CW 4 - Classificação e propriedade dos materiais

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<p>CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADE DOS</p><p>MATERIAIS</p><p>Aula 1</p><p>MATERIAIS METÁLICOS</p><p>Materiais metálicos</p><p>Olá, Estudante! Nessa videoaula você entenderá como os materiais são classificados. E mais, aprofundaremos os conhecimentos a</p><p>respeito de uma classe de materiais muito importante para o desenvolvimento social e científico-tecnológico: os metais.</p><p>Compreenderemos como esses materiais são formados, suas propriedades e principais aplicações.</p><p>Entender os conceitos que permeiam essa classe de materiais são importantes para sua prática pessoal e profissional, pois dentre</p><p>as mais diversas aplicações na ciência e indústria, utilizamos diversos tipos de materiais metálicos em nosso dia a dia, desde as</p><p>estruturas metálicas utilizadas para construir nossas casas aos talheres que utilizamos nas refeições, sempre temos a presença dos</p><p>metais.</p><p>Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os metais?!</p><p>Bons estudos!!!</p><p>Ponto de Partida</p><p>Olá, Estudante! Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais metálicos, entender como são constituídos e compreender</p><p>o que são ligas metálicas e para qual finalidade são utilizadas. E ainda, discutir meios para conhecer um material metálico através</p><p>da avaliação das propriedades que apresentam.</p><p>Tudo isso para escolha adequada do material para aplicação em um projeto, atendendo os requisitos necessários no projeto para</p><p>sua utilização, garantindo o custo-benefício e às condições de segurança.</p><p>Assim, visando a aplicação desses conceitos, vamos considerar uma situação em que você atua como estagiário em uma indústria</p><p>que fabrica peças pré-moldadas de concreto protendido. Durante a visitação à fábrica, você verificou que, para a fabricação dessas</p><p>peças, são utilizados fios de aço carbono com área de seção transversal nominal de 62,9 mm2. E ainda, nessas peças, a armação</p><p>de fios de aço é pré tensionada (esforço de tração aplicado) antes de ser imersa na matriz de concreto. Depois que o concreto é</p><p>adicionado e endurece, a tensão na armação de aço é relaxada e o aço sofre recuperação elástica, comprimindo o sistema todo, o</p><p>que aumenta a resistência mecânica do conjunto, pois mantém o concreto sob um esforço de compressão.</p><p>Curioso com a fabricação do material, você resolveu calcular a força (em newtons) à qual os fios foram submetidos no processo de</p><p>pré-tensionamento. Para isso, buscou algumas informações: o valor do módulo de elasticidade do aço utilizado é de 200 GPa e,</p><p>para o desenvolvimento dos cálculos, será necessário assumir que os fios de aço sofreram uma deformação elástica de 1% quando</p><p>foram pré tensionados.</p><p>Vamos conhecer os conceitos necessários para resolução do problema proposto?!</p><p>Bons estudos!</p><p>Vamos Começar!</p><p>Definição</p><p>De maneira geral, os materiais foram agrupados em três categorias quanto sua composição química e estrutura atômica. Eles</p><p>podem ser metálicos, cerâmicos e poliméricos. Existe ainda uma outra classificação, denominada de compósito. Um material</p><p>compósito é aquele resultante das combinações dois ou mais materiais diferentes, resultando em propriedades únicas, não</p><p>apresentadas pelos materiais separadamente. Outra categoria para os materiais, mais recente, é denominada de materiais</p><p>avançados, aqueles utilizados em aplicações de alta tecnologia (eles podem ser semicondutores, biomateriais, materiais inteligentes</p><p>e materiais nanomateriais).</p><p>Nesse momento, vamos estender o nosso estudo a respeito dos materiais metálicos, compreendendo como são constituídos, suas</p><p>propriedades e principais aplicações.</p><p>Os materiais metálicos, também chamados de metais, são compostos por um ou mais elementos metálicos (por exemplo, ferro,</p><p>alumínio, cobre, titânio, ouro, níquel) por meio de ligações metálicas. Contudo, com frequência, podem ser utilizados elementos não</p><p>metálicos em sua constituição principal (por exemplo, carbono, nitrogênio, oxigênio), em quantidades relativamente pequenas,</p><p>formando ligas metálicas, alterando algumas das propriedades iniciais do material.</p><p>Nos metais, os átomos apresentam ordenamento de longo alcance, formando estruturas que se repetem ao longo do material, ou</p><p>seja, são materiais cristalinos. E ainda, em comparação com as cerâmicas e os polímeros, são relativamente densos.</p><p>Devido ao tipo de ligação que apresentam, os materiais metálicos são rígidos, resistentes e dúcteis, podendo sofrer grandes</p><p>deformações sem sofrer fratura. Por essa razão, apresentam elevada resistência à fratura, fator responsável pelo seu amplo uso em</p><p>aplicações estruturais.</p><p>Com relação à ligação metálica, os materiais metálicos possuem grandes números de elétrons não localizados (elétrons livres) que</p><p>não estão ligados a nenhum átomo em particular, formando uma nuvem eletrônica. Por essa razão, muitas das propriedades dos</p><p>metais podem ser atribuídas diretamente a esses elétrons, como excelentes condutores de eletricidade e de calor e não</p><p>transparentes à luz visível. Além disso, quando polida, a superfície de um metal apresenta aparência brilhosa. Por fim, alguns metais</p><p>(como Fe, Co e Ni) possuem propriedades magnéticas desejáveis.</p><p>Uma liga metálica é definida como um material metálico que contém adições de um ou mais metais ou não metais. Elas incluem</p><p>aços, alumínio, magnésio, zinco, ferro fundido, titânio, cobre, níquel, entre outros. Tanto os metais, quanto as ligas metálicas,</p><p>possuem resistência mecânica relativamente elevada, alta rigidez, ductilidade ou conformabilidade e resistência a choques</p><p>mecânicos. Esses materiais são particularmente úteis em aplicações estruturais.</p><p>Embora os metais puros sejam raramente utilizados, a combinações de metais (ligas) permitem melhorar uma propriedade</p><p>específica desejada ou obter melhor combinação de propriedades. Um dos melhores exemplos na formação e utilização de ligas</p><p>metálicas se dá para o ouro: o ouro puro é um metal muito macio, por isso os joalheiros normalmente adicionam prata ou cobre para</p><p>aumentar sua resistência mecânica, de modo que a joia feita de ouro não seja danificada facilmente.</p><p>Propriedades dos materiais metálicos</p><p>Antes de falar das propriedades dos metais, precisamos entender o que são propriedades e o que elas representam. De maneira</p><p>geral, todos os materiais são expostos a estímulos externos, apresentado algum tipo de resposta. Por exemplo, um corpo é</p><p>submetido à ação de forças e apresenta deformação, ou uma superfície metálica é polida e reflete a luz. Assim, podemos dizer que</p><p>uma propriedade é definida como uma característica de um dado material, em termos do tipo e da magnitude da sua resposta a um</p><p>estímulo específico que lhe é imposto. Geralmente, as definições das propriedades são feitas de modo que elas sejam</p><p>independentes da forma e do tamanho do material.