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MATERIAIS ELÉTRICOS Elmo Dutra Propriedades gerais dos materiais Objetivos de aprendizagem Ao final deste capítulo, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Interpretar as características gerais dos materiais. � Analisar a classificação básica dos materiais. � Relacionar as características essenciais de cada grupo de materiais. Introdução Você já percebeu que os materiais raramente atendem a todos os requisi- tos técnicos necessários ao desenvolvimento de um bom produto final? Mas então como escolher dentre tantas opções? A sua escolha para uma determinada aplicação, normalmente, deve ser justificada pelas diversas propriedades de interesse que estes materiais apresentam, como: elétricas, magnéticas, físicas, mecânicas, térmicas e químicas, além do seu custo. É importante conhecer bem essas propriedades, para que, assim, você possa analisar de forma criteriosa quais materiais utilizar. Para saber mais sobre este assunto, leia o capítulo Propriedades gerais dos materiais, da obra Materiais Elétricos, que, além de abordar as propriedades gerais dos materiais e sua classificação básica, também destaca as características essenciais de cada grupo, algo essencial para sua formação. Características gerais dos materiais Segundo Smith e Hashemi (2012), a vasta quantidade de materiais atualmente existente torna o conhecimento desses materiais cada vez mais importante para o engenheiro, em qualquer que seja a sua área de atuação. O conhecimento dos materiais é uma ciência que estuda as suas compo- sições, estruturas internas e propriedades, e também a regularidade de suas alterações sob influência térmica, química ou mecânica. Os materiais raramente atendem a todos os requisitos técnicos necessários ao desenvolvimento de um bom produto final e sua escolha para uma deter- minada aplicação é normalmente justificada pelas diversas propriedades de interesse que apresentam, tais como elétricas, magnéticas, físicas, mecânicas, térmicas e químicas, além do seu custo. Logo, essas propriedades devem ser consideradas para proceder-se uma análise criteriosa de quais materiais utilizar e quais substituir, e as escolhas devem recair naqueles com características mais vantajosas. A Figura 1 ilustra uma aeronave espacial. Figura 1. Aeronave espacial. Fonte: Computer Earth/Shutterstock.com. Propriedades elétricas Segundo Brigatto (2017), quando submetidos a campos elétricos, os materiais desempenham determinados comportamentos que definem suas propriedades elétricas e os classificam dentro das três classes caracterizadas por esses de- sempenhos: condutores, semicondutores e isolantes. As propriedades elétricas de maior interesse são: Propriedades gerais dos materiais2 � Condutividade elétrica: quantifica a maior ou menor disponibilidade do material em permitir um fluxo ordenado de cargas livres por seu meio (a chamada corrente elétrica) quando é submetido a uma dife- rença de potencial (a chamada tensão elétrica). Essa quantificação pode ser também descrita pela oposição a esse fluxo, denominada resistividade, ou seja, o inverso da condutividade. Essas propriedades estão diretamente relacionadas com a perda de energia no material na forma de calor, conhecida como Efeito Joule, que decorre do choque entre elétrons em movimento com elétrons estacionários no material, sendo sua determinação essencial para aplicações onde exige-se um transporte de energia com mínimas perdas. � Permissividade dielétrica: é a propriedade que descreve e quantifica o quanto a estrutura atômica de um material dito isolante elétrico se polariza em oposição ao adensamento de um campo elétrico externo aplicado, ou seja, a capacidade de polarização do material. � Rigidez dielétrica: é a propriedade que expressa o limite máximo de diferença de potencial elétrico (tensão) por unidade de espessura que um material isolante elétrico pode suportar sem ter sua estrutura física rompida, ou seja, a capacidade de isolação elétrica do material. Propriedades magnéticas Quando submetidos a fluxos de campo magnético, os materiais desempenham determinados comportamentos que definem suas propriedades magnéticas. As propriedades de maior interesse são definidas por: � Permeabilidade magnética: descreve o grau de polarização de materiais a fluxos magnéticos aplicados, fenômeno conhecido como magnetiza- ção. Certos materiais exibem ainda um limite para essa polarização, chamado saturação. � Retentividade: quantifica a capacidade do material em manter um magnetismo residual com a retirada do campo. Além disso, os materiais podem apresentar certa capacidade de produzir forças eletromotrizes em sua estrutura quando submetidos a fluxos magnéticos variantes no tempo, efeito esse denominado indução eletromagnética. 