Prévia do material em texto
1 FACULDADE ÚNICA DE IPATINGA 2 Herica Freitas Silva Especialista em Engenharia de Materiais (2020) e Bacharela em Engenharia Mecânica (2018) pela Faculdade Pitágoras de Ipatinga. Especialista em Engenharia de Materiais pela mesma instituição (2020). Atualmente presta serviços de programação com foco em controle e monitoramento dos consumos, gastos e projetos de eficiência energética da planta da Aperam South America, única usina siderúrgica totalmente integrada que produz aços inoxidáveis planos e aços elétricos de grão não-orientado e super-orientado totalmente processados da América Latina, localizada em Timóteo – MG. Possui experiência com docência ministrando cursos validados pela Faculdade Pitágoras e reconhecidos como material válido para horas extracurriculares para as disciplinas básicas dos primeiros anos dos cursos de engenharia. CIÊNCIA DOS MATERIAIS 1ª edição Ipatinga – MG 2021 3 FACULDADE ÚNICA EDITORIAL Diretor Geral: Valdir Henrique Valério Diretor Executivo: William José Ferreira Ger. do Núcleo de Educação a Distância: Cristiane Lelis dos Santos Coord. Pedag. da Equipe Multidisciplinar: Gilvânia Barcelos Dias Teixeira Revisão Gramatical e Ortográfica: Izabel Cristina da Costa Revisão/Diagramação/Estruturação: Bárbara Carla Amorim O. Silva Carla Jordânia G. de Souza Rubens Henrique L. de Oliveira Design: Brayan Lazarino Santos Élen Cristina Teixeira Oliveira Maria Luiza Filgueiras © 2021, Faculdade Única. Este livro ou parte dele não podem ser reproduzidos por qualquer meio sem Autorização escrita do Editor. T314i Teodoro, Jorge Benedito de Freitas, 1986 - . Introdução à filosofia / Jorge Benedito de Freitas Teodoro. – 1. ed. Ipatinga, MG: Editora Única, 2020. 113 p. il. Inclui referências. ISBN: 978-65-990786-0-6 1. Filosofia. 2. Racionalidade. I. Teodoro, Jorge Benedito de Freitas. II. Título. CDD: 100 CDU: 101 Ficha catalográfica elaborada pela bibliotecária Melina Lacerda Vaz CRB – 6/2920. NEaD – Núcleo de Educação a Distância FACULDADE ÚNICA Rua Salermo, 299 Anexo 03 – Bairro Bethânia – CEP: 35164-779 – Ipatinga/MG Tel (31) 2109 -2300 – 0800 724 2300 www.faculdadeunica.com.br 4 Menu de Ícones Com o intuito de facilitar o seu estudo e uma melhor compreensão do conteúdo aplicado ao longo do livro didático, você irá encontrar ícones ao lado dos textos. Eles são para chamar a sua atenção para determinado trecho do conteúdo, cada um com uma função específica, mostradas a seguir: São sugestões de links para vídeos, documentos científico (artigos, monografias, dissertações e teses), sites ou links das Bibliotecas Virtuais (Minha Biblioteca e Biblioteca Pearson) relacionados com o conteúdo abordado. Trata-se dos conceitos, definições ou afirmações importantes nas quais você deve ter um maior grau de atenção! São exercícios de fixação do conteúdo abordado em cada unidade do livro. São para o esclarecimento do significado de determinados termos/palavras mostradas ao longo do livro. Este espaço é destinado para a reflexão sobre questões citadas em cada unidade, associando-o a suas ações, seja no ambiente profissional ou em seu cotidiano. 5 SUMÁRIO INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS .................... 8 1.1 CONCEITO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS .............................................................. 8 1.2 TETRAEDRO DA CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS ................................... 9 1.3 PROCESSO DE EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS ........................................................ 12 1.3.1 A Idade da Pedra .......................................................................................... 13 1.3.2 A Idade dos Metais ........................................................................................ 14 1.3.3 A Idade do Cobre .......................................................................................... 15 1.3.4 A Idade do Bronze ......................................................................................... 16 1.3.5 A Idade do Ferro ............................................................................................ 16 FIXANDO CONTEÚDO ........................................................................................... 18 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS .......................................................... 22 2.1 METAIS ................................................................................................................... 22 2.2 POLÍMEROS ............................................................................................................ 24 2.3 CERÂMICOS .......................................................................................................... 27 2.4 COMPÓSITOS ........................................................................................................ 30 2.5 SEMICONDUTORES E BIOMATERIAIS .................................................................... 31 FIXANDO CONTEÚDO ........................................................................................... 34 ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA ............................... 39 3.1 ESTRUTURA ATÔMICA DOS MATERIAIS ................................................................ 39 3.1.1 Os Modelos Atômicos da Química ............................................................. 42 3.1.2 Caracterização de Elétrons – Números Quânticos .................................. 43 3.1.3 Configuração Eletrônica .............................................................................. 44 3.2 LIGAÇÕES INTERATÔMICA DOS MATERIAIS ........................................................ 47 3.2.1 Ligação iônica ................................................................................................ 47 3.2.2 Ligação Covalente ........................................................................................ 48 3.2.3 Ligação metálica ........................................................................................... 50 3.2.4 Ligação Van Der Waals ................................................................................ 50 FIXANDO CONTEÚDO ........................................................................................... 52 ESTRUTURA CRISTALINA E NÃO-CRISTALINA .......................................... 56 4.1 CÉLULAS UNITÁRIAS E REDES DE BRAVAIS ........................................................... 56 4.2 ESTRUTURAS CRISTALINAS DOS METAIS ................................................................ 60 4.2.1 Estruturas Cúbicas Simples (CS) ................................................................... 60 4.2.2 Estruturas Cúbicas de Face Centrada (CFC) e Corpo Centrado (CCC) ........................................................................................................................... 61 4.2.3 Estruturas Hexagonais .................................................................................... 63 4.3 DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS.......................................................... 64 4.4 iMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS ............................................................................... 67 FIXANDO CONTEÚDO ........................................................................................... 73 CARACTERÍSTICAS DOS FÍSICA E QUÍMICAS SÓLIDOS ......................... 77 5.1 DIFUSÃO ................................................................................................................ 77 5.2 DIAGRAMA DE FASES ...........................................................................................82 5.2.1 A regra da Alavanca .................................................................................... 83 5.2.2 Diagrama Isomorfo ........................................................................................ 84 5.2.3 Diagrama Binário sem Solução Sólida ....................................................... 85 5.2.4 Diagrama Tenário ........................................................................................... 88 5.2.5 Diagrama de Materiais Cerâmicos ............................................................. 89 FIXANDO CONTEÚDO ........................................................................................... 90 UNIDADE 02 UNIDADE 03 UNIDADE 01 UNIDADE 04 UNIDADE 05 6 COMPORTAMENTO MECÂNICO E APLICABILIDADE DOS MATERIAIS .. 94 6.1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS ............................................... 94 6.1.1 Curva de Tensão Deformação .................................................................... 94 6.1.2 Testes de Dureza ............................................................................................. 97 6.1.3 Falhas Ou Fraturas ....................................................................................... 100 6.1.4 Fadiga ........................................................................................................... 102 6.1.5 Fluência ......................................................................................................... 102 6.2 PROPRIEDADES TÉRMICAS, MAGNÉTICAS E ÓPTICAS DOS MATERIAIS ........... 103 6.2.1 Propriedades dos Metais ........................................................................... 103 6.2.2 Propriedades dos Polímeros ...................................................................... 104 6.2.3 Propriedades dos Cerâmicos .................................................................... 