</p><p>As propriedades de maior importância que podem ser apresentadas pelos materiais sólidos são agrupadas em seis categorias</p><p>diferentes, sendo que para cada categoria existe um tipo característico de estímulo que é capaz de provocar diferentes respostas.</p><p>Essas categorias são conhecidas por:</p><p>Propriedades mecânicas. Essas propriedades expressam a resposta de um material sob condição de carregamento, ou seja,</p><p>quando é aplicado uma força sobre ele. Como exemplo temos a tensão, módulo de elasticidade (rigidez), a resistência e a</p><p>tenacidade.</p><p>Propriedades elétricas. Essas propriedades dizem respeito ao estímulo que um corpo apresenta quando colocado em um</p><p>campo elétrico aplicado. Nesse caso, as propriedades típicas incluem a condutividade elétrica e a constante dielétrica.</p><p>Propriedades térmicas. Essas propriedades estão relacionadas a variações na temperatura ou gradientes de temperatura ao</p><p>longo de um material. Como exemplo para o comportamento térmico temos expansão térmica e a capacidade calorífica.</p><p>Propriedades magnéticas. Essas propriedades consideram as respostas de um material à aplicação de um campo magnético.</p><p>As propriedades magnéticas mais comuns são conhecidas como susceptibilidade magnética e a magnetização.</p><p>Propriedades ópticas. Nesse caso, o estímulo é a radiação eletromagnética ou a radiação luminosa. E, como</p><p>reforçado por partículas grandes, feito de uma matriz de cimento que une partículas de</p><p>diferentes tamanhos, como areia e brita. As propriedades do cimento dissolvido em água, com os materiais particulados, dependem</p><p>do quão bem os materiais foram misturados, do tamanho dos materiais particulados e da quantidade de água. Nesse caso, água</p><p>demais resulta em uma porosidade excessiva do concreto solidificado, água de menos resulta em uma superfície porosa e</p><p>compactação comprometida.</p><p>Para os compósitos reforçados por dispersão, o exemplo clássico é o compósito à base de pó de alumínio sinterizado, no qual a</p><p>matriz de alumínio é endurecida com até 14% de óxido de alumínio. Esse compósito é utilizado em reatores nucleares.</p><p>Os compósitos reforçados com fibras possuem como objetivo aumentar a resistência e/ou rigidez elevadas em relação ao peso do</p><p>material. Em relação aos compósitos com fibras contínuas e alinhadas, a resposta mecânica depende de diversos fatores, como os</p><p>comportamentos tensão-deformação das fases fibra e matriz, as frações volumétricas das fases e, além disso, direção na qual a</p><p>tensão ou carga está sendo aplicada. Já em relação aos compósitos com fibras descontínuas e alinhadas, estas estão se tornando</p><p>cada vez mais comuns no mercado comercial. As fibras de vidro picadas são os reforços desse tipo usados com maior frequência.</p><p>Por fim, os compósitos estruturais são aqueles que apresentam estruturas de alto desempenho e com baixo peso, favorecendo o</p><p>desenvolvimento de sistemas estratégicos, como na área de mísseis, foguetes e aeronaves de geometrias complexas.</p><p>Propriedades dos compósitos</p><p>As propriedades físicas dos materiais compósitos em geral não são isotrópicas (independentes da direção da força aplicada), mas</p><p>são tipicamente anisotrópicas (diferentes, dependendo do sentido da força ou carga aplicada), ou seja, o compósito é mais</p><p>resistente ao longo da direção de orientação das fibras e mais fraco na direção perpendicular à fibra.</p><p>A rigidez de um painel composto (anisotrópico), por exemplo, além da orientação das forças e/ou momentos aplicados, também</p><p>depende do desenho do painel, reforço de fibra, matriz, método de construção do painel, tipo de tecido e a orientação do eixo da</p><p>fibra em relação à força primária. Em contraste, os materiais isotrópicos, como o alumínio e o aço já forjados, apresentam a mesma</p><p>rigidez independentemente da orientação e direção das forças ou dos momentos aplicados.</p><p>As propriedades dos compósitos dependem da natureza dos materiais que são utilizados, ou seja, das propriedades da fase matriz</p><p>e da fase de reforço, da geometria da fase dispersa e do grau de ligação entre as interfaces. Nos compósitos, as funções da matriz</p><p>são: absorver as deformações, dar suporte às fibras, partículas ou folhas e conferir resistência mecânica quando submetidas à</p><p>compressão.</p><p>Nos materiais compósitos termoendurecíveis são utilizadas resinas em forma de reagentes, que são inseridas no molde e</p><p>posteriormente curadas. Além dos compósitos de matriz polimérica, temos os compósitos de matriz cerâmica: estes materiais são</p><p>leves, apresentam boa resistência e dureza. Nos compósitos cerâmicos são utilizadas como fases de reforço fibras de carbono,</p><p>fibras de vidro, fibras de carbeto de silício, entre outros.</p><p>Por fim, temos os compósitos de matriz metálica, nos quais são utilizadas como matrizes ligas metálicas de baixa densidade à base</p><p>de alumínio, titânio e magnésio. Nesse tipo de compósito, a maior parte dos materiais de reforço empregados é cerâmica, como</p><p>partículas de alumina, fibras de grafita e filamentos de boro.</p><p>A fibra de vidro é um exemplo muito comum de materiais compósitos. Essa fibra é feita com pequenas fibras de vidro que são</p><p>envolvidas por uma resina polimérica. É um material de baixa densidade, reciclável, apresenta pouca condutividade térmica, boa</p><p>resistência à corrosão e é um bom isolante elétrico. Apesar de não serem tão resistentes e duras como os compósitos de fibra de</p><p>carbono, as matérias-primas da fibra de vidro são baratas e, quando comparada com alguns metais, esse compósito, apresenta</p><p>melhores propriedades em termos de peso em massa, resistência mecânica e facilidade de ser moldado em formas complexas.</p><p>A fibra de vidro pode estar disposta de forma aleatória, achatada para formar uma folha ou em tecido e a matriz polimérica pode ser</p><p>um polímero termoendurecível. Na maioria das vezes, são utilizadas resinas epóxi, de poliéster ou um termoplástico.</p><p>Outro tipo de compósito muito importante é aquele que possui como fase de reforço fibras ou mantas de carbono, como o compósito</p><p>carbono/epóxi que é classificado como um compósito estrutural. Nesse tipo de compósito, além das propriedades dos materiais, o</p><p>projeto geométrico dos elementos estruturais é extremamente importante.</p><p>Os materiais compósitos podem ser classificados em duas categorias de acordo com a construção do material: laminados, que</p><p>possuem camadas ligadas em conjunto com orientações específicas da disposição das fibras (Figura 2) e painéis sanduíche, que</p><p>são materiais estruturais de múltiplas camadas contendo um núcleo de baixa densidade entre camadas finas de materiais</p><p>compósitos.</p><p>Figura 2. Compósito laminado. Fonte: Askeland (2019, p. 569).</p><p>Os compósitos reforçados com fibras de carbono são resistentes e podem ser utilizados em ambientes com altas temperaturas. A</p><p>Figura 3 apresenta um laminado carbono/epóxi utilizado na indústria aeronáutica e produzido a partir de camadas sobrepostas de</p><p>mantas de fibra de carbono envolvidas em resina epóxi.</p><p>Figura 3. Laminado carbono/epóxi. Fonte: KLS Química e Ciência dos Materiais (2019, p. 197).