Caracterização de Materiais

Caracterização Tecnológica de Resíduos sólidos

Eng. Jonei M. da Costa

Tópicos

1. Ciência e engenharia de materiais2. Porque realizar caracterização de materiais3. Complicações na caracterização de materiais complexos4. Principais técnicas de caracterização

i. Difração de raios x

ii. Espectroscopia Fotoelétrica de Raio-X

iii. Espectroscopia de fluorescência de raios x

iv. Espectroscopia de infravermelho

v. Análise termo gravimétrica e termo-diferencial

vi. Análise de imagens

vii. Cromatográfica com espectrômetro de massas

viii. Espectroscopia de plasma (ICP)

ix. Ativação neutrônica

x. Tomográfia

Porque fazer caracterização de materiais

É extremamente necessário determinar as propriedades dos matérias para definir suas aplicações;

A manipulação das propriedade dos materiais é possível mediante o conhecimento características do materiais;

Desenvolvimento de novos materiais;

Redução de passivos ambientais.

Fibra mais forte do mundo mistura natureza e alta tecnologia

"Nosso processo de fabricação é muito simples e adequado para a indústria. Nós usamos óxido de grafeno barato e produzido em massa para substituir os mais caros nanotubos de carbono de parede única“.

http://www.inovacaotecnologica.com.br

Ciência de Engenharia dos Materiais é o campo interdisciplinar voltado à investigação de novos materiais e ao aperfeiçoamento dos já conhecidos, mediante o desenvolvimento da correlação composição - microestrutura-processamento.

A Ciência dos Materiais concentra-se nos fundamentos cientifico da correlação entre a síntese e processamento , micro estrutura e propriedade dos materiais.

A Engenharia dos Materiais desenvolve modos de converter ou transformar materiais em dispositivos ou estrutura úteis.

Classificação dos materiais

1. Classificação funcional

2. Classificação com base estrutural

3. Classificação por classes

Classificação funcional

• Aeroespacial

• Biomédicos

• Materiais eletrônicos

• Tecnologia de energia

• Tecnologia ambiental

• Materiais magnéticos

• Materiais Fotônicos ou ópticos

• Materiais inteligentes

• Materiais estruturais

Classificação com base estrutural

O termo estrutura significa o arranjo dos átomos de um material.

Microestrutura:

Cristalino

Policristalino Cotorno de grão

Monocristalino

Amorfo

Classificação por classe

Metais

Cerâmicos

Compósitos

Polímeros

Metais

• Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos.

• Apresentam um grande número de elétrons livres, isto é, elétrons que não estão presos a um único átomo.

• A superfície dos metais, quando polida, reflete eficientemente a luz.

• São resistentes mas deformáveis.

Tubulação em aço carbonoPeças em aço inox

Bicicleta em titânio Panelas em cobre

Cerâmicas

• Os materiais cerâmicos são normalmente combinações de metais com elementos não metálicos.

•Eles são tipicamente isolantes térmicos e elétricos.

• São também mais resistentes à altas temperaturas e a ambientes corrosivos que os metais e polímeros.

• Eles são muito duros, porém frágeis.

Cerâmica artística

Cerâmica magnética Rolamentos em cerâmicas

Placas de cerâmica termelétrica

Polímeros

• Os polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais.

• Os polímeros são baseados nos átomos de carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, flúor e em outros elementos não metálicos.

• Os materiais poliméricos são geralmente leves, isolantes elétricos e térmicos, flexíveis e apresentam boa resistência à corrosão e baixa resistência ao calor.

Termoplásticos Termofixos

Elastômeros

Compósitos

• Os materiais compósitos são materiais projetados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais.

• A matriz pode ser polimérica, metálica ou cerâmica. O mesmo vale para o reforço, que pode estar na forma de dispersão de partículas, fibras, bastonetes, lâminas ou plaquetas.

• Os materiais compósitos são também conhecidos como materiais conjugados ou materiais compostos.

