2-estrutura atômica

CIÊNCIA DOS MATERIAIS

Profa. Eleani M. da Costa

Sem. 2002/01

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S INTRODUÇÃO

Ciência dos materiais é a base para todas as engenharias

As propriedades dos materiais são que definem a capacidade e estrutura de um determinado componente, bem como o processo de fabricação do mesmo

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Propriedades dos Propriedades dos MateriaisMateriais

Composição e ProcessoComposição e Processode Fabricaçãode Fabricação

MicroestruturaMicroestrutura

EENNGGEENNHHAAR R I I AA

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SFigura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio

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O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas e a tendência é de se proliferarem mais num futuro

próximo

Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza

Modificação de materiais naturais Combinação de materiais conhecidos para a

formação de novos materiais

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SComo definir qual o melhor material para um determinado fim? Exemplo: Copo

VidroCerâmicaPlásticoMadeiraMetalPapel

Custo Tempo de vida Durabilidade Aparência Natureza do líquido (ex:

copo de metal e papel não pode ser usado para café, suco de laranja não pode ser armazenado numa taça antiga de peltre porque remove o Pb da liga)

Depende

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SQuais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre

tantos outros?

Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos.

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SQuais os critérios que um engenheiro deve adotar

para selecionar um material entre tantos outros?

A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica.

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para selecionar um material entre tantos outros?

Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica:

Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo.

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INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA

TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS

SELECÇÃO CUIDADA(FACTOR CUSTO SECUNDÁRIO)

SELECÇÃO CUIDADA(FACTOR CUSTO PRIMORDIAL)

• Grande exigência tecnológica

• Utilização dos mate-riais nos limites

• Produtos nãodiferenciados

• Utilização de materiais abaixo dos limites

Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal

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para selecionar um material entre tantos outros? Em raras ocasiões um material reúne uma

combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.

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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.

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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

MetaisCerâmicasPolímerosCompósitosSemicondutoresBiomateriais (Mat. Biocompatíveis)

Classificação tradicional

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SCLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Metais

Cerâmicas Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais (Mat.

Biocompatíveis)

Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos.

Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade

Não são transparentes à luz visível

Têm aparência lustrosa quando polidos

Geralmente são resistentes e deformáveis

São muito utilizados para aplicações estruturais

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SCLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Cerâmicas

Metais Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais (Mat.

Biocompatíveis)

Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos.

Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos

São geralmente isolantes de calor e eletricidade

São mais resistêntes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros

Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis

Em geral são leves

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Polímeros

Metais Cerâmicos Compósitos Semicondutores Biomateriais (Mat.

Biocompatíveis)

Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos.

São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas)

Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis

Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas

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Compósitos

Metais Cerâmicos Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais (Mat.

Biocompatíveis)

Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si.

Os compósitos são “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte

Muitos dos recentes desenvolvimento em materiais envolvem materiais compósitos

Um exemplo classico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero

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Semicondutores


Biocompatíveis)

Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes

Além disso, as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material (para formar as junções p-n)

Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores

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Biomateriais


Biocompatíveis)

Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos

Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição).

Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.

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SEVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS

Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal

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S MATERIAIS AVANÇADOS São materiais utilizados em aplicações de

tecnologia de ponta, ou seja, são materias utilizados para a fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princípios sofiscados ou intrincados

Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos eletrônicos (VCRs, CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido, indústria aeroespacial, etc.

Estes materiais são geralmente materiais tradicionais cujas propriedades são optimizadas ou materiais novos de alto desempenho.

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ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS

Materias que apresentem:- Alto desempenho- Baixo peso e alta resistência- Resistência à altas temperaturas- Desenvolvimento de materiais que

sejam menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem reciclados ou regenerados

LIGAÇÕES QUÍMICAS EM MATERIAIS SÓLIDOS

Por quê estudar?O tipo de ligação interatômica geralmente explica a propriedade do material.

Por exemplo, o carbono pode existir na forma de grafite que é mole, escuro e “gorduroso” e na forma de diamante que é extremamente duro e brilhante. Essa dramática disparidade nas propriedades é diretamente atribuída ao tipo de ligação química que é encontrada no grafite e não no diamante. Veja no site www.cimm.com.br (material didático)

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S TIPOS DE LIGAÇÕES

MetálicaCovalente IônicaVan der Waals

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TIPOS DE LIGAÇÕES Metálica

Covalente Iônica Van der Waals

Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade (apresentam no máximo 3 elétrons de valência)

Então, os elétrons de valência são divididos com todos os átomos (não estão ligados a nenhum átomo em particular) e assim eles estão livres para conduzir

A ligação metálica não é direcional porque os elétrons livres protegem o átomo carregado positivamente das forças repulsivas eletrostáticas

A ligação metálica é forte (um pouco menos que a iônica e covalente)= 20-200 Kcal/molFilme

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Covalente Metálica Iônica Van der Waals

Os elétrons de valência são compartilhados

Forma-se com átomos de alta eletronegatividade

A ligação covalente é direcional e forma ângulos bem definidos (apresenta um certo grau de ligação iônica)

A ligação covalente é forte = 125-300 Kcal/mol

Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e diamante.

