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PLANO DE ESTUDOS
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
Me. Luis Henrique de Souza
• Conhecer a importância dos materiais em nossas vidas 
e na evolução da humanidade e ter uma visão geral do 
ramo das ciências dos materiais.
• Apresentar as principais classes dos materiais e suas ca-
racterísticas gerais.
• Introduzir a ideia de materiais cristalinos, sistemas crista-
linos e redes de Bravais.
Perspectiva 
Histórica
Classificação 
dos Materiais
Estruturas Cristalinas 
dos Materiais
Introdução a 
Ciências dos Materiais
Perspectiva 
Histórica
Antes de iniciarmos a nossa aventura no mundo 
dos materiais, é importante que você tenha uma 
perspectiva histórica sobre as ciências dos mate-
riais, essa perspectiva será apresentada a seguir, no 
decorrer deste tópico. Além disso, vamos definir o 
que são as ciências dos materiais, para deixá-lo(a) 
mais confortável com o assunto.
Desde o início das civilizações, os materiais 
e a energia são utilizados para melhorar a vida 
dos seres humanos; por essa razão, eles estão in-
timamente ligados à existência e à evolução da 
humanidade e acompanharam essas civilizações 
no decorrer de todo o seu desenvolvimento desde 
a pré-história, na Idade da Pedra, quando nossos 
ancestrais lascavam pedras para produzir armas de 
caça; passando pela Idade do Bronze, na qual foi 
desenvolvida a base da metalurgia com as ligas de 
cobre e estanho na produção de armas superiores; 
até os dias atuais, com a produção de superligas, 
grafeno, entre outros (SHACKELFORD, 2013). 
15UNIDADE 1
Para que você possa perceber a importância dos materiais para a humanidade, imagine a sua vida 
sem alguns deles, por exemplo, o plástico, o cimento, o vidro, o alumínio e o papel. É impossível imagi-
nar tal situação, não é? Isso deixa claro que os materiais estão presentes em todos os setores de nossas 
vidas, seja na habitação, transporte, comunicação, indústria ou, ainda, no lazer. 
A produção e a transformação desses materiais em bens acabados representa uma das atividades mais 
importantes da economia moderna. Todo o conhecimento adquirido ao longo da nossa evolução acerca 
dos materiais tornou possível o desenvolvimento de uma variedade enorme de materiais e moldagem das 
propriedades desses materiais de acordo com o interesse e a necessidade da sociedade (SMITH; ROSA, 
1998; CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).
Ciência e Engenharia dos Materiais
O estudo da estrutura de um material pode ser 
realizado em quatro níveis diferentes. O primeiro 
é o nível subatômico que estuda o átomo indi-
vidualmente e o comportamento de seu núcleo 
e elétrons. O segundo nível é o nível atômico, 
que estuda a interação entre vários átomos e 
a formação de ligações e moléculas. O terceiro 
nível é o microscópico, que corresponde aos ar-
ranjos atômicos e moleculares e a formação de 
estruturas cristalinas, moleculares e amorfas. Por 
fim, o nível macroscópico relacionado ao com-
portamento do material em serviço.
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2013).
A ciência e engenharia de materiais é um cam-
po de conhecimento interdisciplinar, que trata 
do estudo e manipulação da composição e es-
trutura dos materiais, com o intuito de controlar 
as propriedades destes por meio da síntese e do 
processamento para a produção de bens de uso e 
consumo. A ciência dos materiais tem como obje-
tivo o estudo da estrutura interna, das proprieda-
des e do processamento dos materiais, enquanto 
a engenharia dos materiais dedica-se à aplicação 
destes conhecimentos de modo a transformar os 
materiais em produtos úteis e/ou necessários à 
sociedade; entretanto, não existe uma linha es-
tritamente definida separando esses dois ramos 
(SMITH; ROSA, 1998). Neste livro, serão abor-
dados tanto aspectos da ciência quanto da enge-
nharia dos materiais.
Na ciência e engenharia dos materiais, o termo composição refere-se à constituição química do 
material, ou seja, aos átomos, moléculas ou íons que constituem esse material. Já o termo estrutura 
refere-se à forma como esses átomos, moléculas ou íons se organizam (arranjam) para a formação do 
material. Outros termos utilizados nesse âmbito são: o termo síntese, que se refere ao modo e às subs-
tâncias químicas necessárias para a produção de um material específico, e o termo processamento, 
que remete ao modo como os materiais sintetizados são transformados em bens de uso e consumo 
com propriedades adequadas a cada finalidade (ASKELAND; WRIGHT, 2015).
16 Introdução a Ciências dos Materiais
É importante saber que, quando falamos de ma-
teriais, devemos ter em mente que toda matéria é 
um material em potencial, dependendo apenas que 
suas propriedades (ópticas, mecânicas, elétricas 
etc.) confiram-lhe alguma função especifica (ZAR-
BIN, 2007). Além disso, o desempenho do material 
em uma aplicação é um fator determinante em 
projetos. Portanto, pode-se notar que a ciência dos 
materiais está embasada em quatro pilares: a sín-
tese e processamento; a composição e estrutura; as 
propriedades; e o desempenho (CALLISTER JR.; 
RETHWISCH, 2013).