105 6.2.4 Propriedades dos Compósitos .................................................................. 105 6.3 APLICABILIDADE DOS MATERIAIS ....................................................................... 106 6.4 RECICLABILIDADE DOS RESÍDUOS GERADOS PELOS MATERIAIS ...................... 107 6.4.1 Reciclabilidade dos Materiais Metálicos ................................................ 108 6.4.2 Reciclabilidade dos Materiais Cerâmicos .............................................. 109 6.4.3 Reciclabilidade dos Materiais Poliméricos ............................................. 110 FIXANDO CONTEÚDO ......................................................................................... 113 RESPOSTAS DO FIXANDO O CONTEÚDO ............................................. 118 REFERÊNCIAS ......................................................................................... 119 UNIDADE 06 7 CONFIRA NO LIVRO A Unidade I apresenta o conceito inicial da Ciência e Engenharia de materiais, assim como a evolução história dos materiais pelo homem ao longo da passagem das eras pré-históricas até a era moderna. A Unidade II classifica os materiais com base na sua composição e aplicabilidade. Apresenta os principais grupos já estudados e ca- racterizados pela Ciências dos Materiais assim como novos conceitos de materiais modernos. A Unidade III apresenta o conceito de construção dos átomos, também conhecida como estrutura atômica. Nesta unidade serão estudadas também as ligações interatômicas existentes. A Unidade IV demonstra o conceito de estruturas cristalinas apresentando as 14 redes de Bravais e configuração de cada uma. Assim como características das estruturas como direções e planos cristalográficos e as imperfeições apresentadas pelos sólidos. A Unidade V apresenta as principais características físicas dos materiais com base na sua classificação. Conceitos como difusão nos sólidos e também apresenta o diagrama de fases que é muito utilizado no estudo da ciência dos materiais. A Unidade VI apresenta o comportamento mecânico dos materiais com base na aplicação de testes físicos. Além disso explicita a aplicação geral, assim como o tipo de resíduo que é gerado dado cada material. Além disso nesta unidade o conceito de reciclabilidade dos materiais também será abordado. 8 INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 1.1 CONCEITO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS A ciência dos materiais é a área da engenharia responsável por estudar as interações entre os materiais, como ligações químicas, arranjos moleculares, propri- edades física presentes na natureza (ASHBY, 1999). Através do estudo desta ciência é possível obter os conhecimentos científicos dos materiais existentes, aplica-los em diversas solicitações do cotidiano, da engenharia e também estudar para melhoria e complementação de suas propriedades assim como a descoberta de novos materiais. Esta ciência objetiva-se em caracterizar as propriedades dos materiais com base em sua composição química, arranjo estrutural e tipos de esforços que são atribuídos a eles. Segundo Callister Jr. e Rethwisch (2021) se pode caracterizar as propriedades dos materiais com base em seis classes, são elas: mecânica, elétrica, térmica, magnética, ótica e deteriorativa. De fato, esta área de estudo acompanhou a evolução da humanidade desde os seus primórdios, quando o homem utilizava a pedra como principal insumo em suas manufaturas para caça e sobrevivência. Ao longo das eras a ciência dos materiais se aperfeiçoou, assim como o homem, e se tornou a ciência que a engenharia conhece na era moderna. Dentro deste conceito nota-se que está ciência é de suma importância para todas as áreas da engenharia, pois através dela é possível seguir evoluindo nas pesquisas relacionadas aos insumos de produção no mundo. A globalização depende muito da evolução dos insumos, porque a cada dia a engenharia estuda novos meios que satisfaçam as solicitações da industrialização. Para o profissional de engenharia, essa ciência torna-se aliada, pois independente da área de atuação do profissional, ele deve estar capacitado para reconhecer e aplicar seus conhecimentos sobre a importância dos materiais e seus diferentes tipos de aplicação na engenharia. Como um exemplo clássico da aplicação dessa ciência, pode-se citar a visão crítica de um engenheiro mecânico ao determinar um material em sua rotina UNIDADE 9 de trabalho, a fim de aplicar melhores métodos de manufatura ou manutenção. Ou um engenheiro químico que deve conhecer todas as interações físicas e químicas dos materiais em sua rotina de trabalho em laboratório de testes. Assim como diver- sas outras áreas da engenharia possuem sua aplicabilidade dentro da ciência dos materiais. Existe, contudo, uma classificação dos materiais com base nos estudos realizados por esta ciência, esta classificação foi construída através dos milênios passados com a evolução humana. Os materiais subdividem-se em: metais, polímeros, cerâmicos e compósitos. Esta classificação é realizada de acordo com a similaridade das propriedades destes materiais, assim como processamento e estruturas. Através da ciência dos materiais, profissionais da engenharia podem desenvolver estudos que acompanham as descobertas e evoluções da tecnologia, correlacionando à aplicação de materiais já existentes otimizando sua capacidade. Assim como quantificar a aplicabilidade de novas descobertas que a era moderna possui como consequência. Ademais para que se possa estudar esta ciência é preciso conhecer os conceitos obtidos através da evolução do homem, desde os processos primitivos até os tempos modernos. Assim como diversas metodologias aplicadas, como a química a física e outros conceitos. Um ponto muito importante para este estudo é o conhecimento do tetraedro da ciência dos materiais,sua importância e aplicação no meio de todo este vasto conceito. 1.2 TETRAEDRO DA CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS Por se tratarem de conceitos tão parecidos, a ciência e engenharia de materiais caminham juntas no meio científico. Todavia seus conceitos não devem ser confundidos. A ciências dos materiais é o campo de estudo direcionado para Para complementação da introdução a ciências dos materiais recomenda-se a leitura da Unidades 1 do livro “Ciência e Tecnologia dos Materiais” (2015)de autoria de Henrique Cezar Pavanati. Disponível em: https://bit.ly/3loT92x. Acesso em: 28 jan. 2021. 10 estudo de comportamento, aplicação, melhoria e descobrimento de novos materi- ais. Enquanto a engenharia de materiais é o campo responsável por utilizar tais estudos nas aplicações de práticas da engenharia. Indiferente do campo de estudo, existe um conceito muito importante que chamamos de tetraedro da ciência e engenharia dos materiais (Figura 1). Este conceito permite auxiliar o profissional a desenvolver o pensamento crítico através de quatro principais pilares sobre o material estudado, são eles: Síntese ou processamento, propriedade e performance estrutura e composição química. Figura 1: Tetraedro da Ciência e Engenharia de Materiais Fonte: Elaborado pela Autora (2021) Este recurso permite que os campos de estudo desta ciência sejam bem definidos, divididos e compreendidos. Além disso, a ordenação destes quatro fatores permite que o aluno possa enxergar a interdependência de todos os elementos componentes do tetraedro. Na ciência dos materiais se estuda principalmente as propriedades de cada material para aplicações diversas ao longo das atividades do ser humano, nota-se então a importância de saber o que configura tais propriedades. Mesmo a ciência dos materiais e a engenharia dos materiais possuírem conceitos distintos, elas ainda formam uma dupla dentro do estudo dos materiais que dedica os esforços para a evolução destes insumos na engenharia (ASKELAND; WRIGHT, 2015). 11 A estrutura de um material é a organização de todos os elementos que fa- zem parte de sua composição. A forma e configuração dessa estrutura é baseada na rota de processamento (fabricação) do material analisado, com isso, fica fácil assimilar que todos os materiais com rotas distintas terão estruturas (configurações) diferentes se comparados. Além da estrutura é necessário o conhecimento intrínseco da composição química, pois através dela se pode determinar algumas propriedades físicas e químicas, também quais rotas de processamento poderão ser utilizadas sem que suas propriedades sejam afetadas ao final do processo. Quando um material é selecionado para certo trabalho na engenharia, a análise crítica deve ser realizada levando em consideração todas as quatro propriedades citadas no tetraedro. Estas propriedades sempre estarão interligadas de forma que qualquer alteração mínima em uma, pode afetar consideravelmente outra propriedade importante para a aplicação desejada (ASKELAND; WRIGHT, 2015). Quando se estuda a ciências dos materiais é importante que o conhecimento didático seja combinado com o pensamento crítico para avaliar situações com coerência, levando em consideração funcionalidade, meio ambiente e custo. Você foi escolhido para trabalhar em uma empresa com seleção de materiais para fabricação de tubos para saneamento básico. O seu supervisor pede um material com a composição “X”, mas precisa da rota de processamento “Y”. Com suas pesquisas chegou aos materiais A, B e C, sendo que todos atenderiam perfeitamente segundo sua análise crítica. O custo de C > A > B. O material B atenderia bem, mas em sua composição química existe um elemento que contaminaria o solo. Já o material A é mais frágil fisicamente, contudo, existe a possibilidade de um tratamento que o tornaria mais resistente. Por fim, o material C não precisaria de nenhum tratamento, atendendo bem as expectativas, contudo, este é o material mais custoso. Com base nas propriedades requeridas e estudando o tetraedro, qual material você utilizaria? Discuta com seu tutor. 