</p><p>Na indústria, os laminados compósitos são importantes na substituição de ligas metálicas e exibem excelentes características, como</p><p>rigidez, resistência mecânica, resistência a elevadas temperaturas em condições de trabalho, além de exibir um bom desempenho</p><p>sob fadiga.</p><p>Já os painéis consistem basicamente em duas placas finas de um material resistente intercaladas por um outro material (núcleo),</p><p>apresentando baixa densidade e baixo módulo de elasticidade. Normalmente, para o material do núcleo, são utilizadas espumas</p><p>poliméricas rígidas, madeira balsa e colmeias. A Figura 4a apresenta um esquema de painel sanduíche do tipo honeycomb (colmeia)</p><p>e a Figura 4b mostra um painel sanduíche do tipo honeycomb desenvolvido pela NASA.</p><p>Figura 4. Painéis sanduíche (honeycomb). Fonte: KLS Química e Ciência dos Materiais (2019, p. 198)</p><p>A Figura 4a apresenta um painel que está estruturado por: (1) representa um esquema do painel sanduíche, (2) corresponde às</p><p>placas de um determinado material, ou seja, a face da lâmina, enquanto (3) refere-se ao núcleo (colmeia) que adere às placas por</p><p>meio de adesivos.</p><p>Ao final, o painel sanduíche apresenta, em determinadas condições, resistência à flexão bem maior que placas maciças dos</p><p>mesmos materiais e da mesma densidade. Nesse compósito as faces suportam as tensões normais de compressão, tração ou</p><p>cisalhamento que estão associadas à flexão e são fabricadas de materiais relativamente resistentes, como ligas de alumínio, aços,</p><p>madeiras compensadas ou plásticos reforçados com fibras. O núcleo deve manter as faces afastadas em uma determinada</p><p>espessura, ser suficientemente rígido na direção perpendicular a elas, a fim de evitar o esmagamento.</p><p>Nos materiais compósitos, podemos usar os diferentes tipos de fibras que podem ser orgânicas naturais (coco, sisal, bambu),</p><p>sintéticas (carbono, aramida, poliamida) ou inorgânicas (metálicas, bora, vidro).</p><p>Os compósitos estruturais mais avançados utilizam-se de fibra de vidro, carbono/grafite, boro e outros materiais orgânicos,</p><p>resultando em materiais leves e que ao mesmo tempo apresentam elevada resistência e dureza. Além dos diferentes tipos de fibras,</p><p>na fabricação de um material compósito vários materiais, como polímeros, metais e não metais podem ser utilizados como matrizes.</p><p>Siga em Frente...</p><p>Materiais avançados</p><p>Os materiais avançados são aqueles utilizados em aplicações de alta</p><p>tecnologia (ou high-tech), incluindo os equipamentos</p><p>eletrônicos, computadores, sistemas de fibras ópticas, baterias de alta densidade de energia, sistemas de conversão de energia e</p><p>aeronaves. Esses materiais podem ser comuns (com propriedades aprimoradas) e de alto desempenho (recentemente</p><p>desenvolvidos).</p><p>Justamente por essa razão, os materiais avançados podem pertencer a qualquer tipo de material (metais, cerâmicas, polímeros),</p><p>mas de custo elevado devido a tecnologia embutida em seu processo de fabricação.</p><p>Os materiais avançados incluem semicondutores, biomateriais, materiais inteligentes e nanomateriais. Vejamos cada um</p><p>separadamente.</p><p>Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas exibidas pelos condutores elétricos e os</p><p>isolantes. Eles apresentam condução, ou não, dependendo das circunstâncias a quais são expostos e/ou devido à quantidade de</p><p>impureza que possuem, cujas concentrações podem ser controladas em regiões espaciais muito pequenas do material. Esse tipo de</p><p>material tornou possível o desenvolvimento dos circuitos integrados, os quais revolucionaram totalmente as indústrias de produtos</p><p>eletrônicos e de computadores ao longo das quatro últimas décadas.</p><p>Os biomateriais são aqueles utilizados, de alguma forma, em aplicações humanas, direta ou indiretamente. Por exemplo, os</p><p>implantes de reposição são construídos a partir de biomateriais, que são implantados no corpo, de modo que eles funcionem de</p><p>uma maneira confiável, segura e fisiologicamente satisfatória, enquanto interagem com o tecido vivo. Por essa razão, os</p><p>biomateriais devem ser biocompatíveis e não devem causar rejeição, respostas fisiologicamente inaceitáveis, nem liberar</p><p>substâncias tóxicas. Os biomateriais podem ser de materiais metálicas, cerâmicos, poliméricos e materiais compósitos.</p><p>Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração com influência significativa sobre muitas das nossas</p><p>tecnologias. O adjetivo inteligente significa que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e assim</p><p>responder a essas mudanças segundo padrões predeterminados. Os componentes de um material (ou sistema) inteligente incluem</p><p>algum tipo de sensor (que detecta um sinal de entrada) e um atuador (que executa uma função de resposta e adaptação). Os</p><p>atuadores podem provocar mudança de forma, de posição, da frequência natural ou das características mecânicas em resposta a</p><p>mudanças na temperatura, nos campos elétricos e/ou nos campos magnéticos. Quatro tipos de materiais são utilizados como</p><p>atuadores: ligas com memória de forma, cerâmicas piezoelétricas, materiais magnetoconstritivos e fluidos</p><p>eletrorreológicos/magnetorreológicos.</p><p>Os nanomateriais podem ser constituídos de qualquer um dos quatro tipos básicos de materiais, mas com dimensões das entidades</p><p>estruturais da ordem do nanômetro (10-9m). Devido às propriedades únicas e não usuais, os nanomateriais estão encontrando</p><p>nichos na eletrônica, biomedicina, esportes, produção de energia e em outras aplicações industriais.</p><p>Vamos Exercitar?</p><p>Relembrando o problema proposto inicialmente, como analista de um laboratório que trabalha com análises de amostras de</p><p>materiais, você recebeu duas amostras de materiais de uma empresa cliente que atua na fabricação de componentes para</p><p>aeronaves comerciais. Essas amostras (Figura 1) são de materiais deformados a partir de um ensaio de impacto (ensaio de dureza).</p><p>E foi informado que a empresa pretende substituir o material (a) pelo material (b).</p><p>Figura 1. Amostra dos materiais (a) e (b). Fonte: KLS Química e Ciência dos Materiais (2019, p. 188).</p><p>Assim, para entender se a substituição do material pode ser realizada, considerando os materiais apresentados na Figura 1, será</p><p>necessário responder alguns questionamentos:</p><p>a qual classificação esses materiais pertencem?</p><p>quais as propriedades de interesse para a aplicação em componentes de aeronaves?</p><p>esses materiais apresentam propriedades semelhantes?</p><p>qual a diferença entre eles? O material (b) poderá ser utilizado como alternativa à utilização do material (a)?</p><p>Através de suas pesquisas, você concluiu que as amostras recebidas são de materiais denominados compósitos. Um material</p><p>compósito pode ser definido como a combinação entre diferentes materiais que, quando juntos, apresentam propriedades</p><p>características e distintas daquelas dos materiais isolados. Assim, o material apresentará a combinação das melhores propriedades</p><p>daqueles que o compõem.</p><p>Existem diversos tipos de compósitos, como o concreto, a fibra de vidro e as fibras de carbono em que cada um desses materiais</p><p>apresentará uma determinada propriedade que atenderá a uma necessidade específica.