Em resumo, a partir da ciência e engenharia 
dos materiais, é possível compreender a natureza 
dos materiais e aplicar conceitos fundamentais e 
empíricos que possibilitam relacionar a estrutu-
ra dos materiais, suas diversas propriedades e o 
seu comportamento para a transformação desses 
materiais em produtos.
17UNIDADE 1
Os materiais, por razões de conveniência, são se-
parados em classes com base na sua constituição, 
arranjo de seus átomos e suas propriedades. Essas 
classes, ou grupos, são:
• Metais ou materiais metálicos.
• Cerâmicas ou materiais cerâmicos.
• Polímeros ou materiais poliméricos.
• Compósitos ou materiais compósitos.
Cada uma dessas classes possui materiais com 
estruturas e propriedades diferentes das outras 
classes. A seguir, vamos conhecê-las e entender 
suas características gerais.
Metais
Os materiais pertencentes à classe dos metais são 
substâncias inorgânicas, constituídos por um ou 
mais elementos químicos metálicos, podendo con-
ter elementos não metálicos em sua composição. 
Dentre os materiais metálicos mais usuais estão o 
aço, o ferro, o magnésio, o cobre, o alumínio, a prata, 
o bronze, o titânio, o ouro etc. Além disso, dentro da 
Classificação 
dos Materiais
18 Introdução a Ciências dos Materiais
classe dos materiais metálicos, também existem as ligas metálicas, que são formadas pela mistura de um 
metal com um ou mais metais ou não metais, alguns exemplos de materiais não metálicos que podem 
estar presentes em ligas metálicas são o carbono, nitrogênio e oxigênio (ASKELAND; WRIGHT, 2015).
A ligação do tipo iônica é uma ligação que ocorre entre dois íons de cargas opostas, um cátion e 
um ânion, enquanto a ligação covalente é um tipo de ligação em que ocorre o compartilhamento 
de elétrons entre os átomos envolvidos. Por fim, a ligação metálica é aquela que ocorre entre dois 
átomos de metais e, nessa ligação, todos os átomos envolvidos perdem elétrons de suas camadas 
mais externas, e esses elétrons se deslocam com grande mobilidade entre essas camadas, formando 
uma nuvem eletrônica (também conhecida como “mar de elétrons”).
Fonte: adaptado Callister Jr. e Rethwisch (2013).
Alguns exemplos comuns, feitos de materiais metálicos, presentes no nosso dia a dia, podem ser vistos 
na Figura 1.
Figura 1 - Objetos comuns feitos de metal e ligas metálicas
Eles possuem alto nível de organização espacial no arranjo de seus átomos, definido pelo termo “es-
trutura cristalina”. Em função dessa estrutura atômica organizada, os metais possuem boa resistência 
mecânica, ductilidade, alta rigidez, resistência a choques e podem ser deformados sob a ação de forças 
externas. Além disso, são bons condutores de eletricidade e de calor, devido às suas ligações metálicas. 
Apesar dos metais puros serem pouco utilizados, as ligas possuem diversas aplicações, uma vez que 
elas permitem combinações de propriedades melhores que os metais puros. Na fabricação de joias, por 
exemplo, o ouro puro nãoé utilizado, pois ele é um material muito macio; para resolver esse problema, 
os ourives misturam o ouro com cobre, com a finalidade de melhorar a sua resistência mecânica para 
que a joia não seja danificada facilmente (ASKELAND; WRIGHT, 2015).
19UNIDADE 1
Cerâmicas
A palavra cerâmica, na linguagem do dia a dia, tem um significado 
diferente do que tem nas Ciências dos Materiais. Na linguagem 
popular, cerâmicas são os objetos feitos de porcelana ou louça; no 
âmbito das Ciências dos Materiais, a palavra “cerâmicas” tem uma 
abrangência muito maior. 
As cerâmicas são constituídas por elementos químicos metálicos 
e não metálicos que se ligam por meio de ligações covalentes e iô-
nicas. O óxido de alumínio, ou alumina, é um exemplo de material 
cerâmico composto por alumínio, que é um metal, juntamente com 
o oxigênio, um não metal, cuja fórmula química é Al2O3. Outros 
exemplos de materiais cerâmicos comuns são o dióxido de silício 
(ou sílica, SiO2), dióxido de zircônio (ou zircônia, ZrO2), carbeto 
de silício (SiC) e nitreto de silício (Si3N4).
Na Figura 2, podemos ver alguns objetos feitos de materiais 
cerâmicos.
Figura 2 - Objetos comuns feitos de 
materiais cerâmicos
Os materiais cerâmicos são duros, possuem rigidez e resistência comparadas às dos metais, entretanto, 
são frágeis, ou seja, apresentam baixa resistência a esforços de tração, torção, flexão etc. Contudo, as 
cerâmicas são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes severos do que os polímeros e os me-
tais, e são materiais tipicamente isolantes térmicos e elétricos (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).
