Classificação e propriedade dos materiais

Materiais metálicos

Olá, Estudante! Nessa videoaula você entenderá como os materiais são classificados. E mais, aprofundaremos os conhecimentos a respeito de uma classe de materiais muito importante para o desenvolvimento social e científico-tecnológico: os metais. Compreenderemos como esses materiais são formados, suas propriedades e principais aplicações.

Entender os conceitos que permeiam essa classe de materiais são importantes para sua prática pessoal e profissional, pois dentre as mais diversas aplicações na ciência e indústria, utilizamos diversos tipos de materiais metálicos em nosso dia a dia, desde as estruturas metálicas utilizadas para construir nossas casas aos talheres que utilizamos nas refeições, sempre temos a presença dos metais.

Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os metais?!

Bons estudos!!!

Ponto de Partida

Olá, Estudante! Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais metálicos, entender como são constituídos e compreender o que são ligas metálicas e para qual finalidade são utilizadas. E ainda, discutir meios para conhecer um material metálico através da avaliação das propriedades que apresentam.  

Tudo isso para escolha adequada do material para aplicação em um projeto, atendendo os requisitos necessários no projeto para sua utilização, garantindo o custo-benefício e às condições de segurança.

Assim, visando a aplicação desses conceitos, vamos considerar uma situação em que você atua como estagiário em uma indústria que fabrica peças pré-moldadas de concreto protendido. Durante a visitação à fábrica, você verificou que, para a fabricação dessas peças, são utilizados fios de aço carbono com área de seção transversal nominal de 62,9 mm². E ainda, nessas peças, a armação de fios de aço é pré tensionada (esforço de tração aplicado) antes de ser imersa na matriz de concreto. Depois que o concreto é adicionado e endurece, a tensão na armação de aço é relaxada e o aço sofre recuperação elástica, comprimindo o sistema todo, o que aumenta a resistência mecânica do conjunto, pois mantém o concreto sob um esforço de compressão.

Curioso com a fabricação do material, você resolveu calcular a força (em newtons) à qual os fios foram submetidos no processo de pré-tensionamento. Para isso, buscou algumas informações: o valor do módulo de elasticidade do aço utilizado é de 200 GPa e, para o desenvolvimento dos cálculos, será necessário assumir que os fios de aço sofreram uma deformação elástica de 1% quando foram pré tensionados.

Vamos conhecer os conceitos necessários para resolução do problema proposto?!

Bons estudos!

Vamos Começar!

Definição

De maneira geral, os materiais foram agrupados em três categorias quanto sua composição química e estrutura atômica. Eles podem ser metálicos, cerâmicos e poliméricos. Existe ainda uma outra classificação, denominada de compósito. Um material compósito é aquele resultante das combinações dois ou mais materiais diferentes, resultando em propriedades únicas, não apresentadas pelos materiais separadamente. Outra categoria para os materiais, mais recente, é denominada de materiais avançados, aqueles utilizados em aplicações de alta tecnologia (eles podem ser semicondutores, biomateriais, materiais inteligentes e materiais nanomateriais).

Nesse momento, vamos estender o nosso estudo a respeito dos materiais metálicos, compreendendo como são constituídos, suas propriedades e principais aplicações.

Os materiais metálicos, também chamados de metais, são compostos por um ou mais elementos metálicos (por exemplo, ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro, níquel) por meio de ligações metálicas. Contudo, com frequência, podem ser utilizados elementos não metálicos em sua constituição principal (por exemplo, carbono, nitrogênio, oxigênio), em quantidades relativamente pequenas, formando ligas metálicas, alterando algumas das propriedades iniciais do material. 

Nos metais, os átomos apresentam ordenamento de longo alcance, formando estruturas que se repetem ao longo do material, ou seja, são materiais cristalinos. E ainda, em comparação com as cerâmicas e os polímeros, são relativamente densos.

Devido ao tipo de ligação que apresentam, os materiais metálicos são rígidos, resistentes  e dúcteis, podendo sofrer grandes deformações sem sofrer fratura. Por essa razão, apresentam elevada resistência à fratura, fator responsável pelo seu amplo uso em aplicações estruturais.

Com relação à ligação metálica, os materiais metálicos possuem grandes números de elétrons não localizados (elétrons livres) que não estão ligados a nenhum átomo em particular, formando uma nuvem eletrônica. Por essa razão, muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas diretamente a esses elétrons, como excelentes condutores de eletricidade e de calor e não transparentes à luz visível. Além disso, quando polida, a superfície de um metal apresenta aparência brilhosa. Por fim, alguns metais (como Fe, Co e Ni) possuem propriedades magnéticas desejáveis.

Uma liga metálica é definida como um material metálico que contém adições de um ou mais metais ou não metais. Elas incluem aços, alumínio, magnésio, zinco, ferro fundido, titânio, cobre, níquel, entre outros. Tanto os metais, quanto as ligas metálicas, possuem resistência mecânica relativamente elevada, alta rigidez, ductilidade ou conformabilidade e resistência a choques mecânicos. Esses materiais são particularmente úteis em aplicações estruturais.

Embora os metais puros sejam raramente utilizados, a combinações de metais (ligas) permitem melhorar uma propriedade específica desejada ou obter melhor combinação de propriedades. Um dos melhores exemplos na formação e utilização de ligas metálicas se dá para o ouro: o ouro puro é um metal muito macio, por isso os joalheiros normalmente adicionam prata ou cobre para aumentar sua resistência mecânica, de modo que a joia feita de ouro não seja danificada facilmente.

Propriedades dos materiais metálicos

Antes de falar das propriedades dos metais, precisamos entender o que são propriedades e o que elas representam. De maneira geral, todos os materiais são expostos a estímulos externos, apresentado algum tipo de resposta. Por exemplo, um corpo é submetido à ação de forças e apresenta deformação, ou uma superfície metálica é polida e reflete a luz. Assim, podemos dizer que uma propriedade é definida como uma característica de um dado material, em termos do tipo e da magnitude da sua resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. Geralmente, as definições das propriedades são feitas de modo que elas sejam independentes da forma e do tamanho do material.

As propriedades de maior importância que podem ser apresentadas pelos materiais sólidos são agrupadas em seis categorias diferentes, sendo que para cada categoria existe um tipo característico de estímulo que é capaz de provocar diferentes respostas. Essas categorias são conhecidas por:

Propriedades mecânicas. Essas propriedades expressam a resposta de um material sob condição de carregamento, ou seja, quando é aplicado uma força sobre ele. Como exemplo temos a tensão, módulo de elasticidade (rigidez), a resistência e a tenacidade.

• Propriedades elétricas. Essas propriedades dizem respeito ao estímulo que um corpo apresenta quando colocado em um campo elétrico aplicado. Nesse caso, as propriedades típicas incluem a condutividade elétrica e a constante dielétrica.
• Propriedades térmicas. Essas propriedades estão relacionadas a variações na temperatura ou gradientes de temperatura ao longo de um material. Como exemplo para o comportamento térmico temos expansão térmica e a capacidade calorífica.
• Propriedades magnéticas. Essas propriedades consideram as respostas de um material à aplicação de um campo magnético. As propriedades magnéticas mais comuns são conhecidas como susceptibilidade magnética e a magnetização.
• Propriedades ópticas. Nesse caso, o estímulo é a radiação eletromagnética ou a radiação luminosa. E, como exemplo dessas propriedades, temos o índice de refração e a refletividade.
• Propriedades deteriorativas. Elas estão relacionadas com a reatividade química dos materiais. Um exemplo clássico desse tipo de propriedades é conhecido como resistência à corrosão dos metais.

E ainda, temos as propriedades físicas e químicas:

• As propriedades físicas são aquelas que podem ser observadas ou medidas sem que ocorra mudança de identidade do composto, ou seja, são intrínsecas à substância pura. Ponto de fusão, ponto de ebulição e densidade são exemplos desse tipo de propriedade.
• As propriedades químicas são aquelas que, quando medidas, alteram a composição inicial do material. Como exemplo, temos a ferrugem e a inflamabilidade.

Além da estrutura e das propriedades que um material apresenta, também deve ser levado em consideração o processamento e o desempenho. No que se refere às relações entre esses quatro componentes, a estrutura de um material depende de como ele é processado. Além disso, o desempenho de um material é uma função das suas propriedades.

Olhando para algumas dessas propriedades para os materiais metálicos, temos que a propriedade química fundamental dos metais é definida pela habilidade dos elementos metálicos se combinarem com outros metais ou não metálicos, formando ligas que melhoram suas propriedades iniciais, podendo ser utilizadas em aplicações específicas. Como exemplo os aços austeníticos são utilizados na construção civil para fins estruturais, os aços ferríticos são empregados em sistemas de exaustão de gases em motores de combustão e os aços martensíticos são utilizados em áreas de mineração e instrumentos odontológicos.

A grande utilização dos metais também é justificada pelas diversas propriedades mecânicas, possibilitando sua aplicação nos mais diferentes contextos. Entre as propriedades mecânicas exibidas por esses materiais, podemos citar a resistência e a ductilidade, que permitem o uso desses materiais em máquinas e estruturas. Os metais e suas ligas exibem ductilidade, maleabilidade e a capacidade de serem deformados plasticamente (sem quebrar), tornando-os fáceis de moldar em vigas (vigas de aço para a construção), extrusões (esquadrias de alumínio para portas e janelas), moedas, latas de metal e uma variedade de elementos de fixação (pregos e clipes de papel).

As propriedades mecânicas dos metais determinam a gama de utilidades e estabelecem a vida útil esperada de um material. Essas propriedades também são utilizadas para ajudar a identificar e classificar o material, por exemplo, pelos valores da resistência e ductilidade, dureza, resistência ao impacto e resistência à fratura podemos escolher o material para uma finalidade específica.

A maioria dos materiais metálicos apresenta uma característica denominada de anisotropia, ou seja, suas propriedades variam de acordo com a direção da estrutura dos grãos. Essa variação na orientação dos grãos promove variação nas propriedades mecânicas, isso ocorre principalmente devido ao processo de formação do material relacionado à direcionalidade da microestrutura (textura) formada durante a conformação mecânica ou em operações de trabalho a frio.

Assim, podemos dizer que as propriedades mecânicas nos materiais metálicos são específicas com relação à forma que o produto apresenta (como placas, chapas) devido ao seu processo de conformação (como extrusão, moldagem, forjamento). Com relação à direção da estrutura dos grãos, em produtos como chapas e placas, a direção de rolamento é chamada de direção longitudinal (direção que contempla toda extensão do material), enquanto a largura do produto é chamada de direção transversal e a espessura, de direção transversal curta. As orientações dos grãos em produtos metálicos de acordo com os diferentes tipos de processamentos são apresentadas na Figura 1.

