1 Apresentação da DisciplinaENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Apresentação da Disciplina Vitaly Felix Rodriguez Esquerre Bacharel Eng. Eletrônica 1994 (Revalidado como Eng. Eletricista em 2009 UFMG) Mestre em Eng. Elétrica Unicamp Doutor em Eng. Elétrica Unicamp Pós-doutorado Hokkaido University Pós-doutorado Unicamp Docente 2006 – IFBA, Docente UFBA Pós-doutorado U.C. San Diego

2 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.

3 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

4 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

5 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.

6 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.

7 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

8 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

9 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.

10 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 .

11 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA:[1] Página da disciplina, e [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. .

12 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR:[1] G. C. Rolim, Materiais Elétricos - Apostila do Curso EEL7051 – Materiais Elétricos, Universidade Federal de Santa Catarina. 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.

13 MAIO 2017 JUNHO 2017 JULHO 2017 AGOSTO 2017 DOM SEG TER QUA QUI SEXSÁB 30 01 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 31 DOM SEG TER QUA QUI SEX SÁB 28 29 30 31 01 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 JULHO 2017 AGOSTO 2017 DOM SEG TER QUA QUI SEX SÁB 30 31 01 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 DOM SEG TER QUA QUI SEX SÁB 25 26 27 28 29 30 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 31

14 SETEMBRO 2017 PROVA P1 A DEFINIR PROVA P2 05/09/2017 SEGUNDA CHAMADADOM SEG TER QUA QUI SEX SÁB 27 28 29 30 31 01 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 PROVA P1 A DEFINIR PROVA P2 05/09/2017 SEGUNDA CHAMADA 08/09/2017

15 Data das provas: definidas durante o semestre, com antecedência de 5 dias uteisArt 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. Média Final: Frequência: 0,75 * 16 Capítulo Provas 01 P1 02 03 04 P2 05 06 07

16 Art Será considerado aprovado, em cada componente curricular, o aluno que cumprir a frequência mínima de 75% (setenta e cinco por cento) às aulas e às atividades e obtiver: I - nota final igual ou superior a 5,0 (cinco) Art Será considerado reprovado, em cada componente curricular, o aluno que: I - deixar de cumprir a frequência mínima de 75% (setenta e cinco por cento) às aulas e às atividades; II - não obtiver nota final igual ou superior a 5,0 (cinco) §1º Verificada a impossibilidade de cumprir a frequência mínima estabelecida, será vedada a realização de avaliações de aprendizagem. Art As atividades acadêmicas passíveis de avaliações deverão ser agendadas com pelo menos 5 (cinco) dias úteis de antecedência e, preferencialmente, figurar no plano de ensino do componente curricular, respeitados os dias e horários destinados ao ensino do mesmo.

17 Parágrafo Único. O resultado de cada avaliação parcial de aprendizagem deverá ser divulgado antes da realização da avaliação seguinte com, no mínimo, 2 (dois) dias úteis de antecedência. Art A avaliação de aprendizagem poderá ter seu resultado reavaliado por solicitação fundamentada pelo aluno e encaminhada ao Departamento ou equivalente, no caso da graduação, ou ao Colegiado, no caso da pós-graduação, se requerida até 3 (três) dias úteis após a divulgação do resultado: I - em primeira instância, pelo(s)professor(es) que a atribuiu(íram); II - em segunda instância, por uma comissão designada pelo Departamento ou equivalente, composta por 3 (três) professores, ouvido o professor responsável pela avaliação.

18 Art O aluno que faltar a qualquer das avaliações previstas, terá direito à segunda chamada, se a requerer ao Departamento ou equivalente responsável pelo componente curricular, até 5 (cinco) dias úteis após a sua realização, comprovando-se uma das seguintes situações: I - direito assegurado por legislação especifica; II - motivo de saúde comprovado por atestado médico; III - razão de força maior, julgado a critério do professor responsável pelo componente curricular. §1 o A avaliação da aprendizagem em segunda chamada será feita pelo próprio professor da turma, em horário por este designado com, pelo menos, 3 (três) dias de antecedência, consistindo do mesmo tipo de avaliação, com conteúdo similar à da primeira chamada. §2 o A falta à segunda chamada implicará na atribuição da nota 0 (zero).