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Iônica Metálica Covalente Van der Waals

Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons

Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa)

A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua

A ligação é forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto)

A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica

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S LIGAÇÃO IÔNICA As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é

não-direcional os átomos num material iônico arranjam-se de forma que todos os íons positivos têm como vizinho mais próximo íons negativos, sendo as forças atrativas igual em todas as direções.

A magnitude da força obedece a Lei de Coulomb

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S LEI DE COULOMB Forças atrativas

r é a distância interatômica z1 e z2 são as valências dos 2 tipos de íons e é a carga do elétron (1,602x10-19 C)

0 é a permissividade do vácuo (8,85x10-12 F/m)

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SCONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE

Muito poucos compostos exibem ligação iônica e covalente puras

A maioria das ligações iônicas tem um certo grau de ligação covalente e vice –versa transferem e compartilham elétrons

O grau do tipo de ligação depende da eletronegadividade dos átomos constituintes.

Quanto maior a diferença nas eletronegatividades mais iônica é a ligação

Quanto menor a diferença nas eletronegatividades mais covalente é a ligação

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SCONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE

Fração de

ligação covalente=

onde E é a diferença nas eletronegatividades dos átomos

Ex: SiO2

Eletronegatividade do Si= 1,8

Eletronegatividade do O= 3,5

Fração de ligação covalente= 0,486= 48,6%

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Van der Waals Metálica Covalente Iônica

São ligações secundárias ou físicas

A polarização (formação de dipólos) devido a estrutura da ligação produz forças atrativas e repulsivas entre átomos e moléculas

A ligação de van der Waals não é direcional

A ligação é fraca< 10 Kcal/mol Exemplo desse tipo de ligação

acontece entre átomos de Hidrogênio

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A ligação é gerada por pequenas assimetria

na distribuição de cargas

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SLIGAÇÃO DE VAN DER WAALS EXEMPLO: MOLÉCULA DE ÁGUA

A molécula de água apresenta polarização de carga (formação de dipólos): positiva proxima aos átomos de H e negativa onde os elétrons de valência estão localizados

Isto produz forças de van der Waals entre as moléculas, fazendo com que as mesmas tendam a alinhar-se os pólos negativos com positivos. Como o angulo de ligação 109,5o, as moléculas formam uma estrutura quase hexagonal (veja figura)

O gelo tem estrutura hexagonal devido a este tipo de ligação. Ë menos denso por isso flutua sobre a água.

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S DISTÂNCIA DE LIGAÇÕES A distância entre 2 átomos é

determinada pelo balanço das forças atrativas e repulsivas

As forças atrativas variam com o quadrado da distância entre os 2 átomos

Quanto mais próximos os átomos maiores as forças atrativas e repulsivas

Quando a soma das forças atrativas e repulsivas é zero, a distância entre os átomos está em equilíbrio.

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S FORÇA DE LIGAÇÕES

É a soma das forças atrativas e repulsivas entre os átomos

No ponto de equilíbrio a soma das duas forças é zero

Quando os átomos se aproximam as forças de atração e repulsão aumentam (mas as forças de repulsam aumentam bem mais)

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FORÇA DE LIGAÇÕES A inclinação da curva no ponto de equilíbrio dá a força

necessária para separar os átomos. Corresponde ao módulo de elasticidade (E) que é a inclinação

da curva tensãoXdeformação

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ENERGIA DE LIGAÇÃO Algumas vezes é mais conveniente trabalhar com energia

(potencial) do que forças de ligações. Matematicamente energia (E) e força de ligações (F) estão

relacionadas por : E= F.dr A menor energia é o ponto de equilíbrio

Quanto mais profundo o poço de potencial maior a temperatura de fusão do material

Devido as forcas de repulsão aumentarem muito mais com a aproximação dos átomos a curva não é simétrica. Por isso, a maioria dos materiais tendem a se expandir quando aquecidos

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S ENERGIA DE LIGAÇÃO Quando energia é fornecida a um material, a

vibração térmica faz com que os átomos oscilem próximos ao estado de equilíbrio.

Devido a assimetria da curva de energia de ligaçãoXdistância interatômica, a distância média entre os átomos aumenta com o aumento da temperatura.

Então, quanto mais estreito o mínimo de potencial menor é o coeficiente de expansão térmica do material

2-estrutura atômica

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