Materiais: Propriedades e Tipos

Imperfeição Cristalina

Imperfeição Cristalina é uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal, podendo envolver a posição ou o tipo dos átomos.

Exemplos:

• O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material.
• A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento).

Defeitos Pontuais

• Lacunas (Vacâncias): Envolve a falta de um átomo. São formadas durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais).

• N_V: Em uma rede cristalina depende da temperatura: N_V = N e^(-Qv/KT)
• N: Número, ou seja, a densidade de sítios atômicos.
• Q_v: Energia necessária para a formação de uma lacuna.
• T: Temperatura absoluta em Kelvin (K).
• K: Constante de Boltzmann (1,38 x 10^-23 J/átomo * K).
• Autointersticiais: Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal), produzindo uma distorção no reticulado.
• Intersticiais de impureza: Envolve um átomo de outro elemento localizado em uma fissura.
• Frenkel: Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício em sólidos iônicos.
• Schottky: Presentes em compostos que têm que manter o balanço de cargas. Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion.

Discordâncias

Associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais). A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais.

• Discordância em Aresta: Envolve um semiplano extra de átomos. O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância. Envolve zonas de tração e compressão.
• Discordância em Espiral: Produz distorção na rede, o vetor de Burger é paralelo à direção da linha de discordância.

Superfície Externa

Os átomos não estão completamente ligados. Então, o estado de energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal. Os materiais tendem a minimizar esta energia.

Contorno de Grão

Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente. No interior de cada grão, todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária.

• Monocristal: Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão.
• Policristal: Material com mais de uma orientação cristalina, ou seja, que contém vários grãos.
• Grão: É controlado pela presença dos grãos circunvizinhos. O seu tamanho é variado pela composição química e a taxa de cristalização ou solidificação.
• Maclas: É um tipo especial de contorno de grão. Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno. A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina. Sua origem ocorre através de tensões térmicas e mecânicas ou impurezas.

Difusão

É o fenômeno de transporte de material através do movimento dos átomos. Muitas reações e processos que são importantes no tratamento de materiais dependem da transferência de massa, seja no interior de um sólido específico (geralmente em um nível microscópico) ou a partir de um líquido, gás ou outra fase sólida.

Exemplos:

• Filtros para purificação de gases.
• Homogeneização de ligas com segregação.
• Modificação superficial de peças.
• Dopagem de semicondutores.
• Sinterização.

Tipos de Difusão

• Autodifusão: Átomos do próprio sólido se movem de uma posição para outra da estrutura cristalina.
• Interdifusão: Átomos migram para regiões de menor concentração.
• Difusão por lacunas: Um átomo deixa sua posição na rede para preencher uma lacuna próxima.
• Difusão intersticial: Átomos movem de uma posição intersticial para outra.
• Ativação: Para que a difusão ocorra, é necessário fornecer-se energia para forçar o átomo a se mover e atingir sua nova posição.
• Fluxo: A difusão pode ser avaliada pelo número de átomos que atravessam um plano de área unitária por unidade de tempo, o fluxo de partículas.

Lei de Fick

J = -D * (C_a - C_b) / (X_a - X_b)

• -D: A difusão ocorre no sentido contrário ao do gradiente = Coeficiente de difusão.
• ΔC e ΔX: Gradiente de concentração.

Difusão em Estado não Estacionário

O fluxo de difusão e o gradiente de concentração em um ponto específico no interior de um sólido variam ao longo do tempo. Uma solução importante na prática é aquela para um sólido semi-infinito, em que a concentração na superfície é mantida constante (fonte da espécie difusível é uma fase gasosa).

1. Antes do início da difusão, os átomos do soluto em difusão que estejam presentes no material estão uniformemente distribuídos, mantendo uma concentração C_o.
2. O valor de x na superfície é zero e aumenta com a distância para dentro do sólido.
3. O tempo zero é tomado como sendo o instante imediatamente anterior ao início do processo de difusão.

A migração atômica pode ocorrer também ao longo de discordâncias, contornos de grão ou superfície externa (caminhos de difusão em curto-circuito), sendo a difusão muito mais rápida que no interior do metal. No entanto, na maioria das situações, a contribuição da difusão associada a esses caminhos é insignificante, pela seção transversal desses caminhos ser extremamente pequena.

