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CENFIM
Constituição Básica da Matéria Princípios Básicos dos Materiais Classificação dos Materiais
• Polímeros
• Cerâmicos
• Compósitos
IMP CON 018
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Importância Histórica dos Materiais
Vítor Caetano 2 IMP CON 018
• Os materiais sempre tiveram um papel fundamental na vida da humanidade
• As eras antigas foram designadas de acordo com o domínio dos
materiais, Idade da Pedra, Idade do Ferro
• No início o homem só tinha acesso aos materiais naturais, tais como pedras,
madeira, ossos e peles
Vítor Caetano
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Importância Histórica dos Materiais
Vítor Caetano 3 IMP CON 018
• A noção inicial baseava-se na dureza; Tribos com lanças apenas de madeira
tinham mais dificuldade em abater uma caça do que tribos utilizando pontas
de pedra em suas lanças
• Após o domínio do fogo, tomou-se noção dos materiais inflamáveis e não-
inflamáveis bem como outras transformações decorrentes da temperatura
Vítor Caetano
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Eras dos Materiais
Vítor Caetano 4 IMP CON 018
Vítor Caetano
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Classificação dos Materiais
Vítor Caetano 5 IMP CON 018
Vítor Caetano
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Classificação dos Materiais
Vítor Caetano 6 IMP CON 018
Vítor Caetano
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O UNIVERSO é constituído por MATÉRIA e ENERGIA
Vítor Caetano 7 IMP CON 018
MATÉRIA
• Matéria é a designação geral para tudo
aquilo que tem massa
• Excluindo formas exóticas de matéria como
o caso dos buracos negros, ela ocupa
espaço e por isso tem volume
• Podemos citar como exemplos de matéria,
o ferro, a madeira, o ar, a água, um ser
humano, o sol, os planetas e as galáxias
• A ausência total de matéria é o vácuo
Vítor Caetano
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Princípios Básicos dos Materiais
ENERGIA
• Não é fácil definir energia com rigor, pois trata-
se de um conceito primitivo
• Alguns autores dizem que é impossível definir
energia e afirmam que não tem uma definição
precisa nem sinónimos
• Cientificamente energia é uma abstração
matemática que não tem existência para além
da sua relação funcional com variáveis ou
coordenadas, que têm uma interpretação física
e podem ser medidas
• Num sentido mais comum, energia é a
capacidade de realizar trabalho, é tudo o que
pode modificar a matéria, por exemplo, na sua
posição, estado de agregação, natureza
química. É também tudo que pode provocar ou
anular movimentos e causar deformações.
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Princípios Básicos dos Materiais
MATERIAL
• Os materiais são feitos de matéria
• Podem ser constituídos por uma ou varias substâncias, designando-se por
substâncias puras ou misturas respetivamente
• São exemplos de materiais: madeira, cobre, aço, ar, água, hidrogénio, vidro
e plástico
• Classificam-se de várias maneiras, por exemplo: naturais e manufaturados;
metálicos, cerâmicos e polímeros; sólidos líquidos e gasosos à temperatura
ambiente
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Princípios Básicos dos Materiais
CORPO
• Um corpo é uma porção limitada de matéria
• Podem ser constituídos por um ou mais materiais
• São exemplos de corpos: uma árvore, uma pedra, um automóvel, um gato, um ser humano, um
litro de leite, a atmosfera que envolve a terra
• Objetos são corpos utilizados pelo homem, por exemplo: Um automóvel, uma cadeira, um lápis
• Exemplo: Uma garrafa de vidro não é um material, é um corpo e também um objeto. O material é
o vidro que a constitui
• Um automóvel é um corpo (e também um objeto) constituído por muitos materiais, tais como:
aço, cobre, ligas de alumínio, plástico, borracha, vidro …
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Princípios Básicos dos Materiais
Exemplos de materiais que entram na
construção de um automóvel:
• Aço (vários aços)
• Água
• Vidro
• Plásticos (vários tipos)
• Tecidos
• Alumínio
• Latão
• Cobre
• Estanho
• Propano
• Ácido Sulfúrico
• Crómio
• Níquel
• Borracha
• Zinco
• Gasolina
• Gasóleo
• Chumbo
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Princípios Básicos dos Materiais
Exemplos de materiais que entram na
construção de uma casa:
• Tijolos (argila)
• Areia
• Cimento
• Aço
• Madeira
• Água
• Vidro
• Plásticos
• Tecidos
• Alumínio
