Slide 1 - DEE UFBA

ENGA47 – TECNOLGOCIA DOS MATERIAIS…
Apresentação da Disciplina
Vitaly Felix Rodriguez Esquerre
Bacharel Eng. Eletrônica 1994 (Revalidado como Eng. Eletricista em 2009 UFMG)
Mestre em Eng. Elétrica 1999 - Unicamp
Doutor em Eng. Elétrica 2003 - Unicamp
Pós-doutorado 2003-2005 - Hokkaido University
Pós-doutorado 2005-2006 - Unicamp
Docente 2006 – IFBA, Docente 2010 - UFBA
Pós-doutorado 2015 - U.C. San Diego
EMENTA
Materiais condutores: estrutura física, propriedades e aplicações das ligas
metálicas e resistivas. Materiais semicondutores: estrutura cristalina, bandas de
energia, lei de ação das massas, tipos de dopagem, mecanismos de condução
(deriva e difusão). Materiais isolantes: polarização, constante dielétrica, fator de
perdas, análise e aplicações. Materiais magnéticos: campos e grandezas
magnéticas, tipos de magnetismo, domínios magnéticos e tipos de energia
determinantes, efeito da temperatura, magnetização e desmagnetização de um
metal ferromagnético, materiais magnéticos duros e macios, ferrites. Materiais
piezoelétricos. Eletrocerâmicas. Materiais ópticos: óptico-eletrônica e fibras
ópticas.
OBJETIVOS
Discutir os conceitos básicos da Física Moderna com relevância para a atual
Ciência dos Materiais. Estudar as relações entre as características elétricas,
magnéticas e ópticas dos materiais com as suas propriedades estruturais visando
sua aplicação em dispositivos de engenharia elétrica. Incentivar o aluno à pesquisa
constante acerca do uso de novos materiais em Engenharia Elétrica. Neste
contexto, é estimulada a consulta e a discussão de artigos (principalmente on-line)
de grupos de pesquisa em materiais e dispositivos eletro-eletrônicos; promovendo
a constante atualização do futuro profissional
METODOLOGIA
O conteúdo será apresentado em aulas expositivas com discussões dos conceitos
teóricos e resolução de exercícios envolvendo aplicações em engenharia
CONTEÚDO
Capítulo 1 - Propriedades Gerais dos Materiais
1.1 Introdução a Ciência dos Materiais, Classificação dos Materiais.
1.2 Noções de energia em um átomo, estrutura eletrônica dos elementos; atração
interatômica; ligações iônica, covalente e metática
1.3 Propriedades Elétricas: condutividade iônica e eletrônica nos sólidos, líquidos
ebgases.
1.4 A estrutura de sólidos cristalinos: conceitos fundamentais, célula unitária.
1.5. Estruturas Cristalinas: CS, CCC, CFC.
1.6. Índices de Miller: direções e planos.
1.7 Densidade linear e planar.
1.8. Difração de raios X, lei de Bragg, técnicas de difração
CONTEÚDO
Capítulo 2 - Materiais Magnéticos e Aplicações
2.1 Introdução.
2.2 Comportamento magnético; curvas de magnetização e histerese; classificação
dos materiais quanto à permeabilidade, perdas por histerese e correntes parasitas,
domínios de Weiss, Temperatura de Curie.
2.3 Materiais Magnéticos: ferro; ligas de ferro e silício, materiais para ímãs
permanentes, ligas ferromagnéticas diversas.
CONTEÚDO
Capítulo 3 - Materiais Condutores e Aplicações
3.1 Características dos materiais condutores: variação da resistência com a
temperatura e freqüência; resistência de contato nos metais.
3.2 Materiais de Elevada Condutividade.
3.3 Materiais de Elevada Resistividade.
3.4 Resisitividade de Ligas e Misturas.
3.5 Aplicações Especiais.
CONTEÚDO
Capítulo 4 - Materiais Isolantes e Aplicações
4.1 Introdução: polarização dos dielétricos e constante dielétrica.
4.2 Comportamento dos Dielétricos Sólidos Líquidos e Gasosos em Serviço:
resistividade superficial; resitência de isolamento; modelo dos dielétricos sólidos;
perdas, efeito corona e ruptura.
4.3 Materiais Isolantes: tipos; características e classificações.
4.4 Aplicações: materiais isolantes para cabos, linhas de transmissão, máquinas
elétricas, etc
CONTEÚDO
Capítulo 5 - Materiais Supercondutores e Aplicações
