Aula 5 MATERIAIS DIVERSOS DE ENGENHARIA

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
AULA 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Marcos Baroncini Proença 
 
 
 
 
 
 
 
2 
CONVERSA INICIAL 
Materiais diversos de engenharia 
Nesta etapa, trataremos de diversos materiais de engenharia, desde os 
mais antigos e conhecidos, como a madeira usada na construção civil, até 
materiais de ponta, como o grafeno. 
Abordaremos diversos materiais usados nas áreas de engenharia e de 
biomedicina. O objetivo é dar uma visão ampla das possibilidades de uso de 
materais já consagrados como materiais de construção, bem como trabalhar com 
novos materiais desenvolvidos e ainda em desenvolvimento para os mais 
diversos usos. 
Assim, começaremos abordando a madeira, analisando sua principais 
propriedades de interesse a aplicações na construção civil. 
Posteriormente abordaremos ligas metálicas e polímeros desenvolvidos 
para serem usados na indústria automotiva. 
Serão então abordados materiais desenvolvidos para a indústria de 
geração de energia fotovoltaica. 
Após estes serão abordados o grafeno e seus possíveis concorrentes que 
estão em desenvolvimento para os mais diversos usos na área de internet das 
coisas. 
Por último abordaremos os bioplásticos e seus usos. 
Assim, será possível desenvolver uma visão mais ampla dos materiais 
que hoje dispomos para as mais diversas aplicações. 
TEMA 1 – MADEIRA 
Neste tópico, abordaremos as madeiras usadas na engenharia, 
analisando suas características, principais propriedades e aplicações. 
1.1 Introdução 
A madeira é um material de uso na engenharia que, além de apresentar 
excelentes propriedades estruturais e térmicas, e de ser um dos materiais de 
maior resistência mecânica por unidade de peso, apresenta a caraterística única 
de ser renovável e biodegradável. Além disso, é fácil de se trabalhar, resultando 
em grande diversidade de aplicações. 
 
 
3 
1.2 Propriedades da madeira 
O levantamento das propriedades físicas e mecânicas da madeira tem 
como objetivo identificar os usos específicos de cada espécie, e auxiliar no 
cálculo e dimensionamento de estruturas que as usem, uma vez que há variação 
grande dessas propriedades entre árvores de uma mesma espécie e, até de uma 
mesma árvore. 
Assim, o levantamento das propriedades deve ser feito por amostragem 
estatisticamente representativa, com realização de ensaios em corpos de prova 
isentos de defeitos, como empenamento, nós, rachaduras e outros. 
Figura 1 – Estrutura de madeira 
 
Crédito: Den Rozhnovsky/Shutterstock. 
1.2.1 Propriedades físicas da madeira 
As principais propriedades físicas da madeira são cor, cheiro, grã, textura, 
teor de umidade, densidade, estabilidade dimensional, condutibilidade térmica e 
condutibilidade elétrica. 
Sobre a cor, é interessante observar que as madeiras de cores escuras 
apresentam maior durabilidade natural, com extrativos tóxicos para fungos e 
insetos. A descrição de cor da madeira é feita adotando o sistema da Comissão 
 
 
4 
Internacional de Iluminantes (CIE), que define a sensação de cor baseada em 
luminosidade, tonalidade e cromaticidade. 
Figura 2 – Cores de madeiras 
 
Créditos: Druzhchenko Olga/Shutterstock; Nevodka/Shutterstock; Titus Group/Shutterstock. 
Sobre o odor, é uma propriedade importante na identificação de espécies, 
e na seleção em usos finais. Por exemplo, embora engradados para transporte 
de bebidas e embalagens de alimentos devam ser fabricados com madeiras 
inodoras, é importante referenciar a importância do barril de carvalho para a 
indústria de bebidas. 
Grã é a direção dos elementos anatômicos estruturais da madeira, como 
fibras e vasos na árvore, em relação a uma direção longitudinal da superfície em 
exposição da madeira serrada. A grã é importante, pois a rachadura de uma 
peça de madeira ocorre seguindo a sua direção. A grã é classificada em grã 
direita (reta) e grã irregular. Para nós, há mais interesse na grã direita, na qual 
existe o paralelismo dos elementos anatômicos ao longo da direção longitudinal 
da peça serrada. Essa é a orientação que fornece uma madeira serrada de 
melhor resistência estrutural, de maior estabilidade dimensional no processo de 
secagem e de mais fácil processamento primário e secundário. 
Textura é o efeito produzido na madeira em função das dimensões e 
distribuição de seus elementos anatômicos estruturais. A textura pode ser fina, 
média, ou grossa, de acordo com o grau de uniformidade de dimensões e 
distribuição de seus elementos estruturais. A madeira de textura fina apresenta 
uma superfície uniforme e lisa, permitindo um bom acabamento. A madeira de 
textura média apresenta uma superfície menos uniforme e com alguma 
rugosidade. A madeira de textura grossa apresenta uma superfície não uniforme 
e rugosa. 
 