• Latão
• Cobre
• Estanho
• Pedra
• Propano
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Princípios Básicos dos Materiais
Ciência dos Materiais
Ciência dos Materiais é o ramo da ciência
que estuda a relação existente entre a
estrutura e as propriedades dos materiais
Engenharia dos Materiais
Aplica os conhecimentos existentes sobre a
estrutura da matéria para produzir materiais
com um conjunto determinado de
características pretendidas
Ao projetar os engenheiros terão de estar
conscientes das propriedades dos materiais
e dos problemas que os materiais originam
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Classificação dos Materiais
Vítor Caetano 14 IMP CON 018
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Princípios Básicos dos
Materiais
Toda a matéria é formada por partículas extremamente pequenas que se designam por átomos
A palavra átomos significa indivisível pois na antiguidade pensava-se que estas partículas eram indivisíveis
Dalton no século XIX retomou a ideia de que os átomos eram constituintes básicos de toda a matéria
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Princípios Básicos dos Materiais
Presentemente sabe-se que os átomos são constituídos por partículas ainda mais pequenas conhecidas por partículas subatómicas: eletrões, protões, neutrões, quarks, neutrinos , positrões, bosões …
Foi apenas no fim do século XIX (1897) que o físico inglês Joseph Thompson descobriu que os átomos eram divisíveis
Um átomos é formado por um núcleo onde se encontram protões e neutrões, estes também são conhecidos nucleões. À volta do núcleo estão dispostos os eletrões em camadas energéticas que se designam por orbitais.
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Princípios Básicos dos Materiais
Átomos e Partículas Subatómicas
O átomo mais simples que existe é o de Hidrogénio, que apenas tem um protão no seu
núcleo e um único eletrão em órbita. Seguidamente, por ordem de complexidade vem o
átomo de Hélio que tem dois protões e dois eletrões.
Como se pode verificar um átomo é eletricamente neutro, ou seja, tem tantos protões
como eletrões.
Protões – carga elétrica positiva
Neutrões – não têm carga elétrica
Eletrões – carga elétrica negativa
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Princípios Básicos dos Materiais
Outros exemplos de átomos são o Carbono e o
Alumínio, com 6 e 13 protões respetivamente
O número atómico de um átomo é igual ao seu número de protões
![Page 19: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/19.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Tabela Periódica ou Tabela dos Elementos
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Princípios Básicos dos Materiais
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Princípios Básicos dos Materiais
Iões
• Catiões (iões positivos): são
partículas que têm carga elétrica
positiva; os mais simples formam-se a
partir de átomos por perda de um ou
mais eletrões
• Aniões (iões negativos): são
partículas que têm carga elétrica
negativa; os mais simples formam-se a
partir de átomos por ganho de um ou
mais eletrões
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Princípios Básicos dos Materiais
Moléculas
• Os átomos raramente se encontram sozinho na
natureza
• Eles tendem a juntar-se formando toda a
complexidade que conhecemos no mundo
• Apenas um punhado de elementos é estável sozinho,
são os gases nobres ou raros
• Quando os átomos se juntam formam ligações ente si
que se designam por ligações químicas
• Para romper uma ligação química, em geral é preciso
uma quantidade de energia considerável, por isso os
átomos permanecem juntos formando moléculas
• Todas as ligações químicas envolvem apenas os
eletrões das camadas mais exteriores do átomo e
nunca o núcleo atómico
• Existem casos de moléculas que são formadas por
uma grande quantidade de átomos, estas são as
chamadas macromoléculas.
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Princípios Básicos dos Materiais
Ligações Químicas Fortes ou Principais
(Intramoleculares)
• Ligação Iônica - Um dos átomos da ligação cede
um ou mais eletrões ao outro átomo, mantendo-se
unidos por forças electroestáticas.
• Ligação Covalente - Existe partilha de eletrões
do último nível de cada átomo envolvido na
ligação.
• Ligação Metálica - Consiste numa rede enorme
de átomos ligados em que os eletrões dos últimos
níveis estão livres, podendo circular livremente por
toda a rede.
