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Indaial – 2021 Materiais para Construção MeCâniCa e trataMento térMiCo Prof. Henrique Gonçalves Pereira 1a Edição Copyright © UNIASSELVI 2021 Elaboração: Prof. Henrique Gonçalves Pereira Revisão, Diagramação e Produção: Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial. Impresso por: P436m Pereira, Henrique Gonçalves Materiais para construção mecânica e tratamento térmico. / Henrique Gonçalves Pereira. – Indaial: UNIASSELVI, 2021. 193 p.; il. ISBN 978-65-5663-387-9 ISBN Digital 978-65-5663-388-6 1. Construção mecânica. - Brasil. 2. Tratamento térmico. – Brasil. II. Centro Universitário Leonardo da Vinci. CDD 620 apresentação Olá, acadêmico, seja bem-vindo à disciplina de Materiais para Construção Mecânica e Tratamento Térmico. Eu sou o professor Henrique, escrevi este livro com muito carinho para que você possa agregar conhecimento aos seus estudos no Curso de Engenharia. Os materiais utilizados pela humanidade estão em constante desenvolvimento e o conhecimento de suas propriedades é de fundamental interesse ao engenheiro. No ramo da construção mecânica não é diferente, é indispensável ser um profundo conhecedor das características do material utilizado para que a peça não venha ter uma falha catastrófica em serviço. Os tratamentos térmicos utilizados para as mais diferentes finalidades têm o objetivo de incrementar as propriedades ao material utilizado, de forma a conceder características novas para determinada aplicação. Desta forma, este livro abordará os diferentes materiais utilizados na construção mecânica, as propriedades e peculiaridades de cada um, bem como os diferentes tratamentos térmicos existentes, que possibilitam acrescentar características favoráveis à aplicação do material. Na Unidade 1, traçaremos um paralelo da história da humanidade com o desenvolvimento tecnológico dos materiais, veremos as diferentes classificações de materiais existentes, suas características gerais, aplicações mais comuns e suas limitações. Será nesta unidade que abordaremos os materiais cerâmicos, poliméricos e compósitos, e ainda faremos uma introdução aos materiais metálicos, analisando seu tipo de ligação, características e estrutura atômica. Para a segunda unidade, iremos mais a fundo no campo de materiais metálicos, começaremos estudando os defeitos estruturais mais comuns desses materiais. Discutiremos sobre os diagramas de equilibro, em especial o diagrama Fe-C, seguiremos com os princípios de difusão em metais e sobre o comportamento térmico e mecânico desses materiais. Já na terceira unidade do livro, entraremos no assunto de tratamentos térmicos. Falaremos sobre os fenômenos de encruamento, recuperação e recristalização, muito comuns em matérias metálicas sujeitos a tratamentos térmicos. A seguir, nessa mesma unidade, será comentado sobre os diferentes tratamentos térmicos, como recozimento, normalização, têmpera e revenido, além dos mais diversos tratamentos aplicados hoje na indústria. Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novi- dades em nosso material. Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagra- mação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo. Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilida- de de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assun- to em questão. Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade. Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos! NOTA Espero que você possa aproveitar o conteúdo deste livro, ele foi escrito de modo que sua jornada nesta disciplina seja prazerosa e rica em conhecimento. Desejo a você bons estudos! Prof. Henrique Gonçalves Pereira Olá, acadêmico! Iniciamos agora mais uma disciplina e com ela um novo conhecimento. Com o objetivo de enriquecer seu conhecimento, construímos, além do livro que está em suas mãos, uma rica trilha de aprendizagem, por meio dela você terá contato com o vídeo da disciplina, o objeto de aprendizagem, materiais complemen- tares, entre outros, todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento. Acesse o QR Code, que levará ao AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo. Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada! LEMBRETE suMário UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA ............................................ 1 TÓPICO 1 — CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA .......... 3 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 3 2 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS ............................................................................................. 4 3 MATERIAIS METÁLICOS ................................................................................................................ 5 RESUMO DO TÓPICO 1....................................................................................................................... 8 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................ 9 TÓPICO 2 — MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS ......................... 11 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 11 2 MATERIAIS CERÂMICOS .............................................................................................................. 11 3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS................................................................. 12 4 ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS ......................................................................... 13 4.1 VIDROS .......................................................................................................................................... 13 4.2 VITROCERÂMICOS ..................................................................................................................... 14 4.3 CERÂMICAS REFRATÁRIAS ..................................................................................................... 15 4.4 CERÂMICAS ABRASIVAS .......................................................................................................... 16 RESUMO DO TÓPICO 2..................................................................................................................... 18 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 19 TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS ................................................... 21 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 21 2 MATERIAIS POLIMÉRICOS ..........................................................................................................21 2.1 ESTRUTURA MOLECULAR DOS POLÍMEROS .................................................................... 23 2.2 TIPOS DE CADEIAS .................................................................................................................... 24 2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS POLIMÉRICOS ............................................................ 26 2.4 CLASSIFICAÇÃO QUANTO À ESTRUTURA QUÍMICA ..................................................... 26 2.5 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICO ............................... 28 2.6 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO DESEMPENHO MECÂNICO ......................................... 30 3 MATERIAIS COMPÓSITOS ........................................................................................................... 31 3.1 COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRA ........................................................................... 32 3.2 MADEIRA – COMPÓSITO NATURAL ..................................................................................... 34 3.3 COMPÓSITOS AVANÇADOS .................................................................................................... 36 3.4 COMPÓSITOS AGREGADOS .................................................................................................... 37 RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 39 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 40 TÓPICO 4 — ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS .................................................... 43 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 43 2 ESTRUTURA CRISTALINA ............................................................................................................ 43 3 ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS .......................................................................... 46 4 ESTRUTURA CCC ............................................................................................................................. 49 5 ESTRUTURA CFC ............................................................................................................................. 50 6 ESTRUTURA HC ............................................................................................................................... 52 7 PONTOS, DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS ..................................................... 55 8 POLIMORFISMO E ALOTROPIA ................................................................................................. 59 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 62 RESUMO DO TÓPICO 4..................................................................................................................... 66 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 68 REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 70 UNIDADE 2 — LIGAS METÁLICAS E MATERIAIS CRISTALINOS ...................................... 