 
5 
Teor de umidade é uma das propriedades físicas mais importantes da 
madeira. Por ser um material higroscópico, a madeira perde ou absorve água até 
entrar em equilíbrio com o ambiente, em função da umidade relativa e 
temperatura do ar. O teor de umidade interfere nas demais propriedades físicas 
e mecânicas, sendo fundamental para o planejamento do processo de secagem, 
para a durabilidade natural, processamento, acabamento e seleção de uso. É 
definido como a relação expressa em porcentagem entre o peso da amostra de 
madeira contendo água livre e de impregnação, e seu peso após secagem em 
estufa a aproximadamente 103 ºC, até que esteja sem água livre e de 
impregnação, conforme a fórmula a seguir: 
�6�è =
�2�Q 
F �2�O
�2�O
 �T 100 
onde: 
�x Tu = teor de umidade (%) 
�x Pu = peso amostra de madeira úmida (g) 
�x Ps = peso amostra de madeira seca (g) 
Cabe destacarmos o conceito de teor de umidade de equilíbrio. Quando 
se remove a água livre, permanecendo a água de impregnação da madeira, esta 
terá um teor de umidade correspondente ao ponto de saturação das fibras, sendo 
em torno de 30% para a maioria das espécies. Abaixo do ponto de saturação 
das fibras, tem início a retirada de água de impregnação. Esse processo seguirá 
até o momento em que o teor de umidade da madeira entrar em equilíbrio com 
a temperatura e umidade relativa do ar. Ela terá, então, atingido o teor de 
umidade de equilíbrio. 
Em um país imenso como o Brasil, o teor de umidade de equilíbrio da 
madeira varia bastante. Estudos mostram que o teor médio anual da umidade de 
equilíbrio para madeiras de árvores de tipo folhosas varia de 13,38% a 13,97%, 
sendo que a média mínima foi encontrada no Distrito Federal, variando de 7,95% 
a 8,45%, e a média máxima foi encontrada em Rondônia, variando de 17,92% a 
18,28%. Para as madeiras de coníferas, o teor médio anual da umidade de 
equilíbrio varia de 14,28% a 14,46%, e a média mínima foi encontrada no Distrito 
Federal, variando de 8,82% a 12,97% e, a média máxima, foi encontrada em 
Rondônia, variando de 15,34% a 18,87%. 
 
 
6 
É muito importante que a madeira permaneça o mais próximo possível do 
teor de umidade de equilíbrio da região, para que sejam evitados problemas 
advindos de alterações em suas formas e dimensões originais. Quando 
analisamos a resistência da madeira para fins estruturais, consideramos a 
resistência da madeira com teor de umidade de equilíbrio da região onde será 
usada. Tal resistência varia de forma inversamente proporcional ao teor de 
umidade da madeira. 
Com relação à densidade, pela sua importância como parâmetro 
referencial de qualidade da madeira, devido à sua alta correlação com várias 
outras propriedades, como resistência e teor de umidade, foram definidos quatro 
valores de densidade para análise de uma amostra de madeira: densidade 
verde, densidade seca, densidade básica e densidade aparente. 
A densidade verde é obtida para amostras de madeira saturada, ou seja, 
aquela que se encontra no ponto de saturação das fibras. A densidade verde é 
utilizada, por exemplo, na estimativa de custo devido ao peso para transporte e 
na estimativa
do peso próprio de estruturas. 
A densidade seca é obtida para amostras de madeira seca em estufa, a 
0% de teor de umidade. A densidade seca é utilizada, por exemplo, na escolha 
de espécies de madeira para fins energéticos. 
A densidade básica é a mais fácil de se obter, pois está correlacionada ao 
volume da amostra de madeira saturada e a massa dessa amostra seca a 0% 
de umidade. A densidade básica é muito usada para comparar propriedades de 
diversas espécies e na elaboração de programas de secagem. 
A densidade aparente é a mais difícil de se obter, devido a ser medida 
para umidade definida entre 12% e 15%, exigindo todo um sistema de 
climatização para os ensaios. A densidade aparente é bastante usada na 
avaliação do peso de estruturas em viga laminada colada. 
Em termos gerais, podemos considerar que madeiras de densidade 
básica alta (acima de 720 kg/m3), podem ser usadas para vigas, pilares e pisos, 
podendo também ser usadas para portas. Madeiras de densidade básica média 
e alta (acima de 500 kg/m3) podem ser usadas na indústria moveleira, para 
paredes internas e externas e para esquadrias, podendo também ser usadas 
para janelas e portas. 
A estabilidade dimensional é a capacidade que a madeira possui, abaixo 
do ponto de saturação das fibras, de contrair ou expandir com a perda ou ganho 
 
 
7 
de umidade, e consequente ganho ou perda da água de impregnação das 
paredes celulares. As alterações dimensionais usadas para definir a contração 
ou expansão são medidas segundo os três eixos principais: tangencial (T), radial 
(R) e longitudinal (L). As alterações dimensionais na direção tangencial são 
sempre maiores do que na direção radial. Já na direção longitudinal, são 
desprezíveis, variando em torno de 0,5%. 
A contração é obtida pela seguinte expressão: 
�%�K�J�P�N�=çã�K =
�8�=�H�K�N �@�E�I�A�J�O�E�K�J�=�H �R�A�N�@�A 
F �8�=�H�K�N �@�E�I�A�J�O�E�K�J�=�H �O�A�?�= (0%)
�8�=�H�K�N �@�E�I�A�J�O�E�K�J�=�H �O�A�?�= (0%)
 �T 100 
A expansão é obtida de forma semelhante, ou seja: 
�'�T�L�=�J�Oã�K =
�8�=�H�K�N �@�E�I�A�J�O�E�K�J�=�H �O�A�?�K (0%) 
F �8�=�H�K�N �@�E�I�A�J�O�E�K�J�=�H �R�A�N�@�A (0%)
�8�=�H�K�N �@�E�I�A�J�O�E�K�J�=�H �R�A�N�@�A (0%)
 �T 100 
Madeiras mais estáveis possuem baixos valores de alteração dimensional 
e relação entre contração tangencial e radial menor ou igual a 2. 
Conhecer bem essa propriedade física é de grande importância na 
definição de usos finais da madeira e no estabelecimento de programas de 
secagem adequados. 
A condutibilidade térmica da madeira depende do teor de umidade, da 
densidade, dos extrativos e da direção das fibras, sem variação significativa nas 
direções tangencial e radial, sendo de duas a três vezes maior na direção 
longitudinal ou axial. Madeiras de baixa densidade e baixo teor de umidade, pelo 
preenchimento dos vazios intercelulares com ar, são melhores isolantes 
térmicos. O ar presente nos vazios intercelulares dificulta a difusão do calor. 
Com relação à condutibilidade elétrica, apesar de a madeira ser 
considerada um isolante elétrico, esse conceito deve ficar estreitamente ligado 
ao efeito que o teor de umidade exerce em tal propriedade física. Em termos 
gerais, madeira seca em estufa possui resistência elétrica em torno de 1016 �
 .m. 
Essa mesma madeira, no ponto de saturação das fibras, terá a resistência 
elétrica diminuída para um valor em torno de 500 �
 .m. 
 