</p><p>Os compósitos podem ser do tipo reforçado por partículas, por fibras e estruturais (painéis e laminados). Um compósito</p><p>termoplástico pode ser entendido como um material que utiliza uma resina termoplástica, isto é, uma resina que quando atinge</p><p>determinada temperatura apresenta alta viscosidade e facilidade para ser moldada e conformada, como a poli-éter-éter-cetona</p><p>(PEEK), o sulfeto de polifenileno (PPS) e a polieterimida (PEI).</p><p>Já um compósito termorrígido utiliza-se de resinas que, uma vez aquecidas, não podem ser mais remodeladas, como as resinas</p><p>epóxis. Os compósitos termorrígidos apresentam melhores propriedades mecânicas e maior resistência à umidade quando</p><p>comparados aos termoplásticos.</p><p>Por fim, os dois materiais apresentados na Figura 1 são compostos por camadas de fibra de carbono, diferenciando o tipo de resina</p><p>utilizado. A Figura 1a apresenta um compósito termorrígido de carbono epóxi enquanto a Figura 1b apresenta um compósito</p><p>termoplástico (PPS), ambos foram sujeitos a um ensaio de impacto com mesma energia no centro dos espécimes.</p><p>Pela análise visual das figuras, podemos concluir que o compósito-PPS (Figura 1b) apresenta uma região de deformação maior</p><p>quando comparado ao carbono epóxi (Figura 1a), corroborando a premissa de que os compósitos termorrígidos possuem melhores</p><p>propriedades mecânicas.</p><p>Assim, a partir das características desses materiais, é possível concluir que o material (b) pode ser utilizado como alternativa ao</p><p>material (a) em aplicação que requerem uma menor resistência ao impacto, já que esse material apresenta uma maior área de</p><p>deformação quando submetidos a diferentes níveis de energia.</p><p>Saiba Mais</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Os materiais compósitos são de grande valia para o desenvolvimento científico e tecnológico. Eles apresentam características</p><p>únicas, podendo ser utilizados nas mais diversas aplicações, tornando possível projetos que pareciam inalcançáveis. Por essa</p><p>razão, aprofunde seu conhecimento sobre esses materiais lendo a seção 3.7 do livro Comportamento Mecânico dos Materiais de</p><p>Norman Dowling. Veja os conceitos, analise os exemplos e faça os exercícios propostos.</p><p>DOWLING, Norman. Comportamento Mecânico dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2017. E-book. ISBN 9788595153493.</p><p>Disponível em: . Acesso em: 22 abr. 2024.</p><p>Bons estudos!</p><p>Referências Bibliográficas</p><p>ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São</p><p>Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788595153493/</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/.</p><p>DOWLING, Norman. Comportamento Mecânico dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2017. E-book. ISBN 9788595153493.</p><p>Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788595153493/. Acesso em: 22 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN</p><p>9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010.</p><p>E-book. ISBN</p><p>978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades.</p><p>Editora Saraiva, 2014. E-book. ISBN 9788536520506. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>PAWLICKA, Agnieszka; FRESQUI, Maíra; TRSIC, Milan. Curso de Química para Engenharia, volume II: Materiais. São Paulo:</p><p>Editora Manole, 2013. E-book. ISBN 9788520436646. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788520436646/. Acesso em: 22 abr. 2024.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo</p><p>GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book.</p><p>ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>Encerramento da Unidade</p><p>CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS</p><p>Videoaula de Encerramento</p><p>Olá, estudante! Nessa videoaula você irá conhecer os principais conceitos que envolvem os tipos de materiais existentes, através da</p><p>classificação que possuem, levando em consideração sua formação (átomos e ligações químicas) e propriedades que possuem.</p><p>Conteúdos importantes para sua prática profissional, já que todos os produtos fabricados, acabados e utilizados são constituídos de</p><p>algum tipo de material (ou a junção deles). Ou seja, toda substância, em estado sólido, se apresenta na forma de um material (seja</p><p>metal, polímero, cerâmica ou semicondutor, avançados ou não).</p><p>Vamos entender cada classificação dos materiais levando em consideração sua composição, propriedades e principais aplicações?!!</p><p>Bons estudos!</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788595153493/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788520436646/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/.</p><p>Ponto de Chegada</p><p>Olá, estudante! Para desenvolver a competência dessa unidade, que consiste em analisar e compreender as propriedades dos</p><p>materiais para seleção, de modo a atender às características de desempenho e processamento, é necessário entender que há</p><p>várias formas de classificação dos materiais. A mais comum considera quatro categorias: metais e ligas; cerâmicas, vidros e</p><p>vitrocerâmicas; polímeros (como os plásticos) e materiais compósitos. A Tabela 1 apresenta algumas aplicações, propriedades e</p><p>exemplos para cada categoria.</p><p>Exemplos de aplicações</p><p>Metais e Ligas</p><p>Cobre Fios elétricos Alta condutivid</p><p>Ferro fundido cinzento Blocos de motores para automóveis Fundibilidade, usin</p><p>Aços especiais Ferramentas, chassis de automóveis Endurecibil</p><p>Tabela 1. Aplicações, propriedades e exemplos para cada classe de material. Fonte: elaborada pela autora.</p><p>Cerâmicas e vidros</p><p>, ,</p><p>Vidro para janelas Transparê</p><p>, ,</p><p>Refratários (revestimento resistente ao calor para</p><p>fornos de fusão)</p><p>Isolamento térmico,</p><p>in</p><p>Titanato de bário Capacitores para microeletrônica Grande capacidade</p><p>Sílica Fibras ópticas para a tecnologia da informação B</p><p>Polímeros</p><p>Polietileno Embalagens para alimentos</p><p>Facilidade de se</p><p>flex</p><p>Resinas epóxi Encapsulamento de circuitos integrados Isolante e</p><p>Resinas fenólicas Adesivos para união de camadas de compensado Resistê</p><p>Compósitos</p><p>Resina epóxi reforçadas com fibras de carbono Componentes para avião Eleva</p><p>Metal duro (liga de cobalto reforçada com carbeto</p><p>de tungstênio)</p><p>Ferramentas de corte para usinagem Elevada dureza con</p><p>Aço revestido com titânio Vasos para reatores</p><p>Baixo custo e asso</p><p>elevada re</p><p>Os materiais de cada um desses grupos (classes) apresentam estruturas e propriedades distintas. Contudo, como os materiais</p><p>metálicos são amplamente usados em aplicações estruturais, suas propriedades mecânicas são de grande interesse prático. As</p><p>propriedades mecânicas são aquelas apresentadas pelos materiais em resposta a uma carga aplicada.</p><p>Dentre elas, a mais comum é a tensão, que indica a resposta do material à força aplicada, por unidade de área. Matematicamente, a</p><p>tensão é obtida pela força em função da área da seção transversal .