73 TÓPICO 1 — DEFEITOS DOS MATERIAIS METÁLICOS ........................................................ 75 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 75 2 IMPERFEIÇÕES EM METAIS ......................................................................................................... 75 2.1 VIBRAÇÕES ATÔMICAS ............................................................................................................ 75 2.2 IMPERFEIÇÃO QUÍMICA .......................................................................................................... 76 2.3 DEFEITOS PONTUAIS ................................................................................................................ 78 2.4 DISCORDÂNCIAS ....................................................................................................................... 79 2.5 DEFEITOS PLANARES ................................................................................................................ 81 RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 85 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 86 TÓPICO 2 — PRINCÍPIOS DE DIFUSÃO ...................................................................................... 89 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 89 2 MECANISMOS DE DIFUSÃO ....................................................................................................... 89 2.1 DIFUSÃO POR LACUNAS ......................................................................................................... 90 2.2 DIFUSÃO INTERSTICIAL .......................................................................................................... 91 3 EQUAÇÕES DE DIFUSÃO .............................................................................................................. 92 4 FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSÃO ............................................................................ 98 4.1 ESPÉCIE EM DIFUSÃO ............................................................................................................... 98 4.2 TEMPERATURA ........................................................................................................................... 99 LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 100 RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 105 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 106 TÓPICO 3 — DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO ............................................................................ 107 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 107 2 FASES ................................................................................................................................................. 107 3 DIAGRAMA DE FASES BINÁRIO .............................................................................................. 109 4 FASES PRESENTES, COMPOSIÇÃO E PROPORÇÃO ......................................................... 111 4.1 FASES PRESENTES, COMPOSIÇÃO E PROPORÇÃO DE REGIÕES BIFÁSICAS .......... 111 4.2 FASES PRESENTES, COMPOSIÇÃO E PROPORÇÃO DE REGIÕES BIFÁSICAS .......... 111 5 FORMAÇÃO DA MICROESTRUTURA EM UMA LIGA ISOMORFA ............................... 113 6 DIAGRAMAS EUTÉTICOS BINÁRIOS .................................................................................... 116 7 REAÇÕES IMPORTANTES NO DIAGRAMA DE FASES ..................................................... 119 8 SISTEMA FERRO-CARBONO ..................................................................................................... 120 8.1 ESTRUTURAS HIPOEUTEOIDES, EUTETOIDES E HIPEREUTETOIDES ....................... 123 RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 127 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 129 REFERÊNCIAS ....................................................................................................................................134 UNIDADE 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS ............................................................................ 135 TÓPICO 1 — CINÉTICA DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES ........................................... 137 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 137 2 INTRODUÇÃO AOS TRATAMENTOS TÉRMICOS .............................................................. 137 3 AQUECIMENTO.............................................................................................................................. 138 3.1 TEMPERATURA DE AQUECIMENTO................................................................................... 140 3.2 TEMPO DE PERMANÊNCIA ................................................................................................... 142 4 RESFRIAMENTO ............................................................................................................................ 143 RESUMO DO TÓPICO 1................................................................................................................... 144 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 145 TÓPICO 2 — DIAGRAMAS, TEMPO, TRANFORMAÇÃO E TEMPERATURA ................... 147 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 147 2 DIAGRAMAS TRANSFORMAÇÃO-TEMPO-TEMPERATURA ......................................... 147 3 MICROESTRUTURAS DO DIAGRAMA TTT ......................................................................... 149 3.1 PERLITA ....................................................................................................................................... 149 3.2 BAINITA ...................................................................................................................................... 150 3.3 ESFEROIDITA ............................................................................................................................. 152 3.4 MARTENSITA ............................................................................................................................. 153 4 RESFRIAMENTO CONTÍNUO .................................................................................................... 155 5 FATORES QUE AFETAM A POSIÇÃO DA CURVA TTT NOS AÇOS ................................ 158 RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 161 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 162 TÓPICO 3 — TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ............................................................ 165 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 165 2 RECOZIMENTO .............................................................................................................................. 165 2.1 RECOZIMENTO TOTAL OU PLENO ..................................................................................... 165 2.2 RECOZIMENTO EM CAIXA .................................................................................................... 167 2.3 RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DE TENSÕES .................................................................... 167 2.4 RECOZIMENTO SUBCRÍTICO OU ESFEROIDIZAÇÃO .................................................... 168 3 NORMALIZAÇÃO .......................................................................................................................... 169 4 TÊMPERA .......................................................................................................................................... 171 4.1 FATORES IMPORTANTES ........................................................................................................ 171 4.2 ENSAIO JOMINY ....................................................................................................................... 172 5 REVENIDO ....................................................................................................................................... 174 5.1 FRAGILIDADE AO REVENIDO .............................................................................................. 177 6 MARTÊMPERA ................................................................................................................................ 178 7 AUSTÊMPERA ................................................................................................................................. 179 8 PATENTEAMENTO ........................................................................................................................ 180 9 ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO .............................................................................. 181 9.1 TRATAMENTO TÉRMICO DE SOLUBILIZAÇÃO ............................................................... 182 9.2 TRATAMENTO TÉRMICO DE PRECIPITAÇÃO .................................................................. 