 
 
 
 
 
8 
1.2.2 Propriedades mecânicas da madeira 
Com relação às propriedades mecânicas, a existência de três direções 
ortogonais bem definidas e simétricas na madeira (longitudinal, tangencial e 
radial), permite considerar esse material como sendo ortotrópico, ou seja, com 
variação das propriedades de uma direção para outra. Assim, a realização de 
ensaios para determinar essas propriedades deveria ser feito para cada uma das 
três direções. Porém, como as propriedades mecânicas não variam 
significativamente em relação às direções tangencial e radial, as normas dos 
ensaios mecânicos orientam que sejam realizados nas direções paralela e 
perpendicular às fibras. 
Trataremos aqui das propriedades mecânicas de algumas madeiras mais 
comumente encontradas no Brasil. 
�x Amesclão: usada em guarnições, rodapés, forros e lambris. Também 
usada na fabricação de móveis estândar e partes internas de móveis, 
compensados e laminados, artigos de esporte e brinquedos, embalagens 
e caixas. Resistência à flexão: madeira verde – 49,7 MPa; madeira com 
12% de umidade – 76,3 MPa. Resistência à compressão paralela às 
fibras: madeira verde – 24,8 MPa; madeira com 12% de umidade – 44,1 
MPa. Resistência ao cisalhamento: madeira verde – 6,6 MPa; madeira 
com 12% de umidade – 8,2 MPa. Resistência à tração normal as fibras: 
madeira verde – 3,1 MPa; madeira a 12% de umidade – 3,5 MPa. 
�x Angelim-pedra: usada para vigas e caibros, portas, venezianas, caixilhos, 
partes secundárias de estruturas internas como ripas, forros e lambris. 
Também usada para pontaletes, andaimes e fôrmas para concreto, para 
fabricação de móveis estândar, na cutelaria e como lâminas decorativas. 
Resistência à flexão: madeira verde – 70,6 MPa; madeira com 12% de 
umidade – 109,3 MPa. Resistência à compressão paralela às fibras: 
madeira verde – 38,0 MPa; madeira com 12% de umidade – 52,3 MPa. 
�x Angelim-vermelho: usada em pontes, postes, estacas, esteios, cruzetas, 
dormentes, construção naval e obras portuárias. Também usada para 
vigas, caibros, ripas, cabos de ferramentas, carrocerias e vagões de trem. 
Resistência à flexão: madeira verde – 99,7 MPa; madeira com 15% de 
umidade – 138,1 MPa. Resistência à compressão paralela às fibras: 
madeira verde – 65,2 MPa; madeira com 15% de umidade – 80,9 MPa. 
 
 
9 
�x Bacuri: usada em dormentes, estacas, esteios e cruzetas, vigas e caibros 
em estrutura de telhado. Usada também para tacos, tábuas e parquetes, 
batentes, portas e janelas, lambris, forros e painéis, móveis decorativos 
de alta qualidade, utensílios domésticos, embalagens, quilhas e convés 
de embarcações. Resistência à flexão: madeira verde – 96,8 MPa; 
madeira com 15% de umidade – 109,3 MPa. Resistência à compressão 
paralela às fibras: madeira verde – 42,9 MPa; madeira com 15% de 
umidade – 49,4 MPa. 
�x Curupixá: usada em portas, venezianas, caixilhos, lambris, painéis e 
forros, além de ser usada para fabricação de móveis decorativos de alta 
qualidade, artigos domésticos decorativos, brinquedos e lâminas 
decorativas. Resistência à flexão: madeira verde – 78,8 MPa. Resistência 
à compressão paralela às fibras: madeira verde – 40,5 MPa; madeira com 
15% de umidade – 64,9 MPa. 
�x Eucalipto-grandis: usada em ripas e partes secundárias de estruturas, 
cordões, guarnições, rodapés, forros e lambris, e também na fabricação 
de móveis estândar e partes internas de móveis, laminados, 
compensados, embalagens e paletes. Resistência à flexão: madeira verde 
– 53,8 MPa; madeira com 15% de umidade – 75,6 MPa. Resistência à 
compressão paralela às fibras: madeira verde – 26,3 Mpa; madeira com 
15% de umidade – 42,1 MPa. 
�x Itaúba: usada em estruturas de pontes, dormentes, postes, cruzetas, 
vigas, caibros, tesouras, tábuas e tacos, e também usada na fabricação 
de móveis estândar, veículos e implementos agrícolas, construção naval 
e embarcações. Resistência à flexão: madeira verde – 115,4 MPa; 
madeira com 15% de umidade – 126,5 MPa. Resistência à compressão 
paralela às fibras: Madeira verde – 57,7 Mpa; madeira com 15% de 
umidade – 68,4 MPa. 
�x Peroba-rosa: usada para dormentes e cruzetas, tesouras, vigas e caibros, 
assoalhos, como tábuas, tacos e parquetes, esquadrias, como marcos de 
portas e janelas e venezianas. além de ser usada na fabricação de 
mobiliário de utilidade geral, móveis pesados e carteiras escolares, folhas 
faqueadas, vagões, carrocerias, fôrmas para calçados, paletes e 
embalagens. Resistência à flexão: madeira verde
– 88,2 MPa; madeira 
com 15% de umidade – 103,8 MPa. Resistência à compressão paralela 
 