Como os materiais metálicos são amplamente usados em aplicações estruturais, suas propriedades mecânicas são de grande interesse prático, pois devido a elas, eles podem ser selecionados para melhor utilização. Dentre as propriedades mecânicas existentes, as principais são:

• Tesão. A tensão ($𝜎$) é definida pela resposta que o material apresenta devido a um esforço mecânico (carga, força) aplicado, sendo representada pela força $F$atuante por unidade de área A. Matematicamente, a tensão é expressa por $\sigma =\frac{F}{A}$ e sua unidade no Sistema Internacional é Pascal (Pa), sendo que $1Pa=1\frac{N}{m^2}$.
• Deformação. A deformação ($𝜀$) é a consequência da força aplicada no material, ou seja, é a mudança de forma sofrida pelo material devido ao carregamento aplicado. Matematicamente, ela pode ser calculada pela variação do comprimento do material $∆L$ em relação ao comprimento inicial L₀ por $\epsilon = \frac{∆L}{L_0}$ lembrando que a variação de comprimento é obtida pelo comprimento final menos o comprimento inicial $\left(∆L=L-L_0\right)$. Essa é uma grandeza adimensional, ou seja, não possui unidades, podendo ser expressa por porcentagem ou por $\frac{mm}{mm}$.
• A deformação sofrida pelo material pode ser de duas formas, elástica ou plástica, dependendo da intensidade da força atuante. Será elástica quando a deformação no material desaparecer com a remoção da carga (material retorna às características iniciais, àquelas antes de ser deformado) e será plástica quando a deformação permanecer, mesmo após o carregamento ser retirado (não voltando às características inicial). Por essa razão, a deformação elástica é chamada de deformação momentânea, enquanto a deformação plástica é conhecida como deformação permanente.
• Na região elástica do material, tensão $𝜎$e deformação ε são proporcionais, se relacionando de forma linear. O coeficiente angular dessa reta linear tensão-deformação, neste trecho, é conhecido como módulo de elasticidade E ou módulo de Young. Assim, na região elástica, tensão $𝜎$ e deformação ε são proporcionais entre si pelo módulo de elasticidade E,  ou seja, σ=Eε. O módulo de elasticidade também é uma forma de tensão, indicando a rigidez que o material apresenta, por essa razão sua unidade no SI também será Pascal (Pa).
• Limite de escoamento. A tensão necessária para iniciar uma deformação plástica é denominada limite de escoamento (LE). Ou seja, é o valor de tensão em que as deformações elástica e plástica atuam em conjunto. Para valores de tensão menores que LE, teremos a região elástica, e para valores maiores que LE, teremos a região plástica.
• Tensão máxima. Também chamada de limite de resistência à tração (LRT) é o maior valor de tensão que o material suportará antes do rompimento.
• Tensão de ruptura. Essa tensão indica o ponto em que o material sofrerá fratura. Com esse dado, podemos verificar se o material é dúctil ou frágil. O material será dúctil quando a tensão máxima for diferente da tensão de ruptura $\left({\sigma }_{máx}\right)\ne {\sigma }_{rup}$. Por outro lado, se a tensão de ruptura apresentar o mesmo valor que a tensão máxima $\left({\sigma }_{máx}={\sigma }_{rup}\right)$, o material será frágil.
• Ductilidade. A ductilidade indica a maleabilidade que o material apresenta. Quanto maior for essa propriedade, mais deformação o material suportará sem sofrer fratura. A ductilidade é a propriedade contrária a fragilidade.

Importante frisar que as propriedades mecânicas mudam em função de temperatura e da taxa de carregamento (estático ou dinâmico). Por exemplo, temperaturas inferiores à temperatura ambiente geralmente causam um aumento das propriedades de resistência das ligas metálicas, mas a ductilidade, resistência à ruptura e alongamento, normalmente, diminuem. Já temperaturas acima da temperatura ambiente costumam causar uma diminuição nas propriedades de resistência das ligas metálicas.

E ainda, os valores das propriedades mecânicas apresentam variações com relação aos tipos de esforços que são aplicados, devido à região de atuação da força. De maneira geral, existem 7 tipos de esforços que podem ser atuantes no material, nomeados de acordo com a deformação apresentada pelo material. Eles podem ser de tração, compressão, flexão, cisalhamento e torção (Figura 2).

 Vamos entender melhor cada tipo de carregamento indicado pela Figura 2, começando pelos carregamentos de tração e compressão, que são similares. Os esforços de tração e compressão, também denominados de esforços axiais, são aqueles atuantes no eixo longitudinal do material, perpendiculares à área da seção transversal, provocando alongamento ou diminuição no comprimento original, respectivamente. Como resposta ao esforço aplicado, o carregamento de tração promove uma tensão de tração e o carregamento de compressão promove uma tensão de compressão. Como tanto a tensão de tração quanto a tensão de compressão atuam perpendicular à área da seção transversal, são denominadas de tensão normal. Tanto para força quanto para tensão, indicamos com sinais de + e – quando se tratar de tração ou compressão, respectivamente.

A flexão é um tipo especial do carregamento de compressão, ocorrendo em materiais que apresentam comprimento muito maior do que a largura e espessura, como uma viga ou coluna, por exemplo. Nesse caso, o carregamento de compressão causa deflexão lateral no material, ou seja, provoca curvatura na região longitudinal. E nas laterais da região de curva do elemento estrutural, como consequência desse carregamento inicial, teremos uma região tracionada (esticada) e outra comprimida.

Já o cisalhamento é conhecido por uma força aplicada no eixo transversal do corpo, fazendo com que os planos desse material cisalhem em um ângulo de deformação. Por ser um esforço pontual, também é denominado de esforço cortante. Essa carga é aplicada paralelamente à seção transversal, fazendo com que uma das partes adjacentes de um mesmo corpo do material se deslize sobre a outra.

Por fim, o esforço de torção é aquele que provoca rotação no material, sobre o eixo ou em torno do eixo de rotação. Ele também é um tipo de carregamento transversal, mas devido a uma força tangencial. O sentido de rotação, devido ao esforço aplicado é, convencionalmente, dado por horário (torque negativo) ou anti-horário (torque positivo).

Além dessas propriedades citadas, a fadiga indica a capacidade do metal resistir à fratura após repetidas deformações (repetidos ciclos de carregamento). Ou seja, essa propriedade mede a vida útil do material quando utilizado segundo as condições elásticas. É justamente devido a essa propriedade que podemos usar os materiais com segurança e prever as manutenções necessárias.

Com relação às propriedades elétricas, os materiais metálicos apresentam boa condutividade. Em geral, a condutividade desses materiais aumenta com a diminuição da temperatura, de modo que no zero absoluto (-273 °C) a condutividade possui valor infinito,  e nessa região os metais apresentam a característica de supercondutores.

A resistividade é outra propriedade elétrica muito importante dos materiais metálicos. Sua definição se dá pelo oposto da condutividade: essa propriedade avalia o quão fortemente um metal se opõe ao fluxo de corrente elétrica.

Os metais também apresentam outras propriedades, como as magnéticas. O ferromagnetismo, por exemplo, é uma propriedade encontrada no ferro e em vários outros metais. Além disso, metais e ligas podem ser magnetizados em um campo elétrico e exibem uma propriedade denominada paramagnetismo. As propriedades magnéticas são empregadas em motores, geradores e sistemas de alto-falantes elétricos para equipamentos de áudio.

Alguns materiais, como o chumbo, possuem a capacidade de absorver radiação, ou seja, são utilizados como blindagem. Como exemplo, o avental fornecido pelos dentistas durante um exame de raios X.

E ainda, os materiais metálicos podem apresentar propriedades ópticas,  absorvendo luz em todas as frequências, irradiam imediatamente. Os metais formam espelhos com sua superfície reflexiva e o seu brilho lhes dá a aparência atraente, que é tão importante em joias e moedas.

Por fim, as propriedades dos materiais metálicos podem ser melhoradas ou modificadas de várias formas, seja pelos diferentes tipos de processamento ou pela adição de impurezas de tamanhos de macro a nanoescala. Dessa forma é possível melhorar as propriedades de um metal e obter as características adequadas e necessárias para uma determinada aplicação.

Siga em Frente...

Principais aplicações

São muitas as aplicações possíveis para os metais. Eles podem ser utilizados em praticamente todas as situações, tanto materiais metálicos puros, quanto suas ligas. Ou seja, por sua adaptabilidade, essas aplicações nas mais diversas áreas são possíveis, desde a construção civil, produtos e componentes eletrônicos, indústria automobilística a qualquer outra área que for possível imaginação. Vejamos alguns exemplos.

Os aços podem ser utilizados nas indústrias de base na parte estrutural, nos maquinários, nas ferramentas de reparo e nos equipamentos eletrônicos. Os aços utilizados na construção de estruturas, como edifícios e pontes, apresentam resistências adequadas, de modo que não comprometam a segurança das edificações.

Já os aços inox são utilizados em produtos que ficam expostos a ambientes corrosivos, como tanques de aquecimento, peças para banheiros, panelas e utensílios de cozinha, mobiliário urbano, entre outros.

Na produção de aviões, as ligas de alumínio ou os compósitos reforçados com carbono usados em componentes aeronáuticos são leves, resistentes e capazes de suportar cargas mecânicas cíclicas durante longos períodos. Uma liga de titânio biocompatível usada como implante ósseo deve ter resistência suficiente para se manter íntegra no corpo humano durante muitos anos sem falhar.

Os metais refratários, que incluem tungstênio, molibdênio, tântalo e nióbio, possuem temperaturas de fusão muito acima de 1925ºC e, consequentemente, apresentam potencial para serviços em alta temperatura. As aplicações abrangem filamentos para lâmpadas, bocal de saída dos gases dos foguetes, geradores de energia nuclear, capacitores eletrônicos à base de tântalo e nióbio e equipamentos para processamento químico. Esses metais têm alta massa específica e resistências mecânicas não muito elevadas.

Olhando para os metais preciosos, esse grupo inclui o ouro, a prata, o paládio, a platina e o ródio. Como o nome sugere, eles são preciosos e caros e todos são usados em joias. Do ponto de vista da engenharia, esses materiais resistem à corrosão e são bons condutores de eletricidade. Como resultado, ligas desses materiais são com frequência usadas como eletrodos em diversos dispositivos.

E ainda, nas aplicações mais comuns, o cobre é normalmente utilizado na fabricação de fios elétricos por possuir alta condutividade elétrica e boa conformidade. Já o ferro fundido cinzento é comumente utilizado na fabricação de blocos de motores para automóveis por sua característica de fundibilidade, usinabilidade e amortecimento de vibrações. Por fim, os aços especiais são utilizados na fabricação de ferramentas e chassis de automóveis por apresentarem boa endurecibilidade por tratamento térmico.

Essas são apenas algumas das mais vastas aplicações dessa classe de materiais. Como suas propriedades podem ser facilmente modificadas pelas mais diversas formas, incluindo tratamentos térmicos e termoquímicos, os metais podem ser projetados e utilizados em qualquer situação.

Vamos Exercitar?

Relembrando o problema proposto inicialmente, você irá calcular a força (em newtons) à qual os fios são submetidos no processo de pré-tensionamento para a fabricação peças pré-moldadas de concreto protendido.

Para esse cálculo, o módulo de elasticidade é dado $\left(E=200 GPa\right)$ e a deformação também é conhecida (1% de deformação, que corresponde a uma deformação $\epsilon =0,01\frac{mm}{mm}$).

Como os fios de aço sofrem esforço de tração na região elástica, podemos utilizar a relação matemática da tensão com a deformação, pelo módulo de elasticidade, dada por $\sigma =E\epsilon$.

Substituindo os valores fornecidos, a tensão é obtida por (1).

$\sigma =E\epsilon =\left(0,01\frac{mm}{mm}\right)=2GPa$

Considerando um sistema ideal, podemos encontrar a força atuante através da equação de tensão, que relaciona força e a área da seção transversal por $\sigma =F/A.$

Assim o valor para a força atuante pode ser obtido por (2), lembrando que a área de seção transversal nominal dos fios de aço apresenta valor de 62,9 mm².

$\sigma =\frac{F}{A}\to F=\sigma A=2GPa (62,9m{m}^2)=2x{10}^{9}Pa\left(62,9x{10}^{-6}{m}^2\right)=125,8 kN$

Assim, você encontrou que a força (em newtons) à qual os fios são submetidos no processo de pré-tensionamento para a fabricação peças pré-moldadas de concreto protendido é de 125,8 kN.

Saiba Mais

Olá, Estudante!

Compreender as relações entre tensão e deformação, bem como as propriedades mecânicas que os materiais apresentam quando solicitados é fundamental para escolha correta de um material na aplicação pretendida. Aprofunde seus conhecimentos na área lendo a seção 5.1.1 do livro Fundamentos de Resistência dos Materiais de Pinheiro e Crivelaro. Saiba mais sobre o assunto lendo os conceitos, verificando os exemplos e fazendo os exercícios propostos.

PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627.

Bons estudos!

Referências Bibliográficas

ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 18 abr. 2024.

JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 18 abr. 2024.

NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 18 abr. 2024.

PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em: 21 abr. 2024.

SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 18 abr. 2024.

Materiais poliméricos

Olá, Estudante! Nessa videoaula você irá conhecer a classe de materiais denominada de polímero, popularmente conhecida como plásticos. Veremos o que são, e como são, os materiais poliméricos, como podem ser classificados, as principais propriedades que apresentam e as aplicações mais comuns.

Esse tema é fundamental para sua prática pessoal e profissional, já que materiais dessa classe são amplamente utilizados em diversas áreas da ciência e tecnologia, bem como situações práticas de nosso dia a dia. Afinal, só hoje, quantos materiais poliméricos você já teve contato?

Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os polímeros?!

Bons estudos!!!

Ponto de Partida

Olá, Estudante! Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais poliméricos, entender como são constituídos e compreender para qual finalidade são comumente utilizados. E ainda, discutir meios para conhecer um polímero através da avaliação das propriedades que apresentam. Tudo isso para escolha adequada do material para aplicação em um projeto, atendendo os requisitos necessários para sua utilização, garantindo o custo-benefício e às condições de segurança.

Sendo assim, como forma de aplicação dos conceitos, vamos considerar uma situação em que você é recém-contratado em uma empresa de desenvolvimento tecnológico e está visitando os departamentos que essa empresa possui. Chegando ao departamento de materiais poliméricos, ou melhor, ao departamento que desenvolve plásticos ou borrachas (elastômeros), você verifica que um estudo a respeito de tipos de materiais poliméricos, para ser utilizado em vedações em diferentes dispositivos, está sem desenvolvimento. O objetivo é utilizar esses materiais em dispositivos do tipo válvulas de vasos sanitários, torneiras, bombas de reservatórios, entre outros.

O foco desse estudo consiste em desenvolver componentes de vedação que apresentem uma vida útil maior que os atuais e você foi convidado, pela equipe, para auxiliar nesse processo, respondendo algumas perguntas:

• Quais são as principais propriedades dos materiais poliméricos?
• Seria possível utilizar um polímero que seria definitivo para essa aplicação?

Para responder a esses questionamentos e identificar um material adequado, que atenda às especificidades de um componente de vedação, alguns conceitos são necessários. Vamos a eles?!

 Bons estudos!

Vamos Começar!

Definição

Os polímeros são materiais formados por carbono e outros elementos não metálicos,  unidos por ligações covalentes. Sua formação inicial é caracterizada por longas cadeias com o elemento químico carbono em sua espinha dorsal.

Para entender mais sobre esse material, precisamos conhecer a estrutura molecular de uma substância para ser possível sua caracterização quanto as suas propriedades, especificando o seu processamento e definindo suas aplicações. Por essa razão, é importante conhecer cada termo e seu respectivo significado para entender a ciência dos materiais poliméricos.

O termo polímero foi criado pelo pesquisador Berzelius, em 1832, buscando um nome para diferenciar moléculas orgânicas que possuíam os mesmos elementos químicos, mas não necessariamente as mesmas propriedades. Contudo, essa denominação só foi amplamente utilizada em 1922, por Staudinger, que propôs a teoria da macromolécula, uma nova classe de materiais formada por moléculas de grande tamanho.

Os materiais poliméricos podem ser definidos como materiais que possuem várias partes quimicamente ligadas. A própria palavra polímero significa “muitas partes”. Os polímeros são compostos orgânicos de elevada massa molecular formados por unidades que se repetem, denominadas meros, formando cadeias de longa extensão.

Os meros são obtidos a partir da reação química entre os monômeros, matéria-prima que dá́ origem aos polímeros. O conjunto de reações químicas em que há a ligação entre os monômeros é chamado de reação de polimerização, ou síntese dos polímeros. A equação (1) apresenta a reação de polimerização do etileno, obtendo-se polietileno com seu respectivo mero.

$\underset{Monômetro etileno}{\underbrace{nC{H}_2=C{H}_2}}\to \underset{polietileno}{\underbrace{~C{H}_2-C{H}_2-C{H}_2-C{H}_2~}} ou \underset{mero}{\underbrace{{\left[-C{H}_2-C{H}_2-\right]}_n}}$

Na equação (1) o índice $n$ significa o grau de polimerização definido como o número de unidades repetitivas que compõem a cadeia polimérica. Este valor varia para cada polímero, sendo que geralmente é maior que 750. 

Cada polímero é caracterizado pela sua massa molar (MM), definida como a somatória das massas atômicas de cada elemento químico que compõe o mero. Uma equação simplificada é dada para a massa molar da unidade repetitiva (MM_ur) multiplicada pelo seu grau de polimerização ($n$), dada por (2).

MM = n(MM_ur)

Como exemplo, vamos considerar a reação do etileno (${CH}_4$) com grau de polimerização de 500. Para calcular a massa molar $MM$ desse polímero, precisamos da massa atômica do carbono e do hidrogênio, de valor $12g/mol$ e $1g/mol$, respectivamente. Assim, como o etileno possui dois átomos de carbono e quatro de oxigênio, sua massa molar é dada por (3).

$M{M}_{etileno}=2\left(\frac{12g}{mol}\right)+4\left(\frac{1g}{mol}\right)=28\frac{g}{mol}$

Assim, a massa molar de cada mero possui valor de 28g/mol. Como, nesse caso, n=500, a massa molar do etileno com grau de polimerização de 500 terá valor de (4).

$MM=500\left(28\frac{g}{mol}\right)=14 000 g/mol$

Polímeros que apresentam massa molar menor que 10.000 g/mol são denominados oligômeros (ou pré́-polímeros, onde 1.000 < MM < 10.000), enquanto polímeros de alta massa molar possuem massa molar maior que 250,000 g/mol.

Quando um polímero é obtido, macromoléculas são formadas com diferentes graus de polimerização, ou seja, algumas cadeias crescem mais do que outras, ocasionando a existência de macromoléculas de diferentes massas molares. Devido a essa irregularidade no tamanho da molécula, o cálculo da massa molar deve ser estatístico, através de um valor médio (média aritmética), assim como o grau de polimerização. Dessa forma, reescrevemos (2), considerando os valores médios, por (5).

$\overline{)MM}=n\left(\overline{)M{M}_{ur}}\right)$

Em que $\stackrel{-}{MM}$ é a massa molar média da molécula do polímero, $n$ o grau de polimerização e ${\stackrel{-}{MM}}_{ur}$ é a massa molar média do mero (ou unidade repetitiva). E, por fim, a obtenção de cadeias poliméricas com comprimentos diferentes, variando em torno de uma média, gera a distribuição de massa molar (DMM).

Siga em Frente...

Propriedades dos materiais poliméricos

De maneira geral, os polímeros são classificados com relação às características que apresentam, ou seja, são classificados de acordo com suas propriedades mecânicas, estruturas e ligações interatômicas.

Quanto à origem, eles podem ser naturais ou sintéticos. Sendo que:

• Os polímeros naturais são os polímeros presentes na natureza, como celulose, amido, lignina. Eles são classificados como polipeptídios, proteínas, polinucleotídeos, polissacarídeos, gomas, resinas e elastômeros.
• Os polímeros sintéticos são obtidos por meio de reações de polimerização, sintetizados em laboratórios. Como exemplos podemos citar o polipropileno, polietileno, poliestireno, poliamida, polietileno tereftalato. Eles são classificados como elastômeros, termoplásticos e termofixos.

Os materiais poliméricos também podem classificados pela forma em que as moléculas estão estruturadas. Por exemplo, os polímeros denominados lineares possuem longas cadeias poliméricas dispostas aleatoriamente, enquanto os polímeros ramificados apresentam as cadeias poliméricas principais e ramificações secundárias na forma de cadeias menores que se originam a partir das cadeias principais.

Já para a indústria, os polímeros podem ser do tipo plásticos ou elastômeros. Os plásticos são resinas orgânicas moldáveis, podendo ser de ocorrência natural ou sintética, e o método mais comum de fabricação deles é através da moldagem. Esses materiais são importantes na engenharia pelo fato de apresentarem ampla gama de propriedades de custo relativamente baixo. Dentre as propriedades possíveis, as mais importantes são a baixa densidade, baixa condutividade térmica e elétrica, boa tenacidade, boa resistência a ácidos, bases e umidade e alta rigidez dielétrica (uso em isolamento elétrico).

Dependendo do tipo de polímero, ele pode ser frágil ou altamente elástico. As magnitudes da tensão de ruptura para os materiais poliméricos são menores quando comparadas com os metais, no entanto, o alongamento pode ser na ordem de 1000% maior.

Contudo, as propriedades nesses materiais alteram drasticamente com a temperatura, indo de um comportamento frágil igual a um vidro à baixa temperatura ou a um comportamento semelhante à borracha em elevadas temperaturas. Dessa forma, o aumento da temperatura pode  tornar o polímero mais macio e dúctil.

Com relação à fusibilidade, ou solubilidade, os polímeros podem ser termofixos (termorrígidos) ou termoplásticos. Os polímeros do tipo termoplásticos são aqueles em que, quando formado, pode ser fundido e reutilizado, ou seja, pode ser reciclado e processado com facilidade. Polietileno tereftalato (PET), polipropileno (PP), poliestireno (PS) e policloreto de vinila (PVC) são alguns exemplos de materiais termoplásticos. Esses materiais são normalmente fabricados pela aplicação simultânea de calor e pressão.

Os termoplásticos são polímeros lineares sem qualquer ligação cruzada na estrutura, no qual longas cadeias moleculares estão ligadas umas às outras por ligações secundárias e possuem a possibilidade de aumentar a plasticidade com o aumento da temperatura, que rompe as ligações secundárias entre cadeias moleculares. Outras propriedades mecânicas dos polímeros termoplásticos como fluência, tração, tenacidade, são afetadas pelo grau de polimerização $n$, obtido por (5). E ainda, à medida que ocorre o aumento da massa molecular média do polímero, a temperatura de fusão desse polímero aumenta.

Já os materiais termorrígidos (também conhecidos por termofixos) são aqueles que requerem calor e pressão para moldá-los. Eles são produzidos em uma forma permanente e curados ou “ativados” por meio de reações químicas, como a reticulação. Os termorrígidos não podem ser refundidos ou reformados em outra forma, ou seja, não podem ser reciclados, se decompondo quando submetidos a elevadas temperaturas.

Em sua grande maioria, os termorrígidos são mais duros (elevada resistência mecânica) e mais frágeis, quando comparados aos termoplásticos. Algumas vantagens desses polímeros incluem: elevada estabilidade térmica, estabilidade dimensional, baixa densidade, boas propriedades de isolamento elétrico e térmico, resistência à deformação e deformação sob carga.

Epóxis, borrachas vulcanizadas, fenólicos, resinas de poliéster insaturadas, resinas de amino (ureias e melaminas) são exemplos de termofixos.

Outro tipo de polímero são os chamados elastômeros, popularmente conhecidos como borrachas. Eles são polímeros que, em temperatura ambiente, suportam grandes alongamentos sob carga e retornam à condição original quando a carga é liberada.

De maneira geral, a maioria das propriedades dos polímeros são características intrínsecas do material, características específicas para cada polímero. Contudo, podem ser utilizados aditivos para melhorar ou modificar as propriedades que os polímeros apresentam segundo as necessidades para aplicação em projetos específicos. Esses aditivos incluem cargas, plastificantes, estabilizadores, corantes e retardantes de chama:

• As cargas são usadas para melhorar a resistência à tração e à compressão, a abrasão, a tenacidade e a estabilidade dimensional e térmica.
• Os plastificantes são utilizados quando o objetivo é melhorar a flexibilidade, ductilidade e a tenacidade, diminuindo a temperatura de transição vítrea do polímero, a dureza e a rigidez.
• Os estabilizadores são outro tipo de aditivo polimérico que neutraliza os processos de deterioração como a oxidação e radiação.
• Os corantes são os responsáveis por dar uma cor específica um polímero. Esses corantes são adicionados na forma de pigmentos, que permanecem como uma fase distinta ou tintas (matiz) que se dissolvem no polímero.
• Os retardantes de chama são usados para aumentar a resistência ao fogo dos polímeros combustíveis, já que a maioria dos materiais poliméricos é inflamável na forma pura.

E ainda, outra propriedade interessante dos materiais poliméricos é a viscoelasticidade, que indica a capacidade do material para se deformar na região elástica, considerando sua viscosidade. Os valores para essa propriedade podem ser modificados utilizando catalisadores, podendo formar a chamada memory foam, também conhecida como espuma de memória. Esse tipo de espuma é extremamente macio à temperatura da pele humana quando comparado à temperatura ambiente. Um exemplo de polímeros viscoelásticos são as popularmente conhecidas espumas da NASA (travesseiros da NASA).

Mesmo cada polímero apresentando propriedades bem distintas, a maioria deles é resistente aos produtos químicos. E, ainda, uma das características mais marcantes dos polímeros é o fato deles serem bons isolantes térmicos e elétricos. Por essa razão os cabos elétricos são revestidos de materiais poliméricos.