3Propriedades gerais dos materiais Propriedade físicas As propriedades físicas estão relacionadas com o grau de agrupamento dos átomos constituintes da estrutura atômica dos materiais, sendo o estado físico e a massa específica as de maior interesse em aplicações gerais. Estado físico O estado físico é definido pela distância guardada entre si pelos átomos de um material e classificados como: Sólidos: são formados por átomos ou moléculas que permanecem muito pró- ximos entre si e não se movimentam, apenas vibram em torno de uma posição de equilíbrio, adquirindo, desse modo, forma própria e volume constante. De acordo com a distribuição espacial de seus átomos, moléculas ou íons, os sólidos podem ser classificados em: Arranjos cristalinos: a distribuição ocorre em uma forma geométrica bem definida, denominada célula, que se repete em todas as dimensões, consti- tuindo-se na chamada rede cristalina. As distribuições mais comuns são: o sistema cúbico (Figura 2), compreendendo o tipo simples (silício, germânio, etc.) (2.a), o de corpo centrado (ferro, tungstênio, cromo, etc.) (2.b) e o de face centrada (cobre, alumínio, prata ouro, níquel, etc.) (2.c); o sistema hexagonal (zinco, magnésio, cádmio, etc.); e o sistema tetragonal (estanho, etc.). Figura 2. Sistemas cúbicos: (a) simples;(b) corpo centrado, (c) face centrada. Fonte: Brigatto (2017). Propriedades gerais dos materiais4 Arranjos amorfos: materiais com distribuição dos átomos sem uma ordenação definida. Exemplos: grafita, vidros e polímeros. Em geral, os sólidos são usados em aplicações onde se exige a manutenção da integridade física domaterial para que este mantenha sua função. São os materiais de maior uso em Eletrotécnica (equipamentos, componentes, estruturas de apoio, etc). Líquidos: são constituídos por moléculas mais afastadas que nos sólidos e com liberdade de se movimentarem de modo a não guardarem posições entre si, apresentando então volume constante mas não forma própria. Exemplos de materiais líquidos empregados em aplicações eletrotécnicas são as soluções eletrolíticas em pilhas e baterias, óleos isolantes elétricos em transformadores e chaves, pastas condutoras térmicas, tintas, esmaltes, vernizes, etc. Gasosos: são materiais formados por átomos, moléculas ou íons (plasma) bastante afastados entre si e que tendem a manter-se em expansão devido ao constante movimento, não apresentando então forma ou volume constantes. Em aplicações eletrotécnicas são principalmente gases e vapores em lâmpadas (argônio, vapores de sódio e mercúrio, neon etc.) e como meio isolante entre fios e cabos (ar) e em disjuntores de potência e cabos subterrâneos (gás SF6). Massa específica A propriedade que descreve a quantidade de massa m de um material necessária para ocupar um determinado volume V amostral do material é denominada massa específica γ (unidade usual: g/cm3), sendo então definida por: γ = m/V Como exemplo de aplicação de interesse nessa propriedade, tem-se os cabos elétricos de redes aéreas, cujo peso está diretamente relacionado com as solicitações mecânicas transferidas às estruturas destinadas ao seu apoio (postes, torres, cruzetas, isoladores,etc.). Desse modo, materiais de baixa massa específica são desejáveis para a construção desses cabos, pois acarretam em estruturas de suporte menores e menos robustas, representando então economia de material e, portanto, de custos. 