</p><p>Já a deformação indica mudança de forma do material quando um carregamento é aplicado. Se a força aplicada for do tipo axial, a</p><p>deformação é específica () dada pela variação de comprimento do material dividida pelo comprimento inicial Caso a deformação</p><p>desapareça após ser removida a carga ou a tensão aplicada, diz-se que a deformação é do tipo elástica. Se a deformação</p><p>permanecer após ser removida a tensão (ou carregamento), diz-se que a deformação é plástica.</p><p>Para deformações elásticas, a tensão e deformação estão linearmente relacionadas, e o coeficiente angular da reta tensão-</p><p>deformação neste trecho é conhecido como módulo de elasticidade (E) ou módulo de Young. Matematicamente, essa relação é</p><p>conhecida como Lei de Hooke, expressa por .</p><p>A tensão necessária para iniciar uma deformação plástica é denominada limite de escoamento (LE). E a deformação percentual</p><p>máxima que se pode obter é uma medida da ductilidade de um material metálico.</p><p>Essas são apenas algumas das propriedades possíveis para os materiais, existem muitas outras. Todas elas devem ser sempre</p><p>avaliadas na análise de um material para escolha adequada para uma aplicação específica, casando as condições de projeto com</p><p>as características assertivas do material escolhido.</p><p>Considerando a classificação dos materiais, vamos entender melhor as características e principais propriedades de cada classe,</p><p>começando pelos metais e suas ligas.</p><p>A classe dos materiais metálicos inclui aços, alumínio, magnésio, zinco, ferro fundido, titânio, cobre, níquel, dentre outros materiais.</p><p>Uma liga é um metal que contém adições de um ou mais elementos metálicos ou elementos não metais. Em geral, os metais</p><p>apresentam boa condutividade térmica e elétrica. Tanto os metais quanto as ligas possuem resistência mecânica relativamente</p><p>elevada, alta rigidez, ductilidade ou conformabilidade e resistência a choques mecânicos. Eles são particularmente úteis em</p><p>aplicações estruturais. Embora metais puros raramente sejam usados, combinações de metais (legas) permitem melhorar uma</p><p>propriedade específica desejada ou obter melhor combinação de propriedades. Por exemplo, o ouro puro é um metal muito macio,</p><p>por isso os joalheiros adicionam-lhe cobre para aumentar sua resistência mecânica, de modo que a joia feita de ouro não seja</p><p>danificada facilmente.</p><p>Com relação aos materiais cerâmicos, é possível definir as cerâmicas como materiais cristalinos inorgânicos. As cerâmicas podem</p><p>ser consideradas os materiais mais naturais que existem. De fato, a areia das praias e as rochas são exemplos de cerâmicas em</p><p>estado natural. As cerâmicas avançadas são materiais feitos com o refino de cerâmicas naturais e por outros processos especiais,</p><p>empregadas em substratos de chips de computadores, sensores e atuadores, capacitores, equipamentos para comunicações sem</p><p>fio, velas de ignição, indutores e isoladores elétricos. Alguns tipos de cerâmica são utilizados como revestimento de proteção para</p><p>substratos metálicos em turbinas. As cerâmicas também são utilizadas em vários produtos de consumo, como tintas, plásticos e</p><p>pneus, e em aplicações industriais mais avançadas, como os sensores de oxigênio para automóveis. Quanto às cerâmicas</p><p>tradicionais, são utilizadas em tijolos, louças de cozinha, pias e vasos sanitários, refratários (materiais resistentes ao calor)</p><p>e</p><p>abrasivos. Em geral, as cerâmicas não são boas condutoras de calor. Além disso, devem ser aquecidas a temperaturas altíssimas</p><p>antes de fundir. As cerâmicas são também resistentes e rígidas, mas, ao mesmo tempo, bastante frágeis. Normalmente são</p><p>preparados pós finos de cerâmica, que serão então moldados em diferentes formatos. Novas técnicas de processamento tornaram-</p><p>nas suficientemente resistentes à fratura, a ponto de serem usadas em aplicações estruturais (como rotores de turbinas). E ainda,</p><p>as cerâmicas apresentam excepcional resistência à compressão.</p><p>Os polímeros são materiais orgânicos produzidos por meio de um processo conhecido como polimerização. Entre os materiais</p><p>poliméricos, em geral podemos citar as borrachas (elastômeros) e muitos tipos de adesivos. Os polímeros geralmente são bons</p><p>isolantes térmicos e elétricos, apesar de existirem exceções. Embora tenham baixa resistência, possuem boa razão resistência-</p><p>peso. Normalmente, não são adequados ao uso em altas temperaturas, entretanto, vários polímeros são bastante resistentes a</p><p>produtos químicos corrosivos. Empregam-se os polímeros em milhares de aplicações, de coletes à prova de bala, discos compactos</p><p>(CD), cordas e displays de cristal líquido (LCD) a roupas e xícaras. Os polímeros termoplásticos, nos quais as longas cadeias</p><p>moleculares não estão rigidamente conectadas, possuem boa ductilidade e conformabilidade. Já os polímeros termofixos são mais</p><p>resistentes e mais frágeis, pois suas cadeias moleculares apresentam ligações cruzadas. Utilizam-se os polímeros em inúmeras</p><p>aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos. Os termoplásticos são fabricados por conformação do material fundido, ao passo que</p><p>os termofixos são geralmente fundidos e vazados em moldes. Os plásticos contêm aditivos que aprimoram as propriedades dos</p><p>polímeros.</p><p>Por fim, os materiais compósitos. Ao desenvolver compósitos, a ideia primordial consiste em combinar as propriedades de diferentes</p><p>materiais. Assim, os compósitos são formados por dois ou mais materiais, dando origem a propriedades que não são encontradas</p><p>em nenhum dos materiais individualmente. Concreto, compensado e fibra de vidro são exemplos de materiais compósitos. O</p><p>material conhecido como fibra de vidro, por exemplo, é obtido dispersando-se fibras de vidro em uma matriz polimérica. Essas fibras</p><p>tornam o polímero mais rígido, sem elevar significativamente sua densidade. Com o auxílio de compósitos, podemos produzir</p><p>materiais leves, tenazes, dúcteis e resistentes a altas temperaturas, ou podemos fabricar ferramentas de corte duras (e mesmo</p><p>assim resistentes a choques) que iriam fraturar se fossem feitas com outros materiais. Aviões e veículos aeroespaciais avançados</p><p>dependem bastante dos compósitos. Equipamentos esportivos, como bicicletas, tacos de golfe, raquetes de tênis e outros, também</p><p>podem utilizar diferentes tipos de materiais compósitos leves e rígidos.</p><p>Os materiais também podem ser classificados com base na função mais importante que desempenham, ou seja, mecânica</p><p>(estrutural), biológica, elétrica, magnética ou óptica. Vejamos cada um desses materiais nessa classificação.</p><p>Biomateriais são materiais naturais ou sintéticos utilizados em contato com sistemas biológicos cuja finalidade é reparar ou substituir</p><p>tecidos, órgãos ou funções do organismo, com o objetivo de manter ou melhorar a qualidade de vida do paciente. Vários órgãos</p><p>artificiais, implantes ortopédicos, próteses endovasculares (stents), aparelhos ortodônticos e outros componentes são feitos</p><p>utilizando-se diversos tipos de plásticos, ligas de titânio e aços inoxidáveis não magnéticos.