182 LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 185 RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 188 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 190 REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 193 1 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de: • entender importâncias dos materiais na evolução da humanidade; • conhecer as classificações de materiais existentes; • apreender sobre as características e propriedades dos materiais de construção mecânica; • reconhecer a estrutura cristalina dos materiais metálicos. Esta unidade está dividida em quatro tópicos. No decorrer da unidade, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado. TÓPICO 1 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA TÓPICO 2 – MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS TÓPICO 3 – MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS TÓPICO 4 – ESTRUTURA DOS MATERIAIS METÁLICOS Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações. CHAMADA 2 3 TÓPICO 1 — UNIDADE 1 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 1 INTRODUÇÃO A História humana está intrinsicamente ligada ao desenvolvimento e avanço dos materiais de sua época. As eras passadas de civilizações mais antigas estão relacionadas aos tipos de materiais utilizados. A Figura 1 demonstra a evolução dos materiais utilizados com o passar das eras. FIGURA 1 – EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS DE ACORDO COM O PERÍODO DA HISTÓRIA FONTE: Adaptada de Gonçalves e Martins (2008, p. 3) A pré-história, por exemplo, está dividida em Idade da Pedra Lascada (Paleolítico), Idade da Pedra Polida (Neolítico) e Idade dos Metais (Ferro, Cobre e Bronze). Assim, desde o surgimento do Homo Habilis (homem habilidoso), acerca de 2,4 milhões de anos, o homem passou a produzir instrumentos a partir de diversos materiais, o diferenciando dos outros animais (SOPHIATI; HEUER, 2013). Como vimos, a evolução da humanidade como sociedade está ligada aos materiais, e é natural que o engenheiro, como um dos principais vetores dessa evolução, conheça a fundo os principais conceitos e aplicações dos mais diversos tipos de materiais. Neste tópico, abordaremos os principais materiaisutilizados para a construção mecânica e suas principais propriedades. UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 4 2 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Os materiais podem ser divididos em dois grandes grupos, como materiais metálicos ou não metálicos. Os materiais metálicos costumam se subdividir entre ferros e não ferrosos enquanto os materiais não metálicos são subdivididos em orgânicos ou não orgânicos. A Figura 2 ilustra esta classificação. FIGURA 2 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS FONTE: Silva e Avanzi (2011, p. 23) Além dessa classificação geral, é comum vermos os materiais sendo divididos em quatro grandes grupos, por apresentarem propriedades semelhantes entre si. E serão esses quatro grandes grupos que veremos a seguir: • materiais metálicos; • materiais cerâmicos; • materiais poliméricos; • materiais compósitos. Exatamente com base nessa classificação, é possível verificar uma tendência da utilização desses materiais com o passar dos anos e a evolução tecnológica desde a antiguidade até os dias atuais. Já comentamos sobre as eras da pré-história e história da humanidade e como esses materiais influenciaram esses períodos. Na figura a seguir, Ashby (2005) traça um paralelo temporal demonstrando a importância de cada tipo material com o passar dos anos. Importante salientar que a figura não está em escala linear, porém é facilmente perceptível a importância relativa que o material vem tendo ao longo dos anos. TÓPICO 1 — CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 5 FIGURA 3 – IMPORTÂNCIA RELATIVA DOS MATERIAIS AO LONGO DOS ANOS FONTE: Adaptada de Ashby (2005, p. 5) Como pode ser visualizado na Figura 3, os polímeros naturais e os materiais cerâmicos tiveram grande importância nos primórdios da humanidade. A partir da descoberta dos metais, sua importância, devido as suas propriedades, (que abordaremos mais à frente) foi aumentando gradualmente, quando teve seu ápice na década de 1950. É fácil observar que nos dias atuais, apesar da grande importância relativa que os metais ainda detêm, há um equilíbrio nessa escala de importância entre os demais tipos. Polímeros, compósitos e cerâmicos voltaram a ter destaque devido aos avanços tecnológicos, tendo sua importância reconhecida nas mais diversas aplicações. A seguir, veremos a principais propriedades e características de cada tipo de material, e poderemos discernir por que cada tipo de material possui propriedades únicas que os tornam essenciais em cada aplicação. 3 MATERIAIS METÁLICOS Ao falarmos de materiais para aplicação em construção mecânica, o primeiro que nos vem à mente são os materiais metálicos. Esse tipo de material tem características que o tornam o mais versátil para este tipo de aplicação. Shackelford (2008) nos traz um exemplo de um típico material metálico de construção, para elucidar as principais propriedades desta classe de material, o aço estrutural. O autor destaca justamente que se trata de um material forte, ou seja, possui uma boa resistência mecânica e é facilmente moldado à aplicação. Esse tipo de material também possui uma boa ductilidade, isso quer dizer que possui uma deformação extensa e permanente, diferentemente dos materiais vitrocerâmicos, que são extremamente frágeis, ou seja, não sofrem significativa deformação, não possuindo a fase plástica e sofrem ruptura brusca. O gráfico da Figura 4 demonstra exatamente a diferença desses dois tipos de comportamento. UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 6 FIGURA 4 – GRÁFICO TENSÃO X DEFORMAÇÃO PARA A) UM MATERIAL COM COMPORTAMENTO TIPICAMENTE FRÁGIL; E B) UM MATERIAL COM COMPORTAMENTO TIPICAMENTE DÚCTIL FONTE: O autor Os metais ainda se destacam por outra característica bastante importante, a facilidade de condução de energia, tanto térmica quanto elétrica, ou seja, são ótimos condutores de calor e eletricidade. Estas propriedades estão fundamentalmente associadas ao seu tipo de ligação, conhecida como ligações metálicas. Basicamente, esse tipo de ligação química apresenta subníveis de energia incompletos, onde os elétrons estão livres para transitar pela estrutura cristalina, esses elétrons livres das ligações metálicas formam o que é chamado de “nuvem de elétrons”. As ligações metálicas que ocorrem em metais também são responsáveis por boa parte das demais características, como ponto de fusão relativamente alto e densidade superior se comparado as demais ligações químicas. Com relação ao ponto de fusão, a verdade é que os metais apresentam uma ampla faixa de pontos de fusão, e isso dependerá da energia de ligação envolvida na ligação metálica. O mercúrio (Hg), por exemplo, é o único metal que existe na forma líquida à temperatura ambiente e pressão atmosférica, pois apresenta uma ligação metálica com baixa energia de ligação, de 68 kJ/mol tendo um ponto de fusão de -39 °C, por outro lado, nós temos o tungstênio, com energia de ligação de 850 kJ/mol e um ponto de fusão 3410 °C, sendo esse o metal de maior ponto de fusão e o segundo ponto de fusão mais alto entre os demais elementos, perdendo apenas para o carbono. Quais são os metais? Para isso, podemos dar uma olhada na Tabela Periódica dos elementos químicos da próxima figura. Nela, estão destacados os elementos metálicos. TÓPICO 1 — CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 7 FIGURA 5 – TABELA PERIÓDICA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS, COM DESTAQUE PARA ELEMEN- TOS METÁLICOS EM CINZA FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 4) Como é possível observar na Figura 5, os elementos metálicos são a maioria dos elementos presentes na tabela periódica dos elementos químicos, com aproximadamente 2/3 da quantidade de elementos existentes. Uma coisa que tem que ficar clara, elemento metálico é diferente de material metálico, afinal, a maioria dos materiais metálicos que utilizamos são o que chamamos de ligas metálicas, ou seja, é a junção de dois ou mais elementos, sendo pelo menos um deles, um elemento metálico, formando, assim, uma ligação metálica. O próprio aço é uma liga metálica, sendo composto de ferro (Fe) e carbono (C), mas esse é um assunto para outro tópico de outra unidade, em que abordaremos a fundo o diagrama Fe-C. Mais à frente, ainda, nesta unidade, abordaremos a estrutura e os defeitos presentes em metais. 8 Neste tópico, você aprendeu que: • A História humana está intrinsicamente ligada ao desenvolvimento e avanço dos materiais de sua época. • Os materiais estão divididos em quatro grandes grupos: o materiais metálicos; o materiais cerâmicos; o materiais poliméricos; o materiais compósitos. • Há um equilíbrio na escala de importância entre os quatro grupos e que cada material possui uma aplicação distinta devido as suas características. • As propriedades de cada material estão intimamente ligadas ao seu tipo de ligação atômica. • Elementos metálicos fazem parte da maioria dos elementos presentes na tabela periódica. • Nos materiais metálicos destacam-se a facilidade de condução de energia, tanto térmica quanto elétrica, sua boa resistência mecânica e boa ductilidade. RESUMO DO TÓPICO 1 9 1 Você aprendeu que os materiais evoluíram com a humanidade ao passar dos anos, devido aos avanços tecnológicos. Pode-se dividi-los em quatro grandes classes de materiais. Com base no exposto, analise as sentenças a seguir: I- Cerâmico. II- Metálicos. III- Poliméricos. IV- Compósitos. V- Plásticos. Assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) As sentenças I, II, III e IV estão corretas. b) ( ) As sentenças II, III, IV e V estão corretas. c) ( ) As sentenças I, III, IV e V estão corretas. d) ( ) As sentenças I, II, IV e V estão corretas. 