5.1 Introdução a Supercondução, Teoria BCS, Campos críticos
5.2 Supercondutores de Tipo I, Tipo II, Vórtices, Técnicas de Fabricação.
5.3 Materiais Supercondutores e Aplicações
CONTEÚDO
Capítulo 6 - Materiais Semicondutores e Aplicações
6.1 Características Principais: portadores de carga elétrica (elétrons livres e
lacunas); impurezas nos semicondutores; concentração de portadores; situações
de desequilíbrio; efeito Hall.
6.2 Correntes nos Semicondutores. mobilidade; difusão e drift; resistividade dos
semicondutores
6.3 Materiais e Tecnologia de Fabricação dos Semicondutores.
6.4. Dispositivos Semicondutores: Junção PN, Transistor PNP e NPN.
CONTEÚDO
Capítulo 7 - Materiais Ópticos e Aplicações
7.1 Características Principais: constantes dielétricas, Lei de Snell, Reflexão,
Refração
7.2 Transmissividade, Refletividade e Absortividade.
7.3 Materiais Opacos e Transparentes.
7.4 Revestimento antireflexivo, Fibras Ópticas e Guias de Onda Dielétricos
Periódicos. Técnicas de Fabricação
.
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA:
[1]
Página
da
disciplina,
http://
http://www.dee.eng.ufba.br/home/vitaly/enga47/enga47.htm
e
http://www.cefetba.br/professores/vitaly/eng406/
[2]
S. O. Kasap, Principles of Electronic Materials and Devices, 3rd Ed.,
McGraw Hill, 2003.
[3]
W. D. Callister Jr, Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, 5a
Ed., LTC Editora, 2002.
[4]
W. Schmidt, Materiais Elétricos, Editora Edgard Blücher Ltda; vol. 1 e 2.
2a Ed., 2002.
[5]
J. F. Shackelford, Introduction to Material Science for Engineers, 6th Ed.,
Prentice Hall, NJ 2004.
[6]
D. R. Askeland e P. P. Phulé, The Science and Engineering of Materials,
5th Ed, Thomson, 2006.
.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR:
[1]
G. C. Rolim, Materiais Elétricos - Apostila do Curso EEL7051 – Materiais
Elétricos,
Universidade
Federal
de
Santa
Catarina.
http://www.labspot.ufsc.br/~jackie/matelet.html acessado no dia 29 de julho de
2009.
[2]
E. M. Rezende, Materiais usados em Eletrotécnica, Editora Livraria da
Física, 2003.
[3]
L. Solymar e D. Walsh, Electrical Properties of Materials, Oxford
University Press, 2003.
[4]
I Jones, Materials Science for Electrical and Electronic Engineers, Oxford
University Press, 2000.
[5]
D. Jiles, Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Chapman and
Hall, New York, 1991.
[6]
B. S. Mitchell, An Introduction to Materials Engineering and Science for
Chemical and Materials Engineers, John Wiley & Sons Inc., Canada, 2004.
[7]
W. D. Callister Jr., Fundamentals of Materials Science and Engineering,
5th Ed, John Wiley & Sons Inc., 2001.
[8]
R. E. Hummel, Electronic Properties of Materials, 3rd Ed., Springer, 2004.
[9]
W. D. Callister, Materials science and Engineering: An introduction, 6th
Ed. Wiley, 2002.
JULHO
AGOSTO
DOM SEG TER QUA QUI SEX SÁB
DOM SEG TER QUA QUI SEX SÁB
01
02
01
02
03
04
05
06
03
04
05
06
07
08
09
07
08
09
10
11
12
13
10
11
12
13
14
15
16
14
15
16
17
18
19
20
17
18
19
20
21
22
23
21
22
23
24
25
26
27
24
25
26
27
28
29
30
28
29
30
31
31
SETEMBRO
OUTUBRO
DOM SEG TER QUA QUI SEX SÁB
DOM SEG TER QUA QUI SEX SÁB
01
02
03
01
04
05
06
07
08
09
10
02
03
04
05
06
07
08
11
12
13
14
15
16
17
09
10
11
12
13
14
15
18
19
20
21
22
23
24
16
17
18
19
20
21
22
25
26
27
28
29
30
23
24
25
26
27
28
29
30
31
DATAS IMPORTANTES
30/08/14 Prova 1
25/10/14 Prova 2
31/10/14 Segunda Chamada (Apenas alunos com justificativa
prevista no Regulamento de Graduaçao)
Capítulo
01
02
03
04
05
06
07
Provas
P1
P2
AVALIAÇÃO
Escolha das equações
Cálculos
Consistência dos resultados
Conceitos Teóricos
AVALIAÇÃO
AVALIAÇÃO
AVALIAÇÃO
ENGA47 – TECNOLGOCIA DOS MATERIAIS…
Capítulo 01
Propriedades da Matéria
Vitaly Esquerre
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação Funcional dos
Materiais