19 AVALIAÇÃO Escolha das equações Cálculos Consistência dos resultados Conceitos Teóricos

20 AVALIAÇÃO

21 AVALIAÇÃO

22 AVALIAÇÃO

23 ENGA47 – TECNOLGOCIA DOS MATERIAIS… Propriedades da MatériaCapítulo 01 Propriedades da Matéria Vitaly Esquerre

24

25

26 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSClassificação Funcional dos Materiais Aerospacial Biomedica Materiais Eletrônicos Energia e Meioambiente Materiais Magnéticos Fotônicos ou Materiais Ópticos Materiais Inteligentes Materiais Estruturais

27 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSAerospacial Compostos de carbono, SiO2, silício amorfo, ligas de alumínio Zerodur Estruturas Aços Ligas de alumínio, Concreto Fibras de vidro Plásticos madeiras Estruturas Aços Ligas de alumínio, Concreto Fibras de vidro Plásticos madeiras Materiais Inteligentes PZT Ligas de Ni-Ti Fluídos MR Gels polímeros Eletrônica Si, GaAs, Ge, PZT, Al, Cu, polymeros Classificação Funcional dos Materiais Ópticos SiO2, GaAs, Vidros, Al2O3, YAG, ITO Energia e Ambiental Si:H amorfo, UO2, NiCd, ZrO2 Magnéticos Fe, Fe-Si, NiZn Ferritas, CoPtTaCr

28

29 Classificação dos Materiais – MetaisENG101 – 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 Apariência brilhante – não transparentes Duros Deformáveis Algumas vezes magnéticos Structural feature Dimension (m) -10 atomic bonding < 10 -10 10 crystals (ordered atoms) -8 -1 10 -10 second phase particles -8 -4 10 -10 crystal texturing -6 > 10

30 Classificação dos Materiais – CerámicosENG101 – 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

31 Classificação dos Materiais–PolímerosENG101 – 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

32 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSOutras 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

33

34

35

36 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSEstrutura 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.

37 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSEstrutura 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

38 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSExemplo Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. Peso atômico 107,868 g/mol

39 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSExemplo Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. SOLUÇÃO Número de âtomos = =5.58  1023

40 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSExemplo 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.

41 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSSolução O rádio de uma partícula é 1.5 nm. Volume de cada nanopartícula magnética de Ferro = (4/3)(1.5  10-7 cm)3 =  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   cm3 =  g. Um mol de 55,85 g de Fe contem  1023 átomos, então, o número de átomos em uma nanopartícula de Ferro será 1188.

42 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSEstrutura Atômica Modelo atômico de Bohr

43 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSTrês primeiros níveis Comparação dos modelos

44 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS

45 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSEnergias relativas dos elétrons

46 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSEstrutura Eletrônica dos Elementos

47 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSEstrutura Eletrônica dos Elementos

48 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSÂtomo de sódio

49 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSEletronegatividades Eletronegatividade pequena Eletronegatividade grande

50 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSForças e Energias de Ligação EL = EA + ER EL =energia liquida EA =energia de atração ER =energia de repulsão

51 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSLigações Iônicas: Metal + não metal configurações estáveis doa aceita elétrons • 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

52 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSLigações Iônicas: r A n B EL = EA + ER = + - Valências dos dois tipos de íons.

53 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSExemplo Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se sepadaros uma distância de 1,25 nm.

54 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSExemplo Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se sepadaros uma distância de 1,25 nm.

55 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS

56 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSLigação 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

57 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSLigação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes Ligação covalente molécula de metano CH4

58 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSLigação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes Ligação covalente no silício

59 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSExemplo Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligações covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO2)

60 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSExemplo 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

61 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS

62 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS% caráter iônico = %) 100 ( x % caráter covalente = %) 100 ( x Ex: MgO XMg = XO = 3.5

63 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSEm um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO2) tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e covalente. Determine a porcentagem dessas ligações.

64 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSEm 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( )2] x 100% = exp(-0.72) x 100% = 48,6% % iônica = (1- exp[-0.25( )2]) x 100 % = (1 - exp(-0.72)) x 100%= 51,4 %

65 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSLigações Metálicas Metais e suas ligas Elétrons de valência não estão ligados aos átomos Formam um mar de elétrons

66 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSCalcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas elétricas em 10 cm3 de prata. Densidade da prata é g/cm3 O peso atômico da prata é g/mol

67 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSCalcular 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 g/cm3 O peso atômico da prata é g/mol. Peso de 10 cm3 = (10 cm3)(10.49 g/cm3) = g àtomos = elétrons = (5.85  1023 atoms)(1 elétron valência/atom) = 5.85  1023 elétrons de valência em 10 cm3

68 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSLigações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas.

69 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSLigações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas. Molécula de água

70 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSPropriedades Elétricas

71 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSCondução em sólidos condutores, mercúrio e metais em fusão

72 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSCondução nos líquidos

73 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSCondução nos gases

74 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSCondução nos gases

75 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSExemplo de Aplicações Propriedades Metais e Ligas Aço Automóveis Castable, machinable, vibration damping Cerâmicos e vidros SiO2-Na2O-CaO Vidros Opticamente transparentes, isolantes térmicos Polímeros Polietileno Embalagem de comidas Finas espesuras, flexíveis

76 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOSExemplo de Aplicações Propriedades Semicondutores Silício Transistor e circuitos comportamento elétrico integrados único Compósitos Ferramentas de corte Duras e resistentes a Tungstênio carbide máquinas impactos -cobalt (WC-Co)