Sebenta de MateriaisSistemas Biomimétricos

Vem de biónica e biomimétrico

Biomimétrico:

Estudo das estruturas biológicas e das suas funções, procurando aprender com a Natureza, as suas estratégias e soluções, e utilizar esse conhecimento em diferentes domínios da ciência – cópia do método, design ou distribuição de carga/peso – imitar a vida

Ciência que estuda os processos biológicos dos seres vivos a fim de aplicar os procedimentos análogos à indústria. “Nem sempre é possível copiar fidedignamente mas pelo menos serve para “inspirar”;

Sistema criado através de processos de engenharia que simula e se inspira num sistema vivo.

Biónica: estuda os processos biológicos a fim de aplicar esses conhecimentos à indústria – relativo à vida.

Características dos sistemas biológicos

Reproduzem-se Autoreparam-se (adaptação desaparecimento/aparecimento de espécies) Regeneram-se Respondem a estímulos externos

Exemplos de sistemas inspirados nos sistemas biológicos: Barragens vs Dicks de castores; Pássaros vs Aviões; Tesouras vs Tenazes;

Dado o fantasiamos pela vida biológica já há a ideia de o simular -> Vida artificial

Um sistema de treino médio é um sistema biomimétrico no entanto não tem em conta o factor surpresa, que tantas vezes os médicos se deparam no decurso da sua actividade.

Auto-organização: Todas as estruturas biológicas são complexas – resultam de uma associação organizada de estruturas mais simples espontaneamente.

Introdução aos Materiais

Evolução dos materiais: Desde muito cedo que o Homem se deparou com materiais diferentes na Natureza. Na pré-história como colector que era apanhava o que a natureza lhe dava. A sua vida basicamente se resumia a isto. Divagar pelo espaço terrestre, e apanhar o que lhe aparecia, tentando-se desenrascar/adequar apenas com o que via. Com o passar do tempo e com a entrada na “idade da pedra”, o homem começou a fixar-se num mesmo local e deu-se a primeira tentativa de transformar materiais – passa-se posteriormente pela idade do ferro e do bronze. É bom recolher o que a natureza oferece mas é igualmente importante saber transformar o que nos dá, moldando as características e propriedades para o fim desejado.

A saber…

Ligas Metálicas – Mistura de metais em que um é solvente e o outro é o soluto. Impurezas são intencionalmente adicionadas no sentido de melhoras as propriedades (por exemplo – resistência mecânica ou à corrosão do material)

Aços – Liga metálica de Ferro & Carbono (Carbono ocupa os interstícios – diferença de tamanho é maior que 15% - não pode ser substituicional – por ser intersticial deforma a rede envolvente);

Latão – Liga metálica de Cobre & Zinco; Titânio + Vanádio + Alumínio – Normalmente aparece nesta conjugação! Porquê?

Porque o titânio totalmente puro é macio mas quer-se um material mais rígido. Titânio tem baixa densidade, elevada elasticidade, resistente ao desgaste. Cada átomo de Alumínio e Vanádio é uma impureza que causa perturbações na estrutura/rede de titânio – estes estragos são aproveitados em medicina – próteses.

Amálgama – Liga de prata, cobre e mercúrio; Sílica – provém do óxido de silício (areia) – processo de obtenção por oxidação – semi

condutor – tem tendência a captar e libertar electrões - importante na electrónica – permite a passagem ainda que condicionada da corrente eléctrica. Semi condutores são normalmente dopados com ferro e alumínio, induzindo zonas negativas e positivas; É possível produzir um monocristal de sílica muito grande. Têm 4 electrões na última camada electrónica.Bombeia-se a sílica com iões, por exemplo alumínio, criando-se condições para ter excesso de electrões – cargas negativas – induzindo o seu movimento. Os iões a entram a grande velocidade, começando a ocupar espaços entre a malha original (penetram) – impurezas intersticiais.

Arseneto de gálio – indução de características dos (13º e 15º) grupos da tabela periódica -> semelhante ao 14º

Na+, Ca2+, K+, Cl-; condicionam a comunicação do impulso nervoso

Classificação dos Materiais:

Metais -> combinação de elementos metálicos, possuem grande número de electrões não-localizados – não ligadas a nada em especial, a nenhum átomo. Grande parte das suas propriedades se deve aos seus eletrões. Excelente condução eléctrica e de calor Aparência lustrosa Resistentes mas deformáveis Aplicações estruturais Não transparentes à luz visível Ligação metálica

Cerâmicos -> compostos entre os metálicos e não metálicos (óxidos, nitretos e carbonetos) – minerais de argila, cimentam e vidro Fracos condutores de electricidade e calor Duros e frágeis (quebradiços) Mais resistentes a altas temperaturas e ambientes agressivos do que os

polímeros e metais Polímero -> compostos organizados que são plásticos ou borrachas (polietileno)

Feitos de carbono, hidrogénio e outros não-metálicos Moléculas grandes (normalmente) Baixa densidade e muito flexíveis Ligação covalente fundamental

Compósitos -> combinação de dois ou mais materiais diferentes Semicondutores -> intermédio entre condutores e isoladores, susceptíveis à presença

de impurezas Biomateriais -> função biológica – implantados no corpo humano, não devem produzir

substâncias tóxicas, compatíveis com tecidos

Estrutura Atómica e MolecularTabela Atómica – Estrutura organizada de elementos em função das suas propriedades

Os primeiros modelos explicavam sucintamente o que se passava com os átomos. Havia protões e neutrões no núcleo e electrões rodavam à volta (modelo quântico de bohr). Nos últimos dois séculos tem havido um grande avanço no que diz respeita à estrutura atómica. Pensava-se os neutrões e protões eram indivisíveis mas até estes podem ser subdividos. Foram descobertos os quarks, os bosões…

Números quânticos

N – número quântico principal (indica o nível atómico); l – número quântico secundário (indica o subnível atómico – a conformação da orbital); ml (número quântico magnético) – (indica a orientação); ms (número quântico de spin) – critério para os electrões

Ligações Atómicas:

Todos os materiais têm propriedades físicas características <-> convém conhecer forças inter-atómicas que unem átomos

Energia potencial mínima -> comprimento da ligação -> E ligação

No gráfico de tensão-deformação, tal como no gráfico de energia:

Inclinações íngremes -> rígidos; Inclinações suaves -> flexíveis;

Ligação Metálica:

Electrões da última camada estão sobrepostos pelo que têm muita liberdade de movimento -> + liberdade -> + condutividade; Não propriamente ligados a um átomo específico, formam uma rede/mar de electrões. Resto dos electrões + o núcleo => Núcleos Iónicos

Ligações secundárias:

Van der Waals (Muito fracas); De dipolos…

Ligações iónicas:

Resulta de uma atracção electrostática (cargas opostas) [se for do tipo metal-não metal, os metais dão electrões de valência aos não metais de forma a que estes adquiram configuração de gases nobres].

Se dermos exemplos, como cerâmicos, como são os compostos? Duros – ligações muito forte; frágeis – depois de se quebrar a ligação é muito difícil voltar a juntar e não condutores.

Ligações covalentes: partilha de electrões

Estrutura Sólidos CristalinosEstrutura Cristalina -> repetição da mesma estruturaMateriais que não são cristalinos são amorfos.Modelo da esfera rígida atómica: os átomos são tratados como esferasEstruturas que se repetem chama-se células unitárias

As mais conhecidas e estudadas são: Cúbica de Faces Centradas, Cúbica de Corpo Centrado e Hexagonal Compacto.

Cúbico de Faces Centradas:

- Em cada vértice e nos centros das faces;

- Cobre, alumínio, prata e ouro;

Aresta = 2 * raiz (2) * R

Cada átomo no vértice é compartilhado com 8 células atómicas.

Cada átomo no meio é compartilhado com 2 células atómicas.

Nº de coordenação=12 (átomos vizinhos)

Factor de empacotamento (0,74) [Volume célula unitária/Volume cubo]

FEA elevado -> Maximizar a protecção dada pela nuvem electrónica

ABCABCABC

Cúbico de corpo centrado:

- Um em cada vértice e um no meio do cubo

- Cromo, ferro e tungesténio

Aresta = 4R / raiz(3)

Cada vértice compartilhada com 8 células atómicas

Cada átomo no centro da célula compartilha apenas com a própria

Número de coordenação = 8

Factor de empacotamento=0,68

Hexagonal Compacto

- Célula Unitária com a forma de um prisma hexagonal. Um átomo em cada vértice. Um no centro da face superior e três no meio do prisma

Altura/Aresta = 1,633

Nº de coordenação=12

Factor de empacotamento=0,74

Cádmio, magnésio, titânio e zinco

ABABABABAB

Alguns elementos metálicos ou não-metálicos podem ter mais que uma estrutura cristalina. São polimorfos. Se for um sólido elementar toma a designação de alotropia.

Grafite vs Diamante

Diamante – hibridação sp^3, tetraedros ligados sucessivamente, estrutura muito compacta, os átomos não se movem facilmente – opõem-se à penetração -> dureza

Carbono – hibridação sp^2, forma planar de forma hexagonal, perpendicularmente ficam as orbitais “pz”, conduz corrente através da orbital perpendicular

Temos também o ferro que tem cúbico de corpo centrado nas ptn, mas cúbico de faces centradas a 1000ºC

Monocristal – toda a estrutura cristalina orientada segundo os mesmos eixos;

Policristal – cristais com diferentes eixos de orientação

Parâmetros de rede (a,b,c,alfa,beta,gama). Se forem muito diferentes uns dos outros, dá mau resultado.

Para algumas estruturas cristalinas, várias direcções não-paralelas com índices diferentes são, na realidade, equivalentes; isto significa que o espaçamento entre os átomos ao longo de cada direcção é o mesmo. Por exemplo, em cristais cúbicos, todas as direcções representadas pelos seguintes índices são equivalentes: [1 0 0], [-1 0 0], [0 1 0], [0 -1 0], [0 0 1] e [0 0 -1]. Com os menos em cima dos números. Por conveniência, as direcções equivalente são agrupadas numa família, que é representada entre colchetes angulados assim: <1 0 0>. Nos hexagonais, algumas direcções cristalográficas equivalentes não irão possuir o mesmo conjunto de índices. É resolvido utilizando quatro eixos. Um z para cima, outros num plano perpendicular a z, 120 graus, uns aos outros. Converter [u’ v’ w’] -> [u v t w]

u=(n/3)*(2u’-v’)

v=(n/3)*(2v’-u’)

t=-(u+v)

w=nw’

Uma “família de planos contém todos aqueles que são cristalograficamente equivalentes, ou seja que possuem o mesmo empacotamente atómica; e uma família é designada por índice que são colocados entre chaves como {1 0 0}. Por exemplo, em cristais cúbicos, os planos (1 1 1) (-1 -1 -1), (-1 1 1), (1 -1 -1), (1 1 -1), (-1 -1 1), (-1 1 -1) e (1 -1 1) pertencem todos à família {1 1 1}. Por outro lado, em estruturas cristalinas tetragonais, a família {1 0 0} conteria somente os planos (1 0 0 ), (-1 0 0), (0 1 0) e (0 -1 0), uma vez que os planos (0 0 1) e (0 0 -1) não são cristalograficamente equivalentes.

A equivalência direccional está relacionada à densidade atómica linear, no sentido de que direcções equivalentes possuem densidades lineares idênticas. O vector direção está posicionado de forma a passar através dos centros dos átomos, e a fracção do comprimento da linha que é interceptada por estes átomos é igual à densidade linear.