No âmbito de ciência dos materiais, dureza é a uma das características dos materiais que está inti-
mamente vinculado com a ligação dos átomos que formam esse material. A grosso modo, a dureza 
pode ser entendida como a facilidade que um material tem de riscar ou penetrar em outro.
Fonte: Durocontrol (2016, on-line)1.
Os usos mais comuns das cerâmicas são na produção de tijolos, vasos sanitários, refratários, entre 
outros. Já as cerâmicas avançadas são aplicadas na produção das estruturas de chips de computadores, 
capacitores, velas de ignição de automóveis, indutores elétricos etc. (ASKELAND; WRIGHT, 2015).
A indústria moderna é altamente dependente dos metais, uma vez que seu uso ocorre em uma excep-
cional diversidade de segmentos, desde a indústria automotiva à microeletrônica.
20 Introdução a Ciências dos Materiais
Polímeros
A classe dos polímeros é um ramo de produtos 
da química orgânica, formados, principalmente, 
por carbono e hidrogênio, podendo conter outros 
elementos não metálicos. O processo de produção 
dos polímeros é conhecido como polimerização. 
Os polímeros são moléculas de cadeia longa, for-
mados pela união de várias (poli) unidades me-
nores (meros). O polietileno (C2H4)n é um exem-
plo de polímero formado apenas por carbono e 
hidrogênio, pela união de 100 até 1000 moléculas 
de etileno (C2H4). Entretanto, além do carbono e 
hidrogênio, os polímeros podem conter oxigê-
nio, como o acrílico, nitrogênio, poliamidas ou 
náilons, flúor, fluorocarbonos, silício e silicones.
A seguir, são apresentados, na Figura 3, alguns 
objetos feitos de polímeros.
Em geral, os materiais poliméricos possuem grande ductilidade e tem baixa densidade. Além disso, 
esses materiais são isolantes elétricos, não magnéticos e, alguns polímeros, são altamente resistentes 
a produtos químicos corrosivos. Suas desvantagens estão no fato de serem menos resistentes a defor-
mações que os metais, e de amolecer e/ou se decompor em temperaturas moderadas; contudo, mesmo 
com essas limitações, eles ainda são uma opção altamente versátil e útil. 
O avanço das tecnologias, na última década, no desenvolvimento de compostos poliméricos, tem 
permitido a produção de polímeros com resistência e rigidez altas o suficiente para substituir alguns 
metais em aplicações estruturais comuns em projetos (SHACKELFORD, 2013).
Compósitos
Os compósitos são formados pela combinação entre os materiais das classes apresentadas anteriormente 
(metais, cerâmicas e polímeros). Essa união conduz a um material com propriedades superiores aos 
dos componentes separadamente.
Existem vários tipos de compósitos, formados por diferentes combinações entre metais, cerâmicas 
e polímeros, a maior parte deles e feita pelo homem; contudo, alguns materiais de ocorrência natural 
também são considerados compósitos, como é o caso do osso e da madeira.
Um dos compósitos mais famosos é a fibra de vidro, constituída de pequenas fibras de vidro em-
butidas no interior de uma matriz polimérica. A união das fibras de vidro, material resistente e rígido 
(porém frágil) com a matriz polimérica, material dúctil e flexível (porém fraco) resulta em um material 
compósito flexível, dúctil, resistente e relativamente rígido (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).
Figura 3 - Objetos comuns feitos de polímeros
21UNIDADE 1
A partir dos compósitos, é possível obtermos materiais leves, robustos, dúcteis e resistentes a altas 
temperaturas ou mesmo produzirmos ferramentas de corte, duras e resistentes a choques, que fratu-
rariam se fossem feitas com outros materiais (ASKELAND; WRIGHT, 2015). 
Na Tabela 1, pode-se observar alguns exemplos de materiais pertencentes aos grupos apresentados 
anteriormente, suas aplicações e suas propriedades.
Tabela 1 - Aplicações e propriedades dos materiais
Classes 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, amor-tecimento de vibrações
Aços especiais Ferramentas, chassis de automóveis Endurecibilidade por tratamento térmico
Cerâmicas e vidros
SiO2-Na2O-CaO Vidro para janelas
Transparência ótica, isolamento 
térmico
Al2O3, MgO, SiO2
Refratários (revestimento resistente 
ao calor para fornos de fusão)
Isolamento térmico, refratarieda-
de, inércia química
Titanato de bário Capacitores para microeletrônica Grande capacidade de armazena-mento de cargas elétricas
Sílica Fibras óticas para a tecnologia da informação
Índice de refração adequado, bai-
xas perdas óticas
Polímeros
Polietileno Embalagens para alimentos
Facilidade de ser moldado para 
produzir filmes finos, flexibilidade 
e hermetismo
Resinas de epóxi reforçada 
com fibras de carbono
Encapsulamento de circuitos inte-
grados
Isolante elétrico e resistência à 
umidade
Resinas fenólicas Adesivos para união de camadas de compensado Resistência mecânica e à umidade
Compósitos
Resina epóxi reforçada 
com fibras de carbono Componentes para aviação Elevada razão resistência-peso
Metal duro (liga de cobalto 
reforçada com carbeto de 
tungstênio)
Ferramentas de corte para usina-
gem
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
Fonte: adaptada de Askeland e Wright (2015).
