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Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 www.sorocaba.unesp.br/gpm 1/64 Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz.

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1 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 1/64 Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

2 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 2/64 Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos

3 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 3/64 Polímeros Monômero Polímero Ex: madeira, lã, couro, borracha, seda, plásticos...

4 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 4/64 CCCCCC HHHHHH HHHHHH Polietileno (PE) Cl CCCCCC HHH HHHHHH Poli (cloreto de vinila) (PVC) Polipropileno (PP) HH HHHH CCCCCC CH 3 HH H Polímeros Etileno CC HH HH CC HH HH

5 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 5/64 Polímeros Possíveis rotações e torções em torno de ligações simples podem levar à formação de cadeias poliméricas não necessariamente retilíneas.

6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 6/64 Polímeros

7 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 7/64 Polímeros lineares As unidades são unidas em cadeias únicas. Ex. PVC, náilon, PMMA, PE, PS

8 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 8/64 Polímeros ramificados São polímeros onde cadeias de ramificações laterais são conectadas às cadeias principais. É interessante observar que os polímeros com estrutura linear podem ser ramificados.

9 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 11 9/64 Polímeros com ligações cruzadas São polímeros onde cadeias adjacentes estão unidas umas às outras através de ligações covalentes.

10 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 enxofre Vulcanização Formação de ligações cruzadas através de ligações químicas.

11 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Polímeros em rede São polímeros que possuem muitas ligações cruzadas formando redes tridimensionais. Ex. epóxi.

12 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Cristalinidade em polímeros Cadeias dobradas Polietileno Célula Unitária

13 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Normalmente os polímeros são formados por regiões cristalinas dispersas no interior do material amorfo. O grau de cristalinidade pode variar de completamente amorfo até cerca de 95% cristalino. Cristalinidade em polímeros Região cristalina Região amorfa PE

14 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Cristalinidade em polímeros: esferulitas

15 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Cristalinidade em polímeros: esferulitas Direção de crescimento da esferulita Material amorfo Lamelas cristalinas Molécula de ligação Ponto de nucleação

16 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Direção do aumento da resistência mecânica RamificadaLigações CruzadasRede Linear Ligações secundárias Estrutura molecular e resistência mecânica de polímeros

17 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Deformação Tensão (MPa) Plástico Elastômero Frágil Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Limite de resistência à tração

18 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Deformação Tensão Limite de resistência à tração Limite de escoamento

19 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Polímero Limite de resistência à tração (MPa) Limite de escoamento (MPa) Alongamento na fratura (%) Polietileno (baixa densidade) 8,3 - 31,49,0 – 14, Polietileno (alta densidade) 22,1 – 31,026,2 – 33,110 – 1200 PMMA48,3 – 72,453,8 – 73,12,0 – 5,5 Náilon75,9 – 94,544,8 – 82,815 – 300 PVC40,7 – 51,740,7 – 44,840 – 80 PTFE20,7 – 34,5-200 – 400 Metais

20 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades mecânicas de polímeros Temperatura x Deformação Tensão (MPa) Deformação PMMA temperatura resistência temperatura alongamento

21 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Deformação em polímeros plásticos e frágeis ruptura frágil ruptura plástica x deslizamento das regiões cristalinas estrutura fibrilar próximo à ruptura alinhamento das regiões cristalinas próximo à ruptura polímeros semicristalinos alongamento das regiões amorfas Carga/descarga Estrutura inicial estrutura em rede estrutura linear x Tensão (MPa) Deformação

22 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Deformação em polímeros plásticos e frágeis Deformação Tensão Limite de escoamento A deformação é confinada ao pescoço! Início da formação do pescoço

23 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Deformação em elastômeros Ligações cruzadas Tensão O aumento da entropia faz o polímero retornar à sua forma original quando a tensão é retirada!

24 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Plásticos Quimicamente inertes, mecanicamente resistentes, isolantes, transparentes, translúcidos ou opacos, etc... Revestimentos, brinquedos, lentes, vedações, engrenagens, isolantes, garrafas, etc... Aplicações de polímeros

25 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Elastômeros Aplicações de polímeros Elásticos...

26 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 UHMWPE Aplicações de polímeros Alta resistência química, a impacto, desgaste e abrasão, baixo coeficiente de atrito, autolubrificante e antiaderente. UHMWPE

27 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades magnéticas Toda carga elétrica em movimento produz um campo magnético. Assim, cada elétron em um átomo pode ser considerado como um pequeno imã com momentos magnéticos orbital e de spin elétron núcleo

28 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades magnéticas Quando um campo magnético externo H é aplicado a um material, seus momentos magnéticos tendem a se alinhar com o campo, dando origem a uma magnetização M dada por M = m H m = susceptibilidade magnética Assim, a indução magnética ou densidade de fluxo magnético em um material sujeito a um campo magnético externo H é: B = 0 H + 0 M 0 = permeabilidade do vácuo