A estrutura cúbica de faces centradas com a estrutura hexagonal compacta possuem factores de empacotamento atómicos iguais a 0,74, que consiste na forma de empacotamento mais eficiente que é possível de ser obtida com esferas ou átomos do mesmo tamanho. Além das representações das células unitárias, as estruturas podem ser descritas como planos que possuem uma densidade máxima de empacotamento de átomos ou esfera. A diferença entre as duas estruturas reside na sequência do empilhamento. É facilmente analisável esta situação tendo em atenção onde a terceira camada compacta está posicionada. Na estrutura hexagonal compacta, os centros dessa camada estão alinhados diretamente sobre as posições A originias. Esses planos compactos para a esturutra HC são planos do tipo (0 0 0 1). Para a estrutura cúbica de faces centradas, os centros do terceiro plano estão situados sobre sítios C do primeiro plano. Esses planos são do tipo (1 1 1).

Em todos os sistemas cristalinos à excepção do hexagonal, os planos cristalográficos são especificados por meios de índices de Miller.

Plano (1/a, 1/b, 1/c) tem coordenadas perpendiculares com o plano (a,b,c)

Família são direcções com o mesmo significado e representa-se por <x,y,z>

Anisotropia – propriedade varia com a direcção

Isotropia – independente da direcção

Defeitos e DifusãoDEFEITOS

Os materiais têm inúmeros defeitos estruturais. Um indivíduo menos instruído pensaria à partira que este facto não é benéfico para os materiais, pelo contrário. É o facto de os materiais terem defeitos estruturais que permite que eles se deformem.

A dilatação está relacionada com a existência de lacunas ou seja, espaços vazios.

Defeitos cristalinos – puntiformes:

Temos os defeitos pontuais nomeadamente – defeitos estruturais - as lacunas; Aumentam a desordem; Aumenta com o aumento da temperatura; Átomos saltam, mais lacunas, dilatação

Temos as impurezas substitucionais – átomo substituído por outro do mesmo tamanho e sinal

Temos as impurezas intersticiais (podem no meio estarem de outros elementos ou do próprio – autointersticial – distorções grandes na rede cristalina vizinha – tamanhos diferentes)

Temos as superficiais (de grão) – fronteira de grão é uma linha de separação entre cristais organizados segundo eixos diferentes (estrutura policristalina). Grãos adjacentes têm normalmente diferentes orientações cristalográficas. Constitui uma barreira aos deslocamentos. Dois grãos com diferentes orientações cristalográficas, uma discordância precisa de alterar a sua direcção, o que se torna mais difícil à medida que as desorientações aumentam. Discordância atómica resulta na descontinuidade dos planos de escorregamento entre o grão e o outro. Nessa fronteira, os átomos estão ligeiramente mais excitados porque está numa posição anormal, de maior energia -> a energia necessária para que ele desapareça é menor -> para remover estes átomos, faz-se reagir com um ácido (destrói as zonas de grão – microscopia óptica de reflexão – juntos = zonas escuras). A magnitude desta energia interfacial é tanto maior quanto maior for o grau/ângulo de desalinhamento. As fronteiras de grão não mais reativas. Impurezas têm tendência a alojar-se nestes locais como resultado de sua energia superior. Apesar das fronteiras, os policristais são muito fortes (forças de coesão dentro e através da fronteira existem) e virtualmente são…

Factores determinantes do tipo de liga: tamanho atómico, estrutura cristalina (deve ser igual nos dois), electronegatividade (quanto mais diferente for, maior a probabilidade de se formar uma liga intersticial), valências

Defeitos de linha (Deslocações)

Discordância – defeito linear ou unidireccional em torno do qual os átomos estão desalinhados.

Deslocação em cunha e deslocação em hélice.

Burgers diz linha e orientação que se originou.

Deslocação em cunha – discordância em arestaVector de Burgers perpendicular à dicordância.

Porção extra de um plano ou semiplano cuja aresta termina no interior do cristal. Dentro da região existe uma distorção localizada da rede cristalina. Os átomos acima da linha de discordância são pressionados uns contra os outros, e os átomos abaixo são puxados um para longe do outro,; isto está reflectido pela ligeira curvatura para os planos de átomos verticais à medida que eles se curvam em torno deste semiplano adicional; Após um esforço de corte, numa figura totalmente perfeita verifica-se uma linha de átomos. Se desligasse da linha abaixo, liga-se à linha seguinte. Forma-se um semiplano extra que funciona como cunha (força a estrutura – possibilidade de dar formas diferentes aos materiais. O esforço para mover uma linha é relativamente pequeno. Mas tem um impacto em toda a estrutura – todo o cristal é afectado (mas a magnitude de distorção diminui com o aumento da distância à linha de deslocação; muito longe desta, a rede cristalina é virtualmente perfeita. A única forma de mover uma deslocação em cunha para outro plano é o salto. Gasta energia.

Deslocação em héliceVector de Burgers paralelo à discordância – pode ser considerado formado por uma tensão cisalhante – a região anterior superior do cristal é deslocada uma distância atómica para a direita em relação à fracção inferior.; Muda para outro plano em rampa.

Critérios para a substituição:-Factor do tamanho atómico – Podem ser dissolvidos quando diferença de tamanho não é maior que 15 %. De outra forma, os átomos do soluto criam distorções substanciais na rede cristalina;-Estrutura cristalina – as estruturas cristalinas devem ser as mesmas-Electronegatividade – diferenças de electronegatividade muito grande – formam compostos intermetálicos e não soluções sólidas- Valência – maior tendência de dissolver um de maior

Contornos macla – ficam nos espelho os átomos do outro grão – cisalhamento

Métodos de estudo de estruturas cristalinas/substânciasComo produzir Raios X? Faz-se passar uma corrente eléctrica por tungesténio – faz com que os electrões fiquem excitados e comecem a vibrar e sejam libertados. Depois, os electrões passam por uma diferença de potencial sendo muito acelerados vão, então, embater numa placa metálica, provocando a saída de electrões da mesma. Ocorre por fim, a desexcitação de electrões em níveis superior, que liberta radiação X.Estudo de arranjos atómicos -> Dispersão de Raio X

Se tivermos ondas monocromáticas, em fase, da grandeza do obstáculo -> ela é dispersaRaio X -> Energia elevada, comprimento de onda reduzido.Temos um plano de átomos com os mesmos índices de Miller. Feixes de raio X paralelos incidem sobre os planos cristalográficos. Caso a diferença entre os comprimentos dos feixes seja nº inteiro de comprimentos de onda (diferença de comprimento claramente)E como é para o caso do distanciamento entre feixes? O distanciamento entre feixes que bate em planos diferente vamos considerar por x. Normalmente para identificar um material, usa-se sempre o mesmo comprimento de onda. Mas faz-se variar o ângulo de forma a recolher uma grande quantidade de informação. O seu tratamento permite saber os componentes do material (cristalinas ou amorfos), bem como a sua fase. Um material amorfo produz um espectro sem picos de intensidade.

Diferençatrajetoria*2=n*comprimentoondan*comprimentoonda=2*x*sen(teta)

Distância entre planos é função dos índices de miller (k,h,l) e parâmetros de rede.Distância = Aresta /( raiz (h^2+k^2+l^2))Os átomos no centro das faces do cúbico de faces centradas, e no meio no caso do cúbico de corpo centrado actuam como centro de dispersão.

Como se processa a técnica de difracção? A amostra é pulverizada ou policristalina (partículas muito finas, aleatoriamente orientadas) -> exposto a raio x monocromático.Cada partícula é um cristal, como estão orientadas aleatoriamente algumas até estão nas posições correctas.

Difratómetro – determinar ângulo em que ocorre a difracção em amostras pulverizadas

Temos um placa com o material que vai rodando com velocidade constante, e temos um registador que plota a intensidade dos raios difractados em função do ângulo. Picos de alta intensidade são quando se verifica a lei de bragg.Pode haver um filme fotográfico em vez de um contador.

Com tudo isto consegue-se saber a estrutura cristalina: Tamanho/geometria células unitárias (deduzido através das posições angulares dos

picos de difracção); Arranjo dos átomos dentro da célula (intensidade dos picos).

Microscopia:Electrónica: um feixe de electrões pode ser tratado com uma onde porque, estando fora da atracão de um núcleo, tem propriedades de onde. É fácil trabalhar com electrões pois estes têm carga e ficam sobre a acção de campos magnéticos.

Transmissão - Eletrões passam pela amostra (o mais fina possível) e são captados a seguir num receptor. Se for uma zona que deixe passar é mais clara uma que não deixe é mais escura. A amostra deve ser muito fina para que seja possível que os electrões ao atravessarem e embatam numa placa fotográfica; a intensidade de radiaçõa é chegada a placa traduz o tipo de obstáculos que a radiação encontrou no seu percurso. Não é possível observar em 3D, a preparação das amostras é muito difícil por serem finas. No caso dos materiais metálicos, geralmente são solúveis portanto é possível polir até ter uma espessura de 0,1 mm, depois continuar a polir mas há que ter cuidado com a corrosão.Varrimento - Varres a superfície de uma amostra com eletrões de uma ponta a outra – 3D - sendo que analisas não o que passa pela a mostra mas o que vem de volta que são 3 coisas:

Eletrões secundários (emitidos pela amostra após levar ocm eletrões) - permitem um mapeamento e topografia da superfícieEletrões retrodifundidos (aqueles que batem e voltam) - Permitem um contraste de número atómicoRaios X que saiem da amostra apos impacto - análise química quantitativa e semiquantitativa da amostraÉ necessário que amostra seja boa condutora que não haja acumulação de cargas eléctricas. Em não condutores faz-se recobrimento, e em biológico faz-se análise em vácuo.

Depois tens o de força atómica que tem uma ponta afiada que mexe com as interações dando imagem 3D da superfície.A de túnel pouco interessa basicamente é quando há condução e analisas se os eletrões são conduzidos de uma forma ou outra.

Os métodos de preparação:- Microscopia óptica - superfície bem polida, refletir a luz é importante, contrastantes para marcarem as fronteiras de grão se necessário. Às vezes também usado o ataque químico.- Microscopia eletrónica - amostras finas especialmente se for para transmissão (os eletrões tem de entrar por um lado e sair pelo outro)

Espectroscopia de electrões de Auger – Bombeia-se uma amostra com electrões. As primeiras camadas atómicas ficam excitadas e emitem electrões. Auger descobriu que por vezes a desexcitação electrónica entre o nível superior e nível desocupada pode ser acompanha da emissão de um electrão mais externo com baixa energia – electrão de Auger. Tem de ser em vácuo e a superfície estar limpa.

XPS – técnica em vazio de espectroscopia que permite fazer a análise qualitativa e quantitativa do composto. Permite saber concentração do composto em determinado elemento, e saber a que outros elementos estão ligados. Também consegue-se saber o estado de oxidação. Iluminando com fotões uma amostra – raios X, um electrão de um nível vai ser excitado e o seu ganho de energia pode ser medido. Cada átomo tem um conjunto de valores de energia bem definidos. O electrão ejectado possui a energia do nível em que se encontrava. É possível criar um espectro que único para cada elemento – identificação de átomos. No entanto, há um

efeito de vizinhança. As ligações estabelecidas pelo átomo emissor de electrões influenciam a sua energia – possibilidade de caracterizar as ligações à superfície. Pode ser complementada pelo desgaste progressivo da superfície com iões de árgon por exemplo o que permite uma análise em profundidade.

Tem focagem menor uma vez que raios X não são sensíveis a campos magnéticos. Os electrões podem formar feixe muito fino.

Utilização: monocamadas auto-ordenadas de alcanotióis. O S do tiol liga-se de forma covalente e liga através de si um hidrocarboneto longo e ordenado, com um grupo na ponta. O grupo é que se estuda.

TOF-SIMS - A Espectrometria de Massa de Iões Secundários (Secondary Ion Mass Spectrometry) é uma espectrometria de massa de partículas ionizadas. Estas partículas são emitidas de superfícies sólidas sob bombardeamento de iões primários com muita energia. As partículas emitidas ou 'secundárias' são electrões, átomos e moléculas neutros e iões atómicos e moleculares. Apesar da maioria das partículas secundárias serem neutras, são as os iões secundários que são analizados e detectados pelo espectrómetro de massa. 