12 1.3 PROCESSO DE EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS Desde os primórdios da sociedade o homem busca por evolução, construin- do ao longo do tempo uma continuidade para diversas áreas de estudo. Com a ciências dos materiais esta situação não é diferente, a evolução do homem no contexto histórico é tão importante para esta ciência como para a história. Antes de desenvolver um pensamento sobre a importância da evolução humana para o mundo, reflita: O que seria da humanidade se ela ainda estivesse fazendo utensílios de pedra para caçar? Não é muito difícil imaginar o impacto que a evolução possui sobre a vida das pessoas. A engenharia, ciência, tecnologia e todo conforto que a humanidade desenvolveu ao longo das eras só se tornou possível com a evolução do homem. Através da inteligência humana que se desenvolveu ao longo dos anos foi possível a industrialização do mundo chegando ao nível da quarta revolução industrial do século XXI. A evolução histórica dos materiais pode ser dividida em três principais períodos: idade da pedra vista nos primórdios da sociedade, idade dos metais destacando principalmente a idade do bronze e depois a idade dos metais para as outras ligas, esse período da idade dos metais se subdivide pela importância distinta das ligas descobertas e sua funcionalidade. Todavia entre estes acontecimentos pode-se subdividir a idade dos metais, fazendo com que a linha da evolução dos materiais fique mais completa, assim temos: idade da pedra, idade dos metais, idade do cobre, idade do bronze, idade do ferro. É importante sempre estudar e aprofundar os conceitos de evolução humana e também da continuidade das ciências importantes para a modernização de novos métodos e técnicas da engenharia. Recomendamos a leitura da Unidade 1 do Livro “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução” de Callister Jr. e Rethwisch (2021). Disponível em: https://bit.ly/3tv9Bkr. Acesso em: 28 jan. 2021. 13 1.3.1 A Idade da Pedra A idade da pedra é conhecida como o marco inicial da evolução do homem, neste período a espécie homo sapiens começou a produção e utilização de utensílios confeccionados utilizando a pedra como principal insumo. Todavia, esta era não se tratou somente da utilização deste insumo, ela comportou também alguns eventos que se tornaram marcos importantes na história, como a formação da sociedade, a atividade agropecuária e a descoberta do fogo. Este período é segmentado em três períodos distintos: Período Paleolítico, Pe- ríodo Mesolítico e Período Neolítico (NAVARRO, 2006). Cada um destes, representa uma parte importante da história da evolução do homem, consequentemente a evolução da utilização dos mais diversos materiais. Na idade da Pedra Antiga ou Pedra Lascada, também conhecida como Período Paleolítico, que ocorreu a aproximadamente 2 milhões de anos antes do século XXI, quando o homem era selvagem, e utilizava utensílios confeccionados principalmente para se alimentar (através da caça) e se defender de outros homens/animais. A característica de confecção deste período é a principal responsável por nomear esta era como a “Era da Pedra Lascada”, pois o homem utilizava lascas brutas, obtidas da colisão entre pedras, para confeccionar utensílios simples como lâminas quebradas, pequenas facas e lanças brutas confeccionadas de madeira e pedra. Esta produção era feita basicamente batendo pedras umas sobre as outras na tentativa de conseguir o formato desejado, não existia forma melhor para a obtenção desses insumos e por isso a manufatura era limitada a simplicidade (NAVARRO, 2006). Na Pré-história, ou PeríodoMesolítico ocorre um dos primeiros marcos na evolução do homem, a agricultura. Este período pode ser visto entre a era Paleolítica e Neolítica somente em alguns pontos mais frios, onde o homem passou a cultivar alguns alimentos para garantir sua sobrevivência em meio à escassez de recursos. Neste período as ferramentas não se limitava apenas a armas para caça e guerra, mas o homem passou a confeccionar utensílios que o ajudasse a cultivar o alimento. Pás primitivas de pedra eram utilizadas para cavar e plantar, o homem viu-se evoluindo na manufatura por necessidade de sobrevivência. 14 Já o período Neolítico, também chamado de Período da Pedra Polida, marca a última fase da Idade da Pedra. Através da agricultura desenvolvida na era Mesolítica o homem pode reproduzir, criando pequenas tribos e aglomerações através da terra. Além desse marco na história, o Período Neolítico é marcado pela descoberta do fogo, o homem faz a descoberta deste elemento proporcionando a utilização de novos insumos. Com essa grande evolução, o homem passou a utilizar além da pedra, outros materiais como ossos, argila e a cerâmica (argila + fogo). O homem e seus iguais deixaram as cavernas, passando a viver em pequenas tribos e ocas construídas de materiais simples como argila, pedra e aglomerados de argila e palha. Além disso, neste período ouve a criação de alguns padrões de vestimentas entre as tribos. O que determinava a qual aglomeração um determinado ser per- tencia, essa ação permitia diferenciar o povo amigo de inimigo, diminuindo as guerras entre aliados. Outro fator bastante importante para a era Neolítica é a utilização do senso de seleção com os animais, o homem começa e entender os conceitos sobre domesticação e passa a consumir os produtos provenientes de alguns animais (pecuária), como: leite, ovos, banha, carnes de engorda, etc. Este consumo só era possível devido a capacidade de cultivar do homem, onde ele podia alimentar os animais domesticados para usufruir de seus produtos. Ao final da Idade da Pedra então o homem possui os recursos de manufatura de ferramentas e utensílios, agricultura, pecuária, presença de tribos mais organizadas, a descoberta do fogo e o início da utilização de outros insumos para a confecção de suas ferramentas. 1.3.2 A Idade dos Metais A Idade dos Metais só foi possível devido a principal descoberta do homem no período Neolítico. O fogo trouxe a possibilidade de trabalhar com diferentes materiais, como cerâmicas e os metais que foram posteriormente incluídos em suas manufaturas. Alguns utensílios antes produzidos em pedra e ossos passavam a ser constituídos de metais como o cobre, ligas do cobre e o ferro. Os insumos para caça, agricultura e pecuária, antes produzidos em materiais que se deterioravam com certa facilidade, foram substituídos pelos confeccionados 15 com metais. Isso proporcionou maior eficiência, estabilidade e durabilidade as ferramentas utilizadas no cotidiano do homem desta era. A utilização dos metais como insumo de produção possibilitou ao homem descobertas básicas relacionadas a ciências dos materiais, como: ponto de fusão, dureza, maleabilidade e outras características físicas dos metais. A partir dessa ida- de o homem começou a diferenciar metais, criando ligas metálicas e aperfeiçoando sua manufatura com este insumo. Durante a manufatura de alguns itens, o homem foi descobrindo novos materiais, novas misturas e como realiza-las com sucesso. A criação destas novas ligas permitiu que os materiais dessem mais um passo em seu processo de evolução, a partir destas misturas o homem chegou ao cobre, bronze e ferro. 1.3.3 A Idade do Cobre Estratificando a Idade dos Metais, pode se citar primeiro a Idade do Cobre. Este foi o primeiro metal utilizado pelo homem para fins de manufatura, sucedeu o período Neolítico. Com o uso do fogo o cobre poderia ser moldado facilmente para diversos formatos, sendo possível confeccionar variadas formas. Este material encontra-se na natureza de duas formas, uma delas é em forma de óxidos. Acredita-se que o primeiro minério utilizado pelo homem tenha sido um carbonato, chamado de malaquita - Cu2(OH)2(CO3). Através de fundição deste minério na confecção de cerâmicas o homem descobriu o cobre. Por se tratar de um material com excelente condutibilidade elétrica e Cu2(OH)2(CO3) 16 térmica o cobre torna-se um material muito fácil de ser trabalhado, essa capacidade na Idade do Cobre fez com que ele fosse cada vez mais empregado, dando a possibilidade da criação e evolução em suas diferentes ligas. 1.3.4 A Idade do Bronze O conceito de liga metálica é simples, utilizam-se dois ou mais materiais para fabricar um novo “material” desde que pelo menos um destes componentes seja um metal. Esta liga possui propriedades de todos os materiais utilizados em sua con- fecção. Normalmente na engenharia utilizam-se mais ligas metálicas do que os próprios metais puros, isso porque as propriedades físicas destes se complementam formando uma liga mais proveitosa. O bronze é uma liga metálica que possui em sua composição cerca de 90% de Cobre (Cu) e 10% de Estanho (Sn). A idade do bronze se caracterizou pela mistura destes materiais gerando a liga metálica chamada bronze. Muitas literaturas abordam a idade do bronze logo depois do período Neolítico, mas outros autores como Navarro (2006) ditam indícios da idade do cobre entre estas duas eras (Pedra-Bronze) justamente pelo período de descobrimento da possibilidade de misturar dois materiais diferentes. Esta era é marcada pelo início da metalurgia de fato, onde o homem começa a misturar materiais diferentes como o bronze (Cu e Sn) para obtenção de ligas para manufatura. Todavia o bronze se tornara um insumo caro, e na sua concepção apenas pessoas com maior poder de compra possuíam acesso à esta liga metálica. Após certo tempo de uso, a prática de misturar ambos metais se tornou mais comum, o que reduziu seu preço de mercado chegando até as mão de classes média-baixas. 