2 Dentro das classes de materiais, temos os materiais metálicos que são combinações de elementos metálicos com outros elementos. Dessa forma, eles estão ligados por um tipo específico de ligações química. Que ligação é esta? Disserte sobre ela. 3 Estudamos a importância dos materiais no desenvolvimento da humanidade. Podemos dividir essesmateriais em metálicos e não metálicos. Nesse contexto, assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) Materiais metálicos apresentam tipicamente um comportamento de elevada resistência mecânica e elevada fragilidade, por isso são comumente aplicados como materiais para construção mecânica. b) ( ) Os materiais podem ser divididos em materiais metálicos e não metálicos, sendo que a maioria dos elementos presentes na tabela periódica são não metálicos. c) ( ) O aço estrutural é exemplo típico de um material não metálico. d) ( ) O comportamento tipicamente dúctil aliado a uma boa resistência mecânica e uma ampla faixa de pontos de fusão, são características dos materiais metálicos. AUTOATIVIDADE 10 11 TÓPICO 2 — UNIDADE 1 MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS 1 INTRODUÇÃO No tópico anterior, dividimos as matérias em quatro grandes classes, inclusive já falamos sobre uma delas. Neste tópico, abordaremos uma nova classe de material, que possui importância e aplicação desde os primórdios das espécies até aplicações sofisticadas nos dias de hoje, falaremos sobre os materiais cerâmicos. Por definição, cerâmicos são materiais inorgânicos e não metálicos, que possuem em sua composição elementos metálicos e não metálicos, podendo ser materiais cristalinos ou semicristalinos. 2 MATERIAIS CERÂMICOS Para entendermos melhor um material cerâmico, vamos pegar um exemplo clássico trazido por Shackelford (2008), o alumínio (Al). Sim, o alumínio é um material metálico comum, porém em contato com oxigênio do próprio ar atmosférico, ele sofre uma reação de oxidação, formando, assim, o óxido de alumínio (Al₂O₃), um material cerâmico. Esse óxido possui características comuns aos materiais cerâmicos, como estabilidade química a diversos meios, diferente do próprio alumínio que reage com o próprio ar atmosférico, além de uma elevada temperatura de fusão, 660 °C para o alumínio metálico enquanto o óxido de alumínio possui uma temperatura de fusão de 2020 °C. Nesse momento você pensa, alta temperatura de fusão e estabilidade química, posso utilizar este material em substituição ao alumínio em motores automotivos, certo? Não é bem por aí, precisamos analisar as outras propriedades deste material. O Al₂O₃, assim como comumente ocorre nos materiais cerâmicos em geral, é um material muito duro, resistente a altas temperaturas e com grande estabilidade química, porém extremamente frágil, o que o limita para muitas aplicações estruturais. Você se lembra do gráfico na Figura 4(a)? Pois bem, esse é comportamento típico de um material cerâmico, apresentando pouca ou nenhuma ductilidade. Suas características citadas anteriormente se devem à natureza de suas ligações químicas, de natureza iônica. Esse tipo de ligação química faz com que os materiais cerâmicos sejam ainda excelentes isolantes térmicos, sendo aplicados há resistores e capacitores com esta finalidade. 12 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS Uma classificação bastante comum dos materiais cerâmicos é dividi-los em 4 categoriais: cerâmicas vermelhas, cerâmicas brancas, vidros e cerâmicas especiais. A Figura 6 ilustra alguns tipos de materiais cerâmicos. FIGURA 6 – DIFERENTES TIPOS DE MATERIAIS CERÂMICOS FONTE: Silva e Avanzi (2011, p. 83) Como exemplo de cerâmicas vermelhas temos telhas e tijolos, e como exemplo de cerâmicas brancas temos azulejos, sanitários e porcelanas. Ambos os tipos detêm em sua composição silicatos hidratados de alumínio, como caulinita, haloisita, pirofilita e montmorilonita. A diferença de coloração provém da adição de óxido de ferro, que concede ao material uma coloração avermelhada (SILVA; AVANZI, 2011). Uma classificação mais ampla e bastante utilizada na indústria é classificar esses materiais com base em sua aplicação. A Figura 7 apresenta essa classificação. FIGURA 7 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS QUANTO A SUA CLASSIFICAÇÃO FONTE: Adaptada do Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 467) Para entender essa classificação quanto a sua aplicação, apresentada na Figura 7, é importante entendermos a estrutura desses materiais. TÓPICO 2 — MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS 13 4 ESTRUTURA DOS MATERIAIS CERÂMICOS Os materiais cerâmicos, em escala atômica, são bastante semelhantes aos metais, apresentando estrutura cristalina, com átomos ordenados formando um retículo cristalino, que se repete através de um padrão regular. Ao mudar o método de processamento desses materiais, podemos obter estruturas com arranjos não cristalinos, ou seja, não apresentam um ordenamento dos seus átomos (SHACKELFORD, 2008). A figura a seguir demonstra esses dois padrões de ordenamento. FIGURA 8 – COMPARAÇÃO EM ESCALA ATÔMICA DE UMA (A) CERÂMICA CRISTALINA E DE UM (B) VIDRO NÃO CRISTALINO. OS CÍRCULOS EM PREENCHIDOS EM PRETO APRESENTAM UM ÁTOMO METÁLICO ENQUANTO OS CÍRCULOS VAZADOS REPRESENTAM UM ÁTOMO NÃO METÁLICO FONTE: Shackelford (2008, p. 6) 4.1 VIDROS O arranjo atômico não cristalino, encontrado na Figura 8(b), é de um material de composição cerâmica, porém devido ao seu arranjo atômico irregular, recebem a nomenclatura de vidros. Os vidros compartilham a fragilidade presente nas cerâmicas, mas são importantes materiais de engenharia, por apresentaram a capacidade de transmissão de luz visível, além de radiação ultravioleta e infravermelho, aliando ainda a sua inércia química (SHACKELFORD, 2008). É importante destacar que os materiais vítreos não se solidificam da mesma maneira que os materiais cristalinos, pois não ocorre aquela mudança de fase abrupta em uma temperatura de fusão específica. Na verdade, o que ocorre é que os materiais vítreos, durante uma faixa de temperaturas, tornam-se cada vez mais e mais viscosos, transformando-se em um material sólido não cristalino. Para ilustrar esse entendimento, análise a figura a seguir. 14 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA FIGURA 9 – COMPORTAMENTO DO VOLUME ESPECÍFICO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA DOS MATERIAIS CRISTALINOS E NÃO CRISTALINOS FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 481) Ao observar a Figura 9, podemos perceber a diferença do comportamento do volume específico em relação à temperatura de ambos os tipos de materiais. Analisando o resfriamento de material cristalino, é possível perceber que ao atingir a temperatura de fusão (Tf), o material sobre uma queda robusta no seu volume específico, isso se deve a sua transformação de fase, pois nesse ponto material que antes estava no estado líquido, passa ao estado sólido exatamente neste ponto. Em materiais não cristalinos, não observamos esse comportamento em um único ponto, pois sua transição se dá durante uma faixa de temperatura, de Tf até se tornar um sólido amorfo, na sua temperatura de transição vítrea (Tv). Como explicado antes, esse comportamento se dá por o líquido super-resfriado (abaixo de sua temperatura de fusão) passa a ter um comportamento cada vez mais viscoso, até se transformar em vidro. 4.2 VITROCERÂMICOS Um material mais avançado, também proveniente das cerâmicas, é o que chamamos de vitrocerâmicos. Esses materiais são obtidos para certas composições de vidro, por exemplo, os aluminossilicatos de lítio, através de um tratamento térmico específico que consiste na cristalização controlada desses materiais, contendo fase vítrea residual e fase cristalina. Esses materiais vitrocerâmicos, muitas vezes atingem resistências mecânicas superiores às cerâmicas cristalinas tradicionais além de um baixo coeficiente de expansão térmica, sendo esses materiais muito utilizados em aplicações que exigem alta resistência mecânica aliado à resistência ao choque-térmico. A Figura 10 apresenta uma micrografia de um material vitrocerâmico. TÓPICO 2 — MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS 15 FIGURA 10 – MICROGRAFIA DE UM MATERIAL VITROCERÂMICO FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 469) O material vitrocerâmico apresentado na Figura 10 apresentaelevada resistência mecânica e alta tenacidade, isso se deve as partículas longas e aciculares que estão presentes no material em forma de lâmina. 4.3 CERÂMICAS REFRATÁRIAS Outra classe importante, amplamente utilizada da indústria, são os refratários, mas você sabe o que é um material refratário? Diante disso, podemos dizer que um material refratário precisa apresentar resistência a altas temperaturas e manter sua inércia química. Outra característica importante, que é muito desejada em materiais refratários, é o seu isolamento térmico, uma vez que sua aplicação se dá a elevadas temperaturas, é interessante que ele possua a capacidade de reter a energia em forma de calor dentro de um sistema, dificultando a troca de energia térmica com o meio externo. Refratário: se olharmos a definição no dicionário, encontraremos que é aquilo que resiste à ação física ou química. Trazendo essa definição para os materiais, podemos dizer que o material refratário é aquele que mantém suas propriedades mesmo a altas temperaturas, ou seja, ele mantém, não se funde nem se decompõe a elevadas temperaturas (caraterísticas físicas) e ainda se mantém não reativo (características químicas). IMPORTANT E 16 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA A aplicação de materiais refratários se dá principalmente no revestimento de fornos que necessitam atingir elevadas temperaturas, como no beneficiamento de materiais metálicos, na fabricação de vidros, em tratamentos térmicos metalúrgicos e na geração de energia (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016). A Tabela 1 apresenta a composição dos principais materiais refratários. TABELA 1 – COMPOSIÇÃO DE CINCO MATERIAIS REFRATÁRIOS COMUNS Tipo de Material Refratário Composição (%p) Porosidade Aparente (%)Al₂O₃ SiO₂ Mg Cr₂O₃ Fe₂O₃ Chão TiO₂ Argila Refratária 25-45 70-50 0-1 0-1 0-1 1-2 10-25 Argila Refratária com alto teor de alumina 90-50 10-45 0,1 0-1 0-1 1-4 18-25 Sílica 0,2 96,3 0,6 2,2 25 Periclásio 1,0 3,0 90,0 0,3 3,0 2,5 22 Minério periclásio- cromo 9,0 5,0 73,0 8,2 2,0 2,5 21 FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 470) O desempenho do material refratário depende em grande parte da sua composição. A porosidade é outra variável microestrutura que deve ser controlada para a produção de um refratário adequado. Para se ter uma ideia, muitas propriedades desejáveis em um material refratário aumentam com a diminuição da porosidade, como a resistência mecânica, a capacidade de suportar carga e a resistência ao ataque de materiais corrosivos. Em contrapartida, há aquelas propriedades desejáveis que melhoram com o aumento da porosidade, como o isolamento térmico e a resistência ao choque térmico. Nesse aspecto, é importante achar um valor ótimo, levando em conta as condições de serviço (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016). 