5Propriedades gerais dos materiais Propriedades mecânicas As propriedades mecânicas estão relacionadas à capacidade de um material em resistir ou de ser moldado por esforços mecânicos a ele aplicados. Algumas dessas propriedades de interesse em Eletrotécnica são vistas a seguir. Resistência mecânica A tensão mecânica (σ) aplicada em um corpo de teste de um material qualquer é a grandeza definida por: σ = F/A onde F é a força de tração ou compressão aplicada à área A do corpo transversal à força (unidade usual: N/mm2). A propriedade de resistência mecânica dos materiais é uma medida da capacidade destes de oferecer oposição quando submetidos a esforços de tração ou compressão, definida como a razão entre a força limite aplicada ao material pela área transversal à força aplicada, correspondendo então à tensão mecânica máxima suportada pelo material. As resistências à tração e compressão apresentam valores semelhantes na maioria dos materiais, com exceção daqueles de comportamento mecânico mais quebradiço, nos quais a resistência à compressão é normalmente bem inferior. Elasticidade Todo corpo submetido a tensões mecânicas para esforços de tração sofre um alongamento proporcional à força aplicada. A propriedade que descreve a capacidade de um material de sofrer alongamentos sob esforços de tração sem resultar em uma deformação permanente após a retirada da força aplicada é denominada elasticidade. Outras propriedades mecânicas de interesse Dentre as demais propriedades mecânicas de interesse em aplicações Eletro- técnicas, pode-se mencionar: Propriedades gerais dos materiais6 � Maleabilidade ou plasticidade: é a capacidade de um material em sofrer deformações permanentes em qualquer direção sem ter comprometida sua integridade física (tornar-se quebradiço). Descreve então a maior ou menor possibilidade do material ser moldado em mais de uma dimensão relevante (barras, chapas, esferas, canos, etc.). � Ductibilidade: é a capacidade de um material de sofrer deformações permanentes em somente uma direção sem se romper. Indica então a maior ou menor possibilidade de um material ser estirado ou reduzido a fios. Exemplos: a argila tem boa maleabilidade mas pequena ductilidade; o ouro é mais dúctil e maleável que o cobre ou o alumínio. � Dureza: é a capacidade da estrutura física do material em resistir a penetração ou ser riscado, sendo avaliada por um teste realizado com base na divisão de uma força aplicada pela área de penetração na su- perfície do material. � Tenacidade: é a capacidade de um material de resistir a grandes tensões e deformações sem ruptura, ou ainda, sua capacidade de resistir a choques mecânicos. Dureza e tenacidade não são sinônimos, pois, por exemplo, vidro e diamante apresentam elevada dureza (difíceis de serem gastos), mas pouca resistência a golpes (pouca tenacidade). Propriedades térmicas Temperatura é um parâmetro muito importante para o desempenho de qualquer dispositivo ou equipamento, pois muitas das propriedades que caracterizam os materiais dependem da temperatura, devendo então ser previstas suas consequências no comportamento dos materiais. Dentre as propriedades de interesse diretamente relacionadas com a temperatura, serão estudadas a dilatação térmica e as capacidades de condução e absorção de calor. Dilatação térmica As partículas constituintes de um material estão em constante estado de agi- tação devido à energia térmica do material. A elevação da temperatura de um corpo material devido ao aumento da energia térmica causa um aumento no grau da agitação das moléculas, que aumentam a distância entre si e passam a ocupar um espaço maior, resultando então em um aumento de volume do corpo. A propriedade que expressa a capacidade de um material em alterar suas 7Propriedades gerais dos materiais dimensões físicas com a temperatura é chamada dilatação térmica, traduzida por seus coeficientes de dilatação. Dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento do volume de um corpo ocasio- nado pelo aumento de sua temperatura, o que causa o aumento no grau de agitação de suas moléculas e consequentemente aumento na distância média entre as mesmas. A dilatação ocorre de forma mais significativa nos gases, de forma intermediária nos líquidos e de forma menos explícita nos sólidos, podendo-se afirmar que: Dilatação nos gases > Dilatação nos líquidos > Dilatação nos sólidos. Condutividade térmica Em um meio material submetido a uma diferença de temperatura, ocorre transferência de energia térmica da maior para a menor temperatura, até que o corpo atinja o equilíbrio térmico (temperatura uniforme). Esse trânsito de energia térmica, motivado exclusivamente por diferença de temperatura, é chamado