WAC - O ângulo de contacto é o ângulo, medido convencionalmente através do líquido, onde um líquido / vapor de interface atende um sólido superfície. Ele quantifica a molhabilidade de uma superfície sólida de um líquido por meio da equação de Young.

Propriedades Mecânicas dos Materiais

Exemplos: Resistência, Dureza, Ductibilidade e rigidez.

Factores que influenciam: natureza da força aplicada, dureza aplicação e condições ambientais

Força pode ser de: TRACÇÃO ou COMPRESSIVA ou CISALHAMENTO

Verificar comportamento dos materiais através da Tensão – Deformação:

Para estudar as propriedades mecânicas de um material, efectuar esforços de tracção, utiliza-se um provete. Um provete é uma peça com a forma de um peso de musculação. Cada uma destas peças adapta-se a uma máquina de ensaios e vai ser puxado para cada um dos lados. Zona que é estudada é a mais fina. É-lhe aplicada uma força de tracção para determinar a sua resistência. Vai-se medindo o aumento até à quebra, para ser determinada qual a resistência mecânica.

Tensão = σ = F/Ao

Deformação = ϵ = Δl / lo

σ=Eϵ em que E=módulo de Young ou de elasticidade -> constante de proporcionalidade -> Lei de Hooke

E varia de 45 GPa (magnésio) a 407 GPa (Tungesténio)

Comportamento Elástico -> verifica-se a Lei de Hooke

No caso do comportamento elástico, E -> módulo de Young pode ser considerado como rigidez, ou seja, resistência à deformação (à separação de átomos adjacentes)

Se se deixar de aplicar a força, a linha é percorrida na direcção oposta com libertação de energia.

Em alguns materiais a porção elástica não é linear. Módulo elasticidade determinada pelo módulo tangencial secante.

Escala atómica – Deformação elástica macroscópica ->

1- Deformação elástica – alongamento do comprimento da ligação entre os átomos (afinal está-se a puxar)

2- Deformação plástica – o material absorve energia. Sofre deformação devido ao deslocamento do plano de átomos. Pequenas alterações no espaçamento interatómico e na extensão de ligações interatómicas. Já há quebras com os átomos vizinhos/nova formação. Se parar tensão, não retornam.

3- Ruptura – Quebra de ligação entre os átomos

Na zona elástica, a proporcionalidade verifica-se. Se se seguir o comportamento de um dado material, através do gráfico tensão-deformação, vai-se notar que a descrição vai deixar de ser

escrupulosamente linear -> diminuição do declive ou seja da taxa de deformação. É neste ponto ou próximo que chamamos tensão convencional de cedência.

Enquanto há deformação plástica crescente, a elástica não deixou de existir. Contudo não há recuperação total da forma original.

Se notar um ponto de inflexão, após deixar de ter comportamente elástico -> é a tensão convencional de cedência

Se não se notar um ponto de inflexão, traça-se uma linha paralela ao gráfico, que reflecte uma deformação de 0,2%. A interacção com a curva dá-nos a tensão convencional de cedência. Deixamos de estar na fase elástica, sendo o ponto de inicio da fase plástica.

Elasticidade dos metais <Cerâmicos <Polímeros -> consequências dos diferentes tipos de ligação

Metais -> comportamento anelastico pequeno e desprezável

Polímeros -> Magnitude significativa -> Comportamento viscoelástico

Aumenta a Temperatura, diminui o módulo de Young

Nem todos os materiais se portam elasticidade => Anelasticidade

A deformação não é sempre um processo independente do tempo. A tensão produz uma deformação elástica instantânea que não permanece constante ao longo do período de tempo. E na ausência de força, a deformação não retorna imediatamente a zero.

Maioria metais em regime plástico permite deformar-se apenas até 0,005. Á medida que o material é deformado, além de um ponto, a tensão não é proporcional à deformação. Há curvatura no surgimento de deformação plástica.

Materiais com transição elastoplástica gradual: Limite de proporcionalidade: onde começa a ocorrer a deformação plástica; Recta com a mesma inclinação inicial mas afastada 0,002. Intercepção é a tensão convencional de cedência.

- Materiais com região elástica não linear: tensão necessária para produzir deformação de 0,005 – tensão convencional de cedência.

- Materiais irregulares dão para ver bem onde é a tensão convencional máxima e mínima.

É uma medida resistência à deformação plástica.

Baixa resistência (alumínio – 35 MPa) e alta resistência (aço – 1400 MPa)

Metais – deformação aumenta até a um valor máximo, depois diminui e dá-se a fractura.

Limite de resistência à tracção é o ponto máximo. Se a tensão for mantida dá-se a fractura. Neste ponto é quando se dá o especosçoamento. Toda deformação subsequente se limita a esta zona.

Resistência à fractura – Valor da resistência quando ele parte.

Temos a energia final de deformação/energia total – energia necessária para provocar deformação induzindo até à ruptura. No entanto quando existe a ruptura há quebra de ligações entre átomos e caso exista libertação de energia, ela é devida à recuperação da deformação elástica. Com essa recuperação da energia elástica, a energia final de deformação, que antes era a energia total, passa a ser a energia permanente (que fica após a ruptura). Assim os materiais fracturados possuem uma deformação final inferior àquela que possuíam fracções de segundo antes de sofrerem fractura.

Ductibilidade - Grau de deformação plástica que foi suportado quando da fractura OU alongamento ou redução da área percentual. Definido como a razão percentual entre a diferença de elongação sobre o tamanho inicial

Deformação plástica pequena –> frágil

Deformação plástica grande -> dúctil

Ductibilidade, deformação e tensão sensíveis à temperatura e a impurezas. Deformação diminui com o aumento da temperatura. Mas a ductiblidade aumenta com o aumento da temperatura.

Material Dúctil tem elevada extensão na deformação plástica.

Material Frágil tem pouca ou nenhuma tolerabilidade à deformação plástica.

Fluência – Capacidade de deformar ao longo do tempo

Resiliência – capacidade de absorver energia quando o material é deformado elasticamente e depois com o descarregamento, ter essa energia recuperada – área da deformação elástica – E/m^3.

Módulo da resiliência, Ur, representa a energia de deformação por unidade de volume exigida para tencionar um material.

Materiais resilientes possuem limites de escoamento elevados e módulo de elasticidade pequenos.

Tenacidade – representa uma medida de habilidade de um material em absorver energia até à sua fractura [geometria, carga aplicada são factores determinantes] – área até partir

Na verdade as curvas tensão-deformação estão mal. Como a área está diminuindo, mas está-se a tormar mais resistente a curva tem tensão sempre superior na região plástico em relação à que a de engenharia apresenta. No entanto no espescoçoamento há outras tensões para além da axial, a corrigida é menor.

1º Curva tensão-deformação de engenharia – proporcional + parábola

2ª Curva tensão-deformação verdadeira – sempre a andar, sempre a subir

3ª Curva tensão-deformação corrigida – no final é um pouco menor que a tensão-deformação verdadeira.

Dureza – resistência de um material à deformação plástica localizada.

Medida de profundidade/tamanho impressão resultante localizada (pequena impressão ou mesmo risco). São relativas e não absolutas.

Mais macio é o material -> maior é mais profunda é a impressão e menor é o índice de grandeza.

Limites de resistência à tracção podem ser calculados a partir da dureza.

Coeficiente de Poisson (v) : v -> razão de deformação lateral e axial – medida caracterizadora da variação de dimensões de um material quando sujeito a uma acção de compressão. A acção compressiva causa um aumneot das dimensões segundo o eixo dos x (alargamento) e uma diminuição segundo o eixo dos z’s.

V=- (variação em x) / (variação y)

Materiais Isotrópicos: v=0,25

Metais/ligas=0,25 a 0,35

Máximo=0,5 (Borracha)

Materiais isotrópicos: E=2G(1+v)

E -> Elasticidade ; G -> cisalhamento ; v -> Poisson

Metais: G=0,4 E

Anisotrópicos -> v varia com direcção cristalográfica

Materiais elásticos têm valor muito maior que metálicos.

Há materiais, que ao comprimirmos a estrutura, cada uma das figuras geométricas estica-se também originando rectângulos. Assim há um aumento de dimensões longitudinais e transversais - variações positivas. O coeficiente de poisson é negativo.

- - -

T elevado (vidro) -> dobramos lentamente -> cede à força aplicada ; Dobrar rápido => átomos sem tempo para adquirirem a nova conformação, comportam-se como anteriormente partindo.

Esforço de corte - esforço de deslizamento (mais fácil para menos rígidos)

Temos a tensão de corte (cisalhante basicamente) e a deformação que se mede pela tangente do ângulo. O módulo de corte/rigidez é a relação entre tensão de corte e a deformação.

Comportamento de alguns materiais:

- Cerâmico - materiais frágeis pelo que não sofrem deformação plástica, fractura dá-se na zona elástica.

São feitos testes compressão – flexão:

Esforço é aplicado no ponto médio do material, com duas forças no sentido oposto e metade da intensidade que o contrabalançam, impedindo a movimentação aleatória do material. A força no meio é essencial para que ele curve. Actuam forças de compressão na face cimeira do material e forças de tracção na face de baixo.

Módulo da rotura = (3*F*comprimento placa)/(2*espessura*altura^2)

Módulo de rotura associado directamente ao de elasticidade. A porosidade afecta ambos os parâmetros. Os poros diminuem a resistência de um material.

Esforço de fissuração – aplicamos esforço e fissuramos o material. Tensões orientadas em 3 direcções. A raiz da fissura é a zona onde se aplicou o esforço. Tensão aplicada é tanto menor quanto menor o comprimento de fissura e maior o raio de curvatura.

σm=2σ(c/p)^0,5

σ-tensão

c-comprimento fissura

p-simbolo de densidade mas é o raio.

Se for curva a fissura aumenta a resistência à fractura. O aumento de comprimento também torna o raio da curvatura obrigatoriamente menor, aumentando a tensão e diminuindo a resistência.

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Os polímeros têm uma característica bastante específica, é a possibilidade de variarem gradualmente a sua composição. Normalmente as curvas variam com a temperatura. Com o aumento de temperatura a zona elástica diminui muito e há aumento da zona plástica. As tensões são menores para temperaturas superiores.

Materiais termoplásticos -> perdem resistência com o aumento de temperatura.

Materiais termoendurecíveis -> não altera resistência com a temperatura.

Materiais poliméricos -> uma temperatura superior permite alcançar a tenção convencional de cedência mais rapidamente.

Elasticidade à flexão relacionado com a elasticidade de tensão-deformação.

Eflex = ( L^3 * m) / ( 4 * b * h^3 )

L é o comprimento, m é massa, b é espessura, h é a altura.

Porosos (Menos resistentes e mais tenazes)

Vidros (Mais resistentes e menos tenazes)

Borrachas/outros plásticos/elásticos (grande tenacidade – demoram a fracturar, mas resistência mínima)

Ligas metálicas/compósitos/heterogéneos (maior resistência e maior tenacidade)

Diferença entre compósitos e ligas – os compósitos são materiais heterogéneos constituídos por substâncias diferentes. A ligas também por uma única fase, com mistura de elementos.

Espumas (mais leve, menos resistente)

Metais (mais duros, mais resistentes)

Borrachas (alguma densidade, mas resistência diminuta)

Biomédica usados: Compósitos, cerâmicos e metais – todos têm elevada densidade e resistência à excepção do titânio – levezito

Viscosidade – resistência ao deslocamento de uma camada de líquido sobre outra. Considerando como fenómeno de tensão tangencial, há uma maior incidência no deslocamento da parte superior do material do que da inferior, daí a fratura.

Tensão de corte=viscosidade * gradiente de velocidade

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Encroamento – quanto mais se deforma, mais esforço é necessário para continuar a deformar.