29 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades magnéticas (1) diamagnético nenhum oposto (2) paramagnético aleatório alinhado (3) ferromagnético alinhado H = 0 Com campo m < 0 Campo com o material é menor que no vácuo m ~ – Não magnéticos m ~ 10 6 B 0 M

30 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades magnéticas Campo magnético, H Densidade do fluxo, B Ferromagnético Paramagnético Vácuo Diamagnético 0 M

31 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Magnetização e temperatura de Curie Magnetização de saturação (10 6 A/m) Temperatura (°C) Fe Fe 3 O 4 Com o aumento da temperatura se torna mais difícil a orientação dos momentos magnéticos. Temperatura de Curie

32 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Domínios magnéticos Fronteira do domínio Domínios são pequenas regiões onde existe o alinhamento na mesma direção de todos os momentos magnéticos. Domínios Fronteiras entre domínios Contorno de grão

33 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Campo magnético (H) Indução Magnética (B) 0 B sat H H H H H H = 0 À medida que um campo H é aplicado, os domínios mudam de forma e de tamanho. Domínios magnéticos

34 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Domínios magnéticos Domínios com momentos magnéticos alinhados crescem às custas daqueles fracamente alinhados! H = 0 H H

35 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Histerese Quando o campo H é reduzido à partir da saturação, a curva de M versus H não retorna seguindo seu trajeto original. Isto é histerese! H 1. Estado inicial desmagnetizado M 4. Coercividade, H C 2. A aplicação de H causa magnetização 3. Remanência, H = 0 mas a magnetização continua

36 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Histerese M H B H B = 0 (H + M) Saturação

37 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Histerese O campo não tem de ser aumentado até que a saturação seja atingida! Repetidos ciclos com H alternado e decrescente são usados para desmagnetizar materiais ferromagnéticos

38 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Histerese A área no interior da curva de histerese representa a perda de energia, na forma de calor, por unidade de volume do material durante um ciclo de magnetização-desmagnetização. A energia necessária para desmagnetizar um imã permanente é proporcional à área do maior retângulo que pode ser desenhado sob a curva no segundo quadrante!

39 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 H B Materiais duros Imãs permanentes Ciclo quadrado Dispositivos de memória Materiais moles Núcleos de transformadores Histerese Materiais magneticamente moles e duros.

40 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Entrada do sinalSaída do sinal LerGravar Cabeça de gravação Meio de gravação Armazenamento magnético

41 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Armazenamento magnético 20 kByte/mm 2 12 Mbyte/mm X X

42 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 B Enrolamento primário Enrolamento secundário Núcleo ferromagnético Transformador de tensão

43 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Interação de luz com sólidos Incidente, I 0 Refletida, I R Transmitida, I T Absorvida, I A I 0 = I R + I T + I A

44 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades ópticas de metais Os metais são opacos para a maioria das radiações do espectro eletromagnético! Eles são transparentes para raios x e.

45 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Células solares Silício tipo n Silício tipo p Junção p-n luz Criação de par elétron-buraco

46 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades ópticas de metais A maior parte da radiação absorvida é reemitida com o mesmo comprimento de onda. Os metais são bons refletores, com refletividades em torno de 95% da luz incidente!

47 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades ópticas de não-metais

48 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades ópticas de não-metais Refração

49 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Refração ( ( 1 2 v1v1 v2v2 n 1 sen 1 = n 2 sen 2 = índice de refração c = velocidade da luz no vácuo = constante dielétrica

50 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Reflexão interna total n1n1 n2n2

51 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Fibras ópticas

52 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Gradual (parabólico) Perfis de índice de refração Degrau

53 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades ópticas de não-metais Reflexão A fração da luz incidente em uma superfície que é refletida, a refletividade do material, é dada por Quando a luz incide normalmente à interface, n 1 = 1 para vácuo ou ar

54 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades ópticas de não-metais Absorção Ao percorrer uma distância x dentro de um material com coeficiente de absorção, a intensidade de luz absorvida será I A = I 0 e - x

55 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades ópticas de não-metais Transmissão A intensidade de luz transmitida através de um material com espessura l e coeficiente de absorção é I T = I 0 (1-R) 2 e - l

56 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades ópticas de não-metais As intensidades de luz transmitida, refletida e absorvida são funções do comprimento de onda da radiação incidente. Vidro verde

57 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Propriedades ópticas de não-metais A absorção seletiva em determinados comprimentos de onda faz com que os materiais sejam coloridos. A cor observada é o resultado da combinação dos comprimentos de onda transmitidos Transmitância (%) rubi safira Comprimento de onda ( m)

58 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Diodos emissores de luz (LED) Sob determinadas circunstâncias, a aplicação de polarização direta a uma junção semicondutora, ocorre a emissão de radiação visível ou no infravermelho.

59 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Diodos emissores de luz orgânicos (OLED)

60 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

61 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Laser de rubi (Al 2 O 3 + 0,05% Cr 3+ )

62 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Laser de rubi Antes da excitação Após excitação Emissão espontânea Laser

63 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Laser de semicondutor

64 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula /64 Laser de semicondutor


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