calor e ocorre de três formas: � Por condução térmica, através da agitação das partículas de um meio material (não ocorre, portanto, no vácuo). � Por convecção, através do deslocamento da própria massa de um meio material (não ocorre, portanto, no vácuo). � Por irradiação térmica, através da emissão de radiação infra-vermelha (ocorre, portanto, no vácuo). Calor específico Temperatura é a grandeza física associada ao grau de agitação das partículas de um corpo e define o seu estado térmico (aquecimento). Contudo, tempe- ratura não mede a quantidade de energia térmica de um corpo pois, entre duas amostras de mesma massa e materiais diferentes, o fato de uma delas apresentar uma temperatura mais elevada não significa necessariamente que Propriedades gerais dos materiais8 possua maior quantidade de energia térmica que a outra amostra, pois isto dependerá da capacidade de absorção de calor dos materiais, expressa por uma propriedade denominada calor específico. A quantidade de calor Q (cal) que deve ser fornecido a uma amostra de massa m (g) de um material para que sua temperatura se eleve de um valor ΔT (°C) é proporcional ao calor específico c (Cal / g °C) do material, tal que: Q = m × c × ΔT Propriedades químicas — resistência à corrosão Qualquer material pode estar sujeito a reações químicas ocasionadas pelo meio em que se encontra, que podem causar danos à estrutura física do material ao resultar em subprodutos com propriedades distintas do material original. Essas alterações indesejáveis por reação química, chamadas corrosão, ocorrem principalmente por dois modos: � Corrosão por dissolução: ocorre quando o material entra em contato com um meio capaz de atuar como solvente para esse material, resultando em danos permanentes. Exemplo: ácido sulfúrico em contato com o zinco. � Corrosão por oxidação eletroquímica: consiste na remoção de elétrons (reação de oxidação) dos átomos de um material imerso em um meio favorável à reação, como por exemplo um eletrólito. Exemplo: oxidação do ferro pela umidade (ar + água), que leva à formação do hidróxido fér- rico, popularmente conhecido como ferrugem. Desse modo, a corrosão constitui-se em um problema de grande preocupação na especificação de materiais para aplicações elétricas, razão pela qual é conveniente o conhecimento de seus principais métodos de controle. Classificação básica dos materiais Segundo Smith e Hashemi (2012), por questões de conveniência, a maioria dos materiais para engenharia são divididos em três categorias básicas principais: materiais metálicos, materiais poliméricos e materiais cerâmicos. Serão consideradas também duas categorias segundo o processamento e a aplicação, a dos materiais compósitos e a dos materiais eletrônicos, devido à sua grande importância na engenharia. 9Propriedades gerais dos materiais Materiais metálicos Esses materiais são substâncias inorgânicas compostas de um ou mais ele- mentos metálicos, podendo também conter algunselementos não metálicos. Alguns exemplos de elementos metálicos são o ferro, o cobre, o alumínio, o níquel e o titânio. Elementos não metálicos, como carbono, nitrogênio e oxigênio, também podem estar presentes em materiais metálicos. Os metais possuem uma estrutura cristalina na qual os átomos estão dispos- tos de maneira ordenada. São em geral bons condutores térmicos e elétricos. Muitos deles são relativamente resistentes e dúcteis à temperatura ambiente, sendo que vários se mantêm bastante resistentes mesmo a altas temperaturas. Os metais e as ligas são comumente divididos em duas classes: as ligas e metais ferrosos, que contêm uma grande porcentagem de ferro, como, por exemplo, aços e ferros fundidos, e as ligas e metais não ferrosos, que não contêm ferro ou que o contêm apenas em pequena quantidade. Alguns exemplos de metais não ferrosos são o alumínio, o cobre, o zinco, o titânio e o níquel. A distinção entre ligas ferrosas e não ferrosas deve-se ao fato de que aços e ferros fundidos são produzidos em quantidades muito maiores e são muito mais usados do que outras ligas. Os metais, em sua forma pura ou em ligas, são usados em vários ramos da indústria, incluindo-se aeroespacial, biomédica, de semicondutores, eletrônica, de energia, da construção civil e de transportes. Materiais poliméricos A maioria dos