Comportamente mecânico de cerâmicos – normalmente usa-se um penetrador que entre no material, causando deformação. Escala de Vickers: o penetrador é uma pirâmide de diamante aplica-se uma força com esse objecto. O que resulta num “buraco” no material que se quer analisar, depois, deixa-se que ocorre recuperação plástica e fazem-se as medições apropriadas usadas num microscópio – determina-se a rigidez. O ensaio de flexão em 3 pontos também se usa frequentemente para estudar cerâmicos.

Dispersões e movimento de átomosDispersão – movimento de átomos ao longo de uma estrutura. Maior com maior temperatura e com número de defeitos. Quando um átomo se desloca num sentido, normalmente um vazio desloca-se noutro. A dispersão faz-se de maneira a ser um átomo substituinte, caso exista, a ocupar os espaços vazios na malha cristalina.

Deformação plástico corresponde a um grande movimento de discordâncias.

Não se fale novamente nas discordâncias porque já se falou anteriormente, mas lembrar que elas podem-se mover. Imagina-se uma deslocação em cunha. Sabemos que hà um plano adicional de átomos na parte superior. Tendo um plano, submetido a cisalhamento, se tiver magnitude suficiente, as ligações do plano interatómico subsequente são rotas. O plano B torna-se o plano adicional de átomos. Ora isto é que é o escorregamento – plano cristalográfico que se move ao longo de uma discordância – o movimento é o plano de escorregamento.

Todos os materiais contêm discordâncias que foram introduzidas durante o processo de solidificação, da deformação plástico e como consequência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido.

Densidade de discordâncias – comprimento total discordâncias/unidade de volume

Numa deformação plástica, parte é retida interiormente e o restante é dissipado. Earmazenada=Eassociada às discordâncias.

Duas discordâncias com o mesmo sinal e com o mesmo plano de escorregamento, exercem repulsão uma sobre a outra. De sinais contrários, atraem-se.

Plano e direcção de escorregamento – são locais onde ocorre preferencialmente o escorregamento.

Nas estruturas cristalinas, o plano de escorregamento é aquele que se encontra mais densamente compacto por átomos.

As discordâncias não se movem com o mesmo grau de facilidade sobre todos os planos cristalográficos de átomos e em todas as direcções cristalográficas. Ordinariamente, existe um plano preferencial, e neste plano existem direções específicas ao longo faz quais ocorre o movimento das discordâncias. Esse plano é chamado plano de escorregamento; e analogamente a direcção de movimento é chamada direcção de escorregamento. Essa combinação do plano de escorregamento e da direcção de escorregamento é conhecida por sistema de escorregamento. O sistema de escorregamento dependa da estrutura cristalina do metal e é tal que a distorção atómica que acompanha o movimento da discordância é mínima. Para uma estrutura cristalina específica, o plano de escorregamento é aquele plano que possui empacotamento atómico mais denso, isto é, possui a maior densidade planar. Por exemplo na estrutura cúbica de faces centradas, existe um conjunto de planos, a família {1 1 1}, onde todos os planos estão densamente compactados. Um plano do tipo (1 1 1) está posicionado no interior do plano da página, onde os átomos são agora representados como se estivessem tocando seus átomos vizinhos mais próximos. O escorregamento ocorre ao longo de direcções

do tipo <1 1 0> no interior dos planos {1 1 1}. Portanto {1 1 1} <1 1 0> representa a combinação de plano e direcção de escorregamento, ou o sistema de escorregamento da estrutura CFC. Um dado plano de escorregamento pode conter mais de uma única direcção de escorregamento. Assim, podem existir vários sistemas de escorregamento para uma estrutura cristalina particular; o número de sistemas de escorregamento para uma estrutura cristalina particular, o número de sistemas de escorregamento independentes representa as diferentes combinações possíveis de planos e direcções de escorregamento. Por exemplo, para a estrutura cúbica de faces centradas, existem 12 sistemas de escorregamento: quatro planos {1 1 1} diferentes, e dentro de cada plano, três direcções <1 1 0> independentes.

CFC

{1 1 1} <1 -1 0> 12

CCC

{1 1 0} (-1 1 1) 12

{2 1 1} (-1 1 1) 12

{3 2 1} (-1 1 1) 24

HC

{0 0 0 1} (1 1 -2 0) 3

{1 0 -1 0} (1 1 -2 0) 3

{1 0 -1 1} (1 1 -2 0) 6

Para cada uma das estruturas, CCC e HC, o escorregamento é possível em mais de uma família de planos. Para metais que possuem essas duas estruturas cristalinas, frequentemente, alguns sistemas de escorregamento só podem se tornar operativos a temperaturas elevadas. Metais com estruturas cristalinas CFC e CCC possuem um número relativamente grande de sistemas de escorregamento (pelo menos 12). Esses metais são bastantes dúcteis, pois uma extensa deformação plástica é normalmente possível ao longos dos vários sistemas. De maneira contrário, metais com estrutura HC, com poucos sistemas de escorregamento ativos, normalmente são bastante frágeis.

Para metais com estruturas CFC e CCC, o escorregamento pode finalmente começar ao longo de um segundo sistema de escorregamento, aquele que é o próximo com orientação mais favorável em relação ao eixo de tracção. Além disso, para cristais com estrutura HC que possuem poucos sistemas de escorregamento.

Metais policristalinos -> mais resistentes que sós, porque não há facilidade de movimento das discordâncias.

Maclagem – cisalhamento induzir deslocamentos atómicos de tal modo que em um dos lados do plano de tal modo que os átomos estejam localizados na imagem em espelho dos átomos do outro lado.

Como aumentar a resistência?

Tamanho de grão – Movimento de discordâncias em policristalinos – tem lugar de A para B. O contorno de grão actua como uma barreira - enfrenta necessariamente as fronteiras de grão. Dois grãos possuem orientações cristalográficas diferentes. Uma discordância que passa para outro grão terá de alterar a direcção do movimento. Se se reduzir o tamanho de grão, num mesmo espaço, tem de alterar mais vezes a direcção do contorno de grão, adaptação, barreira do movimento de discordância, então é mais resistente. Torna-se mais difícil à medida que a diferença cristalográfica aumenta.

Por solução sólida – Ligas com impurezas que entram em solução sólida substituicional e intersticial. Impurezas impõem deformações da rede cristalina sobre os átomos hospedeiros vizinhos. Interacções entre o campo da rede cristalina e as impurezas, levam a que o movimento das discordâncias seja limitado.

Encruamento: Tornar um metal dúctil em duro e mais resistente (quando submetido a deformação plástica)

Trabalho a frio – abaixo da temperatura de fusão do material – induz deformação

O aumento das discordâncias, a diminuição do número médio de separação entre discordâncias aumenta o encruamento.

Recristalização é um método eficaz de reverter.

Frank-read aumenta o encruamento: quantas mais deslocações tiveres, maior a possibilidade de elas se bloquearem e, por isso, maior e energia necessária para continuar a deformar. pode ainda acontecer que duas deslocações se encontrem e o vetor de burgers resultante da soma de ambas não esteja numa direção que permita o movimento, o que faz com que a deslocação pare - mais uma vez, o encruamento aumenta

O desacerto atómico provocado pela deslocação é uma barreira suplementar à passagem de electrões, que encontram átomos que não deviam lá estar -> evitar electrões saem com menos energia e quando batem na chapa fotográfica, formam linhas mais escuras. Mudam de lugar ao longo do tempo – deslocações em movimento.

Energia de malha – energia que mantém os átomos unidos. Uma deslocação causa um aumento de energia de malha. Quanto menor for a intensidade do vector de burgers, mais fácil é mover a deslocação porque a energia adicionada aos materiais é menor.

Movimento de deslocações: Na estrutura cúbica de faces centradas é fácil mover deslocações no plano (1,1,1) – plano mais denso em que o vector de burgers é menor. Num material cúbico de corpo centrada, o menor vector de burgers vai ser maior do que o menor vector de burgers do de faces centradas – é mais difícil causar uma deslocação (necessária mais energia). É muito difícil deformar magnésio e zinco, que cristalizam no sistema hexagonal compacto. Uma

pequena alteração relativamente ao cúbico de faces centradas provoca grandes alterações de maleabilidade.

Sistema Cúbico de faces centradas – plano de densidade máxima: família {1,1,1} 4x3=12 – sistemas de deslizamanete, equivalentes (considerar apenas semieixo positivo Oz). Sistema de deslizamento – plano e linhas de direção com igual densidade atómica. As deslocações movem-se preferencialmente nos planos mais densos e na direcção com empacotamento mais compacto (maior densidade planas e linear).

Tracção de corte crítica resolvida – valor de tensão mínimo para provocar deslocação – força de cote. Os primeiros deslizamentos, dentro de um plano, são os que primeiro atingem a Tensão corte crítica resolvida – estão bem orientados. Quando um deslizamento atinge um obstáculo, pode parar ou mudar para um plano equivalente (que pode ou não estão tão bem orientado relativamente ao esforço). Os planos atrás seguem-no tão bem orientado relativamente ao esforço). Os planos atrás seguem-no.

Deslocação em cunha: quando atinge um obstáculo, pode saltar para um plano paralelo (fornecendo energia) onde continua a mover-se (planos da mesma família)

Deslocação em hélice: não salta. Só passa para outro plano em rampa. Num material muito perfeito, há poucas deslocações. Quanto maior o número de deslocações, maior é a probabilidade de se cruzarem, bloqueando-se -> algumas não conseguem saltar ou mudar de plano, então param.

Fontes de Frank-Reed: Deslocação em cunha encontra um obstáculo – dentro de 1 cristal – até atingir a fissura de grão. Aplicação de esforço – material muito dúctil. Quando chegar ao limite dúctil e fraturar, a zona de fractura será baça pois reflecte em direcções muito diferentes. Atenção – diferente de fractura frágil – plano ou fractura brilhante. Mais esforço a deslocação multiplica-se. As delocações chocam mais entre si, gerando um maior bloqueio. Assim, é necessário uma maior energia para continuar a deformar. Desta forma, o material fica mais deformável mais encroada. Geram-se mais deslocações que permitem continuar

Monocristais têm deslocações. Policristais, quando têm uma deformação elástica, cada cristal sofre deslocações e as fronteiras de grão ajustam-se. Quando se chega ao limite plástico, significa que todos os cristais já sofreram todos os processos que sofre um monocristal (deslocações, engarrafamentos).

Movimento de deslocações:

Sistema cúbico de faces centradas- família {1,1,1} e {1,-1,0} – As deslocações tem 12 sistemas de grande densidade para se mover. Assim, o vector de deslizamento de Burgers é pequeno e é necessário para deformar o material – muita ductibilidade.

Quando existe uma deslocação em cunha, existem 2 planos de tensão. Acima ao plano há compressão e abaixo tração. Duas deslocações iguais repelem-se mas, se tiverem as forças ao contrário atraem-se e anulam-se. Anulamento das deslocações – 2 semi-planos alinham-se formando um plano completo (cristal perfeito). Uma deslocação em hélice provoca tensões de corte.

Sistema hexagonal compacto: Mesma densidade que o sistema cúbico de faces centradas ou seja 0,74. Os planos mais densos são os das bases dos hexágonos – família {0,0,1}. As deslocações não se cruzam logo, quando encravam, é muito difícil desencravar. As deslocações dos outros planos têm vector de burgers muito elevado e por outro lado, os planos paralelos estão demasiado afastados para a deslocação saltar – os materiais são frágeis e muito difícil de deformar.

Excepção – titânio – cristaliza no sistema hexagonal compacto. Neste sistema, os átomos não são esferas mas sim bolas de Rugbi. No titânio, as bolas de Rugbi estão deitadas. Assim os primas hexagonais têm um lado menor: os planos das bases estão mais próximas e assim é possível fornecer energia para as deslocações saltarem.