22 Introdução a Ciências dos Materiais
Materiais avançados
Os materiais avançados são materiais que são 
aplicados na produção de componentes ou dis-
positivos de alta tecnologia, cujo funcionamento 
possui princípios intrincados ou sofisticados. Os 
materiais dessa categoria pertencem às classifica-
ções descritas anteriormente e devemos entender 
o termo “alta tecnologia” como sendo relacionado 
a produtos e dispositivos, por exemplo, equipa-
mentos eletrônicos, computadores, aeronaves, 
sistemas de fibras ópticas, equipamentos médi-
cos etc.
Semicondutores
Os semicondutores são materiais com proprieda-
des elétricas intermediárias entre os condutores 
(metais) e os isolantes (polímeros e cerâmicas). 
Além disso, as propriedades elétricas desses ma-
teriais são extremamente sensíveis a pequenas 
concentrações de átomos de impurezas presentes 
em sua composição. 
O controle das concentrações de impurezas 
em regiões definidas do material permite con-
trolar a condutividadeelétrica nessas regiões do 
material, possibilitando sua aplicação em compo-
nentes como, por exemplo, circuitos eletrônicos 
integrados. 
Os semicondutores são, geralmente, feitos de 
silício, germânio e arsenato de gálio. Ao longo das 
últimas décadas, os semicondutores revoluciona-
ram a indústria de eletrônicos e de computadores, 
em decorrência de suas propriedades elétricas 
diferenciadas (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 
2013). Voltaremos a falar sobre os materiais semi-
condutores mais adiante, na Unidade 7.
Biomateriais
Os biomateriais são materiais pertencentes às 
classes de materiais anteriores (metais, polímeros, 
cerâmicas e semicondutores). Esses materiais são 
utilizados na área da saúde para as mais diversas 
finalidades, entre elas dispositivos biomédicos 
(biosensores, tubos de circulação, sistemas de he-
modiálise), materiais implantáveis (suturas, subs-
titutos ósseos, lentes, dentes, válvulas cardíacas), 
órgãos artificiais (pulmões, coração, rim, pele), 
curativos, dentre outros.
Devido à finalidade desses materiais, eles de-
vem ser materiais não tóxicos, pois eles entram 
em contato com sistemas biológicos. Além disso, 
eles devem ser compatíveis com os tecidos do 
corpo, uma vez que muitos deles são implanta-
dos como substitutos a órgãos e tecidos danifi-
cados do corpo humano (PIRES; BIERHALZ; 
MORAES, 2015).
Dentre os materiais metálicos, o titânio e suas 
ligas, por exemplo, têm sido usado por décadas na 
fixação de fraturas e reconstrução de articulações 
por ser resistente à corrosão, biocompatível e pela 
indução do crescimento ósseo (bioadesão). Além 
disso, alguns tipos de ligas de cobre são aplicados 
para artroplastia total de quadril, que consistem em 
uma haste femoral conectada a uma cabeça modular 
sujeita à articulação com o componente acetabular.
Já os materiais cerâmicos bioinertes possuem 
aplicações biomédicas, principalmente nas áreas 
de ortopedia e odontologia, com grande represen-
tatividade de compostos, como a alumina (Al2O3), 
zircônia (ZrO2) e zircônia estabilizada com óxido 
de ítrio (ZrO2(Y2O3)), devido à sua capacidade de 
não reagir com o tecido adjacente, resistência à 
corrosão, grande resistência ao desgaste e alta re-
sistência mecânica (BIOFABRIS, [2019], on-line)2.
23UNIDADE 1
Magnéticos
A palavra magnetismo está associada ao fenômeno de atração que um material exerce sobre outro 
material. Sendo assim, os materiais magnéticos são materiais com a capacidade de exercer uma força 
de atração ou repulsão sobre outros materiais.
Alguns materiais são capazes de se manterem magnetizados mesmo na ausência de um campo 
magnético, eles são chamados de ferromagnéticos; outros materiais apresentam propriedades mag-
néticas apenas na presença de um campo magnético atuante. 
Um exemplo de material ferromagnético é o imã em barra, apresentado na Figura 4a, que exibe dois 
polos identificados (norte-sul); para um imã reto e um imã em formato de U, na Figura 4b, são visuali-
zadas as linhas de campo formadas pela limalha de ferro quando submetida a esses dois tipos de imãs.
Ímã de barra
Ímã em ferradura
a)
b)
Figura 4 - a) Representação das linhas de campo de um imã; b) O efeito do imã sobre a limalha de ferro
24 Introdução a Ciências dos Materiais
Os materiais magnéticos possuem aplicações variadas, desde pequenos imãs para fechar portas de 
armários, até componentes sofisticados utilizados na indústria de eletrônicos (RODRIGUEZ, 1998). 
