Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos

Polímeros Monômero Polímero Ex: madeira, lã, couro, borracha, seda, plásticos...

Polímeros C H C H C H Cl C H H C CH3 Etileno Polietileno (PE) Poli (cloreto de vinila) (PVC) Polipropileno (PP)

Polímeros Possíveis rotações e torções em torno de ligações simples podem levar à formação de cadeias poliméricas não necessariamente retilíneas.

Polímeros

Polímeros lineares As unidades são unidas em cadeias únicas. Ex. PVC, náilon, PMMA, PE, PS

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.

Polímeros com ligações cruzadas São polímeros onde cadeias adjacentes estão unidas umas às outras através de ligações covalentes.

Vulcanização Formação de ligações cruzadas através de ligações químicas. enxofre

Polímeros em rede São polímeros que possuem muitas ligações cruzadas formando redes tridimensionais. Ex. epóxi.

Cristalinidade em polímeros Célula Unitária Cadeias dobradas Polietileno

Cristalinidade em polímeros 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. Região cristalina amorfa PE

Cristalinidade em polímeros: esferulitas

Cristalinidade em polímeros: esferulitas Direção de crescimento da esferulita Lamelas cristalinas Material amorfo Molécula de ligação Ponto de nucleação

e resistência mecânica de polímeros Estrutura molecular e resistência mecânica de polímeros Linear Ligações secundárias Ramificada Ligações Cruzadas Rede Direção do aumento da resistência mecânica

Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Deformação Tensão (MPa) Plástico Elastômero Frágil Limite de resistência à tração

Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Limite de resistência à tração Limite de escoamento Tensão Deformação

Tensão x Deformação Propriedades mecânicas de polímeros Polímero Limite de resistência à tração (MPa) Limite de escoamento Alongamento na fratura (%) Polietileno (baixa densidade) 8,3 - 31,4 9,0 – 14,5 100 -650 Polietileno (alta densidade) 22,1 – 31,0 26,2 – 33,1 10 – 1200 PMMA 48,3 – 72,4 53,8 – 73,1 2,0 – 5,5 Náilon 75,9 – 94,5 44,8 – 82,8 15 – 300 PVC 40,7 – 51,7 40,7 – 44,8 40 – 80 PTFE 20,7 – 34,5 - 200 – 400 Metais 4100 600 100

Propriedades mecânicas de polímeros Temperatura x Deformação PMMA temperatura  resistência temperatura  alongamento Tensão (MPa) Deformação

Deformação em polímeros plásticos e frágeis próximo à ruptura estrutura fibrilar próximo à ruptura x ruptura frágil ruptura plástica x Tensão (MPa) alinhamento das regiões cristalinas deslizamento das regiões cristalinas Estrutura inicial estrutura em rede linear alongamento das regiões amorfas Carga/descarga polímeros semicristalinos Deformação

Deformação em polímeros plásticos e frágeis Tensão A deformação é confinada ao pescoço! Limite de escoamento Início da formação do pescoço

Deformação em elastômeros Ligações cruzadas Tensão Tensão O aumento da entropia faz o polímero retornar à sua forma original quando a tensão é retirada!

Aplicações de polímeros Plásticos Quimicamente inertes, mecanicamente resistentes, isolantes, transparentes, translúcidos ou opacos, etc... Revestimentos, brinquedos, lentes, vedações, engrenagens, isolantes, garrafas, etc...

Aplicações de polímeros Elastômeros Elásticos...

Aplicações de polímeros UHMWPE Alta resistência química, a impacto, desgaste e abrasão, baixo coeficiente de atrito, autolubrificante e antiaderente. UHMWPE

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

Propriedades magnéticas Quando um campo magnético externo H é aplicado a um material, seus momentos magnéticos tendem a se alinhar com o campo, dando origem a uma magnetização M dada por M = m H m = susceptibilidade magnética Assim, a indução magnética ou densidade de fluxo magnético em um material sujeito a um campo magnético externo H é: B = 0H + 0 M 0 = permeabilidade do vácuo

Propriedades magnéticas H = 0 Com campo (1) diamagnético Campo com o material é menor que no vácuo nenhum oposto m < 0 Não magnéticos (2) paramagnético aleatório alinhado m ~ 10-5 – 10-2 (3) ferromagnético B ≈ 0 M alinhado alinhado m ~ 106

Propriedades magnéticas Campo magnético, H Densidade do fluxo, B Ferromagnético Paramagnético 0M Vácuo Diamagnético

Magnetização e temperatura de Curie Com o aumento da temperatura se torna mais difícil a orientação dos momentos magnéticos. Magnetização de saturação (106 A/m) Temperatura (°C) Fe Temperatura de Curie Fe3O4

Domínios magnéticos Domínios são pequenas regiões onde existe o alinhamento na mesma direção de todos os momentos magnéticos. Fronteira do domínio Domínios Fronteiras entre domínios Contorno de grão

Domínios magnéticos Indução Magnética (B) Campo magnético (H) B sat H À medida que um campo H é aplicado, os domínios mudam de forma e de tamanho. Campo magnético (H) Indução Magnética (B) B sat H H = 0

Domínios magnéticos H = 0 Domínios com momentos magnéticos alinhados crescem às custas daqueles fracamente alinhados! H H

magnetização continua 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! M 3. Remanência, H = 0 mas a magnetização continua 2. A aplicação de H causa magnetização H 4. Coercividade, HC 1. Estado inicial desmagnetizado

Histerese 1 2 3 4 M B H H Saturação B = 0 (H + M)

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

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!

Histerese Materiais magneticamente moles e duros. Materiais moles B Núcleos de transformadores Materiais duros Imãs permanentes H Ciclo quadrado Dispositivos de memória

Armazenamento magnético Meio de gravação Cabeça de gravação Entrada do sinal Saída do sinal Gravar Ler

Armazenamento magnético 20 kByte/mm2 8.000 X 12 Mbyte/mm2 500.000 X

Transformador de tensão Núcleo ferromagnético Enrolamento primário Enrolamento secundário B

Interação de luz com sólidos Incidente, I0 Absorvida, IA Transmitida, IT Refletida, IR I0 = IR + IT + IA

Propriedades ópticas de metais Os metais são opacos para a maioria das radiações do espectro eletromagnético! Eles são transparentes para raios x e .

Células solares - - - - + + + + Criação de par elétron-buraco luz - - - Silício tipo n - Junção p-n + Silício tipo p + + +

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!

Propriedades ópticas de não-metais

Propriedades ópticas de não-metais Refração

Refração n1 sen 1 = n2 sen 2 1 ( v1 v2 ( = índice de refração 2 c = velocidade da luz no vácuo  = constante dielétrica

Reflexão interna total

Fibras ópticas

Perfis de índice de refração Degrau Gradual (parabólico)

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, n1 = 1 para vácuo ou ar

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 IA = I0 e -x

Propriedades ópticas de não-metais Transmissão A intensidade de luz transmitida através de um material com espessura l e coeficiente de absorção  é IT = I0 (1-R)2e -l

Propriedades ópticas de não-metais As intensidades de luz transmitida, refletida e absorvida são funções do comprimento de onda da radiação incidente. Vidro verde

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. 40 60 70 80 50 0.3 0.5 0.7 0.9 Transmitância (%) rubi safira Comprimento de onda (m)

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.

Diodos emissores de luz orgânicos (OLED)

Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Laser de rubi (Al2O3 + 0,05% Cr3+)

Laser de rubi Antes da excitação Após excitação Emissão espontânea

Laser de semicondutor

Laser de semicondutor