Saltos de deslocações:

Deslocações em cunha: como o vector de burgers é perpendicular à linha de deslocação, podem mover-se em muitos planos. Se estiver num plano onde se consegue mover não com tanta facilidade pois o vector de burgers é maior, volta à família de planos onde se move melhor logo que encontre um impedimento à passagem no primeiro – como outras deslocações ou impurezas.

Deslocações em hélice: como o vector de burgers é perpendicular à linha de deslocação o movimento é limitado. Os planos paralelos entre si.

Sistema cúbico de corpo centrada: cada cubo tem 2 átomos. Os vectores de burgers são maiores logo a deslocação é mais difícil. Tem 48 sistemas de deslizamento – 12 mais densos (mas menos densos que o cúbico de faces centradas). Quando se esgota as capacidades passa-se para 12 intermédios. Quando se esgota as capacidades passa-se para 24.

É muito mais fácil dobrar cobre em cúbico de faces centradas do que ferro em cúbico de corpo centrado. O ferro, a altas temperaturas, passa de cúbico de corpo centrado para cúbico de faces centradas; há facilidade de moldar a altas T e dificuldade a baixas T (polimorfismo). A estrutura cristalina tem um grande impacto no comportamento mecânico de um material.

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Fragilidade - Um material muito frágil não tem capacidade para mover deslocações e, sob acção de uma força, ocorre quebra de ligações.

Material encroado – recuperação: foi muito deformado e, então, as deslocações estão muito bloqueadas. Antes de ele partir é possível restaurá-lo. Fornecer energia (temperatura) provoca um rearranjo dos defeitos. As deslocações ficam alinhadas e algumas até se podem anular. É um mecanismo de recuperação – poligonização do material. A estrutura fica dividida em diferentes cristais cuja direcção difere em menos de 4º. O material pode continuar a ser deformado. As condutividade eléctrica e térmica aumentam. Pode também fazer uma recristalização. Criam-se pelo fornecimento de energia, núcleos com a estrutura original – nuclear. Criam-se novos cristais que comem espontaneamente a estrutura antiga. A forma da amostra não muda mas cada cristal está diferente. O ciclo encroar – recristalizar – encroar – recristalizar permite, por exemplo, transformar uma barra de cobre num fio muito fio. As

propriedades do material são restauradas: o material torna-se mais macio e frágio mas mais dúctil. A recristalização depende do tempo e da temperatura a que o processo ocorre. A temperatura de recristalização traduz a temperatura às quais uma liga metálica sofre recristalização completa.

FissuraA fractura dúctil é caracterizada por um extensa deformação plástica na vizinhança de uma fissura que está avançando. O processo prossegue de maneira relativamente lenta à medida que está avançando.

Fractura Frágil – parte com pouca deformação plástica. Ocorre sem qualquer deformação apreciável e através de uma rápida propagação da fissura. A direcção do movimento da fissura está próxima de ser perpendicular à direcção da tensão aplicada e produz uma superfície de fractura relativamente plana. Os indícios de fractura são macroscópicos. Para materiais amorfos (como vidros cerâmicos) produz-se uma superfície lisa e brilhante. Para metais cristalinos frágeis, a propagação da fissura corresponde à quebra de sucessiva e repetida de ligações atómicas ao longo dos planos cristalográficos específicos – clivagem.

Fractura Dúctil – exibe deformação plástica substancial, com grande absorção de energia antes da ocorrência da fractura. Após o especoçoamento ter início, pequenas cavidades ou “microvazios” se formam no interior da secção recta. Á medida que a deformação prossegue, essas microfracturas aumentam em tamanho, unem-se para formar uma fissura elíptica que possui o seu eixo mais comprido perpendicular à direcção da tensão. A fissura continua a crescer numa direcção paralela ao eixo principal. Finalmente sucede-se a fractura pela rápida propagação da fractura, envolvente ao pescoço, por deformação cisalhante e num ângulo de 45º com o eixo de tracção. Só microscopicamente há indícios que há fissuras.

Fractura dúctil caracterizada por uma extensa deformação plástica na vizinhança de uma fractura que está avançando.

Materias dúcteis são em geral mais tenazes.

Ligas -> dúcteis ; Cerâmicos -> frágeis

Perpendicular à direcção de tracção. Não forma fraturas vais logo adiante. Sinais macroscópicos.

Fracturas por impacto – Condições severas em relação ao potencial de ocorrência de fratura:

1 – Deformação a uma temperatura relativamente baixa;

2 – Elevada taxa de deformação;

3 – Estado de tensão triaxial

Fadiga – ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes. Há uma falha num valor inferior ao limite de escoamento ou resistência à tracção. Tensão advém de um longo período de tensão repetida ou ciclo de deformação. Ocorre pela iniciação e propagação de fracturas.

Na falha por fadiga, há iniciação de uma pequena fissura, num ponto de alta concentração de tensão. Propaga-se a falha a cada ciclo de tensões. A fractura final ocorre muito rapidamente uma vez que a trinca que está avançando atingiu o tamanho crítico.

Pode ser induzido também por factores ambientais. É a chamada fadiga térmica – flutuações de tensões térmicas. Ocorre na contracção e extensão térmicas.

A fadiga que ocorre por acção simultânea de uma tensão cíclica e um ataque químico é a fadiga associada à corrosão. Ambientes corrosivos têm efeitos negativos e produzem vidas de fadiga muito curtas. Atmosfera, ambiente normal, irá afectar o comportamento de fadiga de alguns materiais. A taxa de propagação de fissuras é aumentada.

A fadiga apresenta características de fratura frágil mesmo em materiais normalmente dúcteis já que quase não ocorre deformação plástica.

Limite de fadiga – tensão mais elevada que não causa falha para um número finito de ciclos.

Num material sem limite de fadiga ocorre independentemente da tensão aplica.

Fluência – colocados em serviço a temperaturas elevadas e ficam expostas a tensões mecânicas estáticas.

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A fratura dúctil é preferível porque a frágil ocorre repentina e catastroficamente, sem aviso prévio ao passo que a dúctil aconteceu após deformação plástica significativa. E uma maior energia é necessária para induzir uma fractura frágil já que estes materiais são geralmente mais densos.

Se não houver estricção quer dizer que é muito frágil.

Diagramas de FasesComponente – metais puros e/ou compostos que compõem uma liga.

Solução sólida – estrutura cristalina é mantida. Soluto nas posições intersticiais ou substituicionais.

Sistema Isomorfo bifásico (alfa, alfa + liquido, liquido) – a fase alfa, sólida consiste numa solução sólida substitutiva que contém átomos tanto de cobre como de níquel, e que possui uma estrutura cristalina cúbica de faces centradas. O cobre e o níquel são mutuamente solúveis, um no outro, no estado sólido, para toda e qualquer composição. Essa solubilidade completa é explica pelo facto de que tanto o cobre como o níquel possuem a mesma estrutura cristalina (CFC), raios atómicos e electronegatividades praticamente idênticas, e valências semelhantes. O sistema cobre-níquel é chamado isomorfo devido a essa completa solubilidade dos dois componentes nos estados líquido e sólido. Fácil identificação da curva liquidus e curva solidus.

Possível identificar: fases, composições fases, percentagens fases.

Fases: o que diz na região

Composição fases: (região monofásica) vê-se quanto tem de cada componente E (região bifásica) podem ser imaginadas diversas linhas horizontais, uma a cada temperatura diferente; cada uma das linhas horizontais, uma a cada temperatura diferente; cada uma dessas linhas é conhecida por uma linha de amarração ou isoterma. Essas linhas de amarração se estendem através da região bifásica e terminam nas curvas de fronteira entre fases em ambos os lados. Para calcular as concentrações das duas fases em condições de equilíbrio é usar o seguinte procedimento: constrói-se uma linha de amarração através das regiões bifásica à temperatura da liga, anotam-se as interseções da linha de amarração com as fronteiras entre as fases em ambos os lados, traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas interseções até o eixo horizontal das composições, onde a composição em cada uma das respectivas fases pode ser lida.

Determinação das quantidades das fases: as quantidades relativas podem ser calculadas. Os casos bifásico e monofásico são tratados de modo diferente. A solução é óbvia em uma região monofásica: uma vez que somente uma fase está presente, a liga é composta inteiramente por aquela fase; isto é, a fração da fase é. Se a posição para as dadas composição e temperatura estiver localizada dentro de uma região bifásica, a complexidade torna-se maior. A linha de amarração deve ser utilizada em conjunto com um procedimento chamado frequentemente de regra da alavanca, que é aplicado da seguinte maneira:

- A linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura da liga; -A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração; -A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global da liga até à fronteira entre fases com a outra fase e então dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração; - a fracção da outra fase é determinada de modo semelhante.

Sistema Isomorfo Binário) Liquido-> alfa

Sistema Eutético Binário) Liquido -> alfa + beta

O que separa alfa de alfa+beta é a linha solvus.

Ponto invariante é por onde passa a reacção eutética.

Solidus horizontal=isoterma eutética

Naquela zona característica que passa pelo liquido, alfa+liquido, e alfa + beta -> há alfa que advinha do resfriamento de alfa+beta –alfa primário e alfa eutético, que advinha da transformação do liquido na estrutura eutética. Os microconstituintes são a estrutura eutética e alfa +beta.

Constituinte do eutético é a constituição do líquido.

Possuivel calcular percentagem de alfa eutético, de alfa primário, de beta total e de alfa total

Alfa eutético. Vai-se até ao ponto invariante. É a razão. Da linha que não vai até ao eutético sobre linha solidus horizontal. Alfa primário é o contrário.

Depois as razoes alfa e beta são fáceis.

Reacção eutetóide – uma sólida se transforma em duas; Ponto invariante é o eutetóide, linha de amarração horizontal é a isoterma eutetóide.

Reacção peritética – uma sólida se transforma numa sólida e líquida.

Transformações de fases para as quais não existe alterações na composição são as congruentes. As estudadas são incongruentes.

Lei fase de gibbs: P(fases) + F(graus de liberdade) = C (compostos) + N (variáveis do processo – onde não entra a composição)

Monofásicos – necessário a descrição de composição e temperatura

Bifásicos – necessário a descrição da temperatura

Ferro-Carbono:

O ferro puro, ao ser aquecido, experimenta 2 alterações na estrutura cristalina antes de se fundir. Á temperatura ambiente, a forma estável, conhecida por ferrita, ou ferro alfa, possui uma estrutura cristalina CCC. A ferrita experimenta uma transformação polimórfica para austenita, com estrutura cristalina CFC, ou ferro gama. Essa austenita persiste até uma dada temperatura, pois reverte novamente para CCC, conhecida por ferrita delta, a qual finalmente se funde. -> Ponta esquerda

Forma-se um composto intermediário carbeto de ferro ou cementita (Fe3C) -> ponta direita

Considera-se apenas o sistema ferro-carboneto de ferro. Aços e ferros fundidos têm baixo teor de carbono. Depois era grafite (mas que não aparece no gráfico)

Solubilidade do carbono no ferro. O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida em teta e gama. Na alfa, com CCC, somente pequenas porções são solúveis o que torna difícil de moldar os átomos de carbono. Embora em concentrações baixas, influencia de maneira significativas as propriedades mecâncias da alfa.É uma fase macia, com densidade alta, e pode ser tornar magnética.

Na gama, a solubilidade é maior pq estrutura CFC são maiores, portanto as deformações impostas sobre os átomos de ferro que se encontram em volta do carbono são menores. É não magnética.

Cementite (Fe3C) é muito dura e frágil; a resistência de alguns aços é aumentada com a sua presença. Condições de T elevada, transforma-se-à em ferro alfa e carbono, na forma de grafite, aos quais irão conservar-se após um subsequente resfriamento até à temperatura ambiente. Taxa de degradação lenta, virtualmente está na forma de Fe3C e não de grafite.