Os materiais magnéticos serão vistos com maior detalhamento na Unidade 8.
Nanotecnológicos
Os materiais nanotecnológicos são diferenciados 
em relação ao seu tamanho a nível nano, ou seja, 
suas partículas possuem dimensões da ordem de 
nanômetros (10-9 metros). O estudo desses ma-
teriais é chamado de nanotecnologia. Eles são de 
grande expectativa tecnológica, devido às suas 
características fascinantes e, por essa razão, ga-
nharam significativa importância a partir do final 
do século XX, com aplicações em nichos, como 
eletrônica, biomedicina, esportes, produção de 
energia, entre muitos outros.
As propriedades dos materiais que conhece-
mos são fortemente dependentes do tamanho das 
partículas que compõem esses materiais; dessa 
forma, podemos modificar as propriedades de 
um determinado material por meio do controle 
do tamanho e da forma de suas partículas cons-
tituintes e, com isso, obter novas possibilidades 
de aplicação para o mesmo material.
Portanto, a partir da nanotecnologia, materiais 
opacos podem se tornar transparentes em escala 
nanométrica, alguns sólidos tornam-se líquidos, 
isolantes elétricos tornam-se condutores etc. Então, 
tornou-se possível modificar propriedades físicas 
e químicas dos materiais pertencentes a todas as 
classes de materiais (metais, cerâmicas, polímeros, 
compósitos) somente controlando o tamanho e o 
formato de suas partículas, sem a necessidade de 
alterar sua composição química (ZARBIN, 2007).
A Figura 5, a seguir, mostra a estrutura dos 
nanotubos de carbono produzidos a partir da na-
notecnologia aplicada aos materiais. Esse material 
possui um vasto campo de aplicações, por exemplo, 
na fabricação de suportes para catalisadores, puri-
ficação e descontaminação de águas, em baterias de 
íons de lítio, sensores e biosensores, entre muitas 
outras aplicações (ZARBIN; OLIVEIRA, 2013).
Tenha sua dose extra de 
conhecimento assistindo ao 
vídeo. Para acessar, use seu 
leitor de QR Code.
Figura 5 - Representação tridimensional 
da estrutura de um nanotubo de carbono
https://apigame.unicesumar.edu.br/getlinkidapp/3/539
25UNIDADE 1
É fundamental conhecer o arranjo estrutural dos 
átomos na formação dos materiais, uma vez que 
esse arranjo determina muitas das propriedades 
desses materiais. Para melhor aproveitamento 
deste conteúdo, vamos introduzir alguns concei-
tos importantes, como o de estrutura cristalina, 
rede cristalina e célula unitária. Além disso, 
devemos saber que os átomos são formados por 
um núcleo, com prótons e nêutrons, cercado por 
elétrons que circulam ao redor desse núcleo. Para 
a finalidade de descrever os arranjos nos sólidos, 
adotaremos um sistema no qual os átomos que 
compõem um material serão considerados esferas 
rígidas, como bolas de pingue-pongue.
• Rede cristalina: é um conceito matemá-
tico e infinito em extensão. Em outras pa-
lavras, uma rede cristalina é um conjunto 
de pontos dispostos de acordo com um 
padrão periódico, ou seja, um arranjo tri-
dimensional de pontos cuja vizinhança é 
idêntica. Portanto, essas redes são os esque-
letos sobre os quais as estruturas cristalinas 
dos materiais são formadas e os átomos ou 
grupo de átomos estão posicionados nos 
pontos dessa rede ou próximos a eles.
Estruturas Cristalinas 
dos Materiais
26 Introdução a Ciências dos Materiais
• Estrutura cristalina: é a estrutura forma-
da pelo arranjo dos átomos, íons ou mo-
léculas quando se organizam na formação 
de um material. Os cristais formados nesse 
processo podem ter as mais variadas for-
mas, desde estruturas mais simples – para 
os metais – até estruturas complexas – para 
algumas cerâmicas e polímeros.
• Célula unitária: nos sólidos cristalinos, pe-
quenos grupos de átomos se organizam de 
maneira periódica na formação da estrutura 
cristalina de um material; por essa razão, é 
conveniente e prático dividir a estrutura cris-
talina nessas unidades menores e repetitivas, 
que são denominadas células unitárias.
A célula unitária é o bloco estrutural básico, ou 
bloco construtivo da estrutura cristalina, que 
ainda mantém as características gerais da rede, 
portanto é possível descrever a estrutura cris-
talina de um sólido cristalino conhecendo sua 
célula unitária.
As células unitárias são, na maioria das vezes, 
paralelepípedos ou prismas. Na Figura 6, a seguir, 
podemos observar a célula unitária na forma de 
esferas reduzidas para alguns materiais comuns, 
que são o sal de cozinha, o diamante, o gelo seco 
e o ferro metálico, todos com estrutura cúbica.