Aerospacial
Biomedica
Materiais Eletrônicos
Energia e Meioambiente
Materiais Magnéticos
Fotônicos ou Materiais Ópticos
Materiais Inteligentes
Materiais Estruturais
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estruturas
Aços
Ligas de alumínio,
Concreto
Fibras de vidro
Plásticos
madeiras
Materiais
Inteligentes
PZT
Ligas de Ni-Ti
Fluídos MR
Gels polímeros
Ópticos
SiO2, GaAs,
Vidros, Al2O3,
YAG, ITO
Aerospacial
Compostos de
carbono,
SiO2, silício amorfo,
ligas de alumínio
Zerodur
Classificação
Funcional
dos Materiais
Magnéticos
Fe, Fe-Si, NiZn
Ferritas,
CoPtTaCr
Estruturas
Aços
Ligas de alumínio,
Concreto
Fibras de vidro
Plásticos
madeiras
Eletrônica
Si, GaAs,
Ge, PZT,
Al, Cu,
polymeros
Energia e
Ambiental
Si:H amorfo,
UO2,
NiCd, ZrO2
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação dos Materiais – Metais
Elementos puros ou mistura de elementos
metálicos (ligas) – ligações metalicas
• Bons condutores de eletricidade
• Bons condutores de calor
Structural feature
Dimension (m)
• Apariência brilhante – não transparentes
< 10 -10
atomic bonding
• Duros
10-10
• Deformáveis
crystals (ordered atoms)
• Algumas
vezes particles
magnéticos
second phase
crystal texturing
10 -8 -10-1
10 -8 -10-4
> 10 -6
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação dos Materiais – Cerámicos
Compostos entre elementos metálicos e não
metálicos - Ligações iônicas ou covalentes
• Duros
• Quebradiço
• Isolantes elétricos
• Condução térmica baixa
• Resistentes ao calor e corrosão
• Podem ser transparentes ou opácos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação dos Materiais–Polímeros
Compostos orgânicos baseados em C, H e
outros elementos não metálicos – ligações
covalente e secundárias
• Propriedades variadas
• Densidade baixa
• Não condutores
• Ponto de fusão baixo
• Podem ser muito flexíveis
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Outras sub-classes de
materiais
Compósitos
-Consistem em mais de um tipo de material
Semicondutores
-Tem propriedades elétricas intermediárias entre
as dos condutores e isolantes
Biomaterials
- Materiais para implantação no interior do corpo
humano
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Atômica
Âtomos compostos de núcleo (prótons e nêutrons) circundado por elétrons.
Q=1,6 x 10-19C
Mp=Mn=1,67x10-27kg Me=9,11x10-31 kg
Elementos químicos caracterizados pelo número atômico Z.
Z: 1-94.
Massa atômica A = soma da massa de nêutrons e prótons
Peso atômico (média ponderada da massa dos isótopos)
Unidades g/mol.
1 mol = 6,023 x 1023 Âtomos ou moléculas
Fe 55,85 g/mol.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Atômica
Porque estudarmos a estrutura atômica?
Algumas propriedades importantes dos materiais dependem dos
arranjos geométricos dos átomos e também das interações que
existem entre os átomos ou moléculas constituintes.
Estrutura atômica
Configurações Eletrônicas dos Átomos e Tabela Periódica
Tipos de ligações interatômicas
Energias de Ligação
Distâncias e Energias de Equilíbrio
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Calcular o número de âtomos em 100 g de prata.
Peso atômico 107,868 g/mol
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Calcular o número de âtomos em 100 g de prata.
SOLUÇÃO
Número de âtomos
=
(100 g )(6.023 1023 atomsmol)
(107.868 g mol)
=5.58  1023
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Pesquisadores estão considerando o uso de nanopartículas de materiais
magnéticos como um meio de armazenar gandes quantidades de dados.
Estas partículas podem armazenar dados na ordem de um trilhão de bits por
polegada quadrada. 10 a 100 vezes a mais do que qualquer outro dispositivo
tais como discos rígidos
Se os pesquisadores estão considerando o uso de partículas de Ferro (Fe)
com diâmetro de 3nm. Quantos átomos existem em cada partícula?
Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3.
Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Solução
O rádio de uma partícula é 1.5 nm.
Volume de cada nanopartícula magnética de Ferro
= (4/3)(1.5  10-7 cm)3
= 1.4137  10-20 cm3
Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3.
Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol.
Peso de cada nanopartícula de Fe
= 7.8 g/cm3  1.4137  10-20 cm3
= 1.102  10-19 g.
Um mol de 55,85 g de Fe contem 6.023  1023
átomos, então, o número de átomos em uma
nanopartícula de Ferro será 1188.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Atômica
Modelo atômico de Bohr
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Três primeiros níveis
Comparação dos modelos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Energias relativas dos elétrons
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Eletrônica dos Elementos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Eletrônica dos Elementos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Âtomo de sódio
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Eletronegatividades
Eletronegatividade pequena
Eletronegatividade grande
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Forças e Energias de Ligação
E   Fdr
EL = EA + ER
EL =energia liquida
EA =energia de atração
ER =energia de repulsão
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações Iônicas: Metal + não metal
doa
aceita elétrons
configurações estáveis
• acontece entre + and - íons.
• precisa de transferência de elétrons
• diferência entre as eletronegatividades deve ser grande
• Exemplo: NaCl
Neônio
Argônio
Atração de Coulomb
Ligação iônica no cloreto de sódio NaCl
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações Iônicas:
EL = EA + ER =
A
z1 , z2
1
40
-
A
r
+
B
rn
Z1eZ 2e
Valências dos dois tipos
de íons.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se
sepadaros uma distância de 1,25 nm.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
A
1
40
Z1eZ 2e
Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se
sepadaros uma distância de 1,25 nm.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligação Covalente
Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
São fortes.
• Eletronegatividade similar
• Example: CH4
C: tem 4 e- de valência
e precisa de mais 4
H: tem 1 e-,de valência
e precisa de mais 1
Electronegatividades são
similares
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligação Covalente
Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
Ligação covalente molécula de metano CH4
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligação Covalente
Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
Ligação covalente no silício
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligações
covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a
sílica (SiO2)
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligações
covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a
sílica (SiO2)
Solução
Sílicio tem 4 elétrons de valência e compartilha elétrons
com 4 átomos de oxigênio, resultando em 8 elétrons para
cada átomo de silício.
Porém, o oxigênio tem valência 6 e ompartilha elétrons
com 2 átomos de silício resultando em 8 elétrons para
cada átomo de oxigênio.
Na figura a seguir é ilustrada uma estrutura possível
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
% caráter iônico =
% caráter covalente =

