TECNOLOGIA EM FABRICAÇÃO MECÂNICA FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI LONDRINA TECNOLOGIA EM FABRICAÇÃO MECÂNICA FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS PROF. MSc. MAURÍCIO CAPUCIM maucapucim@hotmail.com

MATERIAIS NA ENGENHARIA INTRODUÇÃO MATERIAIS NA ENGENHARIA

Classes de Materiais METAIS (Fe, Au, aço [liga Fe-C], latão [liga Cu, Zu]) CERÂMICAS (Vidros, Argilas, Cimentos) POLÍMEROS (Plásticos, Polietileno (-C2H4-)n) COMPÓSITOS (Fibra de vidro, concreto, madeira) SEMICONDUTORES (Si, GaAs, InGaAsP) BIO-MATERIAIS NANO-MATERIAIS

METAIS FORTES (podem ser moldados) CARACTERÍSTICAS BÁSICAS: FORTES (podem ser moldados) RESISTENTES (suportam tensões elevadas antes de romper) Dúcteis (deformam antes de romper) Superfície “metálica” Bons condutores de corrente elétrica e de calor

METAIS

METAIS E LIGAÇÃO QUÍMICA PROPRIEDADES DEPENDEM DA ESTRUTURA LIGAÇÃO QUÍMICA Ligação Metálica (ligação forte entre os átomos) Elétrons livres CONSEQUÊNCIA Boa condutividade Elétrica Térmica

METAIS E ARRANJO ATÔMICO ARRANJO TRIDIMENSIONAL DOS ÁTOMOS Material Cristalino – ordem de longo alcance Material Amorfo – ordem de curto alcance Material cristalino Note a organização na posição dos átomos. Carbono amorfo. Note a desorganização na posição dos átomos. Imagens obtidas com Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET)

METAIS E ESTRUTURA CRISTALINA ARRANJO TRIDIMENSIONAL DOS ÁTOMOS Diferentes Estruturas Cristalinas

METAIS E ARRANJO MICROESTRUTURAL Orientação relativa entre cristais

METAIS E FASES PROPRIEDADES DEPENDEM DA ESTRUTURA PRESENÇA DE FASES

CERÂMICAS E VIDROS PROPRIEDADES BÁSICAS são altamente resistentes a temperatura (refratários) são isolantes térmicos e elétricos são frágeis (rompem sem deformar) podem ser transparentes

Cerâmicas são formadas por combinação de metais com os elementos C, N, O, P e S. Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais

CERÂMICAS E LIGAÇÕES QUÍMICAS Ligações químicas: Primárias (de alta energia)

POLÍMEROS CARACTERÍSTICAS BÁSICAS A maioria dos polímeros é sintética (feitos pelo homem) Polímero mais abundante é natural: celulose Materiais altamente moldáveis (plásticos) São formados por um número bem limitado de elementos C, H e O (acrílicos), N (nylons), F (fluor-plásticos) e Si (silicones). Baixa densidade Em geral são menos resistentes do que metais e cerâmicas

POLÍMEROS NA TABELA PERIÓDICA Principais elementos formadores dos materiais poliméricos

POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Moldável com o aumento da temperatura TERMORRÍGIDOS Não é moldável com a temperatura

COMPÓSITOS Combinação de metais, cerâmicas e polímeros Preservam as propriedades “boas” dos componentes e possuem propriedades superiores às de cada componente separado.

COMPÓSITOS OBJETIVO Fabricar uma estrutura de engenharia com propriedades/características que não seriam obtidas usando cada material separadamente.

SEMICONDUTORES PROPRIEDADES BÁSICAS Todos os componentes eletrônicos do computador Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas – dopantes Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas “sob medida”. São a base da tecnologia de opto-eletrônica-lasers, detetores, circuitos integrados óticos e células solares.

SEMICONDUTORES NA TABELA PERIÓDICA Quando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais (quadrados claros) assumem propriedades semicondutoras

BIOMATERIAIS Os Biomateriais podem ser metálicos, cerâmicos, polímeros ou compósitos, usados em sistemas vivos. Característica básica: BIOCOMPATIBILIDADE Podem atuar dentro de um organismo hospedeiro sem disparar uma resposta imune. Se o material dispara a resposta imune, ele será rejeitado pelo corpo. Os biomateriais podem ser sub-divididos em: Biomateriais estruturais (inertes): cuja principal função é dar um suporte físico para o corpo. Biomateriais funcionais (ativos): que realizam um função no corpo, diferente da sustentação física.