Iônico
Sal de Cozinha – NaCl
Atômico
Diamante– C 
Molecular
Gelo seco – CO
Metálico
Ferro metálico - Fe2
Figura 6 - Células unitárias de alguns materiais comuns
27UNIDADE 1
Sistemas Cristalinos
Como existem diversas estruturas cristalinas 
diferentes, é conveniente agrupá-las de acordo 
com a configuração de suas células unitárias. O 
enfoque mais utilizado é fundamentado somen-
te na geometria da célula unitária, sem levar em 
consideração as posições dos átomos nela.
Além disso, para que seja possível a aplicação 
desse enfoque, definimos um sistema de coorde-
nadas cartesianas xyz, com a origem posicionada 
em um dos vértices da célula unitária, e com cada 
um dos eixos, x, y e z, coincidindo com uma das 
arestas do paralelepípedo e estendendo-se a partir 
do vértice de origem.
A Figura 7 representa uma célula unitária ge-
nérica de um material qualquer; nela, os parâme-
tros a, b, c, α, β e γ apresentados são denominados 
parâmetros de rede cristalina ou simplesmente 
parâmetros de rede, onde a, b e c são os compri-
mentos das arestas que compõem a célula unitá-
ria e α, β e γ são os ângulos formados entre essas 
arestas. Por convenção, o eixo x está relacionado 
com a aresta de comprimento a, o eixo γ está rela-
cionado com a aresta de comprimento b, e o eixo 
z está relacionado com a aresta de comprimento 
c, como mostrado na Figura 7.
bx
y
z
a
c
β α
γ
Existem sete combinações possíveis para os parâmetros a, b, c, α, β e γ, cada combinação dá origem a 
uma geometria diferente para a célula unitária. Essas geometrias são denominadas sistemas cristalinos. 
Os sete sistemas cristalinos são os sistemas cúbico, tetragonal, hexagonal, ortorrômbico, romboédrico, 
monoclínico e triclínico.
Na Figura 8, podemos verificar as relações para os parâmetros de rede, assim como as representações 
para as células unitárias de cada um dos sete sistemas cristalinos.
Figura 7 - Esquematização de uma célula unitária genérica 
e seus parâmetros de rede
Fonte: adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2013).
28 Introdução a Ciências dos Materiais
a a
a
a a a
c
c a
a
c a
b
a a
a
b
β
a
c
b
β
a
c α
γ
Cúbico a = b = c
a = b ≠ c
a = b ≠ c
a = b = c
a ≠ b ≠ c
a ≠ b ≠ c
a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90°
α = β = 90°, γ = 120° 
α = β = γ = 90°
α = β = γ ≠ 90°
α = β = γ = 90°
α = γ = 90° ≠ β°
α ≠ β ≠ γ ≠ 90°
Hexagonal
Tetragonal
Ortorrômbico
Romboédrico
(Trigonal)
Monoclínico
Triclínico
b
β
a
c α
γγγ
a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90°Triclínico
c a
b
a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90°Ortorrômbico
c a
a
a = b ≠ c α = β = γ = 90°Tetragonal
a a
a
Cúbico a = b = c α = β = γ = 90°
Sistema
Cristalino
Relações
Axiais
Ângulos entre
os Eixos
Geometria da
Célula Unitária
Figura 8 - Representação e caracterização dos parâmetros da célula unitária para os sete sistemas cristalinos
Fonte: adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2013).
29UNIDADE 1
Dentro dos sete sistemas cristalinos, as estruturas cristalinas podem 
se organizar em 14 formas únicas de arranjo dos pontos em sua rede 
cristalina. Esses arranjos tridimensionais únicos dos pontos da rede 
cristalina são denominados redes de Bravais – nome concedido em 
homenagem ao cristalógrafo francês Auguste Bravais (1811-1863). 
A seguir, podemos visualizar as 14 redes de Bravais na Figura 9 
(CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).
a
a
a de face centrada
de face centrada
de corpo centrado
Cúbico
Tetragonal Hexagonal
Ortorrômbico
Monoclínico Triclínico
Romboédrico
a
a
a
c
c
a
b
� �
�
α
b
βc α
γ
de corpo centrado
a
a
a
b
β
a
c β
a
Figura 9 - Representação das 14 redes de Bravais
Fonte: adaptada de Centro de Informação Metal Mecânica ([2019], on-line)3.
Redes de Bravais
30 Introdução a Ciências dos Materiais
Polimorfismo e alotropia
Quando estudamos os materiais, não podemos deixar de mencionar um fenômeno conhecido como 
polimorfismo; esse fenômeno ocorre, principalmente, em metais e alguns ametais. O polimorfismo 
acontece quando um material possui mais do que uma estrutura cristalina, e esta que prevalece é depen-
dente da temperatura e pressão às quais o material é submetido. Em sólidos elementares, ou seja, em um 
material formado apenas por um elemento químico, o mesmo fenômeno recebe o nome de alotropia.
Na Figura 10, a seguir, vemos quatro formas alotrópicas do carbono, ou seja, quatro arranjos cris-
talinos diferentes dos átomos de carbono e, por consequência, quatro compostos com propriedades 
distintas, formados somente por carbono.