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Princípios Básicos dos Materiais
![Page 25: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/25.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Ligações Químicas Fracas ou Secundarias
(Intermoleculares)
• Ponte de Hidrogénio
• Dipolo Permanente
• Dipolo Induzido
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Princípios Básicos dos Materiais
Substância Pura ou simplesmente Substância:
• É cada uma das espécies de matéria que constitui o universo
• Pode ser simples ou composta
• A sua composição é sempre fixa e definida, por exemplo, para se formar água é
necessário a combinação de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio,
como consequência a água é formada na proporção de 2 gramas de hidrogênio para
16 gramas de oxigênio
Substâncias puras elementares:
• São formadas pela combinação de átomos de um único elemento químico
• O gás hidrogênio é formado por dois átomos de hidrogênio ligados entre si
• O ozone que é formado por três átomos de oxigênio.
• Em geral, as substâncias elementares que o homem utiliza são produzidas em
laboratório, por processos de separação de misturas ou métodos de purificação.
![Page 27: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/27.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Substâncias puras Compostas:
• São formadas pela combinação de átomos de dois ou mais elementos
químicos diferentes
• A água é uma substância composta porque é formada por dois átomos de
hidrogênio e um átomo de oxigênio
• Ácido clorídrico é uma substância composta porque é formado por um átomo
de hidrogénio e um átomo de cloro
• O Metano é constituído por um átomo de carbono e quatro de hidrogénio
![Page 28: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/28.jpg)
Mistura:
• Material formada por duas ou mais substâncias puras
• É difícil encontrar substâncias puras livres na natureza
• As misturas, não possuem composição fixa e definida, por exemplo, para obter
uma mistura de água e sal pode-se colocar qualquer quantidade de água e
qualquer quantidade de sal
• Algumas misturas são tão importantes que têm nome próprio. São exemplos:
gasolina, mistura de hidrocarbonetos, que são substâncias formadas por
hidrogênio e carbono; ar atmosférico, mistura de 78% de nitrogênio, 21% de
oxigênio, 1% de outros gases, como o dióxido de carbono; álcool etílico comercial,
mistura de 96% de álcool etílico com 4% de água.
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Princípios Básicos dos Materiais
![Page 29: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/29.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Mistura Homogênea:
• É formada por apenas uma fase.
• Não se consegue diferenciar as substâncias misturadas.
• Exemplos: água com sal; água com álcool etílico; água com acetona; água com
açúcar; água com sais minerais
![Page 30: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/30.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Mistura Heterogênea
• É formada por duas ou mais fases
• As substâncias podem ser diferenciadas a olho nu ou pelo microscópio
• Exemplos: água com óleo; granito; água com enxofre; água, areia e óleo.
![Page 31: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/31.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Misturas coloidais
• Os componentes da mistura não podem
distinguir-se a olho nu, contudo se usarmos um
instrumento de ampliação, como um
microscópio, conseguir-se-ia distinguir os
diferentes componentes da mistura
• Se deixarmos maionese fora do frigorífico
durante algum tempo conseguimos visualizar
pequenas partículas de gordura
• Se observarmos uma gota de sangue a olho
nu não conseguimos identificar os seus
componentes, mas se observarmos essa gota
ao microscópio, distinguimos os glóbulos
brancos, os glóbulos vermelhos, as plaquetas,
etc.
![Page 32: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/32.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Métodos de separação de misturas
Decantação: permite a separação de líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou
um sólido precipitado num líquido. Exemplos: água e areia, água e óleo vegetal
Filtração: este é um método de separação muito presente no laboratório químico e
também no cotidiano. É usado para separar um sólido de um líquido ou sólido de um
gás, mesmo que o sólido se apresente em suspensão. A mistura atravessa um filtro
poroso, onde o material particulado fica retido.
![Page 33: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/33.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Centrifugação
• Para separar líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou um líquido de um sólido insolúvel
em suspensão
• Para fazer uma centrifugação é preciso uma centrifugadora. Esta máquina faz rodar a
mistura (na qual uma das partes tem que ser líquida) a alta velocidade, provocando a
separação pela ação da força centrifuga que é aplicada (do centro para fora)
• A separação dá-se devido às diferenças de densidades dos materiais
• Normalmente uma centrifugação é seguida de uma decantação
• Exemplos: separar glóbulos vermelhos do plasma sanguíneo; separar a nata do leite.