4.4 CERÂMICAS ABRASIVAS As cerâmicas abrasivas são materiais que apresentam elevada dureza e resistência ao desgaste. Devido a essas propriedades, esses materiais são aplicados para desgastar, polir ou cortar outros materiais de menor dureza. Outra exigência importante para essa aplicação é a tenacidade, pois as partículas abrasivas não devem fraturar com facilidade. Outra característica importante é que devido ao atrito das forças abrasivas ocorre o aumento da temperatura em serviço desses materiais, dessa forma, é interessante que os materiais cerâmicos abrasivos apresentem certa refratariedade (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2016). A Figura 11 apresenta a microestrutura de um abrasivo cerâmico. TÓPICO 2 — MATERIAIS CERÂMICOS, VIDROS E VITROCERÂMICOS 17 FIGURA 11 – MICROGRAFIA DE UM MATERIAL ABRASIVO CERÂMICO À BASE DE ÓXIDO DE ALUMÍNIO AMPLIAÇÃO 100X FONTE: Callister Jr. e Rethwisch (2016, p. 470) Analisando a micrografia da Figura 11, é possível observar os grãos de óxido de alumínio (regiões claras), bem como a fase ligante e a porosidade (regiões cinzas e escuras, respectivamente). Diamantes são excelentes materiais abrasivos, porém seu custo inviabiliza alguns processos. Como alternativas mais comuns, Callister Jr. e Rethwisch (2016) citam a utilização de carbetos de silício ou tungstênio, óxido de alumínio e areais de sílica. 18 RESUMO DO TÓPICO 2 Neste tópico, você aprendeu que: • Os materiais cerâmicos apresentam baixa ou nenhuma deformação plástica, porém são materiais extremamente duros, ótimos isolantes térmicos, resistentes a altas temperaturas e com grande estabilidade química. • Os cerâmicos são divididos comumente em cerâmicas vermelhas, cerâmicas brancas, vidro e cerâmicas especiais, onde podemos encaixar os materiais vitrocerâmicos, que possuem a fase cristalina de um material cerâmico tradicional como a fase amorfa de um material vítreo. • Outra classificação mais ampla e bastante utilizada na indústria é classificar esses materiais com base em sua aplicação. • O vidro é um material de composição cerâmica e estrutura amorfa. • Materiais não cristalinos, como os vidros, não possuem uma temperatura específica de fusão, mas sim uma faixa de temperaturas, que começa a partir da temperatura de transição vítrea. 19 1 Você aprendeu que os materiais evoluíram com a humanidade ao passar dos anos, devido aos avanços tecnológicos. Hoje, é comum apresentá-los em quatro grandes classes. Com base nessa classificação, temos os materiais cerâmicos. Com relação aos materiais cerâmicos, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas: ( ) Materiais cerâmicos são excelentes condutores térmicos. ( ) Trata-se de um material dúctil, porém é resistente a altas temperaturas. ( ) São normalmente ótimos isolantes térmicos e resistentes a altas temperaturas. ( ) São materiais frágeis e inertes quimicamente. ( ) Um típico material cerâmico é resistente mecanicamente e deformável plasticamente. Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA: a) ( ) V – F – F – F – V. b) ( ) F – F – V – V – F. c) ( ) F – V – V – V – F. d) ( ) V – V – F – F – V. 2 Um material cerâmico é semelhante, em nível atômico, a um material metálico, pois trata-se de materiais cristalinos, com a diferença de que o tipo de ligação iônica presente em um material cerâmico permite a ele algumas propriedades, como resistência a altas temperaturas e elevada dureza e inércia química superior aos materiais metálicos. Apesar disso, explique por que os materiais cerâmicos não são utilizados em motores à combustão, por exemplo, no lugar dos materiais metálicos. 3 A composição química e a porosidade são importantes variáveis em materiais cerâmicos refratários. Explique de que forma o aumento ou diminuição da porosidade pode afetar as propriedades dos materiais refratários. 4 Os materiais cerâmicos são uma importante classe de materiais. Eles apresentam vantagens e desvantagens e seu uso irá depender da aplicação. Sobre as vantagens do uso de um material cerâmico refratário, assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) Alta ductilidade, baixo coeficiente de expansão térmica. b) ( ) Elevada resistência mecânica, alto coeficiente de expansão térmica. c) ( ) Elevado ponto de fusão, inércia química a altas temperaturas. d) ( ) Elevado coeficiente de expansão térmico, resistência ao choque térmico. AUTOATIVIDADE 20 21 TÓPICO 3 — UNIDADE 1 MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS 1 INTRODUÇÃO Até agora, vimos duas importantes classes de materiais, os cerâmicos e os metálicos. Esses materiais possuem suas distinções e semelhanças. Ambos possuem ponto de fusão elevado, certa dureza e boa resistência mecânica, porém diferem quanto à ductilidade, à maleabilidade e à condução de energia. Neste tópico, abordaremos outras duas importantes classes de materiais, que possuem características distintas dos materiais que vimos até agora. Falaremos sobre os materiais poliméricos e sobre os materiais compósitos. 2 MATERIAIS POLIMÉRICOS Os polímeros são outra importante classificação dentro dos tipos de materiais. A palavra “polímero” tem origem no grego, onde“poli” significa muitas e “mero” significa partes, fazendo essa junção, obtemos “muitas partes”. Isso porque polímeros são macromoléculas, ou seja, várias moléculas conectadas em uma cadeia principal. Ao analisar a cadeia principal de uma macromolécula de polímero, podemos ver várias unidades de repetição, chamamos essas unidades de meros, que são a unidade básica de repetição em uma cadeia polimérica. Essas unidades de repetição têm origem em um monômero, que é a molécula unitária para a produção de um polímero. Ficou complicado? Para elucidar esta definição, observe a figura a seguir. FIGURA 12 – MOLÉCULA DE POLIETILENO FONTE: Adaptada de: <https://bit.ly/3kf3QUU>. Acesso em: 29 jul. 2020. 22 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA O polímero apresentado na Figura 12 é uma molécula de polietileno. Como é possível observar, o monômero do polietileno é o etileno (C₂H₄), e após uma reação que chamamos de polimerização, ocorre a quebra da ligação dupla do etileno, gerando moléculas que irão se ligar entre si, formando os meros da cadeia polimérica, nesse caso, sua unidade de repetição é (C₂H₄-²)n. Essa unidade irá se repetir ao longo da cadeia polimérica formando assim uma macromolécula. Um polímero, visto do ponto de visto macroscópico, não apresenta unicamente uma cadeia polimérica, mas um emaranhado de cadeias poliméricas, para o caso citado anteriormente, observe a figura a seguir. FIGURA 13 – (A) A MOLÉCULA DE ETILENO DA ORIGEM AO (B) POLIETILENO, SENDO REPRE- SENTADO POR (C) EMARANHADO DE CADEIAS POLIMÉRICAS FONTE: Adaptada de <https://engenhariadeelite.files.wordpress.com/2015/09/polietileno.jpg>. Acesso em: 29 jul. 2020. Ao observar a Figura 13(c), você pode pensar que parece um prato de espaguete, e você não está errado. Essa analogia é comumente utilizada para definir boa parte das moléculas de polímeros, com suas longas cadeias emaranhadas. Você, certamente, a essa altura já deve se perguntar: os polímeros são o que chamamos de “plásticos”? A resposta é sim e não. Polímeros são uma definição bem mais ampla e está associada tanto a polímeros naturais quanto à polímeros sintéticos. Os polímeros naturais como a celulose, a borracha, as proteínas, entre outros são encontradas na natureza e são utilizados pela humanidade, como já vimos há milhares de anos. Já os polímeros sintéticos são aqueles criados artificialmente pelo homem, entre esses estão os plásticos, tintas, chicletes, entre vários outros. São esses polímeros sintéticos que revolucionaram o século XX, devido estarem muitas vezes associados a aplicações que necessitam de alta ductilidade, vieram justamente a ser substitutos, em algumas aplicações, dos metais, em que essa propriedade era requerida. Muitas vezes era alternativa mais leve e de menor custo (SHACKELFORD, 2008). Como vimos, polímeros são macromoléculas formadas a partir de um monômero, no entanto, é fácil de imaginar que as propriedades de um determinado polímero irão sofrer alterações dependendo do tamanho de sua molécula, como a sua massa molar (M). É exatamente essa massa molecular, um TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS 23 fator muito importante ao analisarmos a aplicação para determinado polímero. Polímeros que possuem o mesmo monômero, porém apresentam maior massa molecular, podem ser usados em diferentes aplicações, pois têm suas propriedades melhoradas (por exemplo, sua temperatura de transição vítrea), como podemos ver na Figura 14 apresentada por Canevarolo Jr. (2006). FIGURA 14 – COMPORTAMENTO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DE UM POLÍMERO EM FUNÇÃO DE SUA MASSA MOLAR FONTE: Canevarolo Jr. (2006, p. 21) Em síntese, podemos dizer que para obtermos um aumento de propriedades em um determinado polímero, precisamos obter um polímero de maior massa molar. O exemplo mais clássico é o próprio polietileno (PE), que pode ainda ser dividido em polietileno de baixa densidade (PEBD) ou polietileno de alta densidade (PEAD). Esse último, quando apresentar uma cadeia ainda mais extensa, pode ser classificado como polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM). O PEUAPM possui propriedades muito mais elevadas que os demais polietilenos, com peso molar superior a 1 milhão de gramas por mol, podendo chegar até 12 milhões de grama por mol. Sendo considerado um polímero de engenharia, pode ser aplicado nas mais diversas situações que envolvem desde revestimentos industriais até reforço em materiais compósitos na forma de fibras de altíssima resistência (SUZUKI, 2009). 