ConcretoFibra de vidro

MadeirasAviões morfológicos

Estrutura cristalina

Material cristalino é aquele em que os átomos estão posicionados em um arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas.

Rede cristalina é um arranjo tridimensional de pontos que coincidem com as posições dos átomos.

Célula unitária

Célula Unitária

Célula Unitária são pequenas estruturas que se repetem.

Perovskita Cúbica Hexagonal

http://www.jcrystal.com/steffenweber/qc.html

Em 1984, , Shechtman, Blech, Gratias & Cahn publicou um artigo que marcou a descoberta de quasicristais. 

Quasicristais

Técnicas de caracterização tecnologia de materiais

• Os raios x são ondas eletromagnéticas de comprimento de ondas entre 0,05 e 0,25 nm.

• Raios x são produzidos quando partículas carregadas de alta energia cinética são desaceleradas rapidamente.

• Apenas 1% da energia (10kV) é convertido em raios x.

• A intensidade do espectro contínuo depende da tensão aplicada, do numero atômico do alvo e da corrente do tubo.

Raios x

𝛾𝑚í𝑛 = 12400𝑉 𝑒𝑉= ℎ𝜐𝑚𝑎𝑥

Relação entre a energia e a frequência máxima da onda eletromagnética

Relação entre o comprimento de ondas e diferença de potencial

h = constante de Planck = 6,626068 × 10-34 m2 kg / sν = frequência γ = comprimento de onda (m)

Espectro eletromagnético

Espectro eletromagnético

Tubo gerador de raios x

A fluorescência de raios X dos elementos presentes numa amostra ocorre quando esta é atingida por raios X oriundos de um tubo de raios X.

Ao incidirem nos átomos da amostra, esses raios X primários ejetam elétrons das camadas próximas do núcleo.

As vacâncias assim criadas são imediatamente preenchidas por elétrons das camadas mais externas e simultaneamente há emissão de raios X (fluorescentes) cuja energia corresponde à diferença entre as energias dos níveis e sub-níveis das transições eletrônicas envolvidas.

Difração de raios x

• Difração de raios X (DRX) é uma técnica poderosa usada para identificar as fases cristalinas presentes em materiais.

• Consegue medir as propriedades estruturais (estado de tensão, tamanho de grão, composição da fase, orientação preferencial, e estrutura de defeitos) dessas fases.

• DRX é também usado para determinar a espessura de filmes finos e multicamadas, e arranjos atômicos em materiais amorfos (incluindo polímeros) e interfaces.

• DRX oferece uma precisão sem paralelo na medição de espaçamentos atômicos e é a técnica de escolha para determinar estados de tensão em filmes finos.

• Determinar de maneira quantitativa a composição química das fases cristalinas.

Difração de raios x

• Cristais consistem em planos de átomos que estão espaçados uma distância d para além.• Para distinguir entre estas, introduzimos um sistema de coordenadas para o cristal cuja unidade vetores a, b, e c são as arestas da célula unitária.

𝑑ℎ𝑘𝑙 = 𝑎0ξℎ2 + 𝑘2 + 𝑙2

O espaçamento d (entre hkl) é denotado dhkl, e para cristais cúbicos, é:

Onde a0 é a constante de rede do cristal.

Quando há interferência construtiva dos raios X espalhados pelos planos atômicos em um cristal, um pico de difração é observado. A condição para interferência construtiva do plano com direção dhkl tem espaçamento dada pela Lei de Bragg:𝛾 = 2𝑑ℎ𝑘𝑙𝑠𝑒𝑛 (𝜃ℎ𝑘𝑙)

Ondas destrutivas

Ondas construtivas

Espectroscopia Fotoelétrica de Raio-X (XPS)

• É uma técnica de análise de superfícies usada para obter informação química sobre as superfícies de materiais sólidos, condutores ou isolantes.

• Amostras: condutoras ou não condutoras.

• Superfície de Análise: Da ordem de alguns poucos micrômetros.

• Sensibilidade: 0,3 % a 0,5 % (Atômica).

• Profundidade de amostragem: 3 nm – 10 nm.