 
10 
às fibras: madeira verde – 41,6 MPa; madeira com 15% de umidade – 
54,4 MPa 
�x Pinus-eliote: usado para cordões, guarnições, rodapés, forros e lambris, 
sendo também usado para fabricação de móveis para exportação, cabos 
para vassouras, palitos de fósforo, compensados, laminados, torneados, 
brinquedos, embalagens, paletes, bobinas, carretéis e pincéis. 
Resistência à flexão: madeira verde – 48 MPa; madeira com 15% de 
umidade – 69,6 MPa. Resistência à compressão paralela às fibras: 
madeira verde – 18,5 MPa; madeira com 15% de umidade – 31,5 MPa. 
TEMA 2 – LIGAS METÁLICAS E POLÍMEROS AUTOMOTIVOS 
A indústria automotiva vem crescendo em tecnologia e complexidade, 
assim como os materiais usados para a fabricação dos veículos. Trataremos aqui 
das ligas metálicas e dos polímeros especialmente desenvolvidos para as 
exigências dessa indústria. 
2.1 Ligas metálicas automotivas 
Hoje é exigido, para uso na indústria automotiva, que as ligas metálicas 
apresentem, principalmente, boa conformabilidade, alta resistência mecânica e 
tenacidade, baixa densidade e boa reciclabilidade a um baixo custo, em função 
das propriedades que os veículos devem apresentar e à competitividade do 
mercado. Assim, trataremos das principais ligas metálicas automotivas que 
atendem a tais especificações. 
Os aços avançados de alta resistência (AHSS, sigla para Advanced High-
Strength Steels) apresentam composição química específica, que gera, por 
processos precisos de tratamentos térmicos e mecanismos de endurecimento 
controlados, microestruturas bifásicas ou polifásicas, ora constituídas por ferrita 
e martensita, ora por austenita retida e martensita, que permitem o uso de 
chapas mais finas com maior resistência mecânica, sem que haja uma redução 
significativa da conformabilidade do material, diminuindo o peso do veículo e 
aumentando sua autonomia sem afetar a liberdade de design, para carros a 
combustão, híbridos ou elétricos. Além disso, apresentam absorção de impacto 
e rigidez que atendem às especificações de segurança rígidas desse setor 
industrial. São usados, principalmente, nas regiões de impacto dos veículos, 
 
 
11 
sendo também utilizados em elementos estruturais e na carroceria. Um exemplo 
de AHSS é o DP500, ou seja, aço avançado de alta resistência, de 
microestrutura bifásica (dual phase, ou DP), com resistência mínima à tração de 
500 MPa. 
Figura 3 – AHSS usado em elementos estruturais e carroceria 
 
Crédito: Creativeneko/Shutterstock. 
Aços livres de defeito intersticial, ou seja, os Interstitial Free (IF), são aços 
de baixo carbono com baixo teor de intersticiais, como o carbono e nitrogênio. 
São obtidos por meio de processos avançados, como desgaseificação a vácuo, 
que permite obter aços com teores de carbono e nitrogênio menores que 25-30 
ppm cada, além de processos siderúrgicos convencionais termomecânicos para 
a produção de aços para conformação, com fixação de elementos intersticiais 
em precipitados de carbetos e nitretos, e para a produção de aços microligados, 
com o uso de titânio e nióbio na formação de fases que precipitam, removendo 
os elementos intersticiais. Assim, estes aços apresentam baixo limite de 
escoamento e elevado alongamento, além de excelente qualidade superficial, 
permitindo seu uso nas partes estampadas mais complexas exigidas pelo design 
cada vez elaborado dos veículos automotivos. Além disso, é usado em regiões 
de absorção da energia de colisão e, devido a seu baixo peso, auxilia no 
aumento da autonomia dos veículos automotivos. Segundo a Norma ABNT NBR-
5915, são classificados como aços EEP-IF, ou seja, aços para estampagem 
extra profunda com aço IF. Apresentam como propriedades limite de 
 
 
12 
escoamento de 140M Pa a 180 MPa, limite de resistência à tração de 270 MPa 
a 350 Mpa, e dureza máxima de 50 HRB. Um exemplo de aço IF dos mais usados 
na indústria automotiva é o Extragal, produzido pela ArcelorMittal. 
Figura 4 – Portas automotivas produzidas com aço IF 
 
Crédito: Chamil/Shutterstock. 
Aços endurecidos por prensagem, ou seja, os aços Press Hardening Steel 
(PHS), são aços liga manganês-boro que sofrem conformação por estampagem 
em altas temperaturas, normalmente em torno de 950 ºC, o que gera estruturas 
complexas conforme a microestrutura martensítica é desenvolvida. São usados 
na carroceria, nas células de sobrevivência e nas barras de impacto para portas 
e sistemas de para-choques. Um exemplo é o PHS 1500, que é o aço endurecido 
por prensagem com resistência mecânica de 1500 MPa. Esse tipo de aço PHS 
possui limite de escoamento em torno de 1300 MPa e alongamento máximo em 
torno de 6%. Um bom exemplo é o USIBOR, que é um aço laminado a frio com 
revestimento de alumínio-silício. 
 