materiais poliméricos consiste em longas cadeias ou redes mo- leculares, que normalmente têm como base materiais orgânicos (precursores que contêm carbono). Estruturalmente, a maior parte dos materiais poliméricos é não cristalina, mas alguns apresentam uma mistura de regiões cristalinas e não cristalinas. A resistência e a ductilidade dos materiais poliméricos variam muito. Devido à natureza de sua estrutura interna, esses materiais são, predominantemente, maus condutores de eletricidade. Alguns deles são bons isolantes, usados em aplicações de isolamento elétrico. Uma das aplicações mais recentes dos materiais poliméricos é na produção de discos de vídeo digitais (DVDs) (Figura 3). Em geral, esses materiais têm baixa densidade e se decompõem ou amolecem a temperaturas relativamente baixas. Os plásticos vêm substituindo os metais, o vidro e o papel na maioria dos mercados de grande volume em que atualmente encontram aplicação, como Propriedades gerais dos materiais10 o de embalagens e o da construção. Segundo algumas previsões, os plásticos para uso em engenharia, como o nylon, devem manter-se competitivos em face dos metais. As indústrias fornecedoras de polímeros concentram-se cada vez mais no desenvolvimento de misturas polímero-polímero, também denominadas ligas poliméricas ou misturas, visando aplicações específicas para as quais nenhum polímero único é apropriado. Na medida em que as misturas são produzidas a partir de polímeros já existentes, cujas propriedades são bem conhecidas, o seu desenvolvimento é mais barato e mais confiável do que a síntese de um novo e único polímero para uma aplicação específica. Tomemos como exemplo os elastômeros (um tipo de polímero altamente deformável), que são normalmente misturados a outros plásticos a fim de se melhorar a resistência ao impacto do material resultante. Essas misturas são muito usadas em para-choques de automóveis, no acondicionamento de ferramentas de corte, em materiais esportivos e nos componentes sintéticos de muitas instalações cobertas de atletismo, que são geralmente feitas de uma combinação de bor- racha e poliuretano. Revestimentos de acrílico em cores brilhantes, aos quais se adicionam várias fibras e materiais de enchimento, são usados para revestir o piso de quadras de tênis e parques infantis. Por outro lado, outros materiais poliméricos de revestimento são empregados para proteção contra corrosão, ambientes quimicamente agressivos, choque térmico, impacto, desgaste e abrasão. A busca por novos polímeros e ligas poliméricas se dá em virtude de seu baixo custo e de suas propriedades, adequadas a várias aplicações. Materiais cerâmicos Materiais cerâmicos são materiais inorgânicos constituídos de elementos metálicos e não metálicos quimicamente ligados. Os materiais cerâmicos podem ser cristalinos, não cristalinos ou uma mistura de ambos. Eles, em sua maioria, têm alta resistência mecânica em altas temperaturas, porém tendem a ser quebradiços (pouca ou nenhuma deformação precede a ruptura). As vantagens dos materiais cerâmicos para aplicações em engenharia envolvem baixo peso, grande resistência e dureza, boa resistência ao calor e ao desgaste, atrito reduzido e propriedades isolantes (Figura 3). As propriedades isolantes combinadas à alta resistência ao calor e à corrosão os tornam apropriados para isolamento de fornalhas de tratamento térmico e de fundição de metais como aço. 11Propriedades gerais dos materiais Figuras 3. Exemplos de uma nova geração recentemente desenvolvida de materiais cerâmicos para aplicações avançadas em motores. Os componentes de cor escura são válvulas de motores, assentos de válvulas e pinos do pistão fabricados em nitreto de silício. O componente de cor clara é um material de revestimento de tubulação fabricado em um material cerâmico à base de alumina. Fonte: Smith e Hashemi (2012). (a) (b) Tuchos Cames Revestimento do cilindro Coroa do pistão Placa de válvulas Câmara de combustão Revestimento do tubo de descarga Exaustão Válvulas Carcaça Descarga Entrada de ar Rotor do turbocompressor Braço do balancim Ponta das varetas Nas últimas décadas, uma família inteiramente nova de materiais ce- râmicos de óxidos, nitretos e carbonetos, com propriedades aprimoradas, têm sido fabricados. A nova geração de materiais cerâmicos, denominada