</p><p>Semicondutor é todo material que, dependendo das circunstâncias (temperatura, pressão, radiação e campos magnéticos), pode</p><p>atuar como condutor, permitindo a passagem de corrente, ou como isolante, impedindo a passagem de corrente. Os semicondutores</p><p>feitos de silício, por exemplo, são utilizados na fabricação de circuitos integrados de computador.</p><p>Um material inteligente é capaz de detectar estímulos externos (tais como alterações de temperatura, de tensão, de umidade ou de</p><p>um composto químico específico) e de responder a esses estímulos. Em geral, um sistema que utiliza materiais inteligentes é</p><p>composto por sensores e atuadores que percebem mudanças e iniciam determinada reação. O titanato zirconato de chumbo (PZT)</p><p>e as ligas com memória de forma são exemplos de materiais inteligentes. Outro exemplo de materiais inteligentes são os fluidos</p><p>magneto-reológicos que respondem a campos magnéticos e são usados nos sistemas de suspensão de automóveis. E mais, temos</p><p>os vidros fotocrômicos e os espelhos com regulação automática da intensidade de luz refletida.</p><p>Nanomateriais são materiais com dimensões nanométricas, em que a superfície ou as propriedades da interface predominam sobre</p><p>as propriedades intensivas. O uso de nanomateriais resulta na capacidade tecnológica de gerar materiais de uma maneira particular</p><p>para desempenhar um papel específico. Portanto, ele abrange vários setores, desde saúde e cosméticos até preservação ambiental</p><p>e purificação do ar.</p><p>E por fim, os materiais avançados referem-se aos materiais que, devido as suas propriedades intrínsecas ou aos processos</p><p>tecnológicos de preparação, possuem a potencialidade de gerar novos produtos, soluções e processos inovadores de elevado valor</p><p>tecnológico, econômico, social e ambiental, de elevar o desempenho, durabilidade, de agregar valor ou de introduzir novas</p><p>funcionalidades em produtos e processos tradicionais.</p><p>Ao projetar um material para determinada aplicação, uma série de fatores precisa ser considerado. O material deve alcançar as</p><p>propriedades físicas e mecânicas desejadas, deve permitir o processamento ou a fabricação em um formato específico e deve</p><p>oferecer solução econômica aos problemas do projeto. Também é importante proteger o meio ambiente estimulando, se possível, a</p><p>reciclagem dos materiais. Assim, será necessário compatibilizar os diversos requisitos de projeto para obter um produto ao mesmo</p><p>tempo viável tecnicamente e comercializável.</p><p>É Hora de Praticar!</p><p>Olá, Estudante! Nesse estudo de caso, vamos considerar alguns processos da indústria do petróleo. Para isso, precisamos de</p><p>algumas informações referentes a esse tema. Assim, os processos inerentes da indústria do petróleo, além de complexos,</p><p>necessitam de condições operacionais seguras, principalmente porque ocorrem em altas temperaturas. Dentre as operações de</p><p>aquecimento do óleo cru, existe um processo, em especial, que envolve o forno. Nesse equipamento, o fluido é aquecido para ser</p><p>direcionado à torre de destilação, devendo apresentar viscosidade e temperaturas adequadas para o processo de fracionamento do</p><p>óleo.</p><p>A finalidade dos fornos é queimar combustível, e o calor gerado por essa combustão é transferido ao petróleo, para que, aquecido e</p><p>no estado fluido, possa circular no interior dos tubos que ficam dentro da serpentina. Esses equipamentos são muito importantes</p><p>nas refinarias e indústrias petroquímicas, pois tratam-se de grandes vazões de petróleo que precisam estar sob altas temperaturas</p><p>para que diminua a sua viscosidade, permitindo o escoamento do fluido no interior dos tubos da serpentina, tornando possível a</p><p>realização de operações como a destilação e o craqueamento do petróleo.</p><p>Além disso, outro fator importante no processo é o econômico, uma vez que os fornos de aquecimento correspondem a 20% do</p><p>custo investido em uma planta de destilação de petróleo. Por isso, fica evidente a importância em, ao realizar o projeto de um forno,</p><p>garantir a capacidade do equipamento em reduzir a emissão de gases poluentes e manter a segurança e a eficiência do processo.</p><p>Olhando para os fornos, eles são compostos basicamente por:</p><p>Estrutura e carcaça: componente externo do forno, que tem por função sustentar todo o peso do equipamento (refratários,</p><p>serpentinas, chaminés, acessórios etc.). Além disso, a estrutura precisa resistir aos esforços mecânicos oriundos de ventos, e</p><p>não é submetida à altas temperaturas, já que</p><p>é a camada externa do forno e protegida pela câmara de combustão, não está</p><p>sujeita às altas temperaturas.</p><p>Câmara de combustão: a parte de forno que sustenta as serpentinas, deve suportar altas temperaturas (em torno de 400 ºC) e</p><p>serem isolantes térmicos, já que estão em contato com os tubos que estão no interior da serpentina.</p><p>Serpentina de aquecimento: são um conjunto de tubos interligados, local onde ocorre a combustão e o transporte do óleo.</p><p>Dessa forma, devem manter a temperatura do fluido constante até o final do processo, além de possuir uma superfície lisa para</p><p>manter homogênea a temperatura do fluido.</p><p>Chaminé: responsável pela tiragem e descarga dos gases ao final do processo.</p><p>Segundo essa temática, vamos considerar uma situação em que você oferece consultoria para uma grande companhia petroquímica</p><p>que pretende instalar uma planta de um novo forno para o craqueamento térmico da nafta, ficando responsável por selecionar os</p><p>materiais mais adequados para compor o forno.</p><p>Dessa forma, você deve apresentar um relatório para o CEO da companhia petroquímica, mostrando as partes principais do forno</p><p>(serpentina de aquecimento, câmara de combustão e chaminé) e os materiais mais adequados para serem utilizados em cada parte</p><p>do forno, de acordo com a sua função e condições de operação. Cada material selecionado deve ser justificado, levando em</p><p>consideração a relação estrutura, propriedade e aplicação.</p><p>Bons estudos!</p><p>Reflita</p><p>Materiais que são obtidos por diferentes processos vão apresentar as mesmas propriedades?</p><p>Um material pode apresentar duas classificações primárias ao mesmo tempo?</p><p>Com relação às ligações químicas na formação dos materiais, elas podem existir de tipos diferentes em um mesmo material?</p><p>Os materiais compósitos possuem alguma restrição em sua formação?</p><p>Há possibilidade de novas descobertas que se enquadrariam em materiais avançados?</p><p>Resolução do estudo de caso</p><p>Retomando ao estudo de caso, será necessário apresentar um relatório para o CEO da companhia petroquímica, mostrando as</p><p>partes principais do forno (serpentina de aquecimento, câmara de combustão e chaminé) e os materiais mais adequados para</p><p>serem utilizados em cada parte do forno, de acordo com a sua função e condições de operação. Cada material selecionado deve ser</p><p>justificado, levando em consideração a relação estrutura, propriedade e aplicação.