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Universidade Paulista – UNIP Fevereiro de 2.012. Princípios básicos de ciência dos materiais. Materiais de construção civil. Prof. Netúlio Alarcón Fioratti. O novo universo da micro escala. Radicais livres. Tabagismo. Grafite e diamante.

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Universidade Paulista – UNIP Fevereiro de 2.012

Princípios básicos de ciência dos materiais

Materiais de construção civil

Prof. Netúlio Alarcón Fioratti

o novo universo da micro escala
O novo universo da micro escala
  • Radicais livres.
  • Tabagismo.
  • Grafite e diamante.

“Se não queremos nos ver reduzidos à meras fatias do conhecimento essencial devemos também expandir as nossas mentes.”

Karl Poper

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Assim como os números naturais são infinitos, existem infinitos números entre 0 e 1.

“A microestrutura de qualquer material está diretamente relacionada às suas propriedades.”

Micro escala

classifica o dos materiais
Classificação dos materiais
  • Metais;
  • Cerâmicas;

Combinações de elementos metálicos;

Elétrons não localizados.

São empregados em componentes implantados no interior do corpo humano;

Devem ser inertes;

Pode ser qualquer outro material citado acima.

  • Polímeros;

Estão entre os elementos metálicos e não metálicos;

Óxidos, nitretos e carbetos;

Minerais argilosos, cimentos e vidros.

  • Compósitos;

Plásticos e borrachas;

Compostos orgânicos (C-H);

Estruturas moleculares muito grandes.

  • Semicondutores;

Composição de dois ou mais materiais;

Combinação das melhores características dos materiais que os compõe.

  • Biomateriais;

Estão entre os condutores e os isolantes.

liga es qu micas
Ligações químicas
  • Muitas das propriedades físicas dos materiais são funções das ligações existentes entre os átomos e moléculas desse material.
  • Dois tipos de forças (ligações):
    • Primárias ou químicas:
      • Iônicas, covalentes e metálicas.
    • Secundárias ou físicas (de Van der Waals):
      • Pontes H, Dipolos.
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Dois átomos se ionizam:
    • Um doa um elétron para o outro,
    • Ficando o primeiro com carga positiva e o segundo com carga negativa,
    • Atraindo-se pela força de Coulomb.

Ligação iônica

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Elementos metálicos e não-metálicos.
  • Metal perde e não-metal ganha elétron.
  • Não-direcionais (força de ligação igual em todas as direções).
    • Por isso, em um arranjo tridimensional, para serem estáveis, os íons positivos devem ter como vizinhos, íons negativos, e vice versa.

Ligação iônica

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São materiais duros e quebradiços.
  • Não conduzem eletricidade nem calor.
  • Predominante em materiais cerâmicos.
  • Altos PF e PE.
  • Sólidos à temperatura ambiente.

Ligação iônica

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Átomos compartilham elétrons.
  • Cada átomo contribui com pelo menos 1 elétron.
  • Os elétrons compartilhados passam a pertencer aos dois átomos.

Ligação covalente

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Ligação entre não-metais.
  • Ligações mais fortes que as iônicas.
  • Facilmente encontradas em cerâmicas e polímeros.
  • No geral, podem ser muito fortes ou muito fracas (PF e PE baixos).
  • Ligação direcional: forma ângulos bem definidos.

Ligação covalente

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É possível a existência de ligações interatômicas parcialmente iônicas e parcialmente covalentes.
  • Isto depende da eletronegatividade dos átomos participantes.
  • Quanto maior a diferença entre as eletronegatividades, mais iônica será a ligação.
    • Eletronegatividade é a capacidade de um átomo de atrair elétrons.

Ligação covalente

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Os núcleos dos átomos encontram-se em meio à uma “nuvem de elétrons”.
  • Os elétrons de valência encontram-se mais ou menos livres para se movimentar por todo o metal.

Ligação metálica

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Os núcleos iônicos, por serem agora de carga positiva, passam a exercer uma força de repulsão entre eles.
  • Força esta que é protegida (impedida de ser eficaz) pelos elétrons livres.
  • Confere caráter não direcional à ligação.
  • Ligações mais fortes que as covalentes, possuindo vasta faixa de PE e PF (geralmente elevados).