cerâmicas para engenharia, cerâmicas estruturais ou cerâmicas avan- çadas, possui maior resistência mecânica, bem como maior resistência ao desgaste, à corrosão (mesmo em altas temperaturas) e a choques térmicos (advindos de exposições súbitas a temperaturas muito altas ou muito baixas). Entre os materiais cerâmicos avançados estão alumina (óxido), nitreto de silício (nitreto) e carboneto de silício (carboneto). Uma aplicação aeroespacial importante dos materiais cerâmicos avançados é o uso de placas cerâmicas para revestimento dos ônibus espaciais. As placas cerâmicas são feitas de carboneto de silício, em virtude de sua capacidade em atuar como blindagem térmica e de retornar rapidamente à temperatura usual quando é removida a fonte de calor. Esses materiais cerâmicos protegem termicamente a su- bestrutura interna de alumínio da nave espacial durante a subida e durante a reentrada na atmosfera terrestre. Propriedades gerais dos materiais12 Outra aplicação importante dos materiais cerâmicos avançados, e que evidencia a versatilidade, a importância e o crescimento futuro dessa classe de materiais, é o seu uso na fabricação de ferramentas de corte. Por exemplo, o nitreto de silício é um excelente material para fabricação de ferramentas de corte por sua alta resistência a choques térmicos e à fratura. As aplicações dos materiais cerâmicos são realmente ilimitadas, pois podem ser utilizados na área aeroespacial, na fabricação de metais, na biomedicina, na indústria automotiva e em muitas outras áreas. As duas principais desvantagens desses materiais referem-se ao fato de que são (1) difíceis de serem transformados em produtos acabados, sendo, portanto, caros, e ao fato de serem (2) quebra- diços e com uma baixa resistência à fratura em comparação aos metais. Se as técnicas para o desenvolvimento de materiais cerâmicos de alta dureza forem aperfeiçoadas, sua utilização em aplicações da engenharia poderia ter um crescimento exponencial. Materiais compósitos Um material compósito pode ser definido como dois ou mais materiais (fases ou constituintes) integrados de modo a formar um novo material. Os constituintes mantêm suas propriedades, mas o compósito resultante terá propriedades dife- rentes destes. A maioria dos materiais compósitos consiste emum material de enchimento ou de reforço apropriado e uma resina aglutinadora adequada a fim de que se obtenham as características específicas e as propriedades desejadas. Normalmente, os componentes não se dissolvem um no outro, podendo ser identificados fisicamente por uma interface entre eles. Os compósitos podem ser de vários tipos. Alguns dos tipos predominantes são materiais fibrosos (compostos de fibras em uma matriz) e particulados (compostos de partículas em uma matriz). Muitas combinações diferentes de materiais de reforço e da matriz são usadas para se fabricar compósitos. Para tomarmos um exemplo, o material da matriz pode ser um metal como o alumínio, ou uma cerâmica como a alumina, ou ainda um polímero como o epóxi. Dependendo do tipo de matriz usado, os compósitos podem ser classificados em compósitos de base metálica (metal matriz composite — MMC), compósitos de base cerâmica (ceramic matriz composite — CMC) e compósitos de base polimérica (poly- mer matrix composite — PMC). Os materiais fibrosos ou particulados também podem ser selecionados de qualquer uma destas três categorias principais de materiais, cujos exemplos são carbono, vidro, aramida, carbeto de silício e outros. As combinações de materiais utilizados no projeto de compósitos 13Propriedades gerais dos materiais dependem principalmente do tipo de aplicação e do ambiente no qual o ma- terial será utilizado. Os materiais compósitos substituíram componentes metálicos principal- mente na indústria aeroespacial, na indústria aviônica, na indústria automotiva, na construção civil e na indústria de material esportivo. Prevê-se um aumento médio anual de aproximadamente 5% na utilização futura desses materiais. Uma das razões para tal é a sua alta resistência e o seu quociente rigidez/ peso. Alguns compósitos avançados têm rigidez e resistência semelhantes às de alguns metais, porém com densidade significativamente menor e, por conseguinte, com peso resultante mais baixo. Essas características os tornam