2.1 ESTRUTURA MOLECULAR DOS POLÍMEROS A cadeia principal de um polímero é formada por várias unidades de repetição, essas unidades estão ligadas por meio de ligações atômicas fortes. Essas ligações intramoleculares (dentro de uma molécula, nesse caso, uma macromolécula) são do tipo covalente. Já as ligações entre as moléculas, ou seja, entre as diversas cadeias de um polímero, são ligações secundárias fracas, também chamadas de ligações intermoleculares (CANEVAROLO JR., 2006). As ligações covalentes, comuns em polímeros, envolvem o compartilhamento de dois elétrons entre os átomos, sendo caracterizadas por curtas distâncias e altas energias. Importante ressaltar que esse tipo de ligação pode ocorrer tanto na cadeia principal (CP) quando em ligações de grupos laterais (GL), que são aqueles polímeros que apresentam ligações laterais ao eixo principal. A Tabela 2 apresenta algumas ligações bastante comuns em polímeros, bem como suas respectivas energias de ligação. 24 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA TABELA 2 – LIGAÇÕES COVALENTES COMUNS EM POLÍMEROS Ligação Energia de ligação (Kcal/mol) Estabilidade da ligação com relação à C-C Distância de ligação (Å) Exemplo de polímero Posição da ligação C≡N 213 1,16 PAN GL C≡C 194 1,20 C=O 171 1,23 Poliéster GL C=N 147 1,27 CP, GL C=C 147 1,34 Polidienos CP, GL C-F 120 1,35 Polifluorados GL C=S 114 1,71 O-H 111 0,96 Polióis GL C-H 99 1,09 PE GL N-H 93 1,01 Náilons GL Si-O 88 1,64 Siliconas CP C-O 84 1,43 Poliéster CP, GL C-C 83 1 ,54 Polietileno PE CP S-H 81 1,35 C-C1 79 1,77 PVC GL C-N 70 1,47 Náilons CP C-Si 69 1,87 Silicona GL C-S 62 1,81 Borracha vulcanizada S GL S-S 51 2,04 Ponte de S GL O-O 33 1,48 Peróxidos CP FONTE: Adaptada de Canevarolo Jr. (2013, p. 37) Com base na Tabela 2, é possível ver que as ligações que estão acima da ligação C-C (bastante comum em uma cadeia polimérica) são mais estáveis, ou seja, apresentam maior energia de ligação. Em contrapartida, as ligações que estão mais abaixo, são mais fracas, consequentemente menos estáveis. Vale também destacar que a energia de ligação é inversamente proporcional à distância de ligação, isso quer dizer que quanto menor a distância de ligação, maior será a energia envolvida naquela ligação atômica. 2.2 TIPOS DE CADEIAS As cadeias em um polímero podem se apresentar de três tipos: lineares, ramificadas e com ligações cruzadas. A figura a seguir ilustra estes três tipos. M ai s es tá ve is M ai s in st áv ei s TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS 25 FIGURA 15 – TIPOS DE CADEIAS POLIMÉRICAS FONTE: Adaptada de <https://docplayer.com.br/12661874-Estrutura-molecular-de-polimeros.html>. Acesso em: 29 jul. 2020. As cadeias lineares são aquelas por apenas uma cadeia principal. Já as cadeias ramificadas possuem prolongamentos originados de sua cadeia principal, que podem ser tanto constituídas dos mesmos monômeros da cadeira principal, quando por outros meros, resultados de uma copolimerização. As cadeias com ligações cruzadas são cadeias poliméricas que estão ligadas entre si, essas ligações entre cadeias acabam impedindo o livre deslizamento das cadeias. FIGURA 16 – EXEMPLO DE COPOLÍMERO FONTE: <https://s1.static.brasilescola.uol.com.br/img/2013/06/abs.jpg>. Acesso em: 29 jul. 2020. Você sabe o que é um copolímero? No processo de polimerização, temos o que chamamos de homopolímeros e copolímeros. Os homopolímeros são polímeros de adição que possuemo mesmo monômero da cadeia principal, já os copolímeros destacam-se por apresentarem monômeros diferentes na cadeia principal, podendo estar dispostos de maneira aleatória ou regular. O ABS é um exemplo de copolímero, pois apresenta três monômeros diferente, a acrilonitrila, o butadieno e o estireno. Veja a estrutura molecular do ABS na Figura 16. IMPORTANT E 26 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS POLIMÉRICOS Existem inúmeras maneiras de se classificar materiais poliméricos, nós já vimos uma delas, que são os polímeros naturais ou sintéticos, nessa classificação há ainda aqueles que podemos classificar como semissintéticos, que são resultados do processamento químico de polímeros naturais, objetivando a melhoria de suas propriedades para aplicações mais nobres. Um exemplo de polímero semissintético é a partir do amido de que se podem fabricar dextrinas ou borracha hidrogenada (BECERRA, 2015). Outras classificações são possíveis. Veremos, a seguir, as classificações quanto à estrutura química, quanto ao modo de preparação, quanto ao comportamento mecânico e quanto ao desempenho mecânico. 2.4 CLASSIFICAÇÃO QUANTO À ESTRUTURA QUÍMICA Nesta classificação, podemos dividir os polímeros em dois grandes grupos, os polímeros de cadeia carbônica e os polímeros de cadeia heterogênea. No caso dos polímeros de cadeia heterogênea, eles apresentam na cadeia principal além do carbono, outro átomo, denominado heteroátomo. Entre os heteroátomos mais comuns estão o oxigênio, o nitrogênio, o enxofre, o silício, entre outros (CANEVAROLO JR., 2013). São exemplos de polímeros de cadeia carbônica: Poliolefinas; Dienos; Estirenos; Acrílicos; Clorados; Fluorados; Polivinil ésteres poli (fenol- formaldeído). São exemplos de polímeros de cadeia heterogênea: Poliéteres; Poliésteres; Policarbonato; Poliamidas; Poliuretanos; Aminoplásticos; Derivados da celulose; Siliconas. • Quanto ao modo de preparação Os materiais poliméricos frequentemente podem ser classificados quanto ao seu método de obtenção. Nessa classificação, eles podem ser divididos em polímeros de adição e polímeros de condensação. Para os polímeros de adição, não há perda de massa durante a polimerização, ou seja, ocorre a conversão total de todos os elementos (monômeros) envolvidos no processo. Em suma, o peso do polímero formado é a soma do peso de todos os monômeros adicionados no processo de polimerização (CANEVAROLO JR., 2013). Polímeros de adição são normalmente de cadeia carbônica, e temos como exemplos o PE, PP, PMMA etc. A Figura 17 demonstra a polimerização por adição do PMMA, onde ocorre a quebra a ligação dupla entre os carbonos do metilacrilato de metila, permitindo a produção do polimetilacrilato de metila (PMMA) por adição. TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS 27 FIGURA 17 – POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO DO PMMA FONTE: Adaptada de <https://www.vestibular.uerj.br/wp-content/uploads/2019/02/2019_ED_ Quimica.pdf>. Acesso em: 5 ago. 2020. Os polímeros de condensação possuem um processo de polimerização diferente, na polimerização por condensação, ocorre a reação de dois grupos funcionais com a eliminação de moléculas de baixo peso molecular. Como exemplo desse tipo de reação, Canevarolo Jr. (2013) cita a polimerização do poli (hexametileno adipamida), conhecido como náilon 6,6, em que ocorre uma condensação em meio aquoso, em que ocorre a reação do hexametileno diamina com o ácido adípico, resultando no sal de náilon 6,6 e a eliminação de água, essa reação pode ser observada na figura a seguir. FIGURA 18 – OBTENÇÃO DO SAL DE NÁILON 6,6 POR CONDENSAÇÃO FONTE: Canevarolo Jr. (2013, p. 52) O processo é polimerização é uma reação química responsável pela junção de uma grande de número de moléculas (monômeros), produzindo assim uma macromolécula (polímero). IMPORTANT E 28 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA O sal obtido, que é insolúvel em água, é retirado, secado e polimerizado em altas temperaturas, de modo a obter-se o náilon 6,6. 