1.3.5 A Idade do Ferro Com o avanço dos conhecimentos sobre a mistura de dois ou mais materiais, o homem finalmente chega a idade do ferro, período esse em que a pré-história teria chegado ao seu fim. O ferro passou a substituir o cobre nas manufaturas do homem. Este é o marco histórico que encerra a linha do tempo da evolução básica dos materiais. Esta era foi inicialmente observada no Oriente Médio, onde o homem 17 descobriu a possibilidade de extrair o minério de ferro das rochas e confeccionar seus utensílios. Com o tempo este material foi substituindo o cobre e o bronze, isso porque o homem viu que o elemento ferro (Fe) estava mais presente na natureza, e proporcionava também maior durabilidade e resistência em suas manufaturas. Partindo do Oriente médio, a Idade do Ferro passou pelo Egito, Grécia, Áfri- ca, Europa, Índia e Ásia. A América não havia feito esta descoberta, então algum tempo depois a Europa, através da sua caravana de colonização apresentou artigos de ferro aos nativos desta área. Nesta era o homem descobriu não apenas o ferro, mas pode evoluir em outros segmentos. Um dos principais segmentos que evoluíram com esta descoberta foi a construção, o homem viu-se construindo pontes, fortalezas e moradias com o auxílio deste insumo. Neste período as atividades de tecelagem e cerâmica também evoluíram, o que permitiu que o homem pudesse combinar recursos para crescer como sociedade. Tornou-se comum o ato de misturar o ferro com outros elementos, criando ligas metálicas que conferiam diferentes propriedades aos insumos criados. As ligas de ferro tornaram-se o principal material utilizado na construção, produção, agricultura, etc. Neste período eracomum a presença de muitos ferreiros nas cidades, o que tornou a prática de forja bastante prestigiada. A partir do século XIX o homem desenvolveu novos meios de processamento de materiais, surgiram novas técnicas de fundição e com isso uma liga muito importante para o mundo, o aço. A liga metálica chamada aço é composta principalmente de ferro (Fe) e carbono (C), estas proporções podem chegar em até 97% Fe, 2%C e 1% de outros elementos ou impurezas, variando dependendo dos processos e aplicações. A partir das evoluções do final da Idade do Ferro, o homem saiu do período pré-histórico e começou uma jornada de desenvolvimento sem limites. Com a descoberta do aço o homem pode evoluir não só em construções, manufatura, agricultura, pecuária, mas também em inovações e novas tecnologias para continuar evoluindo na utilização dos materiais. 18 FIXANDO CONTEÚDO 1. Através dos estudos realizados compreende-se que a ciência dos materiais obje- tiva-se em caracterizar as propriedades dos materiais baseando-se em sua composição química, arranjo estrutural e submissão de esforços ao longo do trabalho. Existem no entanto seis principais classificações para as propriedades dos materiais dentro da concepção dos estudiosos, são elas: a) Mecânica, elétrica, calorífica, magnetismo, visual e construtiva. b) Mecânica, física, química, magnética, ótica e deteriorativa. c) Mecânica, química, física, ótica, deteriorativa e construtiva. d) Mecânica, elétrica, térmica, magnética, ótica e deteriorativa. e) Mecânica, elétrica, térmica, magnetismo, visual e construtiva. 2. Analise as sentenças e marque a alternativa correta: I. A ciências dos materiais é o campo de estudo direcionado para a observação do comportamento, aplicação, melhoria e descobrimento de novos materiais; II. Dentro dos conceitos de ciências dos materiais estuda-se interações entre os materiais, ligações químicas, arranjos moleculares, propriedades físicas e químicas; III. A engenharia de materiais é o campo responsável por utilizar tais estudos na seleção e aplicação dos materiais em diversas funções. a) Estão corretas I e III. b) Estão corretas II e III. c) Todas as afirmativas estão corretas. d) Somente a III está correta. e) III está incorreta. 3. Um conceito muito importante para a ciência dos materiais já criado é o tetraedro da ciência e engenharia de materiais, o qual possui quatro principais pilares que determinam a condição e propriedades de um dado material. Sabe- 19 se que a alteração de um destes quatro pilares reflete sobre os três, independen- te de qual seja. Dentro deste conceito os quatro pilares do tetraedro da ciência e engenharia de materiais são: a) Fabricação, propriedade física, estrutura e composição química. b) Síntese ou processamento, propriedade e performance, estrutura e composição química. c) Síntese ou processamento, ductilidade, estrutura de átomos e composição química. d) Síntese ou processamento, propriedade e performance, estrutura e composição física. e) Síntese ou processamento, redes de bravais, estrutura e composição química. 4. Leia o trecho abaixo e assinale a assinale com V (verdadeiro) ou F (falso): “Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um número muito limitado de materiais, aqueles que ocorrem naturalmente: pedra, madeira, argila, peles, e assim por diante. Com o tempo, eles descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores àquelas dos materiais naturais; esses novos materiais incluíam as cerâmicas e vários metais. Além disso, foi descoberto que as propriedades de um material podiam ser alteradas por meio de tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias. Naquela época, a utilização dos materiais era um processo totalmente seletivo que envolvia decidir, entre um conjunto específico e relativamente limitado de materiais, o que mais se adequava a uma dada aplicação em virtude das suas características.” (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2021, p. 02). (X) O trecho cita a evolução da idade da pedra para a idade do ferro. (X) A descoberta do fogo foi um grande diferencial para evolução do homem. (X) O homem já havia definido um conceito concreto sobre a ciências dos materiais nesse período. (X) O que era limitado não era a quantidade de materiais disponível, mas sim o conhecimento do homem sobre suas disponibilidade na natureza. a) V – F – F - F 20 b) V – V – F - V c) F – V – F - F d) V – F – F – V e) V – V – F – V 5. Sabe-se que a idade da pedra foi um período que marcou o início da evolução do homem, além da utilização da pedra como principal fonte de manufatura houveram também descobertas e evoluções em outros segmentos importantes para a história. A idade da pedra se divide em três principais períodos, são eles: a) Período da Pedra, Período do Fogo e Período da Caça. b) Período Paleolítico, Período do Fogo e Período da Pesca. c) Período Paleolítico, Período Mesolítico e Período Neolítico. d) Período Paleolítico, Período Mesolítico e Período da Agricultura. e) Período da Agricultura, Período da Caça e Período da Pesca. 6. O Período Neolítico foi um grande marco na Idade da Pedra, pois através dos marcos nele ocorridos o homem pode evoluir como criatura, realizando novar atividades e estudando novos métodos de produção e de vida. Com base na afirmação, assinale a alternativa que contenha os principais marcos da era Neolí- tica: a) Agricultura, Pecuária, Descobrimento do Fogo e Crescimento dos Povos. b) Agricultura, Pesca, Descobrimento do Fogo e Junção de tribos. c) Agricultura, Pecuária, Criação de Tribos e Crescimento dos Povos. d) Agricultura, Pesca, Construções de Casa e Saída das Cavernas. e) Agricultura, Reprodução, Descobrimento do Fogo e Crescimento dos Povos. 7. Uma liga metálica é uma mistura de dois ou mais elementos caracterizando em um novo material, com propriedades de todos os elementos a ela adicionados. O bronze é uma liga metálica que fora muito utilizada na pré-história pelo homem, é composto principalmente de dois materiais, estes e suas proposições são respectivamente: 21 a) Cu 90% - Fe 10%. b) Cu 90% - Mn 10%. c) Cu 10% - Sn 90%. d) Cu 90% - Sn 10%. e) Cu 85% - Sn 10% - S 5%. 8. A descoberta do ferro foi um passo gigantesco para a evolução das ligas metálicas, proporcionando a criação de diversas destas com diferentes propriedades. A partir desta descoberta o homem pode evoluir, finalmente deixando a Era da Pré-História para trás. Uma das ligas mais importantes da história foi sem dúvida o aço, este insumo descoberto no final da pré-história ainda é o principal material utilizado no século XXI. Sabendo-se que a composição do aço é principalmente Fe, C e outros/impurezas, assinale a quantidade aproximada de cada um destes elementos contidos nesta liga metálica a) 97% Outros/Impurezas, 2% Fe e 1% C. b) 95% Fe, 4% C e 1% Outros/Impurezas. c) 99% Fe, 2% C e 1% Outros/Impurezas. d) 97% Fe, 2% C e 1% Outros/Impurezas. e) 2% Fe, 98% C e 1% Outros/Impurezas. 