![Page 34: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/34.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Cristalização: separa um sólido cristalino de uma solução. Na cristalização há
uma evaporação do solvente de uma solução provocando o aparecimento de
cristais do soluto. Exemplo: o aparecimento do sal nas salinas
Destilação
• Separa líquido(s) de sólido(s) dissolvidos
ou líquido(s) de líquido(s)
• Na destilação acontecem duas
mudanças de estado consecutivas: uma
ebulição (vaporização) seguida de uma
condensação
• Na ebulição é retirado da mistura o
componente com o ponto de ebulição
mais baixo, e na condensação esse
componente volta à sua forma líquida
![Page 35: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/35.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Destilação Fracionada
• É um método de separação de líquidos que se encontram
em mistura homogênea ou heterogênea
• Quanto mais distantes forem os pontos de ebulição destes
líquidos, mais eficiente será o processo de destilação
• Eleva-se a temperatura até que se alcance o ponto de
ebulição do líquido que apresente valor mais baixo para esta
característica e aguarda-se, controlando a temperatura, a
completa destilação deste. Posteriormente, permite-se que a
temperatura se eleve até o ponto de ebulição do segundo
líquido. Quanto mais próximos forem os pontos de ebulição
dos líquidos, menor o grau de pureza das frações destiladas
• A destilação fracionada é usada na obtenção das diversas
frações do petróleo. Nos alambiques, este tipo de destilação é
usado na obtenção de bebidas como a aguardente.
![Page 36: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/36.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Cromatografia: para separar substâncias com
diferentes solubilidades num determinado soluto.
Na cromatografia uma mistura é arrastada (por
um solvente apropriado) num meio poroso e
absorvente. Como diferentes substâncias têm
diferentes velocidades de arrastamento num
determinado solvente, ao fim de algum tempo há
uma separação dos constituintes da mistura. Este
processo é normalmente usado para pequenas
quantidades de amostra. Exemplo: separação
dos componentes de uma tinta.
Separação Magnética: consegue separar
componentes que tenham propriedades
magnéticas dos que não as possuem.
Aproveitam-se as propriedades magnéticas de
um dos componentes da mistura para o separar
dos outros. Exemplo: areia e limalha de ferro;
enxofre e limalha de ferro.
![Page 37: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/37.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Peneiração
• Este método é usado na separação de
sistemas sólido-sólido, onde um dos dois
componentes apresente granulometria que
permita que o mesmo fique preso nas malhas
de uma peneira
Ventilação
• Método de separação para sistemas sólido-
sólido, onde um dos componentes pode ser
arrastado por uma corrente de ar. Um bom
exemplo é a separação da casca e do caroço
do amendoim torrado
Sedimentação
• Consiste em deixar a mistura em repouso
até o sólido se depositar no fundo do
recipiente
![Page 38: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/38.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Estados Físicos da Matéria ou Estados de Agregação da Matéria
condensação
evaporação
ebulição
![Page 39: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/39.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Fase gasosa
• Nesta fase as partículas da substância estão
com maior energia cinética
• Elas ficam muito distantes umas das outras
• Movem-se com alta velocidade e colidem entre si
• Um gás qualquer colocado dentro de uma
garrafa de 1 litro adquire a forma da garrafa
• Podemos dizer que uma substância na fase
gasosa possui forma e volume variáveis
• Como tal, os gases são compressíveis, ao
contrário dos líquidos e sólidos não têm volume
fixo.
• Se aumentarmos a pressão podemos comprimi-
los, ou reduzir o seu volume.