 
 
 
 
 
13 
Figura 5 – Sistema de para-choques 
 
Crédito: Gorodenkoff/Shutterstock. 
Ligas de alumínio de alta resistência mecânica, séries 3XXX, 6XXX e 
7XXX, são ligas de alumínio desenvolvidas para terem uma resistência mecânica 
equivalente à dos aços usados na fabricação de veículos automotivos, mas que 
podem diminuir o peso dos veículos em até 7%, aumentando, assim, sua 
autonomia. São endurecidas por precipitação, pelo tratamento térmico de 
solubilização e envelhecimento, apresentando ganhos significativos de dureza, 
mantendo a resistência à fadiga e à corrosão característicos das ligas de 
alumínio. São usadas também para fabricação das rodas de liga leve. A liga de 
alumínio série 3XXX é uma liga Al, Mn, Mg que possui uma resistência ao 
escoamento de até 310 MPa. A liga de alumínio série 6XXX é uma liga Al, Mg, 
Si que apresenta uma resistência ao escoamento mínima de 500 MPa. A liga de 
alumínio série 7XXX é uma liga Al, Zn, Mg, ou Al, Zn, Mg, Cu, possuindo a maior 
resistência mecânica entre essas ligas, com resistência ao escoamento de até 
625 MPa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
14 
Figura 6 – Roda de liga leve 6XXX 
 
Crédito: Au_uhoo/Shutterstock. 
2.2 Polímeros automotivos 
Há um crescente uso de polímeros na indústria de veículos automotivos, 
pois os plásticos pesam, em média, até 50% menos que as ligas metálicas 
usadas para as mesmas peças. Isso reflete em um aumento bastante expressivo 
(cerca de 30%) na autonomia dos veículos a combustão, híbridos ou elétricos. 
Uma conta básica mostra que o uso de 100 kg de plásticos equivale a uma 
diminuição de 100 kg do veículo automotivo, refletindo em uma redução de 
consumo de combustível de até 7,5% para veículos a combustão. 
Os polímeros automotivos são polímeros de alto desempenho, que 
possuem boa resistência mecânica, boas propriedades térmicas, além da 
característica resistência química, dentro da exigência de serem de baixo custo. 
Além de seu uso estrutural, também recebe destaque seu uso em itens de 
segurança, como em para-choques, airbags e cintos de segurança. É importante 
frisar que o airbag, feito de nylon de alta resistência, reduz em até 30% o risco 
de morte em colisões. Já o cinto de segurança, feito de fibra de poliéster, reduz 
o risco de morte em colisões em até 50% para motorista e passageiro, e em até 
25% para passageiros do banco de trás. 
 
 
15 
Figura 7 – Airbag 
 
Crédito: Phonlamai Photo/Shutterstock. 
Figura 8 – Cinto de segurança 
 
Crédito: Mikhail Grachikov/Shutterstock. 
Apresentaremos a seguir os principais polímeros automotivos e alguns de 
seus usos. Observe que muitos deles já foram discutidos anteriormente. 
�x Polietileno de alta densidade (HDPE): usado na caixa do triângulo de 
emergência, na bombona de reserva, no reservatório de água do para-
brisa, no tanque de combustível e no sistema de distribuição de 
combustível. 
 
 
16 
�x Polipropileno (PP): usado na caixa e na cobertura da bateria, depósito do 
fluido de freio, proteção da correia dentada, proteção do ventilador do
radiador, empunhadura do freio de mão, cobertura dos amortecedores, 
condutos de ar, corpo do filtro de ar, grades de circulação de ar, caixa do 
cinto de segurança, caixa do retrovisor interno, carpetes, cobertura do 
volante, conjunto de regulagem dos bancos, console, inserto do encosto 
de cabeça, inserto do quebra-sol, painéis das portas, painel de 
instrumentos, para-choques, porta-luvas, revestimento do porta-malas, 
revestimento do teto e dos bancos. 
�x Polióxido de metileno (POM): usado na manivela de movimentação e no 
guia dos vidros das portas, nas engrenagens do sistema de 
movimentação dos vidros das portas, na alavanca da abertura das portas, 
nas guias de movimentação do teto solar, nas engrenagens do sistema 
de acionamento do limpador de para-brisa, nas alavancas de comando 
dos limpadores de para-brisa e das setas, na alavanca de rebatimento do 
encosto dos bancos dianteiros, na alavanca de abertura da tampa do 
porta-malas, no dispositivo de retração dos cintos de segurança, na 
ancoragem do cinto de segurança na coluna do veículo, no corpo de 
fechamento da tampa do porta-malas, na boia do carburador, no coxim, 
na carcaça do filtro de combustível, em componentes da bomba de 
combustível, na tampa do gargalo de alimentação de combustível, na 
válvula antirretorno de combustível. 
�x Politetrafluoroetileno (PTFE): usado na bomba de combustível elétrica, 
nos guias do pistão do amortecedor e nos elementos deslizantes do 
amortecedor e do freio. 
�x Politeleftalato de butileno (PBT) e Politeleftalato de butileno de alto 
impacto (PBT-HI): usados na ancoragem dos retrovisores laterais, na 
caixa de conectores do sistema elétrico, nas carcaças da bomba do 
circuito de água para o para-brisa, no sistema de movimentação dos 
vidros e dos limpadores de para-brisa, no sistema de ignição e dos faróis, 
nos elementos de regulagem dos faróis, no estojo de fusível, no para-
lama, no porta-escovas de motores elétricos, nos relés, na tampa do 
airbag, em conectores e no suporte da bobina. 
�x Policarbonato (PC): usado nos faróis, nas lanternas e no painel de 
instrumentos. 
 