22 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 2.1 METAIS Com visto no conceito da ciência dos materiais, classificam os materiais de acordo com sua composição química. Dentro desta classificação, os materiais me- tálicos são definidos como materiais sólidos que possuem uma grande quantidade de elétrons livres. Esta definição se dá através de estudos sobre as principais propriedades destes materiais. Os metais são bons condutores elétricos e térmicos devido à presença dos elétrons livres em sua estrutura, oferecem bons parâmetros de deformação física (ductilidade) e apresentam superfície opaca (apresentam brilho sepolidos), alguns exemplos são mostrados na Figura 2. Figura 2: Objetos Fabricados de Metais Comumente Utilizados Pelo Homem Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2021, p. 08) Sua aplicação geral na engenharia pode ser vista em construções industriais (galpões), residenciais e comerciais (prédios, arranha-céus), embalagens, ferramentas, veículos, implantes médicos, etc. Quanto à propriedades os metais possuem uma vasta gama, são versáteis e possuem diferentes tipos que podem ser exploradas na engenharia. Os metais puros são pouco empregados nas manufaturas e projetos, já que em sua composição única os metais configuram poucas propriedades. Todavia UNIDADE 23 existe a possibilidade de se combinar vários elementos formando uma liga metálica. Uma liga metálica é a junção de dois ou mais elementos, onde pelo menos um des- tes seja um metal. A Tabela 1 apresenta uma lista das principais ligas metálicas utilizadas no mundo: Tabela 1: Principais Ligas e Composições Químicas Liga Composição Química Aço 97% Fe + 2% C e 1% Outros (Impurezas ou outros elementos como Si, Mn, S e P) Aço Inoxidável Fe + C + Cr + Ni (% Varia conforme especificações) Ouro (18 quilates) 75% Au +13% Ag + 12% Cu Bronze 90% Cu + 10% Zn Latão 95-55% Cu + 45-5% Zn Fonte: Elaborado pela Autora (2021) Um exemplo clássico de liga metálica é sem dúvida o aço, esta liga é o insumo mais utilizado no mundo (SHACKELFORD, 2008). O ferro (Fe) sozinho não configura boa propriedades para aplicações reais, devido a sua alta fragilidade e alta oxidação. Desta forma adicionam-se quantidades consideráveis de carbono (C), Silício (Si), Enxofre (S), Fosforo (P), Manganês (Mn) e outros elementos para melhorar suas propriedades criando a liga metálica que se conhece por aço. “Classicamente, define-se aço como uma liga ferro-carbono com até cerca de 2% de carbono. Este limite é associado à máxima solubilidade do carbono no ferro com estrutura CFC” (COLPAERT, 2008, p. 10). A composição química de muitas ligas metálicas pode variar dependendo dos métodos de processamento, local ou outras circunstâncias, contudo existem valores limites tabelados para que uma liga seja classificada de acordo com os tipos existentes. Este limite se dá pela solubilidade da mistura em determinada configuração estrutural. “[...] existe uma concentração máxima de átomos de soluto que pode se 24 dissolver no solvente para formar uma solução sólida; isso é chamado limite de solubilidade.” (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2021, p. 226). Esta solubilidade está dire- tamente ligada às condições que envolvam o processo e a temperatura em que ele é executado. As ligas metálicas possuem duas principais ramificações, ligas ferrosas e não ferrosas. Para que uma liga seja classificada com ferrosa, é necessário que o Fe seja o principal elemento da mistura. Já a classificação não ferrosa se dá pelo inverso das ligas ferrosas, como um exemplo clássico destas ligas pode-se citar: ligas de alumínio, níquel, cobre, dentre outras. A rede de átomos de um material metálico é ordenada, bem dispostas ao longo de sua estrutura. Essa configuração permite ao material propriedades como: rigidez, resistência à fraturas e ductilidade. Além disso, como já explicitado, os elétrons livres dão ao material uma excelente condutibilidade (térmica e elétrica), por este motivo os metais são considerados condutores de eletricidade. 2.2 POLÍMEROS Os materiais poliméricos, ou simplesmente polímeros podem ser caracterizados como hidrocarbonetos. Hidrocarbonetos são constituídos apenas de Carbono (C) e Hidrogênio (H), estes compostos são normalmente provindos do petróleo. A principal característica dos polímeros é sua massa molar elevada. Essa característica se dá pela presença de muitas unidades de repetição em sua estrutura. Estudiosos contestam sobre os polímeros serem materiais relativamente novos no mundo, pois existem indícios que comprovam o uso de polímeros já nos tempos antigos. Como por exemplo, um verniz oriundo de uma árvore Rhus vernicflua, que 25 os chineses já utilizavam em 1000 a.C. Este verniz era utilizado como tinta para obtenção de características impermeáveis para móveis até meados de 1950 (GORNI, 2003). Estes materiais são mais comuns no cotidiano das pessoas do que elas imaginam, a Figura 3 demonstra alguns objetos simples confeccionados a partir dos polímeros: Figura 3: Objetos Fabricados de Polímeros Comumente Utilizados Pelo Homem Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2021, p. 09) O nome “polímeros” é resultante da configuração estrutural deste material, sua estrutura é formada pelo agrupamento de unidades de repetição pequenas chamadas de monômeros. Por este motivo seu nome pode ser dividido em duas partes, Poli (Muitos) + Meros (Parte). Para a confecção de um polímero se usa um processo denominado polimerização, uma reação química capaz de combinar vários monômeros (SHACKELFORD, 2008). Este material possui baixa condutibilidade, ou seja, é um bom isolante térmico e elétrico, são leves se comparados aos outros materiais, porém possuem baixa re- sistência mecânica. Os polímeros no geral são materiais bastante flexíveis e possuem uma densidade baixa. Este material possui classificações de acordo com: ao número de monômeros, a natureza, processamento e comportamento mecânico (BILLMEYER JR., 1984). Ao se tratar do número de monômeros, os polímeros podem ser classificados 26 como homopolímero ou copolímero. Homopolímero é o material proveniente de um único tipo de monômero, ou seja, a sua rede de repetição contém apenas um monômero desde a polimerização até a concepção do material. Já o copolímero é o material que possui dois ou mais tipos de monômeros em sua composição. Em relação à natureza dos polímeros, podemos citar os naturais ou sintéticos, sendo os naturais aqueles encontrados na natureza, como o caso da borracha, amido, celulose, glicogênio, etc. Os polímeros sintéticos são aqueles concebidos através de laboratório, normalmente utilizam como base produtos derivados do petróleo, podem-se citar exemplos: acrílico, PVC (policroreto de vinila), polipropileno, polietileno, etc. A classificação de acordo com o método de processamento pode ser: adição, condensação ou rearranjo. Os polímeros de adição são aqueles resultantes da adição repetitiva de monômeros. Os polímeros de condensação são aqueles resultantes da adição de monômeros diferentes, com a remoção de uma molécula de ácido, álcool ou água na polimerização. Os polímeros de rearranjo, como seu próprio nome sugere, são os polímeros resultantes do rearranjo das estruturas químicas na polimerização. Em se tratando de comportamento mecânico os polímeros podem ser borrachas (elastômeros) ou plásticos. As borrachas possuem classificação natural ou sintética, ou seja, podem ser encontrados na natureza ou sintetizados em laboratório à base de petróleo, sua principal característica é a elasticidade, este tipo de polímero pode receber grandes quantidades de deformação retornando ao seu formato inicial. Já os plásticos são oriundos da soma de diversos monômeros, utilizando o petróleo como o principal insumo, estes polímeros podem ser termofixos ou termoplásticos. Os polímeros termofixos são aqueles que quando expostos a altas temperaturas, torna-se rígidos e esta condição é irreversível, não sendo possível recicla-los depois. Este comportamento se dá principalmente pela força da ligação em sua estrutura, pois este material possui ligações primárias. Já os termoplásticos apresentam comportamento inverso, com o aumento de temperatura eles se tornam mais flexíveis, podendo ser moldados e reciclados. Esta característica também é consequência do tipo de ligação químicaque este material possui, neste caso as ligações são secundárias e fraca entre cadeias, uma das ligações que este material apresenta é a ligação de Van der Waals. 27 2.3 CERÂMICOS Os materiais cerâmicos são materiais sólidos, cristalinos e inorgânicos. Como estudado, o uso deste material não é tão recente pelo homem, já que desde a descoberta do fogo no período Neolítico a espécie homo sapiens vêm utilizando cerâmicas em suas atividades cotidianas. Estima-se que este uso passe dos 15 mil anos de existência. O termo cerâmica é derivado da palavra grega “kéramos”, que traduzida para a língua portuguesa significa “terra queimada”. Os gregos deram este nome ao material devido o método de obtenção dele, onde as cerâmicas eram confor- madas, moldadas conforme solicitação e posteriormente levadas ao fogo para adquirirem propriedades desejadas da aplicação deste material. Existem dois principais fatores que limitam o uso dos polímeros em massa, o primeiro deles está relacionado à matéria prima deste material que configura em sua maioria como fontes não renováveis. Outro fator crucial na utilização dos polímeros está relacionado ao descarte destes materiais, principalmente pela falta de informação dos usuários finais. Em um destes impasses a empresa “ABC” fabricante de embalagens de produtos deseja aperfeiçoar seu processo, por estar sendo fiscalizada pelo órgão ambiental devido à grande produção de resíduos sólidos em seu processo e também no pós-venda do produto. A empresa está fazendo um estudo para substituir a matéria prima de sua produção para um polímero que permita a reciclagem e seja menos prejudicial ao meio ambiente. Com os conhecimentos adquiridos ao longo do capítulo, qual ou quais seriam os melhores meios de mitigar os problemas causados pela utilização da matéria-prima atual? 