• Analisa todos os elementos, menos H, He.

• Uma análise de energia deste fotoelétrons provê informação elementares sobre a constituição química dos matérias que constem na superfície da amostra.

Fotoelétrons são emitidos devido ao processo fotoelétrico.O processo fotoelétrico é um processo de interação direta do fóton com o átomo.A energia do fotoelétron é característica de cada elemento sendo assim a análise do espectro informa quais elementos estão presentes na superfície da amostra.

Espectroscopia de fluorescência de raios x

• A análise por fluorescência de raios X é um método quali-quantitativo baseado na medida das intensidades (número de raios X detectados por unidade de tempo) dos raios X característicos emitidos pelos elementos que constituem a amostra.

• Os raios X emitidos por tubos de raios X excitam os elementos que constituintes, os quais, por sua vez, emitem linhas espectrais com energias características do elemento e cujas intensidades estão relacionadas com a concentração do elemento na amostra.

CompostoConcentração (%)

in natura Organofílica

SiO2 61,17 62,52

Al2O3 25,07 20,37

Fe2O3 10,69 10,09

MgO 1,99 2,66

TiO2 0,74 0,52

Cr2O3 0,15 0,14

CaO 0,14 0,19

NiO 0,02 0,02

SO3 - 0,33

ZnO 0,01 0,48

Na2O - 0,43

K2O - 0,09

Co2O3 - 0,03

CuO - 0,03

Resultado de uma análise de em Fluorescência de raios-x

Espectroscopia de infravermelho

A espectroscopia do infravermelho se baseia no fato de que as

ligações químicas das substâncias possuem freqüências de

vibração específicas, as quais correspondem a níveis de energia

da molécula (chamados nesse caso de níveis vibracionais).

Tais freqüências dependem da forma da superfície de energia

potencial da molécula, da geometria molecular, das massas dos

átomos e eventualmente do acoplamento vibrônico.

Análise termo gravimétrica e termodiferencial

Sistema interno de uma termobalança

Detalhe do suporte do sensor e porta amostra

Principio de funcionamento da análise térmica

• Os termos de análise térmica e calorimetria denotar uma variedade de métodos de medição, que envolvem uma mudança na temperatura da amostra a ser investigados.

• As quantidades medidas são alterações nas variáveis de estado da amostra (Massa, temperatura, volume, etc), que são utilizados para determinar processo ou as propriedades do material (por exemplo calor de transição, a capacidade de calor expansividade térmica, etc), ou alterações nas propriedades da amostra (composição química, forças interatômicas, estrutura cristalina, etc.)

• Estes processos estão relacionados com a geração/consumo de calor.

Analise térmica de uma nanoestrutura de argila

Análise de imagens

Microscopia óptica Microscopia eletrônica

500 x

2000 x

Cristais de Diquita

Microscopia eletrônica de varredura

Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) é um instrumento muito versátil e usado rotineiramente para a análise microestrutural de materiais sólidos.

Pode atingir até 900.000 vezes de aumento, mas para a análise de materiais normalmente o aumento é da ordem de 10.000 vezes.

No MEV a área ou o microvolume a ser analisado é irradiado por um fino feixe de elétrons ao invés da radiação da luz.

Como resultado da interação do feixe de elétrons com a superfície da amostra, uma série de radiações são emitidas tais como: elétrons secundários, elétrons retroespalhados, raios-X característicos, elétrons Auger, fótons, etc.

Estas radiações quando captadas corretamente irão fornecer informações características sobre a amostra (topografia da superfície, composição, cristalografia, etc.).

Na microscopia eletrônica de varredura os sinais de maior interesse para a formação da imagem são os elétrons secundários e os retroespalhados.

Os elétrons secundários fornecem imagem de topografia da superfície da amostra e são os responsáveis pela obtenção das imagens de alta resolução, já os retroespalhados fornecem imagem característica de variação de composição.