</p><p>Para resolver o problema proposto, devemos escolher o material mais adequado para compor cada componente do forno. Vale</p><p>lembrar que os componentes são: estrutura e carcaça, câmara de combustão, serpentina de aquecimento e chaminé. Alguns</p><p>materiais são possíveis para utilização, por essa razão é importante justificar a escolha do material de acordo com a relação</p><p>estrutura-propriedade-aplicação. Dentre os materiais adequados para cada componente, podemos utilizar para:</p><p>Estrutura e carcaça o material metálico, como chapas de aço e carbono, por possuírem propriedades mecânicas adequadas</p><p>para suportar todo o peso do equipamento e a ação dos ventos, e não precisam ser isolantes térmicos, já que não sofrem</p><p>variação de temperatura durante o processo. O material da câmara de combustão (cerâmico) é isolante térmico, protegendo a</p><p>estrutura e a carcaça.</p><p>Câmara de combustão o material de tijolos refratários (cerâmica). Por serem isolantes térmicos, protegem os demais</p><p>componentes do forno, são resistentes a altas temperaturas, além de evitar que os gases de combustão atinjam as chapas da</p><p>carcaça metálica, onde se condensariam, formando ácidos corrosivos (contêm compostos de enxofre). Também são materiais</p><p>resistentes a choques térmicos e mecânicos.</p><p>Serpentina de aquecimento (tubos) o material metálico, como aço-carbono, aço-liga cromo ou aço inoxidável. Pelo fato de o</p><p>fluido escoar dentro desses tubos, as ligas metálicas de cromo ou aço inoxidável são adequadas por suportarem altas</p><p>temperaturas. E por serem condutores térmicos, mantêm o fluido aquecido por todo processo, e são mais resistentes à</p><p>corrosão.</p><p>Chaminé podem ser de materiais metálicos, de concreto ou aço. Como têm contato com os gases provenientes da combustão,</p><p>devem ser constituídos de um material resistente ao calor.</p><p>Com esses dados, o relatório pode ser produzido e entregue ao CEO responsável.</p><p>Dê o play!</p><p>Assimile</p><p>Olá, estudante! No mapa mental abaixo você verá os principais assuntos relacionados à classificação dos materiais. Importante</p><p>conhecer cada tipo de material, considerando sua formação e as propriedades que possuem, para escolha adequada na aplicação</p><p>de projetos de engenharia.</p><p>Referências</p><p>ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São</p><p>Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 24 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN</p><p>9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 24 abr. 2024.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN</p><p>978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 24 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book.</p><p>ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 24 abr. 2024.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/.</p><p>exemplo dessas</p><p>propriedades, temos o índice de refração e a refletividade.</p><p>Propriedades deteriorativas. Elas estão relacionadas com a reatividade química dos materiais. Um exemplo clássico desse tipo</p><p>de propriedades é conhecido como resistência à corrosão dos metais.</p><p>E ainda, temos as propriedades físicas e químicas:</p><p>As propriedades físicas são aquelas que podem ser observadas ou medidas sem que ocorra mudança de identidade do</p><p>composto, ou seja, são intrínsecas à substância pura. Ponto de fusão, ponto de ebulição e densidade são exemplos desse tipo</p><p>de propriedade.</p><p>As propriedades químicas são aquelas que, quando medidas, alteram a composição inicial do material. Como exemplo, temos</p><p>a ferrugem e a inflamabilidade.</p><p>Além da estrutura e das propriedades que um material apresenta, também deve ser levado em consideração o processamento e o</p><p>desempenho. No que se refere às relações entre esses quatro componentes, a estrutura de um material depende de como ele é</p><p>processado. Além disso, o desempenho de um material é uma função das suas propriedades.</p><p>Olhando para algumas dessas propriedades para os materiais metálicos, temos que a propriedade química fundamental dos metais</p><p>é definida pela habilidade dos elementos metálicos se combinarem com outros metais ou não metálicos, formando ligas que</p><p>melhoram suas propriedades iniciais, podendo ser utilizadas em aplicações específicas. Como exemplo os aços austeníticos são</p><p>utilizados na construção civil para fins estruturais, os aços ferríticos são empregados em sistemas de exaustão de gases em</p><p>motores de combustão e os aços martensíticos são utilizados em áreas de mineração e instrumentos odontológicos.</p><p>A grande utilização dos metais também é justificada pelas diversas propriedades mecânicas, possibilitando sua aplicação nos mais</p><p>diferentes contextos. Entre as propriedades mecânicas exibidas por esses materiais, podemos citar a resistência e a ductilidade, que</p><p>permitem o uso desses materiais em máquinas e estruturas. Os metais e suas ligas exibem ductilidade, maleabilidade e a</p><p>capacidade de serem deformados plasticamente (sem quebrar), tornando-os fáceis de moldar em vigas (vigas de aço para a</p><p>construção), extrusões (esquadrias de alumínio para portas e janelas), moedas, latas de metal e uma variedade de elementos de</p><p>fixação (pregos e clipes de papel).</p><p>As propriedades mecânicas dos metais determinam a gama de utilidades e estabelecem a vida útil esperada de um material. Essas</p><p>propriedades também são utilizadas para ajudar a identificar e classificar o material, por exemplo, pelos valores da resistência e</p><p>ductilidade, dureza, resistência ao impacto e resistência à fratura podemos escolher o material para uma finalidade específica.</p><p>A maioria dos materiais metálicos apresenta uma característica denominada de anisotropia, ou seja, suas propriedades variam de</p><p>acordo com a direção da estrutura dos grãos. Essa variação na orientação dos grãos promove variação nas propriedades</p><p>mecânicas, isso ocorre principalmente devido ao processo de formação do material relacionado à direcionalidade da microestrutura</p><p>(textura) formada durante a conformação mecânica ou em operações de trabalho a frio.</p><p>Assim, podemos dizer que as propriedades mecânicas nos materiais metálicos são específicas com relação à forma que o produto</p><p>apresenta (como placas, chapas) devido ao seu processo de conformação (como extrusão, moldagem, forjamento). Com relação à</p><p>direção da estrutura dos grãos, em produtos como chapas e placas, a direção de rolamento é chamada de direção longitudinal</p><p>(direção que contempla toda extensão do material), enquanto a largura do produto é chamada de direção transversal e a espessura,</p><p>de direção transversal curta. As orientações dos grãos em produtos metálicos de acordo com os diferentes tipos de processamentos</p><p>são apresentadas na Figura 1.</p><p>Figura 1. Orientação dos grãos em componentes metálicos. Fonte: adaptada de Primo (2012, p.12).</p><p>Como os materiais metálicos são amplamente usados em aplicações estruturais, suas propriedades mecânicas são de grande</p><p>interesse prático, pois devido a elas, eles podem ser selecionados para melhor utilização. Dentre as propriedades mecânicas</p><p>existentes, as principais são:</p><p>Tesão. A tensão () é definida pela resposta que o material apresenta devido a um esforço mecânico (carga, força) aplicado,</p><p>sendo representada pela força atuante por unidade de área A. Matematicamente, a tensão é expressa por e sua unidade</p><p>no Sistema Internacional é Pascal (Pa), sendo que .