extremamente atraentes em situações nas quais o peso do produto é um fator crucial. De maneira geral, e semelhantemente aos materiais cerâmicos, a desvantagem principal da maioria dos compósitos é a sua fragilidade e a sua baixa resistência à fratura. Algumas dessas deficiências podem ser mitigadas, em determinadas situações, pela escolha adequada do material da matriz. Dois tipos proeminentes de materiais compósitos modernos usados em aplicações de engenharia são reforços em fibra de vidro em uma matriz de poliéster ou epóxi e fibras de carbono em uma matriz de epóxi. Materiais eletrônicos ou semi-condutores Os materiais eletrônicos não constituem uma grande categoria de materiais pelo volume de produção. Todavia, são um tipo de material extremamente importante nas tecnologias de engenharia avançadas. O material eletrônico mais importante é o silício puro, modificado de várias maneiras a fim de se alterar suas características elétricas. Uma infinidade de complexos circuitos eletrônicos pode ser miniaturizada em uma pastilha de silício de cerca de ¾ de polegadas quadradas (1,90 cm²) (Figura 4). Dispositivos microeletrônicos tornaram possíveis novos produtos, como satélites de comunicação, calcula- doras, relógios digitais e robôs. A utilização do silício e de outros materiais semicondutores no estado sólido e a própria microeletrônica vêm exibindo um crescimento extraordinário desde 1970, o qual deve continuar no futuro. O impacto dos computadores e de outros equipamentos industriais que utilizam circuitos integrados fabricados com pastilhas de silício tem sido espetacular. A extensão do impacto de robôs computadorizados na manufatura moderna ainda não foi totalmente enten- dida. Os materiais eletrônicos certamente desempenharão um papel vital nas fábricas do futuro, nas quais quase todos os processos de manufatura poderão Propriedades gerais dos materiais14 ser realizados por robôs auxiliados por máquinas-ferramentas controladas por computador. Figura 4. Dispositivos semicondutores. Fonte: Gorodenkof/Shutterstock Ao longo dos anos, os circuitos integrados vêm sendo fabricados com uma densidade crescente de transistores dispostos em uma única pastilha de silício, com um tamanho dos transistores correspondentemente menor. Em 1998, por exemplo, a resolução ponto-a-ponto da menor medida em uma pastilha de silício era de 0,18 μm e o diâmetro da lâmina de silício utilizada era de 12 polegadas (300 mm). Outro aprimoramento pode ser a substituição do alumínio pelo cobre nas interconexões, em razão da maior condutividade deste último. Biomateriais Segundo Soares (2002) biomaterial é de inido como todo material utilizado para substituir — no todo ou em parte — sistemas biológicos. Assim, podemos ter biomateriais metálicos, cerâmicos, poliméricos (sintéticos ou naturais), compósitos ou biorecobrimentos. Dadas as especificidades que os biomateriais apresentam, a tendência é que eles sejam considerados, hoje, uma classe especial de materiais. Como característica imprescindível, esses materiais devem ser 15Propriedades gerais dos materiais biocompatíveis, ou seja, devem atender ao requisito de funcionabilidade para o qual foram projetados, estimulando ou provocando o mínimo possível de reações alérgicas ou inflamatórias. Embora esse conceito seja algo não muito preciso, é consenso que a funcionabilidade está associada à aplicação a que se destina, de tal modo que um material biocompatível para uma dada função pode ser inadequado se usado em outras aplicações. Com isso, é conveniente agrupar os materiais pelo campo de aplicação a que se destinam, ao invés de usar a classificação tradicional em termos de propriedades gerais que eles apresentam. Classicamente as aplicações são divididas em três grupos, que se destinariam à substituição de tecidos moles, substituição de tecidos duros e materiais para sistemas cardiovasculares. Para saber mais, leia o artigo “Biomateriais: classificação, seleção e avaliação”, de Gloria de Almeida Soares, publicado no portal do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF/MCT). Relacionar as características essenciais de cada grupo de materiais Segundo Dutra (2010), as características essenciais de cada grupo de materiais são resumidas abaixo: Metais: � Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos. � Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de eletricidade e calor. � Não são transparentes à luz visível. � Têm aparência lustrosa quando polidos. � Geralmente são resistentes e deformáveis. � São muito utilizados para aplicações estruturais. Propriedades gerais dos materiais16 Cerâmicas: � Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos. � Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos. � São geralmente isolantes de calor e eletricidade. � São mais resistentes a altas temperaturas e a ambientes severos que metais e polímeros. � Com relação às propriedades mecânicas, as cerâmicas são duras, porém frágeis. � Em geral são leves. Polímeros: � Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos. � São formados por moléculas muito grandes (macromoléculas). � Tipicamente apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis. � Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas. Compósitos: � Materiais compósitos são formados por mais de um tipo de material, insolúveis entre si. � São projetados para apresentarem a combinação das melhores carac- terísticas de cada material constituinte. � Um bom exemplo é o compósito de fibra de vidro, no qual fibras de vidro são incorporadas no interior de um material polimérico. E a fibra de vidro adquire a resistência do vidro e a flexibilidade do polímero. Semicondutores: � Possuem propriedades elétricas intermediárias entre as apresentadas pelos condutoreselétricos e pelos isolantes. � Suas características elétricas são extremamente sensíveis à presença de minúsculas concentrações de átomos de impurezas, concentrações que podem ser controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas. � Tornaram possível o advento dos circuitos integrados. 17Propriedades gerais dos materiais Biomateriais: � Todos os materiais acima citados podem ser usados como biomateriais. � São empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para a substituição de partes do corpo doentes ou danificadas. � Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo humano. Assista no YouTube alguns excelentes vídeos sobre o conteúdo: � “Ciência dos Materiais - Aula 01 - Por que estudar Ciência e Engenharia dos Mate- riais?”, publicado no canal UNIVESP; � “Classificação dos materiais e suas propriedades”, publicado no canal Euliane Jesus. Em relação à dilatação, existem três tipos: linear (notamos em fios), superficial (notamos em chapas) e volumétrica (notamos em corpos com volume). Experimentos podem ser usados para mostrar a dilatação de forma mais evidente: um deles consiste de uma esfera, um anel, uma haste e uma vela. A esfera, quando em temperatura ambiente, passa facilmente pelo orifício; quando aquecemos a mesma, ela sofre expansão térmica (dilatação volumétrica), não passando mais pelo anel. Podemos chegar ao mesmo resultado mantendo a temperatura da esfera e resfriando o anel, que por sua vez comprime, impossibilitando a passagem da esfera. Propriedades gerais dos materiais18 BRIGATTO, G. A. Apostila da disciplina materiais elétricos. Goiânia, UFG, 2017. Disponível em: <https://pt.scribd.com/document/343016145/Apostila-de-Materiais-Eletricos- pdf>. Acesso em: 26 jun. 2018. DUTRA, E. S. Notas de aula disciplina materiais para engenharias. Caxias do Sul, FTEC, 2010. SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2012. SOARES, G. A. Biomateriais: classificação, seleção e avaliação. [2002]. Disponível em: <mesonpi.cat.cbpf.br/e2002/cursos/NotasAula/biomateriais.doc>. Acesso em: 26 jun. 2018. Leituras recomendadas ASKELAND, D. R.; WRIGHT, J. W. Ciência e engenharia dos materiais. 3. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015. RESENDE, S. M. Materiais e dispositivos eletrônicos. 3. ed. São Paulo: Livraria da Física, 2014. SCHMIDT, W. Materiais elétricos: aplicações. São Paulo: Blucher, 2011. v. 3. SCHMIDT, W. Materiais elétricos: condutores e semicondutores. 3. ed. rev. ampl. São Paulo: Blucher, 2010. v. 1. SCHMIDT, W. Materiais elétricos: isolantes e magnéticos. 3. Ed. São Paulo: Blucher, 2011. v. 2. SHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. VAN VLACK, L. H. Princípios de ciência dos materiais. São Paulo: Blucher, 1998. 19Propriedades gerais dos materiais
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