Principais aplicações

Devido ao crescimento da ciência, acompanhado dos avanços tecnológicos, a indústria polimérica vem se tornando cada vez mais importante na manutenção do estilo de vida da sociedade contemporânea., fazendo com que essa classe de materiais esteja presente na indústria plástica, civil, têxtil e muitas outras.

Isso é possível pelo fato de que esses materiais possibilitam o desenvolvimento de produtos com características químicas inovadoras, como o caso do poliacetato de vinila, utilizado em revestimentos. Eles também podem contribuir positivamente na produção do nylon, usado em roupas e fibras, e de PVC, utilizado nas tubulações.

Considerando o desempenho tecnológico, os polímeros do tipo termoplásticos convencionais (commodities) são amplamente empregados. Esses polímeros são materiais de baixo custo, baixo nível de exigência mecânica, alta produção, alto consumo e facilidade de processamento. A produção desses termoplásticos corresponde a aproximadamente 90% da produção total de polímeros no mundo. Como exemplos, temos as poliolefinas (PEBD, PEAD, PELBD, PP), o poliestireno (PS), o policloreto de vinila (PVC) e o copolímero de estireno-acrilonitrila (SAN).

Já os termoplásticos de engenharia apresentam propriedades de alta resistência mecânica (rigidez), boa tenacidade e excelente estabilidade dimensional. Características que são exigências para a confecção de peças com bom desempenho para aplicação em dispositivos mecânicos (engrenagens, peças técnicas para a indústria eletroeletrônica e automobilística). Como exemplo desses materiais, temos o polimetacrilato de metila (PMMA), os poliésteres saturados - polietileno tereftalato (PET) e polibutileno tereftalato (PBT), policarbonato (PC) e copolímeros de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS).

E ainda, os termoplásticos de alto desempenho são utilizados nas aplicações em que são empregadas altas temperaturas, com grande quantidade de anéis aromáticos na cadeia principal, o que aumenta a estabilidade térmica para uso contínuo para temperaturas acima de 150°C. Como exemplo, temos os polímeros contendo enxofre, como polissulfonas, polissulfeto de fenileno (PPS), poliftalamidas (PPA), alguns poliuretanos e os polímeros de cristal líquido polimérico (LCP).

Por fim, os polímeros autorregeneradores, muito falado nos últimos anos. Contudo, desde a década de 1990 esses materiais são estudados. Esses polímeros são compostos por agentes regeneradores encapsulados e catalisadores que são distribuídos ao longo da matriz polimérica. Quando sujeitos a cortes ou aplicações que danificam sua estrutura inicial, após um determinado tempo, se autorregeneram. Existem diversos estudos utilizando polímeros que se autorregeneram como revestimentos de peças metálicas, componentes automotivos, adesivos, equipamentos náuticos e aeroespaciais e componentes estruturais. O emprego desses materiais pode minimizar ou até mesmo eliminar processos de reparação ou de manutenção em sistemas hidráulicos e de vedação.

Vamos Exercitar?

Relembrando o problema proposto inicialmente, você é recém-contratado em uma empresa de desenvolvimento tecnológico e está visitando os departamentos que essa empresa possui. Chegando ao departamento de materiais poliméricos, ou melhor, ao departamento que desenvolve plásticos ou borrachas (elastômeros), você verifica que um estudo a respeito de tipos de materiais poliméricos, para ser utilizado em vedações em diferentes dispositivos, está sem desenvolvimento. O objetivo é utilizar esses materiais em dispositivos do tipo válvulas de vasos sanitários, torneiras, bombas de reservatórios, entre outros. O foco desse estudo consiste em desenvolver componentes de vedação que apresentem uma vida útil maior que os atuais e você foi convidado, pela equipe, para auxiliar nesse processo, respondendo algumas perguntas:

• Quais são as principais propriedades dos materiais poliméricos?
• Seria possível utilizar um polímero que seria definitivo para essa aplicação?

Para responder a esses questionamentos, temos que os materiais poliméricos podem apresentar as mais diferentes propriedades, podendo ser classificados, basicamente em termoplásticos, termorrígidos e elastômeros. 

Os termoplásticos são polímeros que podem ser fundidos por diversas vezes (são recicláveis), já os termorrígidos não apresentam essa mesma habilidade, pois uma vez fundidos, ao serem aquecidos, sofrem degradação. E por fim, os elastômeros (borrachas), um material natural ou sintético que apresenta propriedades elásticas, obedecendo funções específicas.

Os polímeros podem apresentar elevada resistência química e mecânica, ser bons isolantes térmicos e elétricos, apresentar baixa densidade quando comparados aos materiais metálicos. No entanto, os materiais poliméricos utilizados como anéis de vedação sofrem com o desgaste durante a utilização, ocasionando vazamentos.

Contudo, como sugestão de melhoria, para a finalidade proposta, é possível utilizar os polímeros autorregeneradores. O anel de vedação fabricado com polímeros autorregeneradores pode ser uma alternativa viável, pois ao sofrer desgastes esses polímeros liberam agentes regeneradores que, com o auxílio de substâncias catalisadoras, regeneram ou “colam” a superfície afetada. O componente regenerado apresenta as mesmas propriedades e resistência verificada que o componente antes da ruptura.

Saiba Mais

Olá, Estudante!

Conhecer materiais poliméricos, entender as principais propriedades que apresentam e as principais aplicações são importantes para análise de materiais no desenvolvimento de projetos. Assim, aprofunde seus conhecimentos na área lendo o capítulo 3 do livro Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades de Nunes e Lopes. Saiba mais sobre o assunto lendo os conceitos, verificando os exemplos e fazendo os exercícios propostos. Caso o assunto desperte curiosidade, aproveite para olhar os demais capítulos do livro proposto!

NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades. Editora Saraiva, 2014. E-book. ISBN 9788536520506.

Bons estudos!

Referências Bibliográficas

ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 21 abr. 2024. 

JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 21 abr. 2024.

NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 21 abr. 2024.

NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades. Editora Saraiva, 2014. E-book. ISBN 9788536520506. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/. Acesso em: 21 abr. 2024.

PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em: 21 abr. 2024.

SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 21 abr. 2024.

Materiais Cerâmicos

Olá, Estudante! Nessa videoaula você irá conhecer a classe de materiais cerâmicos. Veremos o que são cerâmicas, como são constituídas, as características e propriedades que apresentam e as principais aplicações no dia a dia e na indústria.

Esse tema é fundamental para sua prática pessoal e profissional, já que são muitas as áreas de aplicação desse tipo de material, desde utilização como isolantes elétricos e térmicos em ônibus espaciais até a aplicação em implantes dentários ou próteses.

Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os materiais cerâmicos?!

Bons estudos!!!

Ponto de Partida

Olá, Estudante!

Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais cerâmicos, entender como são constituídos e compreender para qual finalidade são comumente utilizados. Para isso, se torna importante entender como o material cerâmico é formado e conhecer as principais propriedades que essa classe de materiais apresenta. Tudo para seja possível a escolha adequada do material para utilização em um projeto, atendendo os requisitos necessários, garantindo o custo-benefício e às condições de segurança.

Sendo assim, como forma de aplicação dos conceitos, vamos considerar uma situação em que você atua como analista em um laboratório de análise de materiais que presta serviços para empresas de diversos ramos. Nesse momento, você foi acionado por uma empresa fabricante de próteses usadas na artroplastia do quadril ou do joelho para ajudá-los na fabricação de uma prótese com características específicas.

Para isso, é importante entender que a artroplastia é uma cirurgia indicada a pacientes com quadro crônico de artrite. Nos joelhos, por exemplo, a lesão ou o desgaste da cartilagem entre os ossos, resulta no atrito ósseo, ocasionando dores e dificuldade de locomoção. Assim, para resolver esse problema, a superfície da cabeça dos ossos é substituída por superfícies metal-polietileno. Observe a Figura 1, ela apresenta a sequência do processo para implante da prótese metal-polietileno no joelho.

 A empresa fabricante de próteses procurou o laboratório para encontrar alternativas de materiais como substitutos ao uso do metal-polietileno. Nesse cenário, alguns questionamentos foram feitos a você:

• Quais outros tipos de materiais poderiam ser utilizados para substituir o metal-polietileno?
• As cerâmicas seriam uma opção?
• Quais as propriedades gerais desses materiais para implante atualmente existentes? E quais seriam as características específicas e desejáveis dessas cerâmicas para essa aplicação?

Para que possamos responder a esses questionamentos, alguns conceitos são necessários. Vamos a eles?!

 Bons estudos!

Vamos Começar!

Definição

As cerâmicas apresentam várias propriedades muito interessantes, e por essa razão, são amplamente utilizadas em diversos ramos de indústria. De modo geral, elas possuem maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços, e sua resistência ao calor e à corrosão é maior que a dos metais e polímeros. Além disso, são menos densas que a maioria dos metais e suas ligas, mas se quebram facilmente. As matérias−primas para fabricação de cerâmicas são abundantes e relativamente baratas.

Materiais cerâmicos são compostos definidos geralmente pelo que não são. Isso quer dizer que eles não são metálicos nem poliméricos, mas são inorgânicos e podem ser cristalinos ou não. Essa classe de materiais envolve compostos, como óxidos de metais, nitritos e carbetos. E, comumente, esses materiais são isolantes, mas também podem ser condutores e resistentes a altas temperaturas.

Olhando a formação atômica dos compostos, as cerâmicas são materiais inorgânicos formados entre elementos metálicos e não metálicos. Um exemplo bem conhecido é o óxido de alumínio (alumina), com formulação Al₂O₃, que é composto por átomos de alumínio (metal) e de oxigênio (não metal).

Nesses materiais, as ligações atômicas são predominantemente de natureza iônica, podendo apresentar também ligações covalentes entre os átomos que formam o material. Através dos valores de eletronegatividade de cada elemento que compõe o material, é possível calcular a porcentagem de ligações iônicas e covalentes existentes. E ainda, quanto maior for a diferença de eletronegatividade dos elementos, mais iônicas serão as ligações; em contrapartida, quanto menor for essa diferença, mais covalente serão.

O percentual de caráter iônico (%Caráter Iônico) de cada cerâmica, que dependerá da diferença de eletronegatividade (Xn) entre os átomos (A e B), pode ser calculado por (1).

$\%caráter iônico = \left\{1-exp\left[-\left(0,25\right){\left(X_A-X_B\right)}^2\right]\right\}x100$

Como exemplo, o caráter iônico do óxido de alumínio (Al₂O₃) pode ser calculado por (1), considerando os valores de eletronegatividade do alumínio (Al) e do oxigênio (O) 1,61 e 3,44, respectivamente. Assim, a porcentagem de caráter iônico é expressa em (2)

$\left.\begin{array}{c}\%caráter iônico = \left\{1-exp\left[-\left(0,25\right){\left(X_A - X_B\right)}^2\right]\right\}x100\\ \%caráter iônico A{l}_2{O}_3=\left\{1-exp\left[-\left(0,25\right){\left(3,44-1,61\right)}^2\right]\right\}x100=57\%\end{array}\right\}$

Ou seja, o composto óxido de alumínio ${Al}_2{O}_3$, possui 57% de ligações iônicas e 43% de ligações covalentes.

Os compostos cerâmicos que possuem um elevado percentual de caráter iônico apresentam uma estrutura dependente do tamanho dos íons e, consequentemente, do balanço eletrostático. Enquanto os compostos cerâmicos que possuem um elevado percentual de caráter covalente apresentam estruturas dependentes da direcionalidade das ligações.

As ligações iônicas e covalentes existentes nos materiais cerâmicos são mais fortes que as ligações metálicas e, devido a essa característica, as cerâmicas, são frágeis enquanto os metais são dúcteis.

Propriedades dos materiais cerâmicos

As propriedades físicas de qualquer cerâmica são consequência direta da sua estrutura cristalina e composição química. O óxido de alumínio (alumina), por exemplo, apresenta estrutura cristalina hexagonal compacta e elevada dureza, resistência à abrasão e compressão e, quando polida, apresenta um ótimo acabamento superficial. As fortes ligações iônicas tornam a alumina um material quimicamente inerte, apresentando grande estabilidade em meios fisiológicos.  