 
17 
�x Poliamida (PA): usada nos conectores de sistema de injeção, no sistema 
de freio de estacionamento e no escaninho do airbag. 
Figura 9 – Peças de polímeros automotivos 
 
Crédito: Rito Succeed/Shutterstock. 
TEMA 3 – MATERIAIS PARA CÉLULAS VOLTAICAS 
A crise energética que vem sendo discutida mundialmente levou a 
pesquisas sobre as mais diversas formas de produzir, principalmente, energia 
elétrica, com destaque nos últimos anos para sua produção utilizando células 
fotovoltaicas. Muito já foi desenvolvido para a produção de energia elétrica por 
meio de painéis solares. Garças a isso, há painéis solares com baixo custo de 
instalação e manutenção, sem qualquer impacto ambiental em sua operação. As 
células fotovoltaicas usadas nesses painéis usam, predominantemente, a 
tecnologia do silício, porém vêm sendo desenvolvidas novas tecnologias de 
células voltaicas de segunda e terceira gerações, com materiais alternativos 
bastante promissores. Trataremos aqui desses materiais para as células 
fotovoltaicas. 
 
 
18 
3.1 Células fotovoltaicas de primeira geração 
Embora as células fotovoltaicas de primeira geração tenham sua origem 
nos anos 1950, esse tipo de célula ainda tem a maior participação no mercado 
internacional, por ser considerada uma tecnologia consolidada e confiável, de 
baixo custo de produção e com eficiência na conversão da energia solar em torno 
de 20%, que é a melhor comercialmente disponível. São células constituídas 
estruturalmente de wafer de silício de 100 a 200 µm de espessura. 
Possuem dois processos de fabricação: crescimento de um único cristal 
com alto grau de pureza, e solidificação lenta de um bloco de silício fundido. 
Pelo primeiro processo, é gerado o silício monocristalino (m-Si), cuja 
estrutura gerada é uniforme, tornando-se mais eficiente na conversão de energia 
por não ter barreiras durante o transporte dos elétrons. Porém, é necessário que 
ela passe por um processo de dopagem do silício para criar camadas dos tipos 
n e p. O tipo n (negativo) é produzido, por exemplo, com dopagem com 
elementos como o fósforo, levando o silício a ter um elétron a mais na camada 
de valência. Já o tipo p (positivo), é produzido, por exemplo, com dopagem com 
elementos como o boro, levando o silício a ter um elétron a menos na camada 
de valência. 
Pelo segundo processo, é gerado o silício policristalino (m-Si), cujos 
átomos não se organizam em um único cristal, formando uma estrutura de 
múltiplos cristais. Apesar de apresentar um fluxo de elétrons menos eficiente 
quando comparado ao silício monocristalino, apresentando, desse modo, uma 
menor eficiência em um painel solar, tem a vantagem de ter um processo mais 
simples e barato de produção, com consumo de energia bastante menor que o 
usado para produzir o silício monocristalino 
3.2 Células fotovoltaicas de segunda geração 
A segunda geração das células fotovoltaicas é fabricada aplicando-se 
camadas de película fina de material fotovoltaico (da ordem de variação de 
nanômetros a micrômetros) em uma base de vidro, plástico, cerâmica ou metal, 
por meio de deposição de vapor ou processo de impressão – por isso, o nome 
thin film (“filme fino”). Como no processo de fabricação é utilizada pouca matéria-
prima, o produto final acaba sendo mais barato. 
 
 
19 
Os três materiais de filmes finos usados são o telureto de cádmio, o silício 
amorfo e o disseleneto de cobre, índio e gálio. Com relação às células de 
primeira geração, apresentam as vantagens de gastarem menos energia na 
produção, além da menor utilização de matéria-prima já citada, e terem um 
processo com menos desperdícios. Devido a sua boa aparência final, vêm sendo 
incluídos de forma crescente em projetos arquitetônicos. 
3.3. Células fotovoltaicas de terceira geração 
Antes de tratar das células voltaicas de terceira geração, é necessário 
comentar sobre o Limite de Shockley-Queisser, que é o limite de eficiência 
termodinâmica de uma célula solar, cujo valor fica em trono de 33% para uma 
temperatura ambiente de 300 K, com um espectro AM 1,5 na célula solar. Como 
as células fotovoltaicas de primeira e segunda geração não ultrapassam esse 
limite por usarem uma única junção p e n, as células fotovoltaicas de terceira 
geração vêm sendo desenvolvidas para ultrapassar o Limite de Shockley-
Queisser a um menor custo de produção. Entre os materiais para sua confecção, 
os mais estudados vêm sendo: dye-sensitized solar cell (DSSC), organic 
photovoltaic (OPV), perovskite solar cell (PSC) e quantum dot sensitized solar 
cell (QDSSC). 
�x Dye-sensitized solar cell (DSSC): apresenta custo baixo e baixo impacto 
ambiental, porém com baixa eficiência energética. É composta por um 
anodo foto-sensibilizado e um cátodo foto-eletroquímico, estando o anodo 
em um semicondutor. Em geral, usam de forma combinada materiais 
orgânicos e inorgânicos. São células leves e apresentam uma eficiência 
de conversão de energia entre 8% e 14%. 
�x Organic photovoltaic (OPV): apresentam baixo custo e baixo impacto 
ambiental, embora sofram degradação ambiental, sem proteção eficaz. 
Usam o efeito fotovoltaico na produção de energia elétrica, por meio de 
polímeros orgânicos condutores que recebem as cargas e então as 
transportam. Apresentam uma eficiência de conversão de energia em 
torno de 6%. As OPV de materiais como pentaceno, ftalocianina de cobre, 
polifenileno vinileno e fulerenos de carbono são fabricadas por processo 
de impressão. 
 