Metais

Propriedades Químicas

• Formação de ligas resistentes à corrosão.
• Melhoramento das propriedades de produtos derivados do petróleo.
• Agente catalítico na síntese de compostos orgânicos.

Propriedades Mecânicas

Capacidade do material de resistir ou transmitir esforços mecânicos aplicados sem romper e sem se deformar.

As principais são:

• Resistência à tração.
• Elasticidade.
• Ductilidade.
• Fluência.
• Fadiga.
• Dureza.

Condutividade

Possuindo apenas um único elétron de valência, são mais eficazes na condutividade, pois são livres para se movimentar, promovendo fortes reações de repulsão entre os outros elétrons. Os semicondutores possuem um número maior de elétrons de valência, sendo ineficientes na condução, porém, ao se aquecer com outros semicondutores, se tornam condutores eficientes.

Magnética

Emitem elétrons quando expostos à radiação, de um curto comprimento de onda ou quando aquecidos a temperaturas suficientemente elevadas.

Ópticas

Uniformemente brilhante.

Cerâmicos

Características

• Combinação de elementos metálicos e não-metálicos.
• Ligação predominante é iônica.
• Isolantes de calor e eletricidade.
• São mais resistentes à altas temperaturas (devido ao elevado PF) e à ambientes severos que metais e polímeros.
• Com relação às propriedades mecânicas, as cerâmicas são duras, porém frágeis.
• Em geral, são leves.

Ligação Iônica e Estruturas Cristalinas

Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (uma alta e outra baixa). Os elétrons de valência são transferidos do átomo menos eletronegativo para o mais eletronegativo. Como consequência da ligação ser predominantemente iônica, a estrutura cristalina das cerâmicas é composta por íons carregados eletricamente (cátions e ânions).

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 iguais em todas as direções.

Embora os materiais cerâmicos sejam, em geral, isolantes de calor e eletricidade, há uma classe de materiais cerâmicos que são supercondutores. A dilatação térmica é baixa comparada com metais e polímeros.

Algumas cerâmicas são semicondutores, e a maior parte é formada por óxidos de metais de transição que são semicondutores, como o óxido de zinco. Possuem uma resposta rápida ao dissipar uma grande quantidade de energia, são de baixa manutenção e não se degradam.

• Apresentam baixa resistência ao choque.
• São duros e frágeis em relação à tração.
• São resistentes em relação à compressão.
• O módulo de elasticidade é alto.
• Têm alta dureza e alta resistência ao desgaste.
• Melhor resistência em compressão que em tração. Comportamento partilhado por ferros fundidos.

Tipos de Cerâmicos

• Cristalinos: Incluem os cerâmicos à base de silicatos, óxidos, carbetos e nitretos.
• Amorfos (Vidros): Em geral, com a mesma composição dos cristalinos, diferindo no processamento.
• Vidro-Cerâmicos: Formados inicialmente como amorfos e tratados termicamente.

Cerâmicos avançados: São baseados em óxidos, carbetos e nitretos com elevados graus de pureza.

Polímeros

Macromoléculas constituídas de unidades repetitivas, ligadas através de ligações covalentes. Moléculas são eletricamente neutras com ligações secundárias.

Possuem boa resistência à corrosão, baixa massa específica e boas características de isolamento térmico e elétrico.

Tipos de Polímeros

• Termoplásticos: São polímeros que podem ser repetidamente processados sob aquecimento. Possuem cadeias lineares e ramificadas, com forças de interação relativamente fracas.
• Termofixos: Não podem ser amolecidos com o aquecimento, mantendo-se permanentemente rígidos com o aumento da temperatura. Cadeias com alta densidade de ligações cruzadas.
• Elastômeros: São conhecidos como borrachas, apresentam grande elasticidade, voltando à forma anterior após estiramento. São elásticos porque possuem pequena quantidade de ligações cruzadas.

Polimerização

Reação química que conduz à formação de polímeros. Formam polímeros com unidades repetitivas de fórmula molecular idêntica ao monômero de partida.