28 Sua composição química é dada na maior parte do tempo por argila, e esta é compota por hidróxidos de alumínio que são ligados a óxidos de silício através de ligações fortes. Todavia para que o material apresente as propriedades desejadas após a queima, se adicionam sílica, feldspato, caulim, talco, amianto, volatonita, silimanita e outros. A princípio, quando se observa um material cerâmico (Figura 4) é possível que se tomem conclusões precipitadas sobre suas propriedades, vendo-as como materiais frágeis e sem durabilidade. Este pré-conceito antes de estudar o material é resultado do cotidiano do ser humano, uma vez que ao lançar uma cerâmica ao solo ou desferir golpes sobre ela, a mesma se lasca, trinca ou quebra (ASHBY; JONES, 2007). Figura 4: Objetos Fabricados de Cerâmica Comumente Utilizados Pelo Homem Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2021, p. 09) Contudo, os materiais cerâmicos possuem elevada resistência mecânica e O vidro inorgânico também faz parte da família dos materiais cerâmicos, sua composição química mais comumente vista pode chegar até 70% de sílica somando-se a nitretos e óxidos. Os vidros possuem todas as propriedades dos materiais cerâmicos, sua única diferença está ligada ao seu arranjo atômico, sendo este regular, o que configura a este material a característica transparente e não amorfo como as outras cerâmicas. 29 dureza, estas propriedades não costumam ser alteradas quando o material é elevado à altas temperaturas. Assim como os polímeros, os cerâmicos são péssimos condutores de energia, fazendo com que sejam classificados como materiais isolan- tes. Uma característica crucial deste material é a capacidade de armazenar calor por longos períodos, esta característica é chamada de refratária. Os materiais cerâmicos são refratários e por isso são utilizados em diversos processos onde existe a necessidade de manter o calor em determinado ambiente ou processo. A aplicação mais comum para este tipo de material é sem dúvida como refratários em equipamentos e processos industriais, como fornos, turbinas e salas pós tratamento térmico. Um exemplo clássico da aplicação da cerâmica como refratário são os revestimentos internos nos altos fornos, equipamento utilizado em indústrias siderúrgicas para a transformação do minério de ferro em aço. Outras aplicações dos materiais cerâmicos são: utensílios domésticos no dia a dia das pessoas, tijolos, vasos sanitários, telhas, pias e lavabos, azulejos, pisos, pastilhas de freio automotivo, etc. Este material também pode ser encontrado como materiais aditivos na produção de tintas, pneus, plásticos, outros. As características dos materiais cerâmicos estão principalmente ligadas a estabilidade química do material, uma vez que ela é resultante das ligações químicas presente neles que são principalmente: iônica e covalente. Estas ligações são de acordo com Callister Jr. e Rethwisch (2021) as mais fortes que existem na natureza. A fragilidade dos materiais cerâmicos é outra característica bem peculiar, uma vez que mesmo possuindo as ligações químicas mais fortes da natureza elas ainda torna-se quebradiças se expostas a esforços mecânicos bruscos. Esta característica é resultante de defeitos alocados à estrutura do material (contorno 30 de grãos, micro trincas, porosidade, etc), que geram muitas tensões internas em sua estrutura. 2.4 COMPÓSITOS Materiais compósitos são aqueles obtidos através da mistura de dois ou mais materiais diferentes. Em suma, a fabricação deste tipo de material tem como prin- cipal objetivo a criação de um novo material com propriedades já existentes em outros já conhecidos. Isso porque muitas vezes os processos de fabricação e os tratamentos não são suficientes para agregar a um tipo de material uma propriedade específica. A fabricação de um material compósito normalmente é dada através da escolha de um material base que recebe o nome de matriz e um material de adição que pode ser denominado fase. Um exemplo clássico deste tipo de material é a fibra de vidro, que tem como material base um insumo caracterizado como polimérico e uma fase dispersa caracterizada como cerâmica (vidro). Os materiais compósitos são subdivididos em três grupos, compósitos reforçados com partículas, reforçados com fibras e estruturais. A principal diferença entre esta subdivisão está relacionada ao comportamento das matrizes e fases. Cada subdivisão se comporta de uma maneira para atender certo tipo de solicitação na aplicação do material. Esta subdivisão pode ser melhor compreendida a partir do Quadro 1: Quadro 1: Classificação dos Compósitos Compósito Tipo de Matiz Fase Exemplo Partículas Única Dispersa Concreto Fibrosos Única Fibras Fibra de Vidro Estruturais 2 ou mais - Fuselagem de Aeronave Fonte: Elaborado pela Autora (2021) Como visto, os compósitos reforçados por fase particulada possuem uma única matriz, e as fases são posicionadas de forma dispersa em meio a matriz. Um exemplo deste tipo é o concreto onde o cimento é a matriz e as fases são areia, britas e outros. Já os compósitos por reforços fibrosos também possuem uma única matriz, com a diferença de que suas fases são materiais fibrosos como é o caso das 31 fibras de vidro, onde a resina (polímero) é a matriz e o vidro a fase. Já nos casos de compósitos estruturais não existe apenas uma matriz, sua concepção se dá através do empilhamento de matrizes diversas. Um exemplo clás- sico e a fuselagem de aeronaves que são produzidas a partir de várias matrizes de carbono, formando uma espécie de sanduiche de carbono. O estudo e compreensão dos compósitos é importante para a ciências dos materiais porque possibilita a criação de algo novo. Através do conhecimento de propriedades de materiais distintos, se pode obter um material inovador e capaz de possuir agregar que não seriamadquiridas utilizando um único material. Estes materiais são amplamente utilizados na construção civil, plantas de energia como hidrelétricas e centrais térmica, siderúrgicas, fábricas automotivas, medicina, comunicação (antenas), artigos de esporte e lazer, plataformas off-shore para extração de petróleo e diversas áreas do mundo inteiro. 2.5 SEMICONDUTORES E BIOMATERIAIS A ciência evolui a cada dia, assim como a evolução do homem desde a era antiga até as descobertas da era moderna. Com os materiais isso não é diferente, ao longo das eras os materiais são estudados pelo homem a fim de novas tecnologias serem inseridas no mundo como fonte de otimização para as operações de engenharia, medicina, ciências e outras. Dentro das inovações dos materiais, citam-se os semicondutores e os biomateriais. Os materiais Semicondutores são materiais com propriedades elétricas entre metal e cerâmica, eles encontram-se em um meio termo entre a capacidade de conduzir eletricidade de um metal, mas possuem também a capacidade de armazenar energia como as cerâmicas. Estes materiais podem ser compostos de silício, gálio, zinco, germânio, cádmio e outras adições (SHACKELFORD, 2012). Os semicondutores são fabricados como monocristais devido à alta sensibilidade deles. O processo de fabricação destes materiais precisa ser bastante minucioso, pois são materiais muito sensíveis e com isso a tolerância de impurezas na composição química é mínima. Estes materiais precisam estar puros, pois níveis elevados de impurezas afetam diretamente sua propriedade (condutibilidade). Em determinados casos a condutibilidade elétrica dos semicondutores podem ser controladas. Adicionando-se impurezas aumenta a capacidade de 32 conduzir do material, da mesma forma que eliminando impurezas diminui sua condutibilidade. Esta prática é normalmente utilizada para a produção de componentes eletrônicos utilizados para a fabricação de circuitos elétricos. Existem duas classificações para este material: intrínseca e extrínseca. Quan- do a propriedade deste material depende principalmente do metal (puro), chama-se de intrínseco. Já no caso da extrínseca, a condutibilidade depende principalmente do controle de impurezas do material (VAN VLACK, 1973). A criação dos semicondutores foi um marco para a indústria de eletrônicos. Este material é o principal insumo utilizado na produção de componentes como: transistores, diodos, chips, microprocessadores e demais componentes tecnológicos avançados. Outra grande evolução dos materiais foi a descoberta dos biomateriais, isso revolucionou a medicina em todos os aspectos. Estes materiais são utilizados na medicina, inseridos no corpo humano a fim de resolver algum problemas de saúde, substituir partes faltantes, compor mecanismos para promover um bom funcionamento do corpo hospedeiro. Como os biomateriais são utilizados internamente no corpo humano, precisam ser materiais estéreis, ou seja, não tóxicos e ao mesmo tempo, que não reajam ou interajam com o corpo hospedeiro. Dessa forma, utiliza-se qualquer classe de materiais para sua construção, desde que se respeite a capacidade de ser inerte ao corpo humano. Existem várias áreas da medicina que já utilizam os biomateriais, como por exemplo: cardiologia, odontologia, oftalmologia e ortopedia. Na área de cardiologia os biomateriais são utilizados na forma de componentes para o sistema vascular e circulatório. Na odontologia são utilizados em próteses dentárias, implantes e restaurações de anomalias. Na área da oftalmologia estes materiais são empregados em lentes e até olhos artificiais para selagem da cavidade ocular. Já na ortopedia os biomateriais aparecem com mais frequência, são utilizados para a substituição de diversas articulações e até mesmo ossos, como implantes em joelhos, cotovelo, ombro, quadris e outros locais onde se exista a possibilidade de substituição. 