Quando peças de alumina para próteses são polidas e utilizadas em pares que se complementam, o coeficiente de atrito entre elas diminui com o tempo, aproximando-se ao de uma articulação normal.

Assim, fica evidente a relação entre a microestrutura e as propriedades, tais como variações localizadas de densidade, granulometria, tipo de porosidade e a composição de segunda fase, que podem ser correlacionadas com as propriedades das cerâmicas, como a resistência mecânica, dureza, tenacidade, constante dielétrica, densidade e elevados pontos de fusão e ebulição.

As propriedades mecânicas das cerâmicas são importantes em materiais estruturais e de construção e incluem elasticidade, resistência à tração, resistência à compressão, resistência ao corte, resistência à fratura, ductilidade (baixa em materiais quebradiços) e dureza.

No entanto, diferentemente dos metais, as propriedades mecânicas das cerâmicas não são avaliadas por meio de um ensaio de tração, devido à dificuldade em produzir corpos de prova que possuam a geometria exigida. A fixação adequada desses materiais pode ocasionar fraturas e, por fim, as cerâmicas falham após uma deformação de aproximadamente 0,1%. Assim, é mais conveniente utilizar um ensaio de compressão ou um ensaio de flexão transversal.

Com o intuito de melhorar o comportamento frágil dos materiais cerâmicos, foram desenvolvidos os compósitos com matriz cerâmica, que aumentam consideravelmente a resistência à fratura nesses materiais. Os freios a disco são exemplos dos compósitos que utilizam matrizes cerâmicas, fabricados a partir de processos específicos. A patilha fabricada por esse processo é mais eficiente quando comparada aos discos de freios de ferro fundido, devido à boa dissipação de calor do material cerâmico e à elevada resistência ao desgaste, sem perder a capacidade de frenagem em elevadas temperaturas.

Como vimos, as cerâmicas, em sua maioria, apresentam comportamento frágil. No entanto, não cabe a elas o sinônimo de delicadas. Esses materiais são muito resistentes a altas temperaturas e a ambientes severos. O ônibus espacial Discovery, por exemplo, possuía um sofisticado sistema térmico de proteção nos cones de exaustão do foguete, telhas de isolamento, componentes de motor e revestimentos cerâmicos embutidos no vidro do para-brisa.

Além das propriedades mecânicas, os materiais cerâmicos apresentam diversas propriedades elétricas. Com o aumento da temperatura, as cerâmicas iônicas (que são isolantes à temperatura ambiente) apresentam aumento da condutividade elétrica, podendo chegar a valores maiores que a condutividade de materiais semicondutores.

Algumas cerâmicas são semicondutoras (ou seja, apresentam condutividade apenas em circunstâncias específicas) e a maior parte delas é formada por óxidos de metais de transição que são semicondutores, como o óxido de zinco ($ZnO$). As cerâmicas semicondutoras são aplicadas em subestações de distribuição de energia elétrica e protegem a infraestrutura de relâmpagos, pois apresentam resposta rápida ao dissipar uma grande quantidade de energia, são de baixa manutenção e não se degradam. As cerâmicas semicondutoras também são utilizadas como sensores de gás, em que a passagem de gases altera a resistência elétrica da cerâmica policristalina.

A piezoeletricidade, que pode ser definida como a habilidade de alguns cristais produzirem tensão elétrica a partir de uma pressão mecânica, é outra propriedade exibida por muitos materiais cerâmicos, incluindo o quartzo, utilizado em relógios para medir o tempo e em outros equipamentos. Esses dispositivos empregam as propriedades da piezoeletricidade utilizando a energia elétrica para criar um movimento mecânico (alimentando o dispositivo) e depois, a partir desse movimento, produzem eletricidade (gerando um sinal).

A piezoeletricidade é geralmente mais forte em materiais cerâmicos que também exibem piroeletricidade, e todos os materiais piroelétricos são, do mesmo modo, piezoelétricos. A piroeletricidade é definida pela habilidade de alguns materiais produzirem temporariamente um potencial elétrico quando aquecidos ou resfriados, podendo ser utilizados para converter energia térmica em mecânica ou elétrica.

Outra característica importante é que as cerâmicas não possuem elétrons livres, que são responsáveis por absorver fótons de luz. Assim, esses materiais podem ser transparentes à luz visível e apresentarem os fenômenos de reflexão, refração, transmissão e absorção. Na formação de cerâmicas policristalinas, o tamanho dos grãos é determinado pelo tamanho das partículas cristalinas presentes na matéria-prima, durante a formação (ou compressão) do objeto. Dessa forma, uma redução do tamanho da partícula original pode eliminar qualquer dispersão de luz, resultando em um material transparente.

Siga em Frente...

Principais aplicações 

Os materiais cerâmicos são utilizados nas mais diversas aplicações em virtude da diversidade das composições básicas e ligações interatômicas, que resultam em diferentes propriedades do material final.

O material cerâmico pode ser classificado de acordo com sua composição específica ou com base em suas aplicações. A Figura 2 apresenta a classificação dos materiais cerâmicos de acordo com suas aplicações.

 Considerando os materiais cerâmicos utilizados para aplicações de engenharia, eles podem ser divididos em dois grupos: cerâmicas tradicionais e cerâmicas de engenharia. Normalmente, as cerâmicas tradicionais são feitas de três componentes básicos: argila, sílica e feldspato, produzindo produtos como tijolos, telhas e artigos de porcelana. Já as cerâmicas de engenharia são compostos altamente puros de óxido de alumínio (Al₂O₃), carboneto de silício (SiC) e nitreto de silício (S_i3N₄).

O vidro é um dos tipos de materiais cerâmicos com o qual temos contato diariamente: o vemos em recipientes, janelas, espelhos, utensílios domésticos, entre outros. Os vidros são silicatos não cristalinos com adição de outros óxidos que influenciam suas propriedades finais. Entre os óxidos mais utilizados, se destacam

CaO (óxido de cálcio), Na₂O (óxido de sódio), K₂O (óxido de potássio) e o óxido de alumínio. Eles se enquadram em uma linha exclusiva de materiais cerâmicos definidos principalmente pela estrutura atômica que possuem: amorfa. Já os denominados vidrocerâmicos são vidros inorgânicos que foram submetidos a tratamentos térmicos em elevadas temperaturas.

Os produtos à base de argila são materiais encontrados em abundância em virtude da facilidade que são produzidos. Eles são, basicamente, de dois tipos: estruturais (tijolos, telhas, tubos de esgoto) e louças brancas (porcelana, louças, cerâmicas). Sendo que os produtos estruturais possuem integridade estrutural do material e as louças brancas recebem esse nome pois, quando submetidos ao cozimento em elevadas temperaturas, se tornam brancas.

Os materiais refratários são caracterizados pela capacidade de suportar altas temperaturas sem fundir ou se decompor (são bons isolantes térmicos), mantendo inertes quando expostos a ambientes severos. Eles podem ser do tipo argila refratária, à base de sílica, básicos e especiais. As propriedades que esses materiais apresentam estão relacionadas à composição química que possuem.

As cerâmicas abrasivas possuem elevada dureza, elevada resistência ao desgaste e alta tenacidade. Elas são utilizadas no desgaste, corte ou polimento de materiais com menor dureza. O diamante, carboneto de silício, carboneto de tungstênio, areia de sílica e óxido de alumínio são exemplos típicos de materiais cerâmicos abrasivos, que podem ser utilizados como: grãos soltos, abrasivos revestidos e colados a discos de esmerilhamento.

Os cimentos constituem outra classificação de material cerâmico. Ao serem misturados em água, formam inicialmente uma pasta que, posteriormente, seca em forma sólida. Essa propriedade do cimento é muito útil, pois permite que materiais sólidos com diferentes geometrias sejam moldados, além de ser utilizado como fase de ligação entre os tijolos em construção. Como exemplo desse grupo de materiais cerâmicos, temos o cimento, propriamente dito, cimento portland, gesso e cal.

Por fim, as cerâmicas avançadas são materiais mais recentes, fabricados de acordo com as aplicações específicas. Dentre as propriedades, as ópticas, magnéticas e elétricas são as mais exploradas na formação desse tipo de material. Motores de combustão, fibras ópticas e sistemas micro eletromecânicos são algumas aplicações típicas das cerâmicas avançadas.

Vamos Exercitar?

Relembrando o problema proposto inicialmente, o laboratório de análise de materiais em que você atua como analista foi acionado para atender uma empresa fabricante de próteses utilizadas na artroplastia de joelhos e quadril, que pretende utilizar outro material das próteses em substituição ao metal-polietileno.

Foi perguntado a você qual material poderia ser utilizado como alternativa? E se existem materiais cerâmicos que podem ser utilizados nessa aplicação? Se sim, quais as propriedades dessa classe de materiais e quais seriam as características específicas e desejáveis dessas cerâmicas para essa aplicação?

Para responder a esses questionamentos, é necessário que entender que, dentre as classes de materiais, os materiais cerâmicos podem ser uma alternativa pelo fato de apresentam diferentes propriedades, como resistência mecânica, dureza, tenacidade e elevados pontos de fusão e ebulição.

Especificamente, em no problema proposto, o material cerâmico alumina é utilizado na fabricação de acetábulos e cabeças femorais usados na artroplastia do quadril e do joelho. A alumina possui estrutura cristalina hexagonal compacta, o que lhe confere elevada dureza, resistência à abrasão e compressão. As peças polidas possuem excelente acabamento superficial e as fortes ligações iônicas fazem com que a alumina seja um material quimicamente inerte e com boa estabilidade em meios fisiológicos. Ao serem polidas, o coeficiente de atrito entre as peças de alumina utilizadas em pares diminui com o tempo, aproximando-se ao de uma articulação normal.

Por essa razão, a alumina se apresenta como alternativa ideal em substituição ao metal-polietileno em próteses utilizadas na artroplastia de joelhos e quadril, devido suas propriedades. Por exemplo, a resistência ao desgaste de superfícies alumina-alumina é aproximadamente 10 vezes menor que o das superfícies metal-polietileno.

Outras aplicações clínicas da alumina incluem próteses de joelho, parafusos para ossos e implantes dentários.

Saiba Mais

Olá, Estudante!

Conhecer materiais cerâmicos, entender as principais propriedades que apresentam e as principais aplicações são importantes para análise de materiais no desenvolvimento de projetos. Assim, aprofunde seus conhecimentos na área lendo o capítulo 6 do livro Materiais de Construção de Antônio Carlos da Fonseca Pinheiro. Saiba mais sobre o assunto lendo os conceitos, verificando os exemplos e fazendo os exercícios propostos. Caso o assunto desperte curiosidade, aproveite para olhar os demais capítulos do livro proposto!

PINHEIRO, Antonio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO. São Paulo: Editora Saraiva, 2020. E-book. ISBN 9788536532769. 

Bons estudos!

Referências Bibliográficas

ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 21 abr. 2024. 

JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 21 abr. 2024.

NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 21 abr. 2024.

NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades. Editora Saraiva, 2014. E-book. ISBN 9788536520506. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/. Acesso em: 21 abr. 2024.

PAWLICKA, Agnieszka; FRESQUI, Maíra; TRSIC, Milan. Curso de Química para Engenharia, volume II: Materiais. São Paulo: Editora Manole, 2013. E-book. ISBN 9788520436646. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788520436646/. Acesso em: 22 abr. 2024.

PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em: 21 abr. 2024.

SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 21 abr. 2024.

Materiais Compósitos e Avançados

Olá, Estudante!

Nessa videoaula iremos conhecer uma classe de materiais que está sempre em desenvolvimento, como novas descobertas de propriedades e aplicações: os materiais compósitos. Vamos compreender como esses materiais são obtidos, sua classificação e propriedades. Também falaremos sobre os materiais avançados, que são materiais de alto desenvolvimento tecnológico, com aplicações importantes nas mais diversas áreas da ciência.

Esse tema é fundamental para sua prática pessoal e profissional, pelo fato de que a maioria dos novos materiais que estão em desenvolvimento são do tipo compósitos com alguma das características dos materiais avançados.

Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os materiais compósitos e avançados?!

Bons estudos!!!