Acessórios

EBSD

TEI

EDX/WDX

CL SEI

LVSTD

BEI

Microscopia força atômica

• O princípio fundamental do microscópio de força atômica é a medida das deflexões de um suporte (de 100 a 200 µm de comprimento) em cuja extremidade livre está montada a sonda.

• Estas deflexões são causadas pelas forças que agem entre a sonda e a amostra.

• Os modos de fazer as imagens, também chamados modos de varredura ou de operação, referem-se fundamentalmente à distância mantida entre a sonda (que chamaremos ponteira) e a amostra, no momento da varredura, e às formas de movimentar a ponteira sobre a superfície a ser estudada. A detecção da superfície realiza-se visando à criação de sua imagem.

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010805070910

Amostra de aço.

Microscopia óptica

Na microscopia ótica o contraste da imagem é resultado da diferença de reflectividade da luz nas diversas regiões da microestrutura, uma vez que o sistema é constituído basicamente pela fonte de iluminação e do sistema de lentes.

Para materiais que são opacos a luz visível, como é o caso dos metais, da maioria dos cerâmicos e polímeros, somente a superfície pode ser observada e a mesma precisa ser cuidadosamente preparada de maneira a revelar os detalhes da microestrutura.

Uma das limitações da microscopia ótica é o aumento máximo conseguido que fica em torno de 2000 vezes.

Amostra de rocha

Cromatografia com espectrômetro de massas

• A espectrometria de massa (EM) é uma técnica largamente utilizada pelos químicos na análise de moléculas de diversas massas molares (μg-pg). É uma técnica destrutiva.

• A grande sensibilidade do método faz com que seja rotineiramente usado na análise de substâncias em baixa concentração, como no caso do doping, controle de alimentos e medicamentos, contaminação ambiental, entre muitas outras aplicações.

Intensidade relativa de picos dos isótopos para várias combinações de bromo e cloro

Espectrômetro de Plasma

 Espectrometria de Emissão Atômica por Plasma Acoplado

Indutivamente, é uma técnica de análise quimica

instrumental que faz uso de uma fonte de excitação

de plasma de argônio à alta temperatura (7.000 - 10.000 K)

para produzir, em uma amostra introduzida sob forma

de neblina no centro do plasma, átomos excitados que

emitem radiação em comprimentos de onda na faixa de 125

a 950 nm, característicos dos elementos nela presentes.

Ativação Nêutronica

• A análise de ativação com nêutrons foi descoberta em 1936 quando Hevesy e Levi os quais descobriram que amostras contendo certos elementos de terras raras ficavam altamente radioativas quando expostas a uma fonte de nêutrons.

• Dessa observação, eles reconheceram o potencial do emprego das reações nucleares em amostras seguidas da medida da radioatividade induzida a fim de identificar qualitativa e quantitativa os elementos presentes nas amostras.

• É um método de análise não destrutivo que permite, em alguns casos, determinar as concentrações de 20 a 40 elementos numa única amostra.

• É aplicável em quase todo campo de interesse científico ou técnico.

• É capaz de determinar concentrações na ordem de partes por bilhão (ppb) ou melhor.

Vista geral do reator de pesquisa IEA-R1 do IPEN CNEN SP  e detalhes dos "beam-holes" de acesso ao fluxo de neutrons do "caroço" do reator

http://www.fcf.usp.br/Ensino/Graduacao/Disciplinas/LinkAula/My-Files/index.htm

Aquisição de imagens

Projeções 2DRotação passoa passo Passos de < 1°

Tomografia Computadorizada

Reconstrução

Aquisição de imagens

Modelo simplificado 4 x 4 pixels

Projeções contem informações sobre características de posição, densidade, absorção do objeto.

Aplicações

Amostras menores que detector ou região de interesse que possa ser completamente inspecionada em todas direções.

• Materiais– Materiais sinterizados, conglomerados, compostos, fibras, espumas• Geologia• Fundição• Metrologia– Medidas de precisão em superfícies inacessíveis, comparação CAD

Visualização 3DVisualização 2D

Fibra de vidro reforçada com polímeros

Obrigado