Polimerização por Condensação

Reação acontece entre dois monômeros, di ou trifuncionais, com eliminação de uma pequena molécula, como água ou HCl.

• Monômeros bifuncionais: Cadeias lineares.
• Monômeros trifuncionais: Cadeias tridimensionais.

São resistentes à corrosão, são bons isolantes térmicos e elétricos. Variam de acordo com o tipo de polímero (termoplástico (plásticos), termorrígidos (duros, porém frágeis) e elastômeros (elásticos)). No geral, apresentam boa resistência mecânica. A magnitude de ruptura é inferior à dos metais, porém o alongamento chega à 1000% em relação aos metais. A temperatura altera drasticamente as propriedades mecânicas dos materiais poliméricos. São ilimitados quanto às cores e propriedades e possuem viscoelasticidade e autorregeneradores.

Material Composto

Mistura física de dois ou mais componentes, combinados para formar um novo material de engenharia útil, com propriedades diferentes dos componentes puros, podendo ser obtidos por combinação de metais, cerâmicas ou polímeros.

Componentes

• Matriz:
  1. Meio de distribuir e transferir tensões mecânicas para as cargas.
  2. Proteger a superfície da carga contra corrosão.
  3. Ligar a carga uma à outra.
• Carga:
  1. Melhorar o desempenho mecânico da matriz.
  2. Modificar as propriedades da matriz.
  3. Vantagens e desvantagens.

Objetivo

Para aplicações tecnológicas que exigem materiais com combinações incomuns de propriedades, que não podem ser alcançadas por materiais poliméricos, cerâmicos e metálicos comuns. Ao invés de desenvolver um novo material que pode ou não ter as propriedades desejadas para uma determinada aplicação, modifica-se um material já existente, através da incorporação de outro(s) componente(s). Menos tempo de desenvolvimento, custo mais baixo.

Tipos de Compósitos

• Compósitos Poliméricos: Componente matricial (meio contínuo - polímero) + componente estrutural (meio descontínuo - carga).
• Compósitos de Matriz Metálica: Podem ser usados a temperaturas superiores em relação aos compósitos de matriz polimérica. Possuem maior resistência mecânica que o metal da matriz não reforçado.
• Compósitos Cerâmica-Cerâmica: Possuem uma maior tenacidade à fratura em relação ao cerâmico não reforçado. Usados apenas em aplicações de elevada temperatura.
• Compósitos Particulados: Apresentam relação entre a maior e menor dimensão do corpo (L/D) menor que 3. Os compósitos particulados são mais utilizados em compósitos de matriz cerâmica e metálica: aumento na dureza do material e da tenacidade à fratura. Para matrizes poliméricas, a introdução de partículas não leva a um aumento substancial das propriedades mecânicas do polímero, pois as tensões não são efetivamente transferidas da matriz polimérica para entidades esféricas dotadas de pequena área superficial.
• Compósitos Fibrosos: Normalmente, as fibras são as cargas de reforço mais eficientes. As fibras tipicamente usadas em compósitos em matrizes poliméricas são: fibras de vidro, carbono, boro e, mais recentemente, fibras de Kevlar e fibras naturais. Fibras são usadas como agente sustentador de tensões e visam conferir elevadas propriedades mecânicas aos compósitos.
• Compósitos Laminados: São formados através do empilhamento de várias finas camadas impregnadas com resina polimérica, também denominadas de lâminas.
• Compósitos Híbridos: São aqueles constituídos por mais de um material como agente de reforço.

O desempenho dos compósitos é fortemente influenciado pelas propriedades dos seus constituintes, dimensão dos componentes dispersos e do grau de interação entre as interfaces: orientação das fibras, comprimento, distribuição, composição química da matriz e das fibras, etc.

Laminados

Os laminados, ou estruturas laminadas, são constituídos de sucessivas camadas de fibras impregnadas em resina segundo uma orientação.

Sanduíche

A técnica de estruturas do tipo sanduíche consiste em colocar um material leve, entre duas contraplacas com alta rigidez.

Este princípio concilia leveza e rigidez à estrutura final.