2.5 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICO Os polímeros são classificados quanto ao comportamento mecânico em três grandes grupos: plásticos, elastômeros e fibras. Os plásticos, que são materiais poliméricos sólidos à temperatura ambiente, apresentam uma subdivisão, em termoplásticos e termofixos. Termoplásticos: são polímeros que podem ser moldados sob condições específicas de temperatura e pressão. Eles possuem cadeias lineares ou ramificadas, que após receber certa quantidade de energia térmica ou pressão suficiente, acabam ficando livres para se movimentar (deslizar) e moldar-se à forma desejada, ficando novamente rígidos à temperatura ambiente. O processo de aplicação de temperatura e pressão mais de uma vez, sendo, neste caso, polímeros recicláveis (CANEVAROLO JR., 2013). Podemos citar como exemplo de termoplásticos o polietileno (PE) e o policloreto de vinila (PVC). Na tabela a seguir, são apresentados os principais termoplásticos encontrados, suas características e aplicações. TABELA 3 – PRINCIPAIS TERMOPLÁSTICOS, CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES Nome Características Aplicações Acrilonitrila- butadieno- estireno (ABS) Excelente resistência mecânica, dureza. Forro para refrigeradores, equipamentos para jardinagem. Acrílico Extremamente transparente; propriedades mecânicas razoáveis. Lentes, janelas transparentes de aeronaves, material de desenho. Polietileno (PE) Resistência química; isolante elétrico; boa dureza; coeficiente de atrito relativamente baixo. Brinquedos, garrafas flexíveis, copos, bandejas de gelo, embalagens, baldes, sacos de lixo, sacos de embalagens. Polipropileno (PP) Resistência à distorção a quente e à fadiga; quimicamente inerte; relativamente barato; pouca resistência à luz ultravioleta. Embalagens de filmes, gabinetes de TV, malas, cadeiras, poltronas, para- choques de automóveis. TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS 29 Poliestireno (PS) Excelentes propriedades elétricas e ópticas; boa estabilidade térmica e dimensional; relativamente barato. Caixas de bateria, aplicações domésticas, brinquedos, painéis luminosos, materiais descartáveis. Poliéster Um dos filmes plásticos mais resistentes; resistência à fadiga, rasgo, umidade, ácidos, graxas, óleos solventes. Gravações magnéticas, roupas, automóveis, recipientes para bebidas. FONTE: Adaptada de Silva e Avanzi (2011, p. 80) Termofixos ou termorrígidos: são polímeros endurecidos por calor, que após aplicação de temperatura ou pressão, amolecem e fluem em um molde. No entanto as ligações que se formam durante a cura são ligações cruzadas, e pela natureza dessas ligações entre cadeias, após o endurecimento desses polímeros, não podem ser mais moldados por temperatura e pressão, permanecendo rígidos. Epóxi, baquelite e poliéster são exemplos de polímeros termofixos. A Tabela 4 traz as principais características e propriedades dos termofixos mais comuns. TABELA 4 – PRINCIPAIS TERMOFIXOS, PROPRIEDADES E APLICAÇÕES Nome Características Aplicações Epóxi Excelentes combinações entre propriedades mecânicas e resistência à corrosão; boa adesão; relativamente barato; boas propriedades elétricas. Moldes elétricos, tintas protetoras. Poliéster Excelentes propriedades elétricas; baixo custo; pode ser usado em altas temperaturas. Capacetes, ventiladores, barcos de fibra de vidro, componentes para automóveis, cadeiras. FONTE: Adaptada de Silva e Avanzi (2011, p. 81) Elastômeros: Canevarolo Jr. (2013) define elastômeros como polímeros que possuem um alto grau de deformação à temperatura ambiente, podendo deformar-se até duas vezes o seu comprimento original e voltar ao seu tamanho inicial após ser retirado o esforço de deformação. Podemos citar a borracha vulcanizada como exemplo de elastômero. Silva e Avanzi (2011) destacam as principais características encontrados em elastômeros: 30 UNIDADE 1— MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA • Grande elasticidade. • Pequena rigidez (pequenas tensões para grandes deformações). • Alta resiliência (restituição da energia recebida com baixa perda). Fibras: as fibras nada mais são que termoplásticos orientados no sentido longitudinal. Para ser considerado fibra, é necessário satisfazer a condição geométrica de comprimentos por diâmetro maior que 100 (L/D > 100). Essa orientação preferencial das fibras aumenta a resistência mecânica no sentido longitudinal em que estão dispostas. Exemplo de fibras são a poliacrilonitrila (PAN), nylons e poliéster (CANEVAROLO JR., 2013). 2.6 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO DESEMPENHO MECÂNICO Esta classificação é bastante importante em termos de construção mecânica, pois ela leva em conta justamente o desempenho mecânico do polímero quando usado como peça. Canevarolo Jr. (2013), demonstra essa divisão em quatro categorias. • Termoplásticos convencionais Os termoplásticos convencionais, chamados de commodities, são polímeros de fácil processamento com alta produção acarretando baixo custo e possuem baixa exigência mecânica. Essa categoria corresponde à cerca de 90% do total de produção de polímeros no mundo. Entre os termoplásticos convencionais, temos o poliestireno (PS) e o PVC. • Termoplásticos especiais A categoria de termoplásticos especiais engloba polímeros com propriedades melhores com custos levemente superior. Como exemplo temos o copolímero de estireno-acrilonitrila (SAN) e os homopolímeros de politetrafluoro- etileno (PTFE) e polimetacrilato de metila (PMMA). No PTFE, também conhecido pelo seu nome comercial Teflon, possui alta estabilidade térmica e química. Já para o PMMA e SAN, a propriedade normalmente desejada é a alta transparência. • Termoplásticos de engenharia Para esta categoria, temos polímeros aplicados em alguns dispositivos mecânicos, como engrenagens e componentes automobilísticos, onde é desejado que o polímero tenha excelente estabilidade dimensional, alta resistência mecânica e boa tenacidade. Nesta categoria, temos como exemplo as poliamidas (náilons), os poliésteres termoplásticos (Polietileno-Tereftalato – PET e Polibutileno- Tereftalato – PBT) o ABS e as aramidas (que são uma família de polímeros derivada do náilon, incluindo Nomex e Kevlar). TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS 31 • Termoplásticos de engenharia especiais Os termoplásticos especiais de engenharia são utilizados em aplicações de alta temperatura, para isso, são utilizados polímeros com muitos anéis aromáticos na cadeia principal, aumentando sua estabilidade térmica. Nessa categoria, temos polímeros com adição de enxofre, como as polisulfonas e o polisulfeto de fenileno (PPS), as poliimidas e o polieter-eter-cetona (PEEK). A figura a seguir apresenta o monômero do PEEK com seus anéis aromáticos na cadeia principal. FIGURA 19 – MONÔMERO DE PEEK FONTE: Ketterman (2016, s.p.) O PEEK é muito utilizado em implantes ortopédicos devido a sua boa resistência à abrasão, baixo coeficiente de atrito e boa biocompatibilidade (EVANS; GREGSON, 1998; SANTOS, 2017). Outras aplicações do PEEK é em compósitos na indústria aeroespacial e na produção de ferramentas de alto desempenho para a perfuração de poços na indústria petrolífera (KETTERMANN, 2016). 3 MATERIAIS COMPÓSITOS Os materiais compósitos compreendem uma importante classe dentro dos materiais, não se trata de uma nova classificação, mas de uma mescla de dois tipos de materiais diferentes, aliando dessa maneira propriedades inerentes a cada uma das classes em questão. Não confunda o polímero ABS com o sistema de freios ABS, pois siglas com significados diferentes. O polímero ABS já vimos que é a junção dos três monômeros que o constituem: a acrilonitrila (A), o but-1,3-dieno (B), e o estireno (S, do inglês styrene). Já o sistema de freios ABS vem do inglês anti-lock braking system. Apesar do polímero ABS também possuir aplicação na indústria automobilística, como nos painéis dos automóveis, são duas definições totalmente diferentes. ATENCAO 32 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 3.1 COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRA Um exemplo bastante comum de um material compósito é a fiberglass (fibra de vidro). Esse material fibroso atua como reforço e está disposto em uma matriz polimérica, deste modo, ele apresenta a alta resistência mecânica proveniente das fibras e a boa ductilidade devido a sua matriz polimérica. A Figura 20 apresenta uma microscopia de um compósito de fibra de vidro. FIGURA 20 – COMPÓSITO DE FIBRA DE VIDRO FONTE: Adaptada de Shackelford (2008) Os compósitos por fibra-vidro são utilizados para uma gama de aplicações, podendo ter propriedades diferentes dependendo do polímero utilizado como matriz e do tipo fibra de vidro utilizado. A Tabela 5 descreve a composição de fibras de vidros mais comuns e suas características. TABELA 5 – COMPOSIÇÃO DE FIBRAS DE VIDRO COMUNS Nome Característica Composição (% p) SiO₂ Al₂O₃ + Fe₂O₃ CaO MgO Na₂O K₂O B₂O₃ TiO₂ ZrO₂ Vidro-A Sílica de cal de soda comum 72 <1 10 14 Vidro-AR Resistente a bases alcalinas (para reforço de concreto) 61 <1 5 <1 14 3 7 10 Vidro-C Resistente à corrosão química 65 4 13 3 8 2 5 TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS 33 Vidro-E Composição elétrica 54 15 17 5 <1 <1 8 Vidro-S Alta resistência e alto módulo 65 25 10 FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 316) Dentre os tipos de vidro utilizados para a produção da fibra, podemos destacar como mais utilizado, o vidro-E, em que a letra E vem de tipo elétrico, pois apresenta pouco sódio em sua composição, ocasionando uma baixa condutividade elétrica, além de apresentar durabilidade química proveniente de sua composição de borossilicato (SHACKELFORD, 2008). As fibras ainda podem estar dispostas de três maneiras distintas na matriz polimérica, podendo ser: • Fibras contínuas. • Fibras curtas. • Tecido tramado. A Figura 21 ilustra essas três configurações. FIGURA 21 – TRÊS CONFIGURAÇÕES DE FIBRA COMUNS PARA REFORÇO DE COMPÓSITO: (A) FIBRAS CONTÍNUAS, (B) FIBRAS CURTAS E (C) TECIDO TRAMADO FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 317) Ao observar a figura anterior, é preciso fazer algumas observações com relação ao acréscimo de resistência mecânica obtido pela fibra de vidro. É importante salientar que temos uma resistência mecânica maior obtidas para fibras alinhadas e contínuas. No entanto, essa resistência só é máxima na direção paralela ao eixo das fibras, ou seja, a resistência mecânica para este tipo de fibra é altamente anisotrópica, ela irá variar conforme a direção de aplicação da carga. Já para as demais configurações, temos uma melhor distribuição das direções das fibras, em que temos então uma isotropia da resistência mecânica, sendo esta a mesma em todas as direções. A Tabela 6 apresenta uma relação dos materiais mais comuns utilizados como matriz polimérica para fibra vidro. 