
Frágil
Propriedades mecânicas de polímeros
Tensão x Deformação
Limite de resistência à tração
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Propriedades mecânicas de polímeros
Tensão x Deformação
Deformação
Ten
são
Limite de resistência à tração
Limite de escoamento
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Propriedades mecânicas de polímeros
Tensão x Deformação
Polímero Limite de resistência
à tração(MPa)
Limite de escoamento
(MPa)
Alongamento na
fratura(%)
Polietileno (baixa
densidade)8,3 - 31,4 9,0 – 14,5 100 -650
Polietileno (alta densidade)
22,1 – 31,0 26,2 – 33,1 10 – 1200
PMMA 48,3 – 72,4 53,8 – 73,1 2,0 – 5,5
Náilon 75,9 – 94,5 44,8 – 82,8 15 – 300
PVC 40,7 – 51,7 40,7 – 44,8 40 – 80
PTFE 20,7 – 34,5 - 200 – 400
Metais 4100 600 100
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Propriedades mecânicas de polímeros
Temperatura x Deformação
Ten
são (
MPa)
Deformação
PMMA
temperatura resistência
temperatura alongamento
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Deformação em polímeros plásticos e
frágeis
ruptura frágil
ruptura plástica x
deslizamento dasregiões cristalinas
estrutura fibrilar
próximo à ruptura
alinhamento dasregiões cristalinas
próximo à ruptura
polímerossemicristalinos alongamento
das regiões amorfas
Carga/descarga
Estrutura inicial
estruturaem rede
estruturalinear
xTen
são (
MPa)
Deformação
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Deformação em polímeros plásticos e
frágeis
Deformação
Ten
são Limite de
escoamento
A deformação é confinada ao pescoço!
Início da formaçãodo pescoço
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Deformação em elastômeros
Ligaçõescruzadas
Tensão
Tensão
O aumento da entropia faz o polímero retornar à sua forma original quando a tensão é retirada!
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Plásticos Quimicamente inertes, mecanicamente
resistentes, isolantes, transparentes, translúcidos ou opacos, etc...
Revestimentos, brinquedos, lentes, vedações, engrenagens, isolantes, garrafas, etc...
Aplicações de polímeros
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Elastômeros
Aplicações de polímeros
Elásticos...
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UHMWPE
Aplicações de polímeros
Alta resistência química, a impacto, desgaste e abrasão, baixo coeficiente de atrito, autolubrificante e antiaderente.
UHMWPE
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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.
+--
elétronnúcleo
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Propriedades magnéticas
Quando um campo magnético externo H 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
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Propriedades magnéticas
(1) diamagnético
nenh
um
opos
to
(2) paramagnético al
eató
rio
alin
hado
(3) ferromagnético
alin
hado
alin
hado
H = 0 Com campo
m < 0 Campo com o material é menor que no vácuo
m ~ 10-5 – 10-2
Não magnéticos
m ~ 106B ≈ 0 M
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Propriedades magnéticas
Campo magnético, H
Den
sid
ad
e d
o fl
uxo,
B
Ferromagnético
Paramagnético
Vácuo
Diamagnético
0M
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Magnetização e temperatura de Curie
Magneti
zaçã
o d
e s
atu
raçã
o (
10
6 A
/m)
Temperatura (°C)
Fe
Fe3O4
Com o aumento da temperatura se torna mais difícil a orientação dos momentos magnéticos.
Temperatura de Curie
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Domínios magnéticos
Fronteirado domínio
Domínios são pequenas regiões onde existe o alinhamento na mesma direção de todos os momentos magnéticos.
Domínios
Fronteirasentre domínios
Contornode grão
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Campo magnético (H)
Indu
ção
Mag
nétic
a (B
)
0
Bsat
H
H
H
H
H
H = 0
À medida que um campo H é aplicado, os domínios mudam de forma e de tamanho.
Domínios magnéticos
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Domínios magnéticos
Domínios com momentos
magnéticos alinhados crescem às custas
daqueles fracamente alinhados!
H = 0
H
H
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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!
H
1. Estado inicial desmagnetizado
M
4. Coercividade, HC
2. A aplicação de H causa magnetização
3. Remanência, H = 0 mas a
magnetização continua
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Histerese
1
2
3
4
M
H
B
H
B = 0 (H + M)Saturação
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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
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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!
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H
B
Materiais durosImãs permanentes
Ciclo quadradoDispositivos de memória
Materiais molesNúcleos de transformadores
Histerese
Materiais magneticamente moles e duros.
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Entrada do sinal Saída do sinalLerGravar
Cabeçade gravação
Meio de gravação
Armazenamento magnético
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Armazenamento magnético
20 kByte/mm2
12 Mbyte/mm2
500.000 X
8.000 X
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B
Enrolamentoprimário Enrolamento
secundário
Núcleo ferromagnético
Transformador de tensão
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Interação de luz com sólidos
Incidente, I0
Refletida, IR
Transmitida, IT
Absorvida, IA
I0 = IR + IT + IA
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Propriedades ópticas de metais
Os metais são opacos para a maioria das radiações do espectro eletromagnético! Eles são transparentes para raios x e .
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Células solares
Silício tipo n
Silício tipo p
Junção p-n
luz
+
-
++ +
---
Criação de parelétron-buraco
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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!
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Propriedades ópticas de não-
metais
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Propriedades ópticas de não-
metaisRefração
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Refração
(
(
1
2
v1
v2
n1 sen 1 = n2 sen 2
ii
cn
v = índice de refração
c = velocidade da luz no vácuo
n = constante dielétrica
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Reflexão interna total
1
'1
2
1C
nSen
n
n1
n2
c
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Fibras ópticas
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Gradual (parabólico)
Perfis de índice de refração
Degrau
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Propriedades ópticas de não-
metaisReflexão A fração da luz incidente em uma superfície
que é refletida, a refletividade do material, é dada por
0
RIRI
Quando a luz incide normalmente à interface,
2
2 1
2 1
n nR
n n
n1 = 1 para vácuo ou ar
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Propriedades ópticas de não-
metaisAbsorção
Ao percorrer uma distância x dentro de um material com coeficiente de absorção , a intensidade de luz absorvida será
IA = I0 e -x
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Propriedades ópticas de não-
metaisTransmissão
A intensidade de luz transmitida através de um material com espessura l e coeficiente de absorção é
IT = I0 (1-R)2e -l
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Propriedades ópticas de não-
metaisAs intensidades de luz transmitida, refletida e absorvida
são funções do comprimento de onda da radiação incidente.
Vidro verde
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Propriedades ópticas de não-
metaisA 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.
40
60
70
80
50
0.3 0.5 0.7 0.9
Tra
nsm
itân
cia
(%
)
rubi
safira
Comprimento de onda (m)
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Diodos emissores de luz (LED)
Sob determinadas circunstâncias, a aplicação de polarização direta a uma junção semicondutora, ocorre a emissão de radiação visível ou no infravermelho.
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Diodos emissores de luz orgânicos
(OLED)
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Laser
LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation
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Laser de rubi(Al2O3 + 0,05%
Cr3+)
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Laser de rubi
Antes da excitação
Após excitação
Emissão espontânea
Laser
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Laser de semicondutor
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Laser de semicondutor