Adição de silício a ferros fundidos acelera enormemente a reacção de decomposição da cementita para formar grafite.

Ligas ferrosas: ferro, ferros fundidos, aços

Ferro fundido quase só ferrita.

Depois é aços.

Ferros fundidos é mais.

Perlita – é o alfa + Fe3C : advém do gama

Perlita:exibe grãos. Mais grossas são ferrita - alfa, enquanto cementita são finas escuras – por vezes são tão finas que os contornos ajacentre entre fases não conseguem ser distinguidos – aparecem escuras nas ampliações. Mecanicamente a perlita apresenta propriedades intermédias entre a macia e dúctil ferrita e a dura e frágil cementita.

Vai de gama, alfa + gama até alfa + fe3C – liga hipoeutetóide

Quando passa de alfa+gama para alfa+fe3c, a fase gama se transforma em Fe3C. A ferrita que está presente na perlita é chamada ferrita eutetóide, enquanto a outra aquela que se formou a temperaturas acima de Temperatura eutetóide, é conhecida por ferrita proeutetóide

Vai de gama, alfa + fe3C até alfa + fe3C – higa hipereutetóide.

Adição de outros elementos podem alterar temperatura eutetóide.

Algumas transformações de fases em metais, afectam propriedades mecânicas. Algumas transformações envolvem fenómenos de difusão o que significa que elas progridem de uma maneira que depende do tempo. Porquê? Uma vez que a maioria das transformações envolver a formação de pelo menos uma nova fase que possui uma composição e/ou estrutura cristalina diferente daquela que a originou, são exigidos alguns rearranjos atómicos por difusão para que a transformação se processe.

Nova fase: 1º - formação de partículas ou núcleos muito pequenos, da nova fase, as quais são capazes de crescer. Depois dá-se o crescimento, ao longo do qual os núcleos aumentam em tamanho. Prossegue até se atingir condições de equilíbrio.

A taxa de aproximação do equilíbrio para sistemas sólidos é tão lenta que estruturas em verdadeiro equilíbrio raramente não são atingidas. São mantidas condições de equilíbrio somente quando o aquecimento ou o resfriamento é executado a taxas extremamente lentas. Para transformações diferentes daquelas que existem em um resfriamento em condições de equilíbrio, as transformações são deslocadas para temperaturas mais baixas do que aquelas indicadas pelo diagrama de fase; para um caso de aquecimento, o deslocamento dá-se para temperaturas mais elevadas. Esses fenómenos são conhecidos por super-resfriamento e sobreaquecimento respectivamente. O grau de cada um depende da taxa de variação da temperatura; quanto mais rápido for o resfriamento ou o aquecimento, maior será o super refriamento ou sobreaquecimento.

Perlita grosseira mesmo abaixo da eutética

Perlita fina no fundo.

Bainitas superior e inferior.

Cementita globulizada – conseguida tratada a temperatura imediatamente abaixo da eutectóide.~

A martensita, é um outro produto de transformação nos aços, que surge quando a austenita é resfriada muito rapidamente. Ela consiste em uma estrutura metaestável e monofásico que pode ser produzida em aços através da tranformação da austenita que se processa sem difusão e quase instantaneamente. Mecanicamente é extremamente dura. Mas ela é aplicada fragilmente pq é sujeita a tratamento térmico. -> estrutura tetragonal centrada.

o que acontece então com a microestrutura é que, como o arrefecimento é rapido, não existe tempo para haver difusão atómica e para "expulsar" átomos de C de dentro da malha (pq a estrutura inicial era CFC e a final deveria ser CCC, e a CCC nao consegue acomodar tantos C como a CFC), ou seja, não há tempo para se formar a estrutura CCC; então, o parâmetro de malha é alongado ao longo do eixo dos zz's para poder acomodar os átomos de C nos intersticios dessa malha - forma-se entao a tal estrutura tetragonal centrada.

PolímerosOcorrem naturalmente – são derivados das plantas e animais. Normalmente possuem origem orgânica e são hidrocarbonetos. Longas moléculas, que se repetem sucessivamente ao longo da cadeira – monómeros.

ADIÇÃO:

Se o gás eliteno for submetido cataliticamente às condições apropriadades de temperatura e pressão, ele irá se transformar no polietileno, que por sua vez consiste em um material polimérico sólido.

R + C2H4 -> R-C2H4 ‘ (radical livre)

Radical livre + C2H4 (sucessivamente)

Até um carbono radical com carbono radical ou carbono radical com radical.

CONDENSAÇÃO

Normalmente com libertação de molécula de água, intermolecular, junção.

Comportamento ViscoelásticoOs polímeros são os materiais exemplos para o comportamento viscoelástico. A temperaturas muito baixas, os polímeros têm um comportamento vítreo, com um módulo de elasticidade elevadíssimo. Ainda com comportamento vítreo e após um determinado valor de temperaturas entra em comportamento viscoelástico. Em determinada altura há diminuição brusca do módulo da elasticidade – temperatura denominada de transição vítrea. A partir dessa temperatura, o material comporta-se como uma borracha, com elevadas propriedades elásticas. O comportamento termoplástico ocorre na mesma até o material derreter, a altas temperaturas.

Gráfico “Elasticidade – Temperatura” com forma de um S invertido.

Quando o material no estado cristalino sólido aumenta a temperatura e funde, o volume ocupado cresce com o aumento da temperatura. Contudo, não cresce tanto como o volume ocupado por um material amorfo quando ultrapassa a temperatura de transição vítrea, originando um comportamento borrachoso, ou seja, uma borracha a partir de um material que se comporta como vidro.

Elastómeros: polímeros unidos nas suas cadeias por átomos com acção reticular. Quando a temperatura é superior à de transição vítrea é possível esticar o material (comportamento de borracha) porque o módulo de elasticidade é muito baixo. Se retirarmos a força aplicada, o material volta um estado, que se não for igual é muito parecido ao original.

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Considere-se um material polimérico amorfo. Ultrapassando-se a temperatura de transição vítrea, é possível modelar o material, organizando-o e dispondo-o de outra maneira, e se a T

for diminuída muito rapidamente, cristaliza nessa estrutura. Se a temperatura voltar a ser aumentada, acima do valor de fusão, as cadeias constituintes dos polímeros individualizam-se e, com um aumento sequencial pode levar-se à decomposição do polímero por quebra de ligação covalente.

Amorfo -> Moldado –T-> Cristalino –T-> Individualizado

Grau de cristalinidade influencia a forma como as alterações estruturais se desenvolvem. Um material amorfo e outro semicristalino têm comportamentos diferentes.

Um material amorfo possui uma temperatura de transição vítrea bem definida, com uma diminuição brusca do módulo da elasticidade. Gráfico conhecido.

Se tivermos um material semicristalino, a sua curva e a diminuição do módulo de elasticidade são menos acentuados e é difícil definir uma temperatura de transição vítrea. Então faz-se duas linhas tangentes à curva e o ponto médio (do segmento de recta entre as intersecções das rectas e do curva) de distância entre elas corresponde à Tg. Tirando isso, o seu comportamento é normal.

Reticulação: a maioria dos polímeros possui ligações duplas na sua estrutura. Se rompermos essas ligações podem fazer ligações com outros grupos funcionais – leva a um aumento do módulo de elasticidade (mais duro, mais flexível, menos resistente).

Acontece, por exemplo, com as borrachas que quando expostas as UV vêm as ligações quebradas, reticular para se tornam mais frágeis.

Viscosidade aumenta - Aumenta, porque forma ligaçoes covalentes entre cadeias lineares formando estruturas tridimensionais que passam a ser inflexiveis, rigidas e alteram a solubilidade. Passam a ser soluveis em solventes organicos em vez de serem soluveis em agua!

Copolímero: formado por diferentes “mero” polímeros. Polímero em bloco tem ser alternância: A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A

Funcionalidade - nº de pontos decontacto

Bifuncional - origina polímeros lineares

Polifuncional - origina polímeros tri-dimensionais

Compósitos: misturar propriedades mecânicas melhores de materiais, ficam melhores do que isolados.

o peso molecular numérico médio é a massa total / número de cadeias. E o peso molecular de massa médio é o fracção que cada cadeia ocupa, há cadeias maiores que outras, a multiplicar respectiva massa, a qual se divide ainda pela massa total.

Termoplásticos: Ganham plasticidade e tornam-se deformáveis por aquecimento. Estas propriedades são características de polímeros lineares, incluindo aqueles que possuem ramificações mas não ligações cruzadas. A plasticidade a alta temperatura deve-se à capacidade das moléculas de deslizarem umas sobre as outras, um processo ativo

termicamente. Esta propriedade é perdida após aquecimento. Os polímeros termoplástico têm um comportamento semelhante ao dos metais que ganham ductibilidade a alta Tempertaura. A principal diferença é o conceito de temperatura elevada; para deformar termoplásticos, geralmente a T ronda os 100ºC ao passo que a ligação metálica requer normalmente 1000ºC. Apesar de não se esperar que materiais poliméricos sejam capazes de possuir as mesmas propriedades mecânicas do que as ligas metálicas, são feitos esforços no sentido de produzir polímeros com a resistência suficiente para serem usados em aplicações de metais – polímeros de engenharia que conservam a sua resistência até 110 – 175º C. O polietileno é o termoplástico mais comum e está diferenciado em PE de baixa densidade (LDPE). PE de alta densidade (HDPE) e PE de muito alto peso molecular (UHMWPE). Quanto maior a densidade, menor a ramificação e maior a linearidades das cadeias poliméricas. Quanto mais lineares e longas estas forem, mais elevado será o ponto de fusão do polímero e melhores serão as propriedades físicas e mecânicas (graças à maior cristalinidade da estrutura) HDPE e UHMWPE são bons exemplos de polímeros de engenharia. Existem ainda os elastómeros termoplásticos. Os elastómeros têm propriedades semelhantes às da borracha natural são recicláveis.

Termoendurecíveis: São o oposto aos termoplásticos, ganhando a dureza e rigidez com o aquecimento. No entanto, estas características não são perdidas após aquecimento já que os processos de cross-linking que ocorre a altas temperaturas são irreversíveis. Desta forma, os termoendurecíveis podem ser removidos ao molde à temperatura de fabrico (200 a 300 ºC). Enquanto os termoplásticos devem ser arrefecidos no molar para evitar deformações. Têm diversas aplicações: películas fotográficas, esponjas – poliéster, poliuretanos, borracha vulcanizada, boqueite (fenolformaldeído)

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As espumas ocupam uma grande área porque apenas variando o tamanho dos poros obtém-se características muito diferentes. Os materiais porosos são muito usados na área da saúde por terem baixa rigidez e resistência específicas – bons para certas aplicações, como preenchimento de espaços. Outros materiais, como próteses do fémur, têm que ser muito resistentes (nunca se consegue que sejam tão poros como o osso) sendo muito resistentes À compressão , são pouco resistentes ao corte.

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Módulo de elasticidade vs densidade

Esponjas – baixa elasticidade e densidade

Cerâmicos e metais: alta elasticidade de lata densidade

Madeira: baixa densidade e média elasticidade. É muito leve mas resistente. A área alargada traduz as propriedades muito diferentes que pode ter. É usada em construções mas não em próteses devido às características tóxicas.

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Viscosidade: camadas superiores deslocam-se mais do que as inferiores. Com o aquecimento, a viscosidade diminui.

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Deformação elástica: é instantânea pois a deformação total ocorre no instante em que a tensão é ou deixa de ser aplicada – tensão independente do tempo. Para além disso, após a aplicação de força, a deformação é totalmente recuperada e o material assume as suas dimensões iniciais.

Deformação viscosa: não é instantânea pois em resposta a uma tensão aplicada, a deformação é aplicada ou depende do tempo. Esta deformação não é reversível ou totalmente recuperada.

