Slide 1 - DEE UFBA
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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. NOVEMBRO 2016 DOM SEG TER DEZEMBRO 2016 QUA 21 27 QUI 24 28 29 SEX 25 SÁB TER QUA QUI SEX SÁB 01 02 03 09 10 15 16 17 QUI SEX SÁB 01 02 03 04 04 05 06 07 11 12 13 14 18 19 20 21 26 30 FEVEREIRO 2017 JANEIRO 2017 DOM SEG DOM SEG TER QUA QUI SEX SÁB 05 06 07 DOM SEG TER QUA 08 09 10 11 12 13 14 05 06 07 08 09 10 11 15 16 17 18 19 20 21 12 13 14 15 16 17 18 22 23 24 25 26 27 28 19 20 21 29 30 31 26 MARÇO 2017 DOM SEG ABRIL 2017 TER QUA QUI SEX SÁB 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 DO M SEG TER QUA QUI SEX SÁB 01 02 03 04 05 06 07 08 Data das provas: definidas durante o semestre, com antecedência de 5 dias uteis Art. 113. As atividades acadêmicas passíveis de avaliações deverão ser agendadas com pelo menos cinco (05) dias úteis de antecedência e, preferencialmente, figurar no plano de ensino do componente curricular, respeitados os dias e horários destinados ao ensino do mesmo. P1 P2 2 Média Final: Frequência: 0,75 * 16 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 40 - A r B rn Z1eZ 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 40 Z1eZ 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