Ex: MgO

(X A -X B )2 


4
1- e
x (100%)




 - (XA -XB)
4
e


2




x (100%)
XMg = 1.3
XO = 3.5
( 3.5-1.3)

4
% carater ionico  1 - e


2

 x (100%)  70.2% ionico


ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO2)
tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e
covalente.
Determine a porcentagem dessas ligações.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO2)
tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e
covalente.
Determine a porcentagem dessas ligações.
Solução
Da tabela periódica obtem-se que a eletronegatividade do
silício é 1,8 e a do oxigênio é 3,5.
% covalent = exp[-0.25(3.5 - 1.8)2] x 100%
= exp(-0.72) x 100% = 48,6%
% iônica
= (1- exp[-0.25(3.5 - 1.8)2]) x 100 %
= (1 - exp(-0.72)) x 100%= 51,4 %
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações Metálicas
Metais e suas ligas
Elétrons de valência não estão
ligados aos átomos
Formam um mar de elétrons
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas
elétricas em 10 cm3 de prata.
Densidade da prata é 10.49 g/cm3
O peso atômico da prata é 107.868 g/mol
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas
elétricas em 10 cm3 de prata.
Solução
A valência da prata Ag é 1, e apenas os elétrons de valência
conduzem cargas elétricas. Densidade da prata é 10.49 g/cm3
O peso atômico da prata é 107.868 g/mol.
Peso de 10 cm3 = (10 cm3)(10.49 g/cm3) = 104.9 g
(104.9 g )(6.023 1023 atoms / mol)
 5.85 1023
107.868 g / mol
elétrons = (5.85  1023 atoms)(1 elétron valência/atom)
àtomos =
= 5.85  1023 elétrons de valência em 10 cm3
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares
Ligações fracas.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares
Ligações fracas.
Molécula de água
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Propriedades Elétricas
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução em sólidos condutores, mercúrio e metais em fusão
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução nos líquidos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução nos gases
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução nos gases
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo de Aplicações
Propriedades
Metais e Ligas
Aço
Automóveis
Cerâmicos e
vidros
SiO2-Na2O-CaO
Castable, machinable,
vibration damping
Vidros
Polímeros
Polietileno
Embalagem de comidas
Opticamente transparentes,
isolantes térmicos
Finas espesuras,
flexíveis
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo de Aplicações
Semicondutores
Silício
Transistor e circuitos
integrados
Compósitos
Ferramentas de corte
Tungstênio carbide máquinas
-cobalt (WC-Co)
Propriedades
comportamento elétrico
único
Duras e resistentes a
impactos