Deformação viscoelástica: a aplicação de uma força resulta numa tensão elástica instantânea, seguida por uma tensão viscosa, dependente do tempo.

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Módulo de relaxamento – o comportamento viscoelástico de polímeros é dependente do tempo e temperatura. Nos testes de medição do módulo de relaxamento, o material é inicialmente sujeito a uma tensão rápida relativamente baixa. A força necessária para manter o alongamento é medida em função do tempo, a temperatura constante. A força tende a diminuir devido ao relaxamento molecular do polímero. Define-se então o módulo de relaxamento, um módulo elástico dependente do tempo para polímeros viscoelásticos. Para além disso, a magnitude é depende da temperatura.

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Nos elastómeros há ligações cruzadas que se estabelecem entre cadeiras poliméricas e que lhes permitem voltar a adquirir a sua conformação. Num estado relaxado, um elastómero tem estrutura amorfa e é composto por cadeiras moleculares com ligações cruzadas, muito retorcidas e enroladas. Uma deformação elástica é simplesmente o desenrolamento parcial e endireitamento e alongamento das cadeias na direcção da força aplicada. Depois, as cadeias voltam à sua posição original e o material readquire a forma que tinha.

Um factor determinante neste comportamento é a entropia – desordem do sistema. Quando um elastómero é esticado, as cadeias esticam, ficando mais alinhas – o sistema fica mais ordenada. A entropia aumenta se as cadeias voltarem à sua posição enrolada inicial. Este efeito entrópico tem consequências: - um elastómero aumenta a sua temperatura ao ser esticado; - o módulo de elasticidade aumenta com a temperatura, ao contrário do que aconteceu com outros materiais.

Critério para ser elastómero

1 – Não cristaliza facilmente. É amorfo, tendo cadeias naturalmente torcidas e enroladas no estado relaxado.

2 – As ligações entre cadeias são relativamente livres para as cadeias enroladas responderem prontamente a uma tensão, desenrolando;

3 – Experiência deformações elásticas relativamente grandes, o início da deformação plástica é adiada.

O elastómero deve encontrar-se acima da sua temperatura de transição vítrea (normalmente entre -50º C e -90ºC) pois abaixo da mesma torna-se quebradiço.

VER REAÇÔES SEBENTA

Compósitos: materiais com duas ou mais fases. Muitos compósitos têm apenas duas fases: matriz – fase contínua que rodeia o reforço – fase dispersa (fibras, partículas)

Reforço com partículas grandes: normalmente a fase de partículas é mais dura do que a matriz. As partículas a limitar o movimento da matriz em redor. Essencialmente a matriz transfere uma parte da placa aplicada para as partículas que suportam uma parte da carga. O grau de reforço ou melhoramento do comportamento mecânico depende da força de ligação na interface partícula-matriz.

Reforço com partículas pequenas: o reforço ocorre ao nível atómico e molecular. A matriz suporta a maior parte de cargas aplicadas mas as pequenas partículas dificultam ou impedem o movimento de deslocações. Assim, a deformação plástica é restringida de forma a que características como resistência e dureza são melhoradas. Quanto maior for o reforço com partículas maior será a resitência ao desgaste mas menor a aderência.

Propriedades EléctricasPropriedades Eléctricas: Á medida que o número de átomos aumenta mais próximas estão as orbitais 3p e 3s, ou seja, as orbitais pelas quais os electrões podem efectuar movimentos. Isto tem como efeito um abaixamento do valor de energia requerido para ocorrer o “salto” da carga negativa por uma orbital mais energética. Numa peça metálica temos milhares de átomos próximos. Como há pouca distância forma-se 2 banda, uma 3p e outra 3s, podendo existir sobreposição entre as bandas ou seja, existir electrões de duas orbitais diferentes com a mesma energia. Isto faz com que electrões possam fluir livremente, entre as duas bandas, com um gasto mínimo de energia, resultando numa elevada condutividade: movimento livre de electrões de um condutor entre diferentes orbitais quando se aplica uma corrente eléctrica.

Isoladoras: patamar energético entre banda de valência e de condução muito elevado, que só pode ser ultrapassado com muita energia. (corrente eléctrica para valores energéticos altos, são isolantes até curta d.d.p. passando a ser condutores). Mesmo que existam milhões de electrões, não se sobrepõem pq valor energético é alto.

Função Ferni: probabilidade de um nível de energia estar ocupado por um electrão, seja qual for a temperatura acima do OK. Menor nível de energia, mais probabilidade de encontrar electrão – estado mais estável por ser menos energética e assim, sempre procurado pelos sistemas.

Nível de Ferni OK, é o valor total de organização, é o valor de energia de nível de energia mais alto que está ocupado. Verifica-se pelo gráfico que todos os pontos abaixo da Ef.

Supercondutores: Materiais condutores com condutividade muito elevada. Existe valor de temperatura para o qual ainda é mais eficaz – resistividade diminui imenso.

Menor resistividade (por menor temperatura), menor resistência. Lei ohm I=V/r, R=p (l/A)

Abaixamento rápido da resistividade na Tc cria uma fronteira muito delgada entre condutores normais e supercondutores.

Á temperatura de azoto líquido, existem supercondutores muito eficazes. Existem inclusivamente cerâmicos, muito frágeis, capazes de serem utilizados no fabrico de electroímanes potentes. Tem aplicações biomédicas como electroímanes, capazes de gerar ressonâncias magnéticas nucleares com uma grande resolução de imagem. Estas ressonâncias fazem medições magnéticas extremamente precisas. Os campos magnéticos cerebrais são muito eficazes a compreender e em estudo de grande resolução através de supercondutores permitirá compreende-lo melhor.

Semicondutores: possuem comportamento intermédio, entre os isoladores e supercondutores. Se considerarmos o material puro de um semicondutor, ele possui características isoladoras, com a existência de um nível de energia/banda condutora vazia, separada por uma banda de valência cheia. Para ocorrer condução é necessário fornecer energia correspondente à diferença dos dois níveis de energia.

Podemos aumentar a condutividade adicionando impurezas. Se os átomos introduzidos na estrutura tiverem um electrão de valência a mais, vão substituir um átomo mas esse electrão a mais vai ocupar a banda de condução e causar a passagem de corrente eléctrica - tipo n.

Os átomos do material podem, também, ser substituídos por outros com o mesmo número de electrões de valência. Embora isso não cause a ocupação da banda de condução, causa uma falha na estrutura, devido às diferentes dimensões dos átomos.

Como já se sabe, a difusão que existe entre os átomos é feita de maneira a compensar as falhas. Esse movimento compensatório, que desloca a falha para as extremidades, gera também corrente eléctrica, por movimentação das cargas eléctricas de cada átomo.

Condução neurónios: 1 – repouso de -70mV; 2 – impulso nervoso, passa a -55 mV ; 3 – canais Na+ abrem chega até +35mV ; 4 – Diminui d.d.p. fecha na+, entra k+ vai até abaixo dos -70 mV; 5- funcionamento da bomba sódio e potássio que repõe a normalidade.

Interacção com os materiaisJá se falou do XPS. A principal aplicação centra-se nas camadas auto-ordenadas de alcanotióis usadas para estudar as interacções entre material e sistemas vivos. Numa placa de ouro, o S do tiol liga-se de forma covalente e liga um hidrocarboneto, longo e ordenado na ponta. (S-----------------X) É este grupo x, cujo efeito se estuda.

SAMs – inerte e de fácil absorção, grande afinidade para com S, compatível com células mas não tóxico, usado em técnicas analíticas. A superfície do material fica totalmente coberta pelo grupo X. A organização deve-se a forças de van der Walls entre cadeias adjacentes, que interagem no sentido de minimizar a sua energia potencial. A superfície pode então ser posta em contacto com células e estuda-se a interação.

Hidrofobico – ângulo superior a 90ºC

Comportamento das plaquetas – a adesão é influenciada pela constituição da superfície. Em cateteres é importante que o material não seja trombogénico.

Albumina – impede a adesão de proteínas trombogénicas – atrasa coagulação.

Fibrogénio: trombogénico. Ao absorver-se à superfície altera a sua conformação e inicia a cascata de coagulação.

Por exemplo, querendo estudar a acção do grupo OH, polar, na impermeabilização do material através de ângulo de contacto, obtém os seguintes resultados. Quanto mais OH tiver uma superfície, maior o ângulo de contacto e mais impermeável o material. “Fica mais empinado, mais redondinho”. Isto porque, embora ele seja hidrofóbico por causa do grupo OH, a água não passa a membrana pois a afinidade com o OH é superior. A água retém-se na extremidade da membrana.

Para uma SAM do mesmo tipo e com a mesma constituição, cuja aplicação implicará o contacto com o sangue, é necessário ver, consoante a superfície está muito ou pouco preenchida com OH, se a adesão de proteínas e plaquetas é grande ou pequena.

Quanto menor for, melhor, pois evita-se a formação de coágulos prejudiciais.

Verifica-se que:

- A albumina tem um excelente efeito preventino na adesão de porteínas e plaquetas;

- Concentrações maiores de OH, seja qual for a proteína não deixam aderir

- O material mais adequado deverá ter [OH] entre 65% e 100% em que não há praticamnete adesão de proteínas e plaquetas (apenas fibrogénio – agente coagulante – mas não em grande escala)

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Normalmente escolhe-se o grupo funcional que tenha uma adesão intermédia para situações. Além disso a actividade enzimática deve ser alta. Grande picos de adsorção, não deixam libertar a enzima na situação.

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Um biomaterial introduzido no corpo, pode possuir cargas. Essas condicionam o seu comportamento. Claro que só adere a cargas contrárias.

Interface corpo-material: Uma interface é uma zona de transição entre duas diferentes fases e como tal, a zona de separação entre o material e o meio, a interface pode se chamada de duas maneiras. O material incorporado é de forma imediata envolvido pelo conteúdo do organismo com o qual vai estabelecer interações. A interface resulta da degradação (principalmente oxidação) do material. Quanto mais degradável for, maior esta zona de transição.

Na superfície de um implante ocorrem diversos fenómenos:

-Difução metal/ião óxido

-Incorporação do ião biológico (Ca2+ e Potássio – hidroxiapatite)

-Osmose (interacção com água)

-Adsorção/desorção de moléculas biológicas

-Alterações conformacionais de moléculas que se encontram aderidas

Cálcio e potássio podem ser originários de um osso, que os combina sob a forma de hidroxiapatite (que se junta ao colagénio tipo I). As proteínas agregam-se e desagregam-se da interface e quando estão ligadas a ela, a sua conformação altera-se. O óxido é originado a partir do metal, que fica passivado. Fica protegido do meio.

Mas o que é a passivação? É perder a reactividade, tornam-se inertes.

Adesão Celular:

Como um material é conhecido por uma célula? Quando um material é exposta ao meio, acumulam-se na superfície diversas moléculas: água, iões e proteínas. Uma célula, ao aproximar-se pode reconhecer uma das proteínas do material através das integrinas e também através delas liga-se à proteína completando a sua adesão ao material.

A adsorção depende da química da superfície, que tem um efeito indirecto nos parâmetros macroscópicos e microscópicos caracterizantes da interface solução/material: maior ou menor hidrofobicidade, carga e nanotopografia.

A água condiciona a taxa de adsorção de moléculas biológicas. A água adsorve com mais facilidade que uma molécula orgânica porque o seu momento dipolar é superior ao das moléculas.

- Se tivermos um material carregado negativamente (sendo metal forma M2+ e 2e- que carregou o material pois M2+ saem para a solução), as moléculas de água têm uma grande tendência a ligar-se ao material com diplo negativo orientado para o material. Poucas moléculas orgânicas conseguem ter espaço para se ligarem, dado a maior afinidade da água. Podem existir moléculas de água com outras orientações porque as interacções electroestáticas que as ligam ao material não são intensas ao ponto de se atingir uma imobilização.