 
20 
�x Perovskite Solar Cell: as células solares híbridas baseadas em perovskita 
são materiais de bastante interesse para a produção de sistemas 
fotovoltaicos mais econômicos e eficientes, por possuírem óxidos, 
nitretos, haletos e ternários com magnetismo, supercondutividade e 
magnetorresistência. São produzidas
por processos químicos de baixo 
custo. Apresentam uma eficiência de conversão de energia que pode 
atingir até 19,7%. 
�x Quantum dot sensitized solar cell (QDSSC): captam diversas faixas do 
espectro eletromagnético por pontos quânticos, o que torna maior sua 
eficiência de conversão de energia. São constituídas por um fotoanodo, 
normalmente um vidro condutor transparente, por uma camada de 
semicondutor, geralmente o TiO2, e por uma camada de pontos quânticos 
(PQ), que são nanocristais coloidais que ficam adsorvidos no TiO2. 
Apresentam uma eficiência de conversão de energia que fica entre 38% 
e 67%. 
TEMA 4 – GRAFENO E SEUS CONCORRENTES 
Trataremos aqui da evolução na tecnologia de produção do grafeno, e dos 
principais concorrentes que se apresentam em desenvolvimento. 
4.1 Grafeno 
O grafeno é um monocristal bidimensional formado por uma única camada 
atômica de átomos de carbono localizados nos vértices de uma rede hexagonal 
plana. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
Figura 10 – Grafeno 
 
Crédito: 123dartist/Shutterstock. 
É o material mais fino conhecido, sendo bastante flexível, resistente e 
extremamente duro. Além disso apresenta excepcionais propriedades 
eletrônicas, devido ao fato de seus elétrons se comportarem como férmions de 
Dirac, sem massa, e com uma mobilidade excepcionalmente elevada, de até 
500000 cm2/V.s, permitindo conduzir corrente elétrica à temperatura ambiente 
melhor que qualquer outro material conhecido. É a combinação de tais 
propriedades, como a alta resistência, dureza, flexibilidade e propriedades 
eletrônicas, que suscitaram e vêm suscitando tantos estudos sobre seu uso. 
Após mais de 16 anos de sua descoberta, apesar de seu conhecido 
comportamento como supercondutor, o grafeno vem sendo testado para uma 
gama bastante ampla de aplicações, que vão desde baterias e eletrodos para 
catálise, até biossensores. Há também inúmeras pesquisas visando sua geração 
por métodos viáveis industrialmente e que mantenham suas propriedades 
eletrônicas e mecânicas. 
Entre os métodos desenvolvidos para a produção do grafeno, se 
destacam a esfoliação micromecânica, a esfoliação eletroquímica e a deposição 
química na fase de vapor (CVD). 
 A esfoliação se apresenta como a melhor técnica para a obtenção desse 
material, tanto em termos da preservação de suas propriedades, quanto pelo 
baixo custo de obtenção. Porém, sua produção em escala ainda não se tornou 
 
 
22 
viável. Para isso, a deposição química na fase vapor se apresenta como a melhor 
alternativa. 
Figura 11 – Produção do grafeno 
 
Crédito: Bonninturina/Adobe Stock. 
 
 
23 
O método de esfoliação micromecânica foi o mesmo utilizado por 
Novoselov (que, inclusive, lhe rendeu o Prêmio Nobel). Nesse método, uma fita 
adesiva é usada para esfoliar repetidamente as camadas de um cristal de grafite 
pirolítico altamente orientado (HOPG). Posteriormente, a fita adesiva contendo 
grafeno é pressionada contra um substrato. 
Na técnica de esfoliação eletroquímica do grafite, o grafeno é produzido 
em uma célula eletroquímica, na qual um eletrodo de grafite e um contra-eletrodo 
são imersos em uma solução ácida, normalmente de ácido sulfúrico. Aplicando-
se uma diferença de potencial entre os eletrodos, o eletrodo de grafite sofrerá 
oxidação e, em suas bordas, ocorrerão expansões interplanares do grafite, 
gerando o grafeno oxidado, que irá precipitar para o fundo do recipiente. 
Figura 12 – Esfoliação eletroquímica do grafite 
 
O método de deposição química de vapor para obtenção de grafeno é 
realizado na superfície de metais catalíticos, como níquel (Ni), paládio (Pd) ou 
cobre (Cu). Primeiro, é feito um tratamento térmico na superfície do metal em um 
forno CVD, com atmosfera controlada por injeção de gás argônio, para gerar 
grãos maiores e uniformes em sua superfície. Em seguida, é injetado gás metano 
no forno a baixa pressão e alta temperatura, rompendo suas ligações químicas 
e dissociando o gás. O carbono grafite irá aderir à superfície do metal, gerando 
uma superfície de deposição da ordem de cm2, que é bem superior do que se 
obtém pelas técnicas anteriores. Por fim, o forno é resfriado e a folha de grafeno 
produzida é retirada da superfície do metal catalisador. 
 