NANO-MATERIAIS Desenvolvimento de pesquisa e tecnologia no nível atômico ou molecular na escala de aproximadamente 1-100 nm. Criação e uso de estruturas, dispositivos e sistemas que possuem novas propriedades e funções por causa de suas dimensões nanométricas. Habilidade de controlar e manipular na escala atômica.

NANO-MATERIAIS Aumentar espetacularmente a capacidade de armazenamento e processamento de dados dos computadores. Criar novos mecanismos para entrega de medicamentos, mais seguros e menos prejudiciais ao paciente dos que os disponíveis hoje. Criar materiais mais leves e mais resistentes do que metais e plásticos, prédios, automóveis e aviões. Economia de energia, proteção ao meio ambiente, menor uso de matérias primas escassas, são possibilidades muito concretas dos desenvolvimentos em nanotecnologia que estão ocorrendo hoje e podem ser antevistas.

ESCALAS

MATERIAIS EM UMA LÂMPADA INCANDESCENTE

LIGAÇÕES QUÍMICAS

LIGAÇÃO ATÔMICA Porque estudar a estrutura atômica? As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos. O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons. Os elétrons são influenciados pelos prótons e nêutrons que formam o núcleo atômico. Os prótons e nêutrons caracterizam quimicamente o elemento e seus isótopos.

ESTRUTURA ATÔMICA Mpróton = Mnêutron = 1,66x10-24g = 1 u.m.a. Em uma grama teremos: Melétron = 0,911x10-27g  Mpróton = 1822 Melétron

DIAGRAMA DE PAULING

DIAGRAMA DE PAULING

ORBITAIS E NÍVEIS DE ENERGIA Os elétrons são atraídos pelos prótons. Os elétrons se distribuem em orbitais Níveis de energia bem definidos Os elétrons podem assumir níveis intermediários Para trocar de nível, os elétrons tem que receber a energia exata que diferencia dois níveis. A energia é função da distância dos elétrons ao núcleo Quando mais perto do núcleo mais ligado o elétron Quando mais longe do núcleo menos ligado Se o elétron recebe energia suficiente, ele é arrancado, se torna um elétron livre e o átomo é ionizado

CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAÇÕES Ligações Primárias ou Fortes Iônica Covalente Metálica Ligações Secundárias ou Fracas van der Waals Dipolo permanente (devido à polaridade de uma ou mais de suas ligações covalentes) Dipolo induzido (são observadas quando uma molécula polar deforma a nuvem eletrônica de uma molécula apolar)

LIGAÇÃO IÔNICA Formada entre dois átomos que se ionizam

LIGAÇÃO COVALENTE Gerada pelo compartilhamento de elétrons de valência entre os átomos com eletronegatividade similares. Elétrons de valência são os elétrons dos orbitais mais externos. Ex: Mólecula de Cl2 Um elétron de cada átomo é compartilhado com o outro, gerando uma camada completa para ambos.

LIGAÇÃO METÁLICA Na ligação metálica há compartilhamento de elétrons, semelhantes à ligação covalente. Estes elétrons são compartilhados pelos átomos, formando uma nuvem eletrônica, responsável pela alta condutividade elétrica e térmica destes materiais.

LIGAÇÃO SECUNDÁRIA É possível obter ligação sem troca ou compartilhamento de elétrons nas ligações secundárias ou de van der Waals. A ligação é gerada por pequenas assimetrias na distribuição de cargas do átomos, que criam dipolos. Um dipolo é um par de cargas opostas que mantém uma distância entre si Dipolo permanente Dipolo induzido

DIPOLOS PERMANENTES E INDUZIDOS Dipolo Permanente Gerados pela estrutura da molécula Energias de ligação aproximadamente 20kJ/mol

DIPOLOS PERMANENTES E INDUZIDOS Dipolo Induzido A separação de cargas é pequena Energias de ligação muito pequenas 1kJ/mol

REFÊRENCIAS PARA O CURSO DE RESISTÊNCIA I BEER, Ferdinand P.; JOHNSTON JR., E. Russel. Resistência dos materiais. 3. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010. 1.255 p. MELCONIAN, Sarkis. Mecânica técnica e resistência dos materiais. 18. ed.; São Paulo: Érica, 2010. 360p. BOTELHO, Manoel Henrique Campos. Resistência dos materiais: para entender e gostar. São Paulo:Edgar Blücher, 2010. 236p.