-> se o carregamento for positivo, acontecem os mesmos fenómenos, mas desta vez a primazia dá-se para a ligação das moléculas de água através dos seus dipolos negativos.

-> com carga nula, é indiferente às moléculas de água se orientarem num ou noutro sentido. Não havendo interacções electroestáticas, a água perde afinidade para o material e as proteínas ligam-se mais, dado que possuem mais espaço para o fazer

Então, a água é fundamental porque além de ser nela que o transporte de proteínas se faz:

- Em superfícies hidrofóbicas é mais fácil a adsorção de proteínas pois não precisam de afastar as moléculas de água para o fazerem: têm mais espaço;

- A adsorção de proteínas é mais fácil em superfícies fracamente carregadas e/ou hidrofóbicas.

Fosfato de Cálcio e adsorção de proteínas:

Consideramos que queremos ligar uma proteína que possua diversos locais de ligação de cálcio (por exemplo, a albumina) e com carga negativa. Se o material estiver carregado negativamente é difícil que haja adsorção da proteína, dada a repulsão de cargas existentes.

É possível ligar uma proteína negativa a um material carregado negativamente, se existir ajuda por parte de um ião.

Não só da carga depende a interacção.

Dependendo da orientação da proteína e da cargas existentes em cada zona, ela pode ligar-se a um material carregado ou também ele com diversos tipos de dipolos de diversas formas.

Aminoácidos:

-Não polares: alanina

- Positivos: Arginina

- Polar: glicina

- Negativo: ácido aspartico

RGD sequência: Positivo, polar, negativo (Falta o não polar)

Domínios de proteínas:

-Hidrofóbicos são expostos ao meio biológico

-Hidrofícos são enterrados dentro da estrutura proteica.

Na medida de acomodar mais proteínas na superfície molecular a orientação devo mudar quando a concentração aumenta.

Com pouco concentração de proteínas elas se estendem mais, com alta elas encolhem-se.

Planos que existem:

1º plano – iões e proteínas que além das moléculas de água, se ligaram primeiramente ao material

2º plano – existe mais moléculas de solvente ao plano interno bem como mais iões.

Electrocinética: o movimento de um fluído através de um capilar, no qual formam coloados dois eléctrodos carregados de forma oposta e ligados ou à corrente ou a um amperímetro sensível.

1-Electroosmose: uma diferença de potencial origina um movimento de um fluido. Isto porque, uma solução, os iões rodeados por inúmeras moléculas de solvente. Formando uma diferença de potencial, os iões tendem a deslocar-se para o eléctrodo carregado de forma oposta e ao fazê-lo deslocam consigam o fluído/solvente, criando movimento.

2-Corrente móvel: o movimento de uma solução origina um valor de corrente eléctrica, pois transporta cargas, movimentando-as. A corrente é tanto maior quanto mais afastados estão os eléctrodos e quanto mais rápida for a movimentação do solvente. A velocidade, por si só, é menor se o ião for muito grande, tendo muitas moléculas de solvente à sua volta.

Corrosão do material metálico:

Se colocarmos um determinado material metálico num meio cujo potencial é inferior ao do material, existe uma oxidação (corrosão) do material metálico. Há libertação de iões metálicos (M2+) para a solução e gera-se corrente eléctrica.

Interessa então entender o fenómeno para detectar qual a velocidade de corrosão do material.

Y – E corr (em baixo há E’corr)

X – I corr (à esquerda há i’corr)

São linhas de proporcionalidade inversa, e temos no meio, directa em cima diz oxidação. Em baixo diz redução

As ‘ advêm da diminuição da pressão O2.

Quando existe uma velocidade de corrosão alta, gera-se uma grande densidade de corrente (i) pois há libertação de muitos iões.

O que verificamos é que a densidade de corrente acompanha o aumento do potencial de corrosão (E corr). Assim, para um potencial superior, há mais velocidade para o processo de corrosão. Á media que o potencial baixa, a velocidade de redução do O2 aumenta. Como o sistema tem de estar electricamente neutro, a velocidade de corrosão é igual à velocidade de redução de O2. A interacção de ambas as rectas dá-nos a corrosão real do sistema, à qual associamos um potencial e uma densidade de corrente.

Existe redução de O2, p(O2) baixa, assim como a densidade de corrente de corrosão e a diferença de potencial, atenuando-se o processo corrosivo.

Num estado de dissolução activa o aumento de corrente acompanha o aumento de diferença de potencial e crescem até um determinado ponto: o potencial de passivação. Esse momento é o instante a partir do qual se forma o óxido metálico que, ao acumular-se, baixa o valor da densidade de corrente. Entramos na zona passiva. É uma zona com uma diferença de potencial segura (a que queremos no organismo).

Se a diferença de potencial continuar a crescer vamos chegar ao potencial de picada, para o qual há destruição local de filme de óxido. É um processo de corrosão localizada de filme, que tem cerca de 5mm.

( Ver gráfico)

É uma zona de aumento de densidade de corrente, corrente essa que deriva apenas da zona da picada (dado que todo material envolvente é óxido).

Portanto, para a mesmo corrente, é preferível um material que possua muitas picadas do que apenas uma, dado que a distribuição de corrente seria por uma área superior e o material sofreria menos estragos.

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Na superfície de um material existem iões e proteínas com sequências de aminoácidos que permitem o reconhecimento das integrinas das células. Mas além disso, existe caso a superfície esteja carregada, muita água. Água é um dipolo devido à grande electronegatividade de átomo de oxigénio, que polariza a molécula. Permite que faça pontes de hidrogénio.

Carregado de forma heterogénea, as moléculas ligam-se orientando-se os seus dipolos de forma alternada, dependendo da zona do material. Se a carga for homogénea, todas as moléculas se ligam mostrando os oxigénios do material.

Acumulação – ligação da água -> é progressiva e vai-se formando uma sequência de camadas de água. Orientam os seus dipolos de forma complementar. Fica com uma malha cristalina, resistente e pouco móvel.

Fibronectina -> pequena e simétrica – actua nos dois sentidos. Condicionante da adesão celular. As células adirem ao material com fibronectina na superfície.. Além de por si já possuir domínios de ligação com outras proteínas, possui um domínio de ligação celular. Sequência RGD, existe sobre a forma de loop, tem afinidade para a integrina transmembranar específica. RGD polar -> afinidade para meio aquoso. ; RGD ) positivo – dipolar – negativo. Sem o apolar facilita a ligação porque além do meio ser hidrofóbico, também os receptores para o RGD estão voltados para fora, sendo por isso, é polar.

Os domínios hidrofóbicos são expostos ao meio biológico com abundância de água. Envolvidos dentro da estrutura da proteína estão os domínios hidrofóbicos, para não terem de contactar com o meio carregado.

Quanto maior a proteína, mais zonas de ligação pode possuir com o material.

Se o material for hidrofóbico, a proteína tende a aderir usando os seus domínios hidrofóbicos. Como eles estão no interior dela, a proteína tem de alterar a sua conformação para poder efectuar a adesão. A actividade de proteína, uma vez ligada, é alterado.

Á medida que a superfície vai ficando ocupada, algumas proteínas são substituídas por outras com maior afinidade. As que possuem a mesma afinidade relativa, para vencer a falta de espaço, passam a ligar-se perpendicularmente ao material.

Á medida que o tempo de adsorção aumenta, e para uma concentração da solução relativamente baixa, a proteína sofre um alongamento horizontal que resulta na realização de um número superior de ligações com o material.

O gráfico de picos uns ao lado dos outros – descreve o efeito de Vroman, que descreve uma alteração da concentração e tipo de proteínas que estão adsorvidas ao material.

O fenómeno é o seguinte: a proteína A é a primeira, a adsorver pois é a que tem maior mobilidade (devido à menor massa molecular). Após atingirmos o seu pico de concentrações, ela começa a ser substituída pela proteína B, menos móvel mas com afinidade superior. Ao chegar depois da A vai fazer com que ela se desligue do material. O processo repete-se com B, C, tenso a segunda mais afinidade, e menos mobilidade, pelo que substitui a proteína B. No fim da experiência, é a proteína C que tem maior concentração à superfície.

No final da experiência, só a proteína com afinidade tem concentração C significativa.

Uma proteína menos móvel mas com maior afinidade é sempre trocada com uma mais rápida e de menor afinidade, ocupando o seu lugar à superfície do material.

Oxidação:

reacções ocorrem na superfície de um metal exposto a um meio aquoso oxigenado com pH neutro? Escreva as reacções correspondentes e faça um esquema que indique a movimentação das cargas eléctricas no meio e no metal. 

Ao adicionar uma solução ácida com NaCl a uma superficie metálica, o que acontece? represente um esquema ilustrativo.

tens o material num meio com um potencial inferior e o material e oxidado. ocorre corrosão ao mesmo tempo que ocorre a reduçao do O2. as reacções são basicamente as de oxidação e redução, estão no gráfico com a velocidade de corrosão e redução

Quanto à segunda pergunta, o que o professor queria no exame era que se representasse o mesmo esquema mas em vez de ocorrer a redução do O2 ocorria a do H+ a H2(g) (daí dizer que o pH é acido). Depois, os iões Cl- mover-se-iam para junto dos iões M2+. Era importante ainda referir que no metal ocorre o movimento de electrões e na solução de iões.

Próteses da anca:

Problemas associados à prótese da anca:

1- Desgaste da parte acetabular - liberação de partículas e reacção inflamatória 2 - Materiais usados nao viáveis - possibilidade de rejeição3- Materiais com resistência superior à do osso normal - desgaste ósseo

Prótese total da anca:

Componente que entra no canal femural (parte mais escura – rugosa, pode penetrar directamente no osso para melhorar a fixação) – haste

Agente fixador – poli-metilmetacriato – acrílico é aplicado e polimerista no local, fixando o implante

Cabeça (material resistente ao desgaste) – Titânio pouco resistente ao desgaste, mas é pouco denso é normalmente utilizado cerâmico ou liga de crómio-cobalto

Porção onde a cabeça da haste se liga – cabeça metálica e um interior de polietileno de alta densidade (com reticulação) – acetábulo – baixo atrito com o metal, inerte, muito resistente à ruptura.

Também se usam combinações metal/metal. Mais cedo ou mais tarde tende, todas as hipóteses acabam por falhar sendo o que se faz é tentar que a prótese dure o máximo possível consoante o paciente. Pode-se usar uma prótese mais larga para compensar a perda de massa óssea e a libertação de iões de uma hipotética reacção inflamatória.

Definição de biomateriais – material não viável usado num dispositivo médico, destinado a interagir com os sistemas biológicos.

-material usado em contacto com sistemas biológicos para diagnóstico, tratamento ou substituição de qualquer tecido, órgão ou função do organismo.

Diagnóstico – biosensores

Tratamento – sistemas de transporte ou fármacos

Substituição – coração artificial

Fibronectina – proteína de adesão celular. Tem uma sequencia carginina – glicina – ácido aspártico que lhe confere tais propriedades. Certos materiais tendem replicá-lo para terem iguais características. Há redutores celulares específicos para seuqencia RGD, positivo, polar neutro.

Conformação da proteína – muda com a adsorção à superfície, dependendo das características (polar, apolar…) da mesma. Estas alterações traduzem-se em mudanças a função de proteína. Há um comportamento dinâmico perante o material. O desdobramento permite um maior número de interações. Aumenta com a temperatura. Havendo muitas protéinas a competir por um espaço reduzido, há tendência para adsorverem adquirindo uma posição que ocupa menos espaço – diferentes epítopos ficam expostos = diferentes funções.

A actividade para a superfície também condiciona a ligação – importante – efeito de vroman – a superfície fica coberta pela proteína para o qual tem maior afinidade – normalmente proteínas com maior motilidade chegam primeiro à superfície mas acabam por ter substituídas por outras com menor motilidade mas maior afinidade.

Ver oxidação e artigo.