 
 
24 
4.2 Borofeno 
Desde que a folha de borofeno (boro bidimensional) foi gerada por 
deposição química de vapor (CVD) na superfície do metal catalisador prata (Ag), 
em 2015, a pesquisa sobre borofeno cresceu rapidamente nos campos da física 
da matéria condensada, da química, da ciência dos materiais e da 
nanotecnologia. Devido às propriedades físicas e químicas que possui, o 
borofeno tem várias aplicações potenciais, como uso em baterias de íons de lítio 
(Li), sódio (Na) e magnésio (Mg), para armazenamento de hidrogênio, em super 
capacitores, biossensores, entre outros. 
O borofeno é mais forte e mais flexível que o grafeno. É um bom condutor 
de eletricidade e calor, é supercondutor, é leve e bastante reativo. Estudos levam 
a crer que o borofeno pode armazenar quantidade superior a 15% de seu peso 
em hidrogênio, que adere facilmente a sua estrutura. Essa propriedade de 
adsorção, combinada com a grande área superficial de suas camadas atômicas, 
torna o borofeno o material mais promissor para ser usado em células de 
hidrogênio. 
Entretanto, sua elevada reatividade faz com que seja altamente suscetível 
à oxidação, para a qual devem ser tomadas medidas de proteção, o que torna o 
borofeno caro de fabricar e difícil de manusear. 
O processo comercial de sua obtenção é bem semelhante ao da obtenção 
do grafeno em forno CVD, apenas substituindo o gás e o metal catalisador. Como 
metal catalisador, é usada a prata (Ag), pois o arranjo regular de seus átomos 
leva os átomos de boro a adotar um padrão no qual cada átomo se une a outros 
seis para criar uma estrutura hexagonal plana. No entanto, uma proporção 
significativa de átomos de boro se liga apenas a quatro ou cinco outros átomos, 
gerando vacâncias na estrutura. O padrão das vacâncias é o que dá ao borofeno 
suas propriedades únicas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
25 
Figura 13 – Borofeno 
Crédito: Jefferson Schneider. 
4.3 Dissulfeto de molibdênio 
O dissulfeto de molibdênio é uma substância extremamente versátil. 
Possui estabilidade química e térmica, podendo ser obtido na forma de filmes 
finos com propriedades físicas anisotrópicas, ou seja, que variam de acordo com 
a direção no espaço, o que o torna um material habilitado para diversas 
aplicações, como baterias, células solares, lubrificantes sólidos, catalisadores, 
entre outros. Pertence a uma classe de materiais conhecidos como compostos 
lamelares, ocorrendo em três modificações polimórficas: 2H, 3R e 1T. As 
modificações 2H e 3R se caracterizam por terem átomos de molibdênio ligados 
covalentemente a átomos de enxofre, em uma geometria trigonal prismática 
regular. A fase 1T apresenta forma ondulada devida à distorção da esfera de 
coordenação octaédrica presente no centro dessa estrutura. 
 
 
 
 
 
 
 
26 
Figura 14 – Modificações 2H, 3R e 1T 
 
Crédito: Jefferson Schneider. 
A modificação 2H-MoS2 é a mais comumente encontrada, e dá origem a 
materiais equivalentes aos obtidos da grafita, como os nanotubos. É, como a 
modificação 3R, um material diamagnético e semicondutor, ao passo que, a fase 
1T, é condutora. As propriedades semicondutoras da modificação 2H-MoS2 e 
sua produção na forma de filmes finos, fazem com que seja o mais recomendável 
para a confecção de células solares. 
TEMA 5 – BIOPLÁSTICOS 
Hoje os bioplásticos vêm sendo usados de forma crescente nas mais 
diversas aplicações de engenharia. Portanto, é importante que o profissional de 
engenharia e tecnologia tenha um bom conhecimento tanto desses materiais, 
quanto de suas aplicações. 
5.1 Bioplásticos 
Os bioplásticos, ou biopolímeros, são materiais de diversos usos na 
engenharia
que, conforme definição da European Bioplastics (EUPB), são 
produzidos a partir de fontes não renováveis, como o petróleo, ou de fontes 
renováveis como cana-de-açúcar e celulose, podendo, ou não, serem 
biodegradáveis. Partindo dessa premissa, dentro dessa categoria de materiais 
 
 
27 
há aqueles que possuem sua origem de fontes não renováveis, mas 
biodegradáveis, os que possuem origem de fontes renováveis, mas que são 
biodegradáveis, e os que vêm de fontes renováveis e que não são 
biodegradáveis. 
Figura 15 – Bioplástico 
 
Crédito: MikeDotta/Shutterstock. 
Como exemplo de bioplásticos de origem não renovável e biodegradáveis, 
podemos citar o poli (butileno adipato-co-tereftalato) (PBAT) e a policaprolactona 
(PCL), entre outros. Quanto aos bioplásticos de origem renovável e 
biodegradáveis, citamos o poliácido láctico (PLA), o polihidroxialcanoato (PHA) 
e o poli (succinato de butileno) (PBS), entre outros. Por fim, entre os bioplásticos 
com origem renovável, porém não biodegradáveis, estão o polietileno (PE), o poli 
(tereftalato de etileno) (PET), a poliamida (PA), o poliuretano (PU), entre outros. 
Em convenção virtual realizada pela EUPB em 2020, foi apresentado um 
relatório que indica uma forte tendência de crescimento da indústria global de 
bioplásticos. Nesse congresso, a presidente da EUPB, François de Bie, afirmou 
que as expectativas de crescimento nos próximos cinco anos atingiriam 35%, ou 
seja, uma capacidade global de produção na ordem de 2.817.000 toneladas até 
o ano de 2025.