Aula 01 - Introdução à ciência dos materiais

Aula 01 - Introdução à ciência dos materiais

1. INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

2. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais Ciência dos Materiais Investigação das relações entre composição/estrutura e propriedades dos materiais. Engenharia dos Materiais Projetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas de processamento de materiais (= técnicas de fabricação) com base nas relações composição/estrutura e propriedades. Desenvolver formas de produção de materiais socialmente desejáveis a custo socialmente aceitável. INTRODUÇÃO

3. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais

4. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais Composição Natureza química dos materiais. Estrutura Forma como esses átomos, moléculas ou íons se organizam (arranjam) para a formação do material. Pode (e deve) ser analisada em diferentes escalas. • Estrutura em escala atômica (menor ou igual a nm = 10-9m)) • Nanoestrutura (da ordem de nm ) • Microestrutura (alguns mm = 10-6m até mm) • Macroestrutura (normalmente igual ou maior que mm) COMPOSIÇÃO E ESTRUTURA

5. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais

6. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais Propriedade Tipo e intensidade da resposta a um estímulo que é imposto ao material. As principais propriedades dos materiais podem ser agrupadas em: Mecânicas Elétricas Térmicas Magnéticas Ópticas Químicas – de degradação (corrosão, oxidação, desgaste) PROPRIEDADES DE UM MATERIAL

7. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais Processamento Conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas e propriedades específicas. Desempenho Resposta do material a um estímulo externo, presente nas condições reais de utilização. PROCESSAMENTO E DESEMPENHO Exemplo: Óxido de Aluminio (Al2O3) processado de diferentes formas alterou suas propriedades ópticas.

8. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais PERSPECTIVA HISTÓRICA Idade da Pedra (10000 a.c ) Criação de ferramentas de pedra sendo então, a tecnologia mais avançada naquela época. A madeira, os ossos e outros materiais também foram utilizados, mas a pedra foi utilizada para fabricar ferramentas e armas, de corte ou percussão. Idade do Bronze (3300 a.c a 1200 a.c )  Período da civilização no qual ocorreu o desenvolvimento desta liga metálica, resultante da mistura de cobre com estanho. Idade do Ferro (1200 a.c a 1000 d.c ) A Idade do Ferro se refere ao período em que ocorreu a metalurgia do ferro. Essa Idade é caracterizada pela utilização do ferro como metal

9. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais PERSPECTIVA HISTÓRICA

10. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais CLASSIFICAÇÃO A classificação dos materiais baseia-se principalmente na composição química e na estrutura atômica. Metais; Polímeros; Compósitos; Cerâmicos. MATERIAIS AVANÇADOS Semicondutores; Biomateriais; Materiais inteligentes; Nanomateriais.

11. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais METAIS São compostos por um ou mais elementos metálicos e, com frequência, também por elementos não metálicos (ex., carbono, nitrogênio, oxigênio) em quantidades relativamente pequenas. Possuem como característica: Arranjo atômico ordenado; Mecanicamente, são rígidos e resistentes; Dúcteis e resistentes a fraturas (amplo uso em aplicações estruturais); Possuem grande número de elétrons livres (elétrons não ligados a nenhum átomo em particular); Muitas das propriedades podem ser atribuídas aos elétrons livres;

12. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais METAIS

13. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais METAIS

14. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais

15. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais CERÂMICAS As cerâmicas são constituídas por elementos químicos metálicos e não metálicos que se ligam por meio de ligações covalentes e iônicas. Possuem como característica: São duros, possuem rigidez e resistência comparadas às dos metais, entretanto, são frágeis, ou seja, apresentam baixa resistência a esforços de tração, torção, flexão etc. São mais resistentes a altas temperaturas e ambientes severos do que os polímeros e os metais. São materiais tipicamente isolantes térmicos e elétricos. Possuem estrutura cristalina mais complexa que os metais. Podem apresentar ligações iônicas ou iônicas-covalentes. Os usos mais comuns das cerâmicas são na produção de tijolos, vasos sanitários, refratários, entre outros. Já as cerâmicas avançadas são aplicadas na produção das estruturas de chips de computadores, capacitores, velas de ignição de automóveis, indutores elétricos etc.

16. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais CERÂMICAS Estrutura cristalina: átomos posicionados conforme um arranjo periódico ou repetitivo ao longo de grandes distâncias atômicas. Há um padrão tridimensional. Estrutura amorfa : estruturas que não se cristalizaram.

17. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais CERÂMICAS

18. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais Polímeros A classe dos polímeros é um ramo de produtos da química orgânica, formados, principalmente, por carbono e hidrogênio, podendo conter outros elementos não metálicos. Os polímeros são moléculas de cadeia longa, formados pela união de várias (poli) unidades menores (meros). O polietileno (C2H4 )n é um exemplo de polímero formado apenas por carbono e hidrogênio, pela união de 100 até 1000 moléculas de etileno (C2H4 ). Entretanto, além do carbono e hidrogênio, os polímeros podem conter oxigênio, como o acrílico, nitrogênio, poliamidas ou náilons, flúor, fluorocarbonos , silício e silicones.

19. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais Polímeros Características: Grande ductilidade e baixa densidade. Isolantes elétricos, não magnéticos Alguns polímeros são altamente resistentes a produtos químicos corrosivos. São menos resistentes à deformações que os metais, Amolecem e/ou se decompõem em temperaturas moderadas. O avanço das tecnologias, na última década, no desenvolvimento de compostos poliméricos, tem permitido a produção de polímeros com resistência e rigidez altas o suficiente para substituir alguns metais em aplicações estruturais comuns em projetos

20. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais Polímeros

21. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais Polímeros

22. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais COMPÓSITOS Os compósitos são formados pela combinação entre os materiais das classes apresentadas anteriormente (metais, cerâmicas e polímeros). Essa união conduz a um material com propriedades superiores aos dos componentes separadamente. Existem vários tipos de compósitos, formados por diferentes combinações entre metais, cerâmicas e polímeros, a maior parte deles e feita pelo homem; contudo, alguns materiais de ocorrência natural também são considerados compósitos, como é o caso do osso e da madeira. Um dos compósitos mais famosos é a fibra de vidro, constituída de pequenas fibras de vidro embutidas no interior de uma matriz polimérica. A união das fibras de vidro, material resistente e rígido (porém frágil) com a matriz polimérica, material dúctil e flexível (porém fraco) resulta em um material compósito flexível, dúctil, resistente e relativamente rígido.

23. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais COMPÓSITOS A partir dos compósitos, é possível obtermos materiais leves, robustos, dúcteis e resistentes a altas temperaturas ou mesmo produzirmos ferramentas de corte, duras e resistentes a choques, que fraturariam se fossem feitas com outros materiais

24. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais COMPÓSITOS

25. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais

26. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais

27. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS Os materiais avançados são materiais que são aplicados na produção de componentes ou dispositivos de alta tecnologia, cujo funcionamento possui princípios intrincados ou sofisticados. Os materiais dessa categoria pertencem às classificações descritas anteriormente e devemos entender o termo “alta tecnologia” como sendo relacionado a produtos e dispositivos, por exemplo, equipamentos eletrônicos, computadores, aeronaves, sistemas de fibras ópticas, equipamentos médicos, etc.

28. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS: SEMICONDUTORES São materiais com propriedades elétricas intermediárias entre os condutores (metais) e os isolantes (polímeros e cerâmicas). Além disso, as propriedades elétricas desses materiais são extremamente sensíveis a pequenas concentrações de átomos de impurezas presentes em sua composição. O controle das concentrações de impurezas em regiões definidas do material permite controlar a condutividade elétrica nessas regiões do material, possibilitando sua aplicação em componentes como, por exemplo, circuitos eletrônicos integrados. Os semicondutores são, geralmente, feitos de silício, germânio e arsenato de gálio. Ao longo das últimas décadas, os semicondutores revolucionaram a indústria de eletrônicos e de computadores, em decorrência de suas propriedades elétricas diferenciadas

29. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS: SEMICONDUTORES

30. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS: SEMICONDUTORES

31. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS: BIOMATERIAIS Os biomateriais são materiais pertencentes às classes de materiais anteriores (metais, polímeros, cerâmicas e semicondutores). Esses materiais são utilizados na área da saúde para as mais diversas finalidades, entre elas dispositivos biomédicos ( biosensores , tubos de circulação, sistemas de hemodiálise), materiais implantáveis (suturas, substitutos ósseos, lentes, dentes, válvulas cardíacas), órgãos artificiais (pulmões, coração, rim, pele), curativos, dentre outros. Devido à finalidade desses materiais, eles devem ser materiais não tóxicos, pois eles entram em contato com sistemas biológicos. Além disso, eles devem ser compatíveis com os tecidos do corpo, uma vez que muitos deles são implantados como substitutos a órgãos e tecidos danificados do corpo humano. Dentre os materiais metálicos, o titânio e suas ligas, por exemplo, têm sido usado por décadas na fixação de fraturas e reconstrução de articulações por ser resistente à corrosão, biocompatível e pela indução do crescimento ósseo ( bioadesão ).

32. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS: BIOMATERIAIS

33. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS: NANOMATERIAIS Os materiais nanotecnológicos são diferenciados em relação ao seu tamanho a nível nano, ou seja, suas partículas possuem dimensões da ordem de nanômetros ( metros). O estudo desses materiais é chamado de nanotecnologia. Eles são de grande expectativa tecnológica, devido às suas características fascinantes e, por essa razão, ganharam significativa importância a partir do final do século XX, com aplicações em nichos, como eletrônica, biomedicina, esportes, produção de energia, entre muitos outros. As propriedades dos materiais que conhecemos são fortemente dependentes do tamanho das partículas que compõem esses materiais; dessa forma, podemos modificar as propriedades de um determinado material por meio do controle do tamanho e da forma de suas partículas constituintes e, com isso, obter novas possibilidades de aplicação para o mesmo material.  

34. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS: NANOMATERIAIS

35. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS: MATERIAIS INTELIGENTES São um grupo de novos materiais que são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e assim responder a essas mudanças segundo maneiras predeterminadas. Os componentes de um material inteligente incluem algum tipo de sensor (que detecta um sinal de entrada) e um atuador (que executa uma resposta). A utilização dos materiais inteligentes na área tecnológica tenta explorar a ideia de construir sistemas e estruturas com comportamento adaptativo que tenham a capacidade de alterar propriedades, devido às mudanças ambientais, e serem reparados quando necessário.

36. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais MATERIAIS AVANÇADOS: MATERIAIS INTELIGENTES

37. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais RESUMO

38. Comportamento Químico e Mecânico dos materiais: Introdução à ciência e engenharia dos materiais. Classificação dos materiais RESUMO