Geralmente, as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças nas propriedades 
físicas do material, por exemplo, na massa específica. Um outro exemplo de alotropia acontece com 
o estanho branco, que possui uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado nas condições 
ambiente; porém, quando submetido à temperatura de 13,2 °C, transforma-se em estanho cinza, que 
possui uma estrutura cristalina cúbica (semelhante à do diamante). A velocidade com que a transfor-
Gra�te Diamante
Fulereno Grafeno
Gra�te Diamante
Fulereno Grafeno
Figura 10 - Exemplos de compostos alotrópicos do carbono
31UNIDADE 1
mação ocorre é extremamente lenta, contudo, e conforme a temperatura diminui abaixo de 13,2 °C, 
mais rapidamente a transformação acontecerá (Callister JR.; RETHWISCH, 2013).
Nesta primeira unidade do nosso livro da disciplina de Ciências dos Materiais, apresentamos a você, 
caro(a) aluno(a), uma breve perspectiva histórica sobre as ciências dos materiais para que pudéssemos 
entender qual a importância desta disciplina no desenvolvimento da humanidade, desde os tempos 
antigos até a atualidade.
Além disso, foram abordados conceitos importantes sobre o que são as ciências dos materiais e, em 
seguida, foi introduzida a classificação dos materiais em metais, cerâmicas, polímeros e compósitos, 
além de uma abordagem dos materiais avançados, semicondutores, nanomateriais, magnéticos e bio-
materiais, apontando suas características principais e exemplos mais comuns de cada classe.
Encerramos a Unidade 1 com uma introdução à estrutura cristalina dos materiais, onde vimos 
que os átomos, molécula ou íons que formam os materiais podem se arranjar de várias formas, dando 
origem aos sistemas cristalinos.
Gra�te Diamante
Fulereno Grafeno
Gra�te Diamante
Fulereno Grafeno
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Você pode utilizar seu diário de bordo para a resolução.
1. A rede cristalina é o arranjo cristalino in-
finito, tridimensional de pontos, no qual 
cada ponto possui vizinhanças idênti-
cas. Também sabe-se que essa rede 
cristalina possui os pontos chamados 
de nós, que podem estar arranjados de 
14 diferentes formas, conhecidas como 
redes de Bravais. A seguir, é apresen-
tada a célula unitária do enxofre; com 
base nos conhecimentos sobre siste-
mas cristalinos e redes de Bravais, jul-
gue as afirmativas apresentadas sobre o 
sistema cristalino e o nome da estrutura 
para a célula unitária apresentada.
Sabendo que os parâmetros de rede são: a = 1 nm; b = 1,3 nm; c = 2,4 nm; 
α = β = γ = 90°, analise as afirmativas a seguir:
I) Sistema ortorrômbico.
II) Estrutura tetraédrica de corpo centrado.
III) A célula unitária possui todas as arestas iguais.
IV) Sistema hexagonal.
É correto apenas o que se afirma em:
a) I e II.
b) III e IV.
c) I e III.
d) Apenas I.
e) Apenas III.
bx
y
z
a
c
β α
γ
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2. Os materiais sólidos podem ser classificados em quatro grandes grupos, são 
eles: metais, cerâmicas, polímeros e compósitos. A classificação destes mate-
riais é, principalmente, baseada na estrutura atômica e em suas composições 
químicas; sendo assim, os materiais pertencentes a um grupo possuem cons-
tituintes e propriedades diferentes em relação aos materiais pertencentes aos 
demais grupos.
Com base nas características estruturais e nas propriedades dos materiais, 
analise as afirmações a seguir.
I) As propriedades dos materiais sólidos dependem da sua estrutura cristali-
na, ou seja, da maneira pela qual os átomos, moléculas ou íons se arranjam 
espacialmente. 
II) Os materiais metálicos e alguns materiaiscerâmicos formam cristais quando 
se solidificam, ou seja, seus átomos se arranjam em um modelo ordenado e 
repetitivo chamado estrutura cristalina.
III) Os metais e suas ligas são substâncias inorgânicas constituídas apenas por 
elementos químicos metálicos. Dentre os materiais metálicos mais usuais, 
estão o magnésio, o cobre, o alumínio, a prata, o bronze, o titânio, o ouro, o 
aço, o ferro, entre outros.
IV) Os metais e suas ligas (como, por exemplo, o aço e o latão) são bons condu-
tores de eletricidade e de calor, resistentes e, em determinadas condições, 
deformáveis, enquanto os materiais cerâmicos (porcelana, cimento) são duros 
e quebradiços. 
É correto apenas o que se afirma em: 
a) I e II. 
b) I e IV. 
c) II e III. 
d) I, II e IV. 
e) II, III e IV.
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3. Os materiais avançados são materiais de alto desempenho, sintetizados ou cujas 
características foram aprimoradas por alguma técnica de processamento. São 
materiais que podem pertencer à classe dos metais, cerâmica, polímeros ou 
compósitos e são utilizados em aplicações de alta tecnologia.