![Page 40: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/40.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Fase Líquida
• Na fase líquida as partículas estão um pouco mais unidas
em relação à fase gasosa
• Não há nenhum arranjo definido
• A energia cinética é intermediária entre a fase gasosa e a
fase sólida
• As partículas nos líquidos “deslizam” umas sobre as outras
movendo-se. Isto é o que proporciona a fluidez no líquido
• Todos os líquidos podem fluir, uns mais que os outros
dependendo da sua viscosidade
• Dizemos que a água tem baixa viscosidade e que o mel
tem alta viscosidade
• Os líquidos com baixa viscosidade oferecem menor
resistência para fluir
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Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Fase Sólida
• Na fase sólida, as partículas que formam a substância possuem menor energia
cinética
• Estão unidas por forças de atração mais fortes
• Estão dispostas, em geral, de acordo com um arranjo geométrico definido
• Ao contrário da grande maioria dos materiais, o arranjo das moléculas de água, na
fase sólida, é responsável pelo aumento do volume. A água ao congelar expande-
se, formando gelo que é menos denso que a água na fase líquida
• Podemos dizer que os materiais na fase sólida mantêm a forma e o volume.
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Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Alotropia
• Alotropia é a propriedade que alguns elementos químicos têm de formar uma ou
mais substâncias simples diferentes
• São alótropos: carbono, oxigênio, fósforo e enxofre
• O carbono possui dois alótropos: o diamante e a grafite. A sua principal diferença
está no arranjo cristalino dos átomos de carbono. Na grafite formam-se hexágonos.
Cada átomo de carbono está ligado a apenas três outros átomos de carbono, em
lâminas planas, fracamente atraídas umas pelas outras
•No diamante, cada átomo de carbono está
ligado a quatro outros átomos também de
carbono
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Classificação dos Materiais
Vítor Caetano 43 IMP CON 018
Vítor Caetano
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Classificação dos Materiais
Materiais
– Materiais Metálicos
– Materiais não Metálicos
Vítor Caetano 44 IMP CON 018
Vítor Caetano
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Classificação dos Materiais
• Materiais Metálicos
o Metais Ferrosos
• Aços
• Ferros Fundidos
o Metais não Ferrosos
• Metais Puros
• Ligas Metálicas não Ferrosas (Latões, Bronzes, Ligas de Alumínio, …)
Vítor Caetano 45
IMP CON 018
Vítor Caetano
![Page 46: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/46.jpg)
Classificação dos Materiais
• Materiais não Metálicos
o Polímeros
o Cerâmicos
o Compósitos
o Materiais Magnéticos e Supercondutores
o Materiais Eletrónicos, Fotónicos e Óticos
o Biomateriais
oMateriais Porosos e Celulares
Vítor Caetano 46 IMP CON 018
Vítor Caetano
![Page 47: Constituição básica da matéria](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022062304/55c74770bb61eb04278b4685/html5/thumbnails/47.jpg)
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Princípios Básicos dos Materiais
Classificação Clássica dos
Materiais
• Metálicos
• Cerâmicos
• Polímeros
• Compósitos
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Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos
Materiais
Metais
• Metais são materiais formados pela combinação de elementos químicos que
ocupam a posição central na Tabela Periódica. (eletropositividade = caráter
metálico = tendência para perder eletrões = opõe-se à eletronegatividade
• Esses elementos possuem como principal característica a sua ductilidade,
altas condutividades térmica e elétrica
• São mecanicamente resistentes, porém podem ser deformados.
• Em geral, possuem um aspeto brilhante e lustroso quando polidos
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Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos
Materiais
Cerâmicos
• Cerâmicas são compostos com características entre os metais e
os elementos não-metálicos e incluem compostos químicos, tais
como: óxidos, nitretos e carbonetos
• Tipicamente isolantes elétricos e térmicos e resistentes a altas
temperaturas e ambientes quimicamente agressivos.
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Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Polímeros
• Os polímeros vulgarmente conhecidos como plásticos, geralmente são compostos
orgânicos baseados principalmente em átomos de carbono e hidrogênio
• Possuem elevada massa molecular e usualmente possuem baixa densidade
• Apresentam baixa estabilidade química e estrutural em altas temperaturas
• Por causa dessas características, as suas principais aplicações são o fabrico de
produtos com baixo ciclo de vida (geralmente descartáveis)
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Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos
Materiais
Compósitos
• Os compósitos consistem em dois ou mais tipos de materiais com diferentes
estruturas e propriedades
• A "fibra de vidro" é uma combinação de vidro e polímero
• O concreto e a madeira prensada são outros exemplos de materiais compósitos
familiares
• Diversos compósitos são combinações de fibras cerâmica inseridas em uma
matriz metálica ou polimerica