Ponto de Partida

Olá, Estudante! Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais compósitos e os materiais avançados. Os compósitos (ou também conhecidos como compostos) compreendem uma classe de materiais que a cada dia ganham mais importância tecnológica. Quando um material é preparado usando materiais de natureza distinta, é denominado compósito, logo, podem ser encontrados na natureza ou serem sintetizados.

Já os materiais avançados, também chamados de novos materiais, definem os materiais que, devido às propriedades intrínsecas que possuem ou aos processos de fabricação e/ou preparação, possuem a potencialidade de gerar novos produtos, soluções e processos inovadores de elevado valor tecnológico, econômico, social e ambiental, de elevar o desempenho, durabilidade, de agregar valor ou de introduzir novas funcionalidades em produtos e processos tradicionais.

Sendo assim, como forma de aplicação dos conceitos, vamos considerar uma situação em que você atua em um laboratório de análise de materiais que presta consultoria para diversos clientes. Nesse momento, você recebeu uma demanda de uma indústria aeronáutica referência na fabricação de componentes utilizados em aeronaves comerciais.

A empresa enviou duas amostras de materiais (Figura 1) que foram submetidas a um ensaio de impacto (dureza). Foi solicitado que você verificasse as propriedades dos dois materiais ensaiados (Figura 1a e 1b), uma vez que a empresa pretende utilizar o material indicado na Figura 1b como alternativa ao material indicado na Figura 1a.

Assim, considerando os materiais apresentados na Figura 1, a qual classificação eles pertencem? Quais as propriedades de interesse para a aplicação em componentes de aeronaves? Esses materiais apresentam propriedades semelhantes? Qual a diferença entre eles? O material (b) poderá ser utilizado como alternativa à utilização do material (a)?

Para que possamos responder a esses questionamentos, alguns conceitos são necessários. Vamos a eles?!

 Bons estudos!

Vamos Começar!

Definição

O desenvolvimento tecnológico exige materiais com combinações não usuais de propriedades que não podem ser atendidas apenas pelas ligas metálicas, pelos materiais cerâmicos e pelos materiais poliméricos convencionais. Exemplo disso são os materiais necessários para a aplicação aeroespacial, subaquáticas e de transporte.

Devido a essa necessidade, surge uma classe de materiais denominada de materiais compósitos. Um compósito é definido como a combinação de dois ou mais materiais distintos, cada um com suas propriedades específicas que, juntas, criam um material com combinações de propriedades não observadas nos materiais isolados.

Dessa forma, podem ser fabricados por meio da combinação entre metais, cerâmicas e polímeros. Em sua grande maioria, consistem em uma fase de reforço (fase dispersa) composta por partículas, fibras ou folhas envolvidas por uma matriz (fase contínua).

Os materiais compósitos podem ser classificados como: reforçados com partículas (partículas grandes ou reforçados por dispersão), reforçados com fibras (contínuo ou descontínuo, alinhado ou orientado aleatoriamente), estrutural (laminados ou painéis sanduíche).

Para os compósitos reforçados com partículas, as partículas grandes atuam na restrição do movimento da matriz, mas não impedem o movimento de defeitos do tipo discordâncias. Já os compósitos reforçados por dispersão contêm partículas na escala de 10 a 250 nm de diâmetro, em que a matriz suporta a maior parte da carga aplicada, enquanto as partículas impedem o movimento das discordâncias, limitando a deformação permanente (plástica).

O concreto é um exemplo de compósito reforçado por partículas grandes, feito de uma matriz de cimento que une partículas de diferentes tamanhos, como areia e brita. As propriedades do cimento dissolvido em água, com os materiais particulados, dependem do quão bem os materiais foram misturados, do tamanho dos materiais particulados e da quantidade de água. Nesse caso, água demais resulta em uma porosidade excessiva do concreto solidificado, água de menos resulta em uma superfície porosa e compactação comprometida.

Para os compósitos reforçados por dispersão, o exemplo clássico é o compósito à base de pó de alumínio sinterizado, no qual a matriz de alumínio é endurecida com até 14% de óxido de alumínio. Esse compósito é utilizado em reatores nucleares.

Os compósitos reforçados com fibras possuem como objetivo aumentar a resistência e/ou rigidez elevadas em relação ao peso do material. Em relação aos compósitos com fibras contínuas e alinhadas, a resposta mecânica depende de diversos fatores, como os comportamentos tensão-deformação das fases fibra e matriz, as frações volumétricas das fases e, além disso, direção na qual a tensão ou carga está sendo aplicada. Já em relação aos compósitos com fibras descontínuas e alinhadas, estas estão se tornando cada vez mais comuns no mercado comercial. As fibras de vidro picadas são os reforços desse tipo usados com maior frequência.

Por fim, os compósitos estruturais são aqueles que apresentam estruturas de alto desempenho e com baixo peso, favorecendo o desenvolvimento de sistemas estratégicos, como na área de mísseis, foguetes e aeronaves de geometrias complexas.

 

Propriedades dos compósitos

As propriedades físicas dos materiais compósitos em geral não são isotrópicas (independentes da direção da força aplicada), mas são tipicamente anisotrópicas (diferentes, dependendo do sentido da força ou carga aplicada), ou seja, o compósito é mais resistente ao longo da direção de orientação das fibras e mais fraco na direção perpendicular à fibra.

A rigidez de um painel composto (anisotrópico), por exemplo, além da orientação das forças e/ou momentos aplicados, também depende do desenho do painel, reforço de fibra, matriz, método de construção do painel, tipo de tecido e a orientação do eixo da fibra em relação à força primária. Em contraste, os materiais isotrópicos, como o alumínio e o aço já forjados, apresentam a mesma rigidez independentemente da orientação e direção das forças ou dos momentos aplicados.

As propriedades dos compósitos dependem da natureza dos materiais que são utilizados, ou seja, das propriedades da fase matriz e da fase de reforço, da geometria da fase dispersa e do grau de ligação entre as interfaces. Nos compósitos, as funções da matriz são: absorver as deformações, dar suporte às fibras, partículas ou folhas e conferir resistência mecânica quando submetidas à compressão.

Nos materiais compósitos termoendurecíveis são utilizadas resinas em forma de reagentes, que são inseridas no molde e posteriormente curadas. Além dos compósitos de matriz polimérica, temos os compósitos de matriz cerâmica: estes materiais são leves, apresentam boa resistência e dureza. Nos compósitos cerâmicos são utilizadas como fases de reforço fibras de carbono, fibras de vidro, fibras de carbeto de silício, entre outros.

Por fim, temos os compósitos de matriz metálica, nos quais são utilizadas como matrizes ligas metálicas de baixa densidade à base de alumínio, titânio e magnésio. Nesse tipo de compósito, a maior parte dos materiais de reforço empregados é cerâmica, como partículas de alumina, fibras de grafita e filamentos de boro.

A fibra de vidro é um exemplo muito comum de materiais compósitos. Essa fibra é feita com pequenas fibras de vidro que são envolvidas por uma resina polimérica. É um material de baixa densidade, reciclável, apresenta pouca condutividade térmica, boa resistência à corrosão e é um bom isolante elétrico. Apesar de não serem tão resistentes e duras como os compósitos de fibra de carbono, as matérias-primas da fibra de vidro são baratas e, quando comparada com alguns metais, esse compósito, apresenta melhores propriedades em termos de peso em massa, resistência mecânica e facilidade de ser moldado em formas complexas.

A fibra de vidro pode estar disposta de forma aleatória, achatada para formar uma folha ou em tecido e a matriz polimérica pode ser um polímero termoendurecível. Na maioria das vezes, são utilizadas resinas epóxi, de poliéster ou um termoplástico.

Outro tipo de compósito muito importante é aquele que possui como fase de reforço fibras ou mantas de carbono, como o compósito carbono/epóxi que é classificado como um compósito estrutural. Nesse tipo de compósito, além das propriedades dos materiais, o projeto geométrico dos elementos estruturais é extremamente importante.

Os materiais compósitos podem ser classificados em duas categorias de acordo com a construção do material: laminados, que possuem camadas ligadas em conjunto com orientações específicas da disposição das fibras (Figura 2) e painéis sanduíche, que são materiais estruturais de múltiplas camadas contendo um núcleo de baixa densidade entre camadas finas de materiais compósitos.

 Os compósitos reforçados com fibras de carbono são resistentes e podem ser utilizados em ambientes com altas temperaturas. A Figura 3 apresenta um laminado carbono/epóxi utilizado na indústria aeronáutica e produzido a partir de camadas sobrepostas de mantas de fibra de carbono envolvidas em resina epóxi.

Na indústria, os laminados compósitos são importantes na substituição de ligas metálicas e exibem excelentes características, como rigidez, resistência mecânica, resistência a elevadas temperaturas em condições de trabalho, além de exibir um bom desempenho sob fadiga. 

Já os painéis consistem basicamente em duas placas finas de um material resistente intercaladas por um outro material (núcleo), apresentando baixa densidade e baixo módulo de elasticidade. Normalmente, para o material do núcleo, são utilizadas espumas poliméricas rígidas, madeira balsa e colmeias. A Figura 4a apresenta um esquema de painel sanduíche do tipo honeycomb (colmeia) e a Figura 4b mostra um painel sanduíche do tipo honeycomb desenvolvido pela NASA.

 

A Figura 4a apresenta um painel que está estruturado por: (1) representa um esquema do painel sanduíche, (2) corresponde às placas de um determinado material, ou seja, a face da lâmina, enquanto (3) refere-se ao núcleo (colmeia) que adere às placas por meio de adesivos.

Ao final, o painel sanduíche apresenta, em determinadas condições, resistência à flexão bem maior que placas maciças dos mesmos materiais e da mesma densidade. Nesse compósito as faces suportam as tensões normais de compressão, tração ou cisalhamento que estão associadas à flexão e são fabricadas de materiais relativamente resistentes, como ligas de alumínio, aços, madeiras compensadas ou plásticos reforçados com fibras. O núcleo deve manter as faces afastadas em uma determinada espessura, ser suficientemente rígido na direção perpendicular a elas, a fim de evitar o esmagamento.

Nos materiais compósitos, podemos usar os diferentes tipos de fibras que podem ser orgânicas naturais (coco, sisal, bambu), sintéticas (carbono, aramida, poliamida) ou inorgânicas (metálicas, bora, vidro).

Os compósitos estruturais mais avançados utilizam-se de fibra de vidro, carbono/grafite, boro e outros materiais orgânicos, resultando em materiais leves e que ao mesmo tempo apresentam elevada resistência e dureza. Além dos diferentes tipos de fibras, na fabricação de um material compósito vários materiais, como polímeros, metais e não metais podem ser utilizados como matrizes.

Siga em Frente...

Materiais avançados

Os materiais avançados são aqueles utilizados em aplicações de alta tecnologia (ou high-tech), incluindo os equipamentos eletrônicos, computadores, sistemas de fibras ópticas, baterias de alta densidade de energia, sistemas de conversão de energia e aeronaves. Esses materiais podem ser comuns (com propriedades aprimoradas) e de alto desempenho (recentemente desenvolvidos).

Justamente por essa razão, os materiais avançados podem pertencer a qualquer tipo de material (metais, cerâmicas, polímeros), mas de custo elevado devido a tecnologia embutida em seu processo de fabricação.

Os materiais avançados incluem semicondutores, biomateriais, materiais inteligentes e nanomateriais. Vejamos cada um separadamente.

Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas exibidas pelos condutores elétricos e os isolantes. Eles apresentam condução, ou não, dependendo das circunstâncias a quais são expostos e/ou devido à quantidade de impureza que possuem, cujas concentrações podem ser controladas em regiões espaciais muito pequenas do material. Esse tipo de material tornou possível o desenvolvimento dos circuitos integrados, os quais revolucionaram totalmente as indústrias de produtos eletrônicos e de computadores ao longo das quatro últimas décadas.

Os biomateriais são aqueles utilizados, de alguma forma, em aplicações humanas, direta ou indiretamente. Por exemplo, os implantes de reposição são construídos a partir de biomateriais, que são implantados no corpo, de modo que eles funcionem de uma maneira confiável, segura e fisiologicamente satisfatória, enquanto interagem com o tecido vivo. Por essa razão, os biomateriais devem ser biocompatíveis e não devem causar rejeição, respostas fisiologicamente inaceitáveis, nem liberar substâncias tóxicas. Os biomateriais podem ser de materiais metálicas, cerâmicos, poliméricos e materiais compósitos.

Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração com influência significativa sobre muitas das nossas tecnologias. O adjetivo inteligente significa que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e assim responder a essas mudanças segundo padrões predeterminados. Os componentes de um material (ou sistema) inteligente incluem algum tipo de sensor (que detecta um sinal de entrada) e um atuador (que executa uma função de resposta e adaptação). Os atuadores podem provocar mudança de forma, de posição, da frequência natural ou das características mecânicas em resposta a mudanças na temperatura, nos campos elétricos e/ou nos campos magnéticos. Quatro tipos de materiais são utilizados como atuadores: ligas com memória de forma, cerâmicas piezoelétricas, materiais magnetoconstritivos e fluidos eletrorreológicos/magnetorreológicos.

Os nanomateriais podem ser constituídos de qualquer um dos quatro tipos básicos de materiais, mas com dimensões das entidades estruturais da ordem do nanômetro (10^-9m). Devido às propriedades únicas e não usuais, os nanomateriais estão encontrando nichos na eletrônica, biomedicina, esportes, produção de energia e em outras aplicações industriais.

Vamos Exercitar?

Relembrando o problema proposto inicialmente, como analista de um laboratório que trabalha com análises de amostras de materiais, você recebeu duas amostras de materiais de uma empresa cliente que atua na fabricação de componentes para aeronaves comerciais. Essas amostras (Figura 1) são de materiais deformados a partir de um ensaio de impacto (ensaio de dureza). E foi informado que a empresa pretende substituir o material (a) pelo material (b).

Assim, para entender se a substituição do material pode ser realizada, considerando os materiais apresentados na Figura 1, será necessário responder alguns questionamentos:

• a qual classificação esses materiais pertencem?
• quais as propriedades de interesse para a aplicação em componentes de aeronaves?
• esses materiais apresentam propriedades semelhantes?
• qual a diferença entre eles? O material (b) poderá ser utilizado como alternativa à utilização do material (a)?

Através de suas pesquisas, você concluiu que as amostras recebidas são de materiais denominados compósitos. Um material compósito pode ser definido como a combinação entre diferentes materiais que, quando juntos, apresentam propriedades características e distintas daquelas dos materiais isolados. Assim, o material apresentará a combinação das melhores propriedades daqueles que o compõem.

Existem diversos tipos de compósitos, como o concreto, a fibra de vidro e as fibras de carbono em que cada um desses materiais apresentará uma determinada propriedade que atenderá a uma necessidade específica.

Os compósitos podem ser do tipo reforçado por partículas, por fibras e estruturais (painéis e laminados). Um compósito termoplástico pode ser entendido como um material que utiliza uma resina termoplástica, isto é, uma resina que quando atinge determinada temperatura apresenta alta viscosidade e facilidade para ser moldada e conformada, como a poli-éter-éter-cetona (PEEK), o sulfeto de polifenileno (PPS) e a polieterimida (PEI).

Já um compósito termorrígido utiliza-se de resinas que, uma vez aquecidas, não podem ser mais remodeladas, como as resinas epóxis. Os compósitos termorrígidos apresentam melhores propriedades mecânicas e maior resistência à umidade quando comparados aos termoplásticos.

Por fim, os dois materiais apresentados na Figura 1 são compostos por camadas de fibra de carbono, diferenciando o tipo de resina utilizado. A Figura 1a apresenta um compósito termorrígido de carbono epóxi enquanto a Figura 1b apresenta um compósito termoplástico (PPS), ambos foram sujeitos a um ensaio de impacto com mesma energia no centro dos espécimes.

Pela análise visual das figuras, podemos concluir que o compósito-PPS (Figura 1b) apresenta uma região de deformação maior quando comparado ao carbono epóxi (Figura 1a), corroborando a premissa de que os compósitos termorrígidos possuem melhores propriedades mecânicas.

Assim, a partir das características desses materiais, é possível concluir que o material (b) pode ser utilizado como alternativa ao material (a) em aplicação que requerem uma menor resistência ao impacto, já que esse material apresenta uma maior área de deformação quando submetidos a diferentes níveis de energia.

Saiba Mais

Olá, Estudante!

Os materiais compósitos são de grande valia para o desenvolvimento científico e tecnológico. Eles apresentam características únicas, podendo ser utilizados nas mais diversas aplicações, tornando possível projetos que pareciam inalcançáveis. Por essa razão, aprofunde seu conhecimento sobre esses materiais lendo a seção 3.7 do livro Comportamento Mecânico dos Materiais de Norman Dowling. Veja os conceitos, analise os exemplos e faça os exercícios propostos.

DOWLING, Norman. Comportamento Mecânico dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2017. E-book. ISBN 9788595153493. Disponível em: . Acesso em: 22 abr. 2024.

Bons estudos!

Referências Bibliográficas

ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 21 abr. 2024.

DOWLING, Norman. Comportamento Mecânico dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2017. E-book. ISBN 9788595153493. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788595153493/. Acesso em: 22 abr. 2024.

JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 21 abr. 2024.

NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 21 abr. 2024.

NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades. Editora Saraiva, 2014. E-book. ISBN 9788536520506. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/. Acesso em: 21 abr. 2024.

PAWLICKA, Agnieszka; FRESQUI, Maíra; TRSIC, Milan. Curso de Química para Engenharia, volume II: Materiais. São Paulo: Editora Manole, 2013. E-book. ISBN 9788520436646. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788520436646/. Acesso em: 22 abr. 2024.

PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em: 21 abr. 2024.

SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 21 abr. 2024.

Videoaula de Encerramento

Olá, estudante! Nessa videoaula você irá conhecer os principais conceitos que envolvem os tipos de materiais existentes, através da classificação que possuem, levando em consideração sua formação (átomos e ligações químicas) e propriedades que possuem. Conteúdos importantes para sua prática profissional, já que todos os produtos fabricados, acabados e utilizados são constituídos de algum tipo de material (ou a junção deles). Ou seja, toda substância, em estado sólido, se apresenta na forma de um material (seja metal, polímero, cerâmica ou semicondutor, avançados ou não).

Vamos entender cada classificação dos materiais levando em consideração sua composição, propriedades e principais aplicações?!!

Bons estudos!

Ponto de Chegada

Olá, estudante! Para desenvolver a competência dessa unidade, que consiste em analisar e compreender as propriedades dos materiais para seleção, de modo a atender às características de desempenho e processamento, é necessário entender que há várias formas de classificação dos materiais. A mais comum considera quatro categorias: metais e ligas; cerâmicas, vidros e vitrocerâmicas; polímeros (como os plásticos) e materiais compósitos. A Tabela 1 apresenta algumas aplicações, propriedades e exemplos para cada categoria.

	Exemplos de aplicações	Propriedades
Metais e Ligas
Cobre	Fios elétricos	Alta condutividade elétrica, boa conformabilidade
Ferro fundido cinzento	Blocos de motores para automóveis	Fundibilidade, usinabilidade, amortecimento de vibrações
Aços especiais	Ferramentas, chassis de automóveis	Endurecibilidade por tratamentos térmicos
Cerâmicas e vidros
${𝑺𝒊𝑶}_{\mathrm{𝟐}}$, ${𝑵𝒂}_{\mathrm{𝟐}}𝑶$, $𝑪𝒂𝑶$	Vidro para janelas	Transparência óptica, isolamento térmico
${𝑨𝒍}_{\mathrm{𝟐}}{𝑶}_{\mathrm{𝟑}}$, $𝑴𝒈𝑶$, ${𝑺𝒊𝑶}_{\mathrm{𝟐}}$	Refratários (revestimento resistente ao calor para fornos de fusão)	Isolamento térmico, suporta altas temperaturas, relativamente inerte ao metal fundido
Titanato de bário	Capacitores para microeletrônica	Grande capacidade de armazenamento de cargas elétricas
Sílica	Fibras ópticas para a tecnologia da informação	Baixas perdas ópticas
Polímeros
Polietileno	Embalagens para alimentos	Facilidade de ser moldado para produzir filmes finos, flexibilidade e hermetismo
Resinas epóxi	Encapsulamento de circuitos integrados	Isolante elétrico e resistência à umidade
Resinas fenólicas	Adesivos para união de camadas de compensado	Resistência mecânica e à umidade
Compósitos
Resina epóxi reforçadas com fibras de carbono	Componentes para avião	Elevada razão resistência-peso
Metal duro (liga de cobalto reforçada com carbeto de tungstênio)	Ferramentas de corte para usinagem	Elevada dureza conjugada com boa resistência a choques
Aço revestido com titânio	Vasos para reatores	Baixo custo e associação de alta resistência do aço com a elevada resistência à corrosão do titânio

Tabela 1. Aplicações, propriedades e exemplos para cada classe de material. Fonte: elaborada pela autora.

Os materiais de cada um desses grupos (classes) apresentam estruturas e propriedades distintas. Contudo, como os materiais metálicos são amplamente usados em aplicações estruturais, suas propriedades mecânicas são de grande interesse prático. As propriedades mecânicas são aquelas apresentadas pelos materiais em resposta a uma carga aplicada.

Dentre elas, a mais comum é a tensão, que indica a resposta do material à força aplicada, por unidade de área. Matematicamente, a tensão é obtida pela força em função da área da seção transversal $\left(\sigma =\frac{F}{A}\right)$.

Já a deformação indica mudança de forma do material quando um carregamento é aplicado. Se a força aplicada for do tipo axial, a deformação é específica ($𝜀$) dada pela variação de comprimento do material dividida pelo comprimento inicial $\left(\epsilon \frac{∆L}{L_0}\right)$ Caso a deformação desapareça após ser removida a carga ou a tensão aplicada, diz-se que a deformação é do tipo elástica. Se a deformação permanecer após ser removida a tensão (ou carregamento), diz-se que a deformação é plástica.  

Para deformações elásticas, a tensão e deformação estão linearmente relacionadas, e o coeficiente angular da reta tensão-deformação neste trecho é conhecido como módulo de elasticidade (E) ou módulo de Young. Matematicamente, essa relação é conhecida como Lei de Hooke, expressa por $𝜎=E𝜀$.

A tensão necessária para iniciar uma deformação plástica é denominada limite de escoamento (LE). E a deformação percentual máxima que se pode obter é uma medida da ductilidade de um material metálico.

Essas são apenas algumas das propriedades possíveis para os materiais, existem muitas outras. Todas elas devem ser sempre avaliadas na análise de um material para escolha adequada para uma aplicação específica, casando as condições de projeto com as características assertivas do material escolhido.

Considerando a classificação dos materiais, vamos entender melhor as características e principais propriedades de cada classe, começando pelos metais e suas ligas.

A classe dos materiais metálicos inclui aços, alumínio, magnésio, zinco, ferro fundido, titânio, cobre, níquel, dentre outros materiais. Uma liga é um metal que contém adições de um ou mais elementos metálicos ou elementos não metais. Em geral, os metais apresentam boa condutividade térmica e elétrica. Tanto os metais quanto as ligas possuem resistência mecânica relativamente elevada, alta rigidez, ductilidade ou conformabilidade e resistência a choques mecânicos. Eles são particularmente úteis em aplicações estruturais. Embora metais puros raramente sejam usados, combinações de metais (legas) permitem melhorar uma propriedade específica desejada ou obter melhor combinação de propriedades. Por exemplo, o ouro puro é um metal muito macio, por isso os joalheiros adicionam-lhe cobre para aumentar sua resistência mecânica, de modo que a joia feita de ouro não seja danificada facilmente.