Ligação metálica

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São as forças intermoleculares (entre moléculas).
  • São geradas por pequenas assimetrias nas distribuição de cargas dos átomos, que criam dipolos.
  • Um dipolo é um par de cargas opostas que mantém uma distância entre si.
  • Podem ser permanentes ou induzidos

Forças de Van der Waals

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Dipolo permanente:
    • Moléculas polares “por natureza” (HCl).
    • Um ótimo exemplo são as mais fortes das ligações de VW: as pontes de H.
  • Dipolo induzido:
    • Separação de cargas pequenas.
    • Pouca energia de ligação (mais fraca).
    • Há uma separação dos centros de carga pela presença simultânea dos átomos.

Forças de Van der Waals

da escala at mica para a microestrutural
Da escala atômica para a microestrutural
  • Para formar materiais sólidos, os átomos ou íons das moléculas se arranjam em uns em relação aos outros.
    • Por conta das forças intermoleculares (fracas).
    • Ou das intramoleculares (fortes).
  • Estes átomos podem se arranjar:
    • De forma ordenada ao longo de grandes distâncias.
    • Desordenadamente.
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Estes arranjos desordenados formam os chamados sólidos amorfos.
  • O vidro é o exemplo mais conhecido.
  • As vezes estes sólidos são chamados de líquidos super resfriados,
    • pelo fato de esta desordem interna ser parecida com a dos líquidos.

Arranjos desordenados

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Este desarranjo acontece geralmente devido à uma solidificação rápida, que impede o arranjo ordenado durante a solidificação.

Arranjos desordenados

SiO2

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Quando os átomos ou íons do sólido estão arranjados de forma ordenada.
  • Em um arranjo que se repete ou que é periódico ao longo de grandes distâncias atômicas.
  • Quando ocorreu a solidificação, os átomos arranjaram-se ordenadamente em um padrão tridimensional repetitivo.

Arranjos cristalinos

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Células unitárias.
  • Estruturas cristalinas de metais:
    • Cúbica simples.
    • Cúbica de faces centradas.
    • Cúbica de corpo centrado.
    • Hexagonal compacta.
  • Redes de Bravais.

Arranjos cristalinos

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14 redes de Bravais.

Arranjos cristalinos

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Em um sólido cristalino, quando o arranjo periódico e repetido de átomos é perfeito, isto é, se estende ao longo da totalidade da amostra sem interrupções, o resultado é um monocristal.
  • Policristais são sólidos cristalinos compostos por uma coleção de muitos cristais pequenos, ou grãos.

Arranjos cristalinos

reflexos do arranjo interno
Reflexos do arranjo interno
  • Vários são os pontos em escala atômica e microestrutural que influenciam nas propriedades macroscópicas dos materiais.
    • Empacotamento interno.
    • Impurezas.
    • Planos de cristalização.
    • Tipos de ligações e forma presente nos arranjos internos.
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A microestrutura geralmente influencia nas propriedades:
    • Físicas;
    • Mecânicas;
    • Elétricas;
    • Térmicas;
    • Magnéticas; e
    • Óticas.
  • Propriedades mecânicas são mais influenciadas pelo arranjo microestrutural que pelas ligações interatômicas.

Reflexos do arranjo interno

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Uma vez que é as formas de ruptura se dão mais facilmente na esfera microestrutural do que atômica.
  • As relações interatômicas são regidas por forças bem maiores.

Arranjos cristalinos

esfor os mec nicos
Esforços mecânicos
  • São os tipos de esforços que os sólidos estão sujeitos, gerando tensões internas em sua microestrutura:
    • Compressão;
    • Tração;
    • Cisalhamento;
    • Flexão, e
    • Torção.
normaliza o
Normalização
  • Regulamenta para os diversos materiais:
    • Qualidade;
    • Classificação;
    • Produção, e
    • Emprego.
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Entidades normalizadoras:
    • ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas.
    • ASTM: American Society for Testin Materials.
    • DIN: Deutsche Normenausschuss.
    • ISO: International Organization for Standardization (coordena as normalizadoras).

Normalização

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Normas: diretivas para cálculo e método de execução de obras e serviços, assim como condições mínimas de segurança.
  • Métodos de ensaio: processo para formação e o exame de amostras.
  • Especificações: prescrições para os materiais.
  • Padronização: dimensões para os materiais ou produtos.
  • Terminologia: nomenclatura técnica.
  • Simbologia: convenções para desenhos.
  • Classificação: ordena e divide conjunto de elementos.

Normalização