Tomando como base os materiais avançados, avalie as afirmativas a seguir.
I) Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes 
em seres humanos, por essa razão, esses materiais não devem produzir 
substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano.
II) Os semicondutores são, geralmente, feitos de silício, germânio e arsenato 
de gálio, são materiais com propriedades elétricas intermediárias entre os 
condutores e os isolantes; além disso, as propriedades elétricas desses ma-
teriais são extremamente sensíveis a pequenas concentrações de átomos de 
impurezas presentes em sua composição.
III) Nenhum material possui comportamento magnético naturalmente, esse 
comportamento magnético envolve a capacidade de exercer uma força de 
atração ou repulsão sobre outros materiais.
IV) A nanotecnologia aplicada as ciências dos materiais possibilita modificar as 
propriedades de um determinado material por meio do controle do tamanho 
e da forma de suas partículas constituintes, contudo, isso não possibilita novas 
aplicações para o mesmo material.
Estão corretas as alternativas:
a) Apenas I e II.
b) Apenas II e III.
c) Apenas III e IV.
d) Apenas II e IV.
e) Apenas I e IV.
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O material complementar apresenta uma breve discussão a respeito do grafeno, 
alótropo de carbono. Neste material, são apontadas algumas das características 
promissoras desse material, os desafios envolvidos no processo e os centros 
de pesquisas que trabalham no seu desenvolvimento.
Para acessar, use seu leitor de QR Code.
WEB
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ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos Materiais. 3. ed. São Paulo: Editora Cengage 
Learning, 2015. 
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. 8. ed. Rio 
de Janeiro: Editora LTC, 2013. 
PIRES, A. L. R.; BIERHALZ, A. C. K.; MORAES, Â. M. Biomateriais: tipos, aplicações e mercado. Química nova, 
On-line, v. 38, n. 7, p. 957-971, 2015. Disponível em: http://quimicanova.sbq.org.br/detalhe_artigo.asp?id=6262. 
Acesso em: 1 abr. 2019.
RODRIGUEZ, G. J. B. O porque de estudarmos os materiais magnéticos. Revista Brasileira de Ensino de Fısi-
ca, On-line, v. 20, n. 4, p. 315, 1998. Disponível em: http://www.ifba.edu.br/PROFESSORES/lissandro/arquivos/
importancia_magnetismo.pdf. Acesso em: 1 abr. 2019.
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6. ed. São Paulo: Editora Pearson, 2013.
SMITH, W. F.; ROSA, M. Princípios de ciência e engenharia de materiais. 3. ed. Portugal: Editora McGra-
w-Hill, 1998.
ZARBIN, A. J. G. Química de (nano) materiais. Química Nova, On-line, v. 30, n. 6, p. 1469, 2007. Disponível 
em: http://www.scielo.br/pdf/qn/v30n6/a16v30n6.pdf. Acesso em: 1 abr. 2019.
ZARBIN, A. J. G.; OLIVEIRA, M. M. Nanoestruturas de carbono (nanotubos, grafeno): Quo Vadis. Química 
Nova, São Paulo, v. 36, n. 10, p. 1533-1539, 2013.
REFERÊNCIAS ON-LINE
1Em: http://www.durocontrol.com.br/blog/dureza/. Acesso em: 28 maio 2019.
2Em: http://biofabris.com.br/pt/biomateriais/. Acesso em: 28 maio 2019.
3Em: https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6414-empacotamen-to-atomico-dos-cristais-intro-
ducao#.W43_pM4zqpp. Acesso em: 28 maio 2019.
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1. D.
A partir dos parâmetros da célula unitária, temos: 
a ≠ b ≠ c ; γ = β = α = 90°
Na Figura 8, esses parâmetros representam um Sistema Ortorrômbico.
A afirmativa II está incorreta porque a estrutura é ortorrômbica, contudo, não há como determinar a 
estrutura ortorrômbica dentre as quatro possibilidades, pois nessa representação não temos os átomos 
apresentados.
A afirmativa III está incorreta porque a célula unitária não possui nenhuma aresta igual. E a afirmativa IV 
está incorreta porque o sistema é ortorrômbico.
2. D.
A afirmativa III está incorreta, pois os metais e suas ligas são substâncias inorgânicas constituídas por 
elementos químicos metálicos e podendo conter elementos não metálicos como o carbono, por exemplo. 
Dentre os materiais metálicos mais usuais estão o magnésio, o cobre, o alumínio, a prata, o bronze, o 
titânio, o ouro, o aço, o ferro entre outros.
3. A.
A afirmativa III está incorreta, pois alguns materiais possuem comportamento magnético naturalmente; 
esse comportamento magnético envolve a capacidade de exercer uma força de atração ou repulsão sobre 
outros materiais
A alternativa IV também está incorreta, pois a nanotecnologia aplicada as ciências dos materiais possibilita 
modificar as propriedades de um determinado material por meio do controle do tamanho e da forma de 
suas partículas constituintes e com isso obter novas possibilidades de aplicação para o mesmo material.
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