</p><p>Deformação. A deformação () é a consequência da força aplicada no material, ou seja, é a mudança de forma sofrida pelo</p><p>material devido ao carregamento aplicado. Matematicamente, ela pode ser calculada pela variação do comprimento do</p><p>material em relação ao comprimento inicial L0 por lembrando que a variação de comprimento é obtida pelo comprimento</p><p>final menos o comprimento inicial . Essa é uma grandeza adimensional, ou seja, não possui unidades, podendo ser expressa</p><p>por porcentagem ou por .</p><p>A deformação sofrida pelo material pode ser de duas formas, elástica ou plástica, dependendo da intensidade da força atuante.</p><p>Será elástica quando a deformação no material desaparecer com a remoção da carga (material retorna às características</p><p>iniciais, àquelas antes de ser deformado) e será plástica quando a deformação permanecer, mesmo após o carregamento ser</p><p>retirado (não voltando às características inicial). Por essa razão, a deformação elástica é chamada de deformação</p><p>momentânea, enquanto a deformação plástica é conhecida como deformação permanente.</p><p>Na região elástica do material, tensão e deformação ε são proporcionais, se relacionando de forma linear. O coeficiente angular</p><p>dessa reta linear tensão-deformação, neste trecho, é conhecido como módulo de elasticidade E ou módulo de Young. Assim, na</p><p>região elástica, tensão e deformação ε são proporcionais entre si pelo módulo de elasticidade E, ou seja, σ=Eε. O módulo de</p><p>elasticidade também é uma forma de tensão, indicando a rigidez que o material apresenta, por essa razão sua unidade no SI</p><p>também será Pascal (Pa).</p><p>Limite de escoamento. A tensão necessária para iniciar uma deformação plástica é denominada limite de escoamento (LE). Ou</p><p>seja, é o valor de tensão em que as deformações elástica e plástica atuam em conjunto. Para valores de tensão menores que</p><p>LE, teremos a região elástica, e para valores maiores que LE, teremos a região plástica.</p><p>Tensão máxima. Também chamada de limite de resistência à tração (LRT) é o maior valor de tensão que o material suportará</p><p>antes do rompimento.</p><p>Tensão de ruptura. Essa tensão indica o ponto em que o material sofrerá fratura. Com esse dado, podemos verificar se o</p><p>material é dúctil ou frágil. O material será dúctil quando a tensão máxima for diferente da tensão de ruptura . Por outro lado,</p><p>se a tensão de ruptura apresentar o mesmo valor que a tensão máxima , o material será frágil.</p><p>Ductilidade. A ductilidade indica a maleabilidade que o material apresenta. Quanto maior for essa propriedade, mais</p><p>deformação o material suportará sem sofrer fratura. A ductilidade é a propriedade contrária a fragilidade.</p><p>Importante frisar que as propriedades mecânicas mudam em função de temperatura e da taxa de carregamento (estático ou</p><p>dinâmico). Por exemplo, temperaturas inferiores à temperatura ambiente geralmente causam um aumento das propriedades de</p><p>resistência das ligas metálicas, mas a ductilidade, resistência à ruptura e alongamento, normalmente, diminuem. Já temperaturas</p><p>acima da temperatura ambiente costumam causar uma diminuição nas propriedades de resistência das ligas metálicas.</p><p>E ainda, os valores das propriedades mecânicas apresentam variações com relação aos tipos de esforços que são aplicados, devido</p><p>à região de atuação da força. De maneira geral, existem 7 tipos de esforços que podem ser atuantes no material, nomeados de</p><p>acordo com a deformação apresentada pelo material. Eles podem ser de tração, compressão, flexão, cisalhamento e torção (Figura</p><p>2).</p><p>Figura 2. Tipos de carregamentos. Fonte: KLS Química</p><p>e Ciência dos Materiais (2019, p. 158).</p><p>á</p><p>á</p><p>Vamos entender melhor cada tipo de carregamento indicado pela Figura 2, começando pelos carregamentos de tração e</p><p>compressão, que são similares. Os esforços de tração e compressão, também denominados de esforços axiais, são aqueles</p><p>atuantes no eixo longitudinal do material, perpendiculares à área da seção transversal, provocando alongamento ou diminuição no</p><p>comprimento original, respectivamente. Como resposta ao esforço aplicado, o carregamento de tração promove uma tensão de</p><p>tração e o carregamento de compressão promove uma tensão de compressão. Como tanto a tensão de tração quanto a tensão de</p><p>compressão atuam perpendicular à área da seção transversal, são denominadas de tensão normal. Tanto para força quanto para</p><p>tensão, indicamos com sinais de + e – quando se tratar de tração ou compressão, respectivamente.</p><p>A flexão é um tipo especial do carregamento de compressão, ocorrendo em materiais que apresentam comprimento muito maior do</p><p>que a largura e espessura, como uma viga ou coluna, por exemplo. Nesse caso, o carregamento de compressão causa deflexão</p><p>lateral no material, ou seja, provoca curvatura na região longitudinal. E nas laterais da região de curva do elemento estrutural, como</p><p>consequência desse carregamento inicial, teremos uma região tracionada (esticada) e outra comprimida.</p><p>Já o cisalhamento é conhecido por uma força aplicada no eixo transversal do corpo, fazendo com que os planos desse material</p><p>cisalhem em um ângulo de deformação. Por ser um esforço pontual, também é denominado de esforço cortante. Essa carga é</p><p>aplicada paralelamente à seção transversal, fazendo com que uma das partes adjacentes de um mesmo corpo do material se</p><p>deslize sobre a outra.</p><p>Por fim, o esforço de torção é aquele que provoca rotação no material, sobre o eixo ou em torno do eixo de rotação. Ele também é</p><p>um tipo de carregamento transversal, mas devido a uma força tangencial. O sentido de rotação, devido ao esforço aplicado é,</p><p>convencionalmente, dado por horário (torque negativo) ou anti-horário (torque positivo).</p><p>Além dessas propriedades citadas, a fadiga indica a capacidade do metal resistir à fratura após repetidas deformações (repetidos</p><p>ciclos de carregamento). Ou seja, essa propriedade mede a vida útil do material quando utilizado segundo as condições elásticas. É</p><p>justamente devido a essa propriedade que podemos usar os materiais com segurança e prever as manutenções necessárias.</p><p>Com relação às propriedades elétricas, os materiais metálicos apresentam boa condutividade. Em geral, a condutividade desses</p><p>materiais aumenta com a diminuição da temperatura, de modo que no zero absoluto (-273 °C) a condutividade possui valor infinito,</p><p>e nessa região os metais apresentam a característica de supercondutores.</p><p>A resistividade é outra propriedade elétrica muito importante dos materiais metálicos. Sua definição se dá pelo oposto da</p><p>condutividade: essa propriedade avalia o quão fortemente um metal se opõe ao fluxo de corrente elétrica.</p><p>Os metais também apresentam outras propriedades, como as magnéticas. O ferromagnetismo, por exemplo, é uma propriedade</p><p>encontrada no ferro e em vários outros metais. Além disso, metais e ligas podem ser magnetizados em um campo elétrico e exibem</p><p>uma propriedade denominada paramagnetismo. As propriedades magnéticas são empregadas em motores, geradores e sistemas</p><p>