Com relação aos materiais cerâmicos, é possível definir as cerâmicas como materiais cristalinos inorgânicos. As cerâmicas podem ser consideradas os materiais mais naturais que existem. De fato, a areia das praias e as rochas são exemplos de cerâmicas em estado natural. As cerâmicas avançadas são materiais feitos com o refino de cerâmicas naturais e por outros processos especiais, empregadas em substratos de chips de computadores, sensores e atuadores, capacitores, equipamentos para comunicações sem fio, velas de ignição, indutores e isoladores elétricos. Alguns tipos de cerâmica são utilizados como revestimento de proteção para substratos metálicos em turbinas. As cerâmicas também são utilizadas em vários produtos de consumo, como tintas, plásticos e pneus, e em aplicações industriais mais avançadas, como os sensores de oxigênio para automóveis. Quanto às cerâmicas tradicionais, são utilizadas em tijolos, louças de cozinha, pias e vasos sanitários, refratários (materiais resistentes ao calor) e abrasivos. Em geral, as cerâmicas não são boas condutoras de calor. Além disso, devem ser aquecidas a temperaturas altíssimas antes de fundir. As cerâmicas são também resistentes e rígidas, mas, ao mesmo tempo, bastante frágeis. Normalmente são preparados pós finos de cerâmica, que serão então moldados em diferentes formatos. Novas técnicas de processamento tornaram-nas suficientemente resistentes à fratura, a ponto de serem usadas em aplicações estruturais (como rotores de turbinas). E ainda, as cerâmicas apresentam excepcional resistência à compressão.

Os polímeros são materiais orgânicos produzidos por meio de um processo conhecido como polimerização. Entre os materiais poliméricos, em geral podemos citar as borrachas (elastômeros) e muitos tipos de adesivos. Os polímeros geralmente são bons isolantes térmicos e elétricos, apesar de existirem exceções. Embora tenham baixa resistência, possuem boa razão resistência-peso. Normalmente, não são adequados ao uso em altas temperaturas, entretanto, vários polímeros são bastante resistentes a produtos químicos corrosivos. Empregam-se os polímeros em milhares de aplicações, de coletes à prova de bala, discos compactos (CD), cordas e displays de cristal líquido (LCD) a roupas e xícaras. Os polímeros termoplásticos, nos quais as longas cadeias moleculares não estão rigidamente conectadas, possuem boa ductilidade e conformabilidade. Já os polímeros termofixos são mais resistentes e mais frágeis, pois suas cadeias moleculares apresentam ligações cruzadas. Utilizam-se os polímeros em inúmeras aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos. Os termoplásticos são fabricados por conformação do material fundido, ao passo que os termofixos são geralmente fundidos e vazados em moldes. Os plásticos contêm aditivos que aprimoram as propriedades dos polímeros.

Por fim, os materiais compósitos. Ao desenvolver compósitos, a ideia primordial consiste em combinar as propriedades de diferentes materiais. Assim, os compósitos são formados por dois ou mais materiais, dando origem a propriedades que não são encontradas em nenhum dos materiais individualmente. Concreto, compensado e fibra de vidro são exemplos de materiais compósitos. O material conhecido como fibra de vidro, por exemplo, é obtido dispersando-se fibras de vidro em uma matriz polimérica. Essas fibras tornam o polímero mais rígido, sem elevar significativamente sua densidade. Com o auxílio de compósitos, podemos produzir materiais leves, tenazes, dúcteis e resistentes a altas temperaturas, ou podemos fabricar ferramentas de corte duras (e mesmo assim resistentes a choques) que iriam fraturar se fossem feitas com outros materiais. Aviões e veículos aeroespaciais avançados dependem bastante dos compósitos. Equipamentos esportivos, como bicicletas, tacos de golfe, raquetes de tênis e outros, também podem utilizar diferentes tipos de materiais compósitos leves e rígidos.

Os materiais também podem ser classificados com base na função mais importante que desempenham, ou seja, mecânica (estrutural), biológica, elétrica, magnética ou óptica. Vejamos cada um desses materiais nessa classificação.

Biomateriais são materiais naturais ou sintéticos utilizados em contato com sistemas biológicos cuja finalidade é reparar ou substituir tecidos, órgãos ou funções do organismo, com o objetivo de manter ou melhorar a qualidade de vida do paciente. Vários órgãos artificiais, implantes ortopédicos, próteses endovasculares (stents), aparelhos ortodônticos e outros componentes são feitos utilizando-se diversos tipos de plásticos, ligas de titânio e aços inoxidáveis não magnéticos.

Semicondutor é todo material que, dependendo das circunstâncias (temperatura, pressão, radiação e campos magnéticos), pode atuar como condutor, permitindo a passagem de corrente, ou como isolante, impedindo a passagem de corrente. Os semicondutores feitos de silício, por exemplo, são utilizados na fabricação de circuitos integrados de computador.

Um material inteligente é capaz de detectar estímulos externos (tais como alterações de temperatura, de tensão, de umidade ou de um composto químico específico) e de responder a esses estímulos. Em geral, um sistema que utiliza materiais inteligentes é composto por sensores e atuadores que percebem mudanças e iniciam determinada reação. O titanato zirconato de chumbo (PZT) e as ligas com memória de forma são exemplos de materiais inteligentes. Outro exemplo de materiais inteligentes são os fluidos magneto-reológicos que respondem a campos magnéticos e são usados nos sistemas de suspensão de automóveis. E mais, temos os vidros fotocrômicos e os espelhos com regulação automática da intensidade de luz refletida.

Nanomateriais são materiais com dimensões nanométricas, em que a superfície ou as propriedades da interface predominam sobre as propriedades intensivas. O uso de nanomateriais resulta na capacidade tecnológica de gerar materiais de uma maneira particular para desempenhar um papel específico. Portanto, ele abrange vários setores, desde saúde e cosméticos até preservação ambiental e purificação do ar.

E por fim, os materiais avançados referem-se aos materiais que, devido as suas propriedades intrínsecas ou aos processos tecnológicos de preparação, possuem a potencialidade de gerar novos produtos, soluções e processos inovadores de elevado valor tecnológico, econômico, social e ambiental, de elevar o desempenho, durabilidade, de agregar valor ou de introduzir novas funcionalidades em produtos e processos tradicionais.

Ao projetar um material para determinada aplicação, uma série de fatores precisa ser considerado. O material deve alcançar as propriedades físicas e mecânicas desejadas, deve permitir o processamento ou a fabricação em um formato específico e deve oferecer solução econômica aos problemas do projeto. Também é importante proteger o meio ambiente estimulando, se possível, a reciclagem dos materiais. Assim, será necessário compatibilizar os diversos requisitos de projeto para obter um produto ao mesmo tempo viável tecnicamente e comercializável.

É Hora de Praticar!

Olá, Estudante! Nesse estudo de caso, vamos considerar alguns processos da indústria do petróleo. Para isso, precisamos de algumas informações referentes a esse tema. Assim, os processos inerentes da indústria do petróleo, além de complexos, necessitam de condições operacionais seguras, principalmente porque ocorrem em altas temperaturas. Dentre as operações de aquecimento do óleo cru, existe um processo, em especial, que envolve o forno. Nesse equipamento, o fluido é aquecido para ser direcionado à torre de destilação, devendo apresentar viscosidade e temperaturas adequadas para o processo de fracionamento do óleo.

A finalidade dos fornos é queimar combustível, e o calor gerado por essa combustão é transferido ao petróleo, para que, aquecido e no estado fluido, possa circular no interior dos tubos que ficam dentro da serpentina. Esses equipamentos são muito importantes nas refinarias e indústrias petroquímicas, pois tratam-se de grandes vazões de petróleo que precisam estar sob altas temperaturas para que diminua a sua viscosidade, permitindo o escoamento do fluido no interior dos tubos da serpentina, tornando possível a realização de operações como a destilação e o craqueamento do petróleo.

Além disso, outro fator importante no processo é o econômico, uma vez que os fornos de aquecimento correspondem a 20% do custo investido em uma planta de destilação de petróleo. Por isso, fica evidente a importância em, ao realizar o projeto de um forno, garantir a capacidade do equipamento em reduzir a emissão de gases poluentes e manter a segurança e a eficiência do processo.

Olhando para os fornos, eles são compostos basicamente por:

• Estrutura e carcaça:  componente externo do forno, que tem por função sustentar todo o peso do equipamento (refratários, serpentinas, chaminés, acessórios etc.). Além disso, a estrutura precisa resistir aos esforços mecânicos oriundos de ventos, e não é submetida à altas temperaturas, já que é a camada externa do forno e protegida pela câmara de combustão, não está sujeita às altas temperaturas.
• Câmara de combustão: a parte de forno que sustenta as serpentinas, deve suportar altas temperaturas (em torno de 400 ºC) e serem isolantes térmicos, já que estão em contato com os tubos que estão no interior da serpentina.
• Serpentina de aquecimento: são um conjunto de tubos interligados, local onde ocorre a combustão e o transporte do óleo. Dessa forma, devem manter a temperatura do fluido constante até o final do processo, além de possuir uma superfície lisa para manter homogênea a temperatura do fluido. 
• Chaminé: responsável pela tiragem e descarga dos gases ao final do processo.

Segundo essa temática, vamos considerar uma situação em que você oferece consultoria para uma grande companhia petroquímica que pretende instalar uma planta de um novo forno para o craqueamento térmico da nafta, ficando responsável por selecionar os materiais mais adequados para compor o forno.  

Dessa forma, você deve apresentar um relatório para o CEO da companhia petroquímica, mostrando as partes principais do forno (serpentina de aquecimento, câmara de combustão e chaminé) e os materiais mais adequados para serem utilizados em cada parte do forno, de acordo com a sua função e condições de operação. Cada material selecionado deve ser justificado, levando em consideração a relação estrutura, propriedade e aplicação.

Bons estudos!

Reflita

• Materiais que são obtidos por diferentes processos vão apresentar as mesmas propriedades?
• Um material pode apresentar duas classificações primárias ao mesmo tempo?
• Com relação às ligações químicas na formação dos materiais, elas podem existir de tipos diferentes em um mesmo material?
• Os materiais compósitos possuem alguma restrição em sua formação?
• Há possibilidade de novas descobertas que se enquadrariam em materiais avançados?

Resolução do estudo de caso

Retomando ao estudo de caso, será necessário apresentar um relatório para o CEO da companhia petroquímica, mostrando as partes principais do forno (serpentina de aquecimento, câmara de combustão e chaminé) e os materiais mais adequados para serem utilizados em cada parte do forno, de acordo com a sua função e condições de operação. Cada material selecionado deve ser justificado, levando em consideração a relação estrutura, propriedade e aplicação.

Para resolver o problema proposto, devemos escolher o material mais adequado para compor cada componente do forno. Vale lembrar que os componentes são: estrutura e carcaça, câmara de combustão, serpentina de aquecimento e chaminé. Alguns materiais são possíveis para utilização, por essa razão é importante justificar a escolha do material de acordo com a relação estrutura-propriedade-aplicação. Dentre os materiais adequados para cada componente, podemos utilizar para:

• Estrutura e carcaça o material metálico, como chapas de aço e carbono, por possuírem propriedades mecânicas adequadas para suportar todo o peso do equipamento e a ação dos ventos, e não precisam ser isolantes térmicos, já que não sofrem variação de temperatura durante o processo. O material da câmara de combustão (cerâmico) é isolante térmico, protegendo a estrutura e a carcaça.
• Câmara de combustão o material de tijolos refratários (cerâmica). Por serem isolantes térmicos, protegem os demais componentes do forno, são resistentes a altas temperaturas, além de evitar que os gases de combustão atinjam as chapas da carcaça metálica, onde se condensariam, formando ácidos corrosivos (contêm compostos de enxofre). Também são materiais resistentes a choques térmicos e mecânicos.
• Serpentina de aquecimento (tubos) o material metálico, como aço-carbono, aço-liga cromo ou aço inoxidável. Pelo fato de o fluido escoar dentro desses tubos, as ligas metálicas de cromo ou aço inoxidável são adequadas por suportarem altas temperaturas. E por serem condutores térmicos, mantêm o fluido aquecido por todo processo, e são mais resistentes à corrosão.
• Chaminé podem ser de materiais metálicos, de concreto ou aço. Como têm contato com os gases provenientes da combustão, devem ser constituídos de um material resistente ao calor.

Com esses dados, o relatório pode ser produzido e entregue ao CEO responsável.

Dê o play!

Assimile

Olá, estudante! No mapa mental abaixo você verá os principais assuntos relacionados à classificação dos materiais. Importante conhecer cada tipo de material, considerando sua formação e as propriedades que possuem, para escolha adequada na aplicação de projetos de engenharia.

Referências

ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 24 abr. 2024.

JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 24 abr. 2024.

NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 24 abr. 2024.

SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 24 abr. 2024.