34 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA TABELA 6 – COMPOSIÇÃO DE FIBRAS DE VIDRO COMUNS Polímero Características e aplicações Termofixos Epóxis Alta resistência (para recipientes feitos por bobinagem) Poliésteres Para estruturas gerais (normalmente, reforço de tecido) Fenólicos Aplicações em altas temperaturas Silicones Aplicações elétricas (por exemplo, placas de circuito impresso) Termoplásticos Náilon 66 Policarbonato Poliestireno Menos comuns, ductilidade especialmente boa FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 317) 3.2 MADEIRA – COMPÓSITO NATURAL Claramente, os materiais compósitos não foram nenhuma invenção humana, na verdade eles estão na Terra muito antes de nós, e o maior exemplo disso é da madeira. A madeira é um compósito natural reforçado com fibras e pode ser dividido em dois grupos, as madeiras moles e as madeiras duras. Apesar das madeiras moles apresentarem uma relativa menor resistência mecânica, essa diferenciação se dá em virtude de sua sazonalidade. As madeiras moles provêm de plantas perenes,com folhas tipo agulha e sementes expostas, já madeiras duras provêm de plantas decíduas, que perdem suas folhas anualmente e possuem sementes cobertas (SHACKELFORD, 2008). A Figura 22 apresenta uma representação esquemática da microestrutura de uma madeira mole. TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS 35 FIGURA 22 – (A) FIGURA ESQUEMÁTICA DA MICROESTRUTURA DE UMA MADEIRA MOLE. AS CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS SÃO: TT, FACE DA SEÇÃO TRANSVERSAL; RR, FACE RADIAL; TG, FACE TANGENCIAL; AR, ANEL ANUAL; S, MADEIRA PRECOCE (PRIMAVERA); SM, MADEIRA TARDIA (VERÃO); WR, RAIO DA MADEIRA; FWR, RAIO FUSIFORME DA MADEIRA; VRD, DUTO VERTICAL DE RESINA; HRD, DUTO HORIZONTAL DE RESINA; BP, PONTUAÇÕES AREOLADAS; SP, PONTUAÇÕES SIMPLES; E TR, TRAQUEÍDES. (B) MICROGRAFIA ELETRÔNICA DE VARREDU- RA MOSTRANDO A MICROESTRUTURA DO PINHO-DO-SUL (A 45X) FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 320) A microestrutura de uma madeira é semelhante à de um compósito sintético, cuja madeira apresenta algumas células radiais e outras longitudinais, em que as paredes da célula são compostas por celulose. Nas madeiras, são essas células que fazem o papem da fibra de vidro que vimos anteriormente, sendo responsável pela resistência mecânica do compósito. Essas células estão imersas em uma matriz de lignina e hemicelulose, cuja lignina é um polímero em rede de fenol-propano e a hemicelulose é a celulose polimérica (SHACKELFORD, 2008). A Figura 23 demonstra a macroestrutura da madeira. FIGURA 23 – MACROESTRUTURA DA MADEIRA FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 320) Analisando ao Figura 23, é fácil observar que a madeira, assim como nas fibras de vidro longitudinais, apresenta uma anisotropia em sua macroestrutura, dessa forma, a resistência mecânica máxima de um compósito de madeira está orientado conforme o eixo de suas fibras longas e longitudinais. Vale destacar que as propriedades mecânicas da madeira sofrem influência do nível de umidade atmosférica. 36 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA 3.3 COMPÓSITOS AVANÇADOS Os chamados compósitos avançados incluem os materiais que possuem um reforço diferente da fibra de vidro tradicional, tendo avançado muito após a Segunda Guerra Mundial e com corrida espacial dos anos 1960. Para compósitos de matriz polimérica, podemos citar os materiais produzidos com reforços de fibra de carbono e com poliparafenileno tereftalamida P (PPD-T), também conhecido comercial como Kevlar. As fibras de carbono possuem diâmetros que variam entre 4 a 10 μm (SHACKELFORD, 2008). Os polímeros termofixos são os mais tradicionais usado como matriz, como epóxis e poliésteres. Shackelford (2008) destaca que os polímeros reforçados com fibras de C e Kevlar são utilizados em aplicações de vasos de pressão. As matrizes de PEEK e PPS, por apresentarem resistência a altas temperaturas, são comumente utilizadas em aplicações aeroespaciais, com o reforço de fibra de C. Claro que, apesar de bastante usual, não existem apenas compósitos de matriz polimérica. A Tabela 7 apresenta alguns sistemas de matriz/reforço de alguns compósitos avançados. TABELA 7 – COMPOSIÇÃO DE FIBRAS DE VIDRO COMUNS Tipo Fibra/Matriz Matriz polimérica Para-aramida (Kevlar)/epóxi Para-aramida (Kevlar)/poliéster C (grafite)/epóxi C (grafite)/poliéster C (grafite)/poliéter-éter-cetona (PEEK) C (grafite)/sulfeto de polifenileno (PPS) Matriz metálica B/Al C/Al Al₂O₃/Al Quer mais um exemplo de material compósito estrutural natural e extremamente importante? Uma dica é um material composto por cerca 43% em peso de um material cerâmico chamado hidroxiapatita e 36% em peso de colágeno, que é um polímero natural, além de líquidos viscosos. Bom, talvez agora você já tenha adivinhado! Se não, vai mais uma dica, faz parte do corpo humano! Acho que agora ficou fácil, não é?! Isso mesmo, o osso natural é um compósito e este material é considerado um dos principais materiais de construção da natureza devido as suas propriedades mecânicas adequadas aliadas à sua capacidade de se reparar e remodelar. INTERESSA NTE TÓPICO 3 — MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS 37 Al₂O₃/Mg SiC/Al SiC/Ti (ligas) Matriz cerâmica Nb/MoSi₂ C/C C/SiC SiC/Al₂O₃ SiC/SiC SiC/Si₃N₄ SiC/Li–Al–silicato (vitrocerâmica) FONTE: Adaptada de Shackelford (2008, p. 318) Os compósitos de matriz metálica são utilizados em aplicações que as condições de temperatura, condutividade e esforço mecânico são demandadas, e as matrizes de polímero não conseguiriam desempenhar sua função. Shackelford (2008) cita o exemplo da matriz metálica de alumínio, que quando reforçada com boro, é utilizada em ônibus espacial e ao ser reforçada com carbono, é utilizada no telescópio Hubble. Não menos importantes, os compósitos de matriz cerâmica são utilizados em aplicação que se exigem uma resistência superior a elevadas temperaturas, como o compósito carbono-carbono, que possui alto módulo de elasticidade e alta resistência mecânica. Esse material está utilizado em aplicações espaciais como blindagens protetivas para veículos de reentrada e também em automóveis de alto desempenho, como materiais resistentes à fricção (SHACKELFORD, 2008). 3.4 COMPÓSITOS AGREGADOS Outro tipo de material compósito que é importante mencionar, são dos compósitos agregados. Afinal, nem todos os compósitos são produzidos com reforço de fibras, alguns compósitos são reforçados com partículas, esse é o caso dos compósitos agregados, em que podemos citar o concreto como exemplo. A Figura 24 mostra a macroestrutura do concreto. FIGURA 24 – MACROESTRUTURA DE CONCRETO FONTE: Mehta e Monteiro (1994, p. 22) 38 UNIDADE 1 — MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA O concreto é produzido por dois particulados distintos, a brita, que é denominada o agregado grosso, e areia, que é o agregado fino, tudo isso envolto em uma matriz de aluminossilicato de cálcio, que é o famoso cimento. Esse cimento, para o concreto moderno, é o cimento Portland. A matriz é formada pela adição de água ao pó de cimento e essa reação de hidratação complexa é que endurece o cimento e produz a ligação química da matriz com as partículas agregadas (SHACKELFORD, 2008). 39 RESUMO DO TÓPICO 3 Neste tópico, você aprendeu que: • Os materiais poliméricos são macromoléculas que se repetem em uma longa cadeia polimérica. • As propriedades de um polímero aumentam de acordo com o acréscimo de sua massa molar. • As ligações químicas em uma cadeia polimérica são fortes do tipo covalente enquanto as ligações entre cadeias são ligações fracas. • Polímeros podem ser tanto naturais como sintéticos e podem ser classificados de diversas formas, tanto pela estrutura química, quanto ao modo de preparação, quanto ao comportamento mecânico e quanto ao desempenho mecânico. • Materiais compósitos são uma mescla de dois tipos de materiais diferentes. • A madeira e o osso natural são exemplos de materiais compósito estruturais produzidos pela natureza. • Compósitos são formados por uma matriz e um reforço, que pode ser muitas vezes fibroso ou particulado. • As matrizes podem ser tanto de origem polimérica, metálica ou cerâmica. 40 1 Você aprendeu que os materiais evoluíram com a humanidade ao passar dos anos, devido aos avanços tecnológicos. Hoje, é comum apresentá-los em quatro grandes classes. Sobre a classificação dos tipos de materiais e as suas principais propriedades, associe os itens, utilizando o código a seguir: I- Cerâmico. II- Metálico. III- Polimérico. IV- Compósito ( ) Excelente condutor térmico e elétrico. ( ) Ótimo isolante térmico e resistente à altas temperaturas. ( ) Material dúctil porém não resistente à altas temperaturas. ( ) Material frágil e inerte quimicamente. ( ) Material resistente mecanicamente e deformável plasticamente. ( ) Material que possui em sua composição mais de um tipo de material. ( ) O aumento de sua massa molecular provoca aumento em suas propriedades. ( ) Normalmente reforçado por fibras ou materiais particulados.
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