33 As novas tecnologias e os novos estudos acerca dos materiais proporcionam uma linha quase infinita de emprego dos insumos existentes na natureza. Através do estudo e compreensão das propriedades pode-se chegar à conclusão de que o conhecimento dos materiais é importante não só para profissionais da área de en- genharia, medicina, construção ou alimentícia, mas para profissionais de todas as áreas do conhecimento. Cada material possui sua aplicação e se empregado de forma incorreta podem haver consequências severas, principalmente em se tratando de aplicações mais delicadas como os biomateriais. Todavia é necessário para o engenheiro conhecer a classificação e subdivisão básica dos materiais disponíveis para uso. 34 FIXANDO CONTEÚDO 1. A principal característica dos metais é a presença de elétrons livres em sua estru- tura. Os elétrons livres caracterizam-se por elétrons que não possuem ligação com nenhum átomo presente na estrutura, ou seja, se movimentam livremente pela rede estrutural em que estão. Esta condição configura ao material metálico duas principais características, são elas: a) Conduz eletricidade, calor e torna-o dúctil. b) Ductilidade e dureza. c) Boa condutibilidade térmica e ótica. d) Boa condutibilidade térmica e elétrica. e) Magnetismo e resistência. 2. Ligas metálicas são a junção de dois ou mais elementos, dos quais ao menos um precisar ser classificado como metal. As ligas metálicas são usuais pela absorção das propriedades de todos os elementos utilizados em um único material. Dessa forma as ligas metálicas podem ser classificadas em dois principais tipos, as ligas ferrosas e não ferrosas. Ligas ferrosas são aquelas que possuem como principal componente o ferro, já as não ferrosas possuem outros componentes como elementos principais da mistura. De acordo com a literatura são exemplos de ligas não ferrosas: a) Alumínio, Níquel e Cobre. b) Aço, Alumínio e Níquel. c) Alumínio, Níquel e Aço. d) Aço, Alumínio e Bronze. e) Alumínio, Bronze e Cobre. 3. Os polímeros são basicamente formados por moléculas de Carbono (C) e Hidrogênio (H), sendo em sua maioria resultados de processos químicos utilizando com base o petróleo. Uma das principais características deste material é a massa molar elevada, isso devido a presença de milhares de unidades de repetição em sua estrutura. Normalmente os polímeros são subdivididos e classificados de 35 acordo com: a) Quantidade de monômeros, temperatura, tipo de processamento, dureza, resis- tência mecânica. b) Propriedades químicas, métodos de processamento, quantidade de monômeros e temperatura. c) Termofixos, quantidade de monômeros, sintéticos e termoplásticos. d) Resistência mecânica, tipo de processamento, quantidade de meros e temperatura. e) Quantidade de monômeros, natureza, tipo de processamento e comportamento mecânico. 4. Classificando os polímeros quanto ao comportamento mecânico se pode subdividi-los em elastômeros e plásticos. Os polímeros plásticos são oriundos da soma de diversos monômeros e podem ser termofixos ou termoplásticos. Leia as sentenças abaixo e depois assinale a alternativa correta: I. Os polímeros plásticos são produzidos a partir do petróleo. II. Os polímeros termofixos são aqueles que torna-se maleáveis em elevadas temperaturas, sendo possível sua reciclagem. III. Os polímeros termoplásticos são aqueles que torna-se maleáveis em elevadas temperaturas, sendo possível sua reciclagem. IV. Os polímeros termofixos são aqueles que torna-se rígidos em elevadas temperaturas, não sendo possível sua reciclagem. a) As alternativas I, II e III estão corretas. b) As alternativas III e IV estão incorretas. c) Somente a alternativa II está incorreta. d) I, II, III e IV estão corretas. e) Todas as alternativasestão erradas. 5. De acordo com os estudos desenvolvidos sobre os materiais cerâmicos, leia as afirmações abaixo e assinale com V para verdadeiro e F para falso: 36 (X) As cerâmicas possuem alta capacidade de condução de energia, por este motivo são empregadas em transformadores elétricos para otimizar a distri- buição de energia elétrica. (X) As ligações químicas mais comuns nos materiais cerâmicos são as iônicas e as de Van der Waals. (X) As cerâmicas possuem ótima resistência a intempéries ambientais, não sendo afetadas por processos de oxidação, inchamento ou dissolução e pelos raios ultravioletas provenientes do sol. (X) Os materiais cerâmicos são considerados sólidos cristalinos e inorgânicos. (X) Os materiais refratários utilizados em altos fornos industriais são confeccionados de materiais cerâmicos, isso porque este material possui baixo coeficiente de condutibilidade térmica fazendo com que se tornem ótimos isolantes. a) F – F – V – F - V. b) F – F – V – V – V. c) F – V – F – F - F. d) V – F – V – V - V. e) F – F – V – V - V. 6. As características físicas dos materiais cerâmicos são consequência das ligações químicas que ocorrem neles, as ligações iônica e covalente atribuem a este material uma estabilidade química. Todavia as cerâmicas ainda apresentam fragilidade ao serem expostas à esforços bruscos, como é o caso de quedas ou esforços de tração e compressão. Assinale a alternativa que justifique a fragilidade dos materiais cerâmicos: a) Os materiais cerâmicos tornam-se mais frágeis devido a sua composição ser a base de argila. b) O aquecimento da cerâmica após sua confecção a deixa com tensões internas, fazendo com que estas sejam propagadas em contato com tensões internas levando o material à fratura. c) Os materiais cerâmicos possuem em sua estrutura defeitos como porosidades, micro trincas, contornos de grão, dentre outros. Esta condição faz com que eles 37 sofram tensões internas que em contato com tensões externas se propagam o le- vando à fratura. d) Como a argila é hidratada, a água presente na estrutura do material cerâmico se evapora quando ele é cozido, fazendo com que formem-se trincas de hidrogênio na estrutura do material, estas trincas se propagam por todo o material, ao entrarem em contato com esforços externos estas trincas fazem com que o material se quebre. e) N.D.A. 7. A finalidade de se produzir materiais compósitos é a agregação de várias propriedades de materiais diferentes em um só. Um exemplo bem clássico é a utilização de concreto na construção civil, onde o cimento, areia e a brita proporcionam melhores propriedades. Estes materiais são classificados em três principais tipos, tendo em vista esta classificação relacione a primeira coluna conforme a segunda: 1 – Reforçados com Partículas (X) São os compósitos onde várias matrizes são empilhadas umas sobre as outras formando um único material. 2 – Reforçado com Fibras (X) O concreto é um exemplo deste tipo de compósito. 3 - Estruturais (X) São os compósitos onde as fases encontra- se dispersas na matriz, de forma desordenada. (X) As fibras de vidro e carbono são exemplos deste compósito; (X) São os compósitos onde as fazes encontra- se na forma de fibras na matriz, normalmente empilhadas e ordenadas em camadas. (X) Fuselagem de aeronave é um exemplo deste tipo de compósito. a) 2 – 3 – 1 – 2 – 3 - 1. 38 b) 2 – 2 – 1 – 3 – 2 - 2. c) 3 – 1 – 1 – 2 – 2 - 3. d) 3 – 1 – 1 – 3 – 2 - 2. e) 3 – 1 – 2 – 1 – 2 - 1. 8. Dentre as novas descobertas da ciência, os materiais semicondutores são am- plamente utilizados em construção de circuitos eletroeletrônicos. Como por exemplo, transistores, diodos, chips, microprocessadores e demais componentes tecnológicos avançados. Entretanto existem duas formas de alterar a condutibilidade destes materiais, adicionando ou eliminando impurezas ou trabalhando a pureza do material. Leia as afirmações abaixo e assinale a alternativa correta: Condutibilidade extrínseca é quando a condutibilidade do semicondutor depende controle de impurezas do material. PORQUE Quando adicionamos impurezas ao material semicondutor, aumentamos a condutibilidade deste material, da mesma forma que eliminando impurezas esta ela diminui. a) As duas sentenças são falsas. b) Ambas as sentenças são verdadeiras e a segunda complementa a primeira. c) A primeira sentença é falsa e a segunda é verdadeira. d) Ambas as sentenças são verdadeiras e a segunda não complementa a primeira. e) A primeira sentença é verdadeira e a segunda é falsa. 39 ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA 3.1 ESTRUTURA ATÔMICA DOS MATERIAIS Em poucas palavras, estrutura atômica é o modo com que as partículas que compõem um átomo são ordenadas. Sabe-se que um átomo possui três partículas que são os elétrons, prótons e nêutrons. Os átomos são a base da composição de toda a matéria presente no mundo, através do estudo do seu comportamento nas diversas estruturas, pode-se explicar algumas características físico-químicas de di- versos materiais. As partículas de um átomo possuem cargas, elas variam positiva e negativamente conforme a grandeza de 1,6 ∙ 10 C (Coulomb). Os elétrons contidos possuem carga negativa (-), os prótons são carregados positivamente (+) e os nêutrons são as partículas que não possuem carga, ou seja, são nulos em energia. Conforme Callister Jr. e Rethwisch (2021) um átomo possui massa muito pequena, onde prótons e nêutrons possuem 1,6 ∙ 10 kg e elétrons chegando a 9,11 ∙ 10 kg. Para compreender a estrutura atômica dos materiais, é necessário primeiro compreender as especificações dos elementos químicos presentes na natureza. Isso porque toda a matéria composta na terra é resultante da ordenação de átomos em determinada configuração. Um átomo é classificado pela contagem de seu número atômico, esta grandeza recebe o a denominação (Z). Esta grandeza contabiliza quantos prótons estão contidos no núcleo de um determinado átomo. Como por exemplo o carbono (C) que possui seu Z = 6, o que significa que ele possui 6 prótons em seu núcleo (SANTOS; MOL, 2013). Este número pode ser observado na tabela periódica, na parte superior esquerda como demonstrado na Figura 5: UNIDADE 40 Figura 5: Carbono na Tabela Periódica Fonte: International Union of Pure and Applied Chemistry (2021, online) Outra grandeza estudada é denominada pela soma das respectivas do nú- mero de prótons e nêutrons como expressa a equação (1), recebendo o nome de número de massa atômica ela é representada por (A). A = P + N (1) Um exemplo clássico é o cloro (Cl) com seu A = 35 sendo a soma de 17 prótons com os 18 nêutrons compostos em seu núcleo. Partindo deste conceito, não se deve confundir o número de massa atômica com a massa atômica, pois mesmo que o número de prótons dos elementos de um determinado átomo seja igual, os nêutrons podem variar, estes então recebem a denominação isótopos. Nesse caso, a massa atômica dos elementos que compõem o átomo é calculada através da média ponderada dos isótopos. Para determinar este padrão, Isótopos são os átomos compostos de um único elemento químico que possui um número igual em quantidade de prótons (+), mas é diferente em massa atômica (A). Este fenômeno acontece devido o número de neutros diferente no núcleo. 41 utilizou-se o carbono (C), pois este se trata do elemento mais abundante na nature- za. Através do cálculo, definiu-se que 1 UMA (Unidade de massa atômica), é 1/12 da massa total do C (FONSECA, 2013). Segundo Callister Jr. e Rethwisch (2021) a massa atômica (A)de um determinado elemento é especificada em UMA/átomos ou simplesmente mol. Mol é a unidade de medição utilizada pela química para contabilizar a matéria microscópica presente em um determinado átomo ou molécula. Visto a necessidade do cálculo de massa atômica e sua importância para a química e a ciência dos materiais, se tem a seguinte situação: O Neônio (Ne) está presente na natureza na forma dos seguintes isótopos (𝑁𝑒 , 90,92% na natureza e 20,00 de massa atômica | 𝑁𝑒 , 0,26% na natureza e 21,00 de massa atômica | 𝑁𝑒 , 8,82% na natureza e 22,00 de massa atômica). Para calcular sua massa atômica realiza-se a média ponderada dos seus isótopos, 𝑀𝐴 = 𝑛° 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 ∗ % + 𝑛° 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 ∗ % + 𝑛° 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 ∗ % 100 Substituindo os valores dados na fórmula, observa a seguinte configuração: 𝑀𝐴 = (20,00 ∗ 90,92) + (21,00 ∗ 0,26) + (22,00 ∗ 8,82) 100 Através da resolução da equação a massa atômica será de? 42 3.1.1 Os Modelos Atômicos da Química Com o passar das eras notou-se que a mecânica clássica já não era o sufici- ente para descrever certos fenômenos ou comportamento dos sólidos devido a presença dos elétrons. A mecânica quântica foi desenvolvida com o propósito de compreender o comportamento das cargas negativas presentes nos átomos e nos sólidos cristalinos. O modelo atômico de Bohr foi o primeiro existente a utilizar os recursos da mecânica quântica para estudar estes fenômenos. Este modelo descrevia um comportamento dos eletros conforme a Figura 6. Os elétrons orbitam em rotas bem definidas ao redor do núcleo do átomo. Era um modelo simples e concreto. Figura 6: Modelo Atômico de Bohr Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2021, p. 20) Neste modelo Borh descrevia a energia presente elétrons como quantizadas, onde cabia a estas partículas quantidades específicas de energia. Sua energia é mutável desde que ele realize um salto quântico para maior (absorção) ou menor (emissão) de energia. Porém este modelo de Bohr não satisfazia condições especí- ficas na mecânica quântica, onde os elétrons não possuem variação contínua, mas sim uma quantidade de energia finita. Um dos métodos encontrados para a solução de diversos impasses com este modelo, foi a criação de um modelo chamado mecânico ondulatório. Neste modelo os elétrons são caracterizados tanto como ondas ou partículas, portanto 43 não se movem em orbitais ao redor do núcleo, mas sim podem aparecer em qualquer posição em seu interior, assim nasceu o conceito de nuvem de elétrons. 3.1.2 Caracterização de Elétrons – Números Quânticos Os números quânticos são os quatro parâmetros que a química utiliza para caracterizar os elétrons. Eles são nomeados da seguinte forma: Número quântico principal – n Número quântico secundário – l Número quântico magnético – mt Número quântico Spin – s A classificação de elétrons é a divisão segundo os níveis eletrônicos classificados por Bohr, que estão organizados em camadas e subcamadas. As camadas (número quântico principal) são definidas por letras maiúsculas: K, L, M, N, O, P e Q. Já as subcamadas (número quântico secundário) são nomeadas por letras minúsculas: s, p, d e f estas subcamadas comportam 2, 6, 10 e 14 elétrons respectivamente, como esquematizado no Diagrama de Pauling na Figura 7. Figura 7: Diagrama de Pauling Fonte: Elaborado pela Autora (2021) 44 O “mt” é o responsável por definir quantos estados uma subcamada pode ter, onde “s” tem único estado, “p” três estados “d” cinco estados e “f” sete estados. Já o spin é diretamente relacionado com o momento de spin (sentido de rotação) que pode ser positivo ou negativo (1/2 | -1/2), este momento cria campos magnéticos gerando forças que podem se atrair ou repelir (FONSECA, 2013). 3.1.3 Configuração Eletrônica Através da compreensão dos números quânticos é possível realizar estudos sobre a configuração eletrônica dos átomos. A configuração eletrônica estuda a disposição de elétrons na eletrosfera do átomo em sua configuração fundamental. A configuração ou estado fundamental de um determinado átomo é dada pela disposição dos elétrons em seu menor nível de energia, que pode ser chamado também de estado estacionário do átomo. Com base nos modelos atômicos de Bohr e Rutherford a química pode estu- dar e aperfeiçoar os conceitos de distribuição eletrônica. Isso devido ao experimento da luz feito por Bohr, comprovando a disposição dos elétrons em níveis de energia quando estacionados. Estes níveis de energia puderam ser descritos através do número quântico principal (n), variando entre 1 e 7 (K, L, M, N, O, P, Q) na órbita nuclear do átomo, como visto na Figura 8: Figura 8: Número Quântico Principal Esquematizado na Órbita Do Átomo Fonte: Elaborado pela Autora (2021) 45 Cada uma das camadas definidas pelo “n” recebe uma quantidade máxima de elétrons, esta informação está apresentada na Tabela 2: Tabela 2: Quantidade Máxima de Elétrons por Camada Nível (n) 1 2 3 4 5 6 7 Camada K L M N O P Q Qtd. Elétrons 2 8 18 32 32 18 2 Fonte: Elaborado pela Autora (2021) Através destes conhecimentos, qualquer elemento da tabela periódica pode ser distribuído utilizando estas camadas. Como exemplo de distribuições eletrônicas pode-se acompanhar a Tabela 3: Tabela 3: Exemplos de Distribuições Eletrônicas de Alguns Elementos Elemento K L M N O P Q Hidrogênio – H1 1 - - - - - - Carbono – C6 2 4 - - - - - Cálcio – Ca20 2 8 8 2 - - - Fonte: Elaborado pela Autora (2021) Contudo o modelo de Bohr não satisfazia a necessidade da distribuição de elétrons nos subníveis de energia da nuvem de elétrons. Desta forma Linus Pauling aperfeiçoou a distribuição eletrônica criada por Erwin Madelung, para explicitar a ordem dos elétrons dentro das orbitais. O diagrama de Linus Pauling (Figura 7), é a forma de descrever a distribuição dos elétrons na eletrosfera, seu conceito é que para os níveis de energia de 1 a 7 existem subníveis (s, p, d, f) ligados às órbitas do núcleo. Os orbitais possuem quantidade máxima de elétrons que eles podem com- portar, estes números podem ser vistos na Tabela 4: Tabela 4: Quantidade Máxima de Elétrons por Subcamada Subnível (i) s p d f Orbitais por (i) 1 3 5 7 Qtd. Elétrons 2 6 10 14 Fonte: Elaborado pela Autora (2021) Ao observar o diagrama de Pauling, nota-se a conotação com três principais elementos, 1s2 onde: 1 – Camada / Nível 46 s – Subnível 2 – Número máximo de elétrons comportados Observa-se na Figura 9 a distribuição eletrônica do Gálio: Gálio - Ga Z = 31 Distribuição - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4s2 4p1 Figura 9: Distribuição Eletrônica do Gálio (Ga) Fonte: Elaborado pela Autora (2021) Como visto, o número atômico (Z) do Gálio é distribuído conforme a capaci- dade máxima de cada subnível, respeitando a ordem na diagonal, finalizando em uma extremidade da seta e iniciando em outra. A regra da diagonal é simples, cada seta termina na extremidade da outra. Sendo a ordem correta do diagrama: 1s2 - 2s2 - 2p6 - 3s2 - 3p6 - 4s2 - 3d10 – 4p6 - 5s2 - 4d10 - 5p6 - 6s2 - 4f14 - 5d10 - 6p6 - 7s2 - 5f14 - 6d10 - 7p6. Dessa forma o último subnível que é preenchido é o 4p¹, como ele possui espaço para 6 elétrons comporta o 31° do elemento finalizando a distribuição. O último subnível da distribuição é chamado de camada de valência. 47 3.2 LIGAÇÕES INTERATÔMICA DOS MATERIAIS Grande parte das propriedades dos materiais podem ser explicadas levando em consideração as ligações interatômicas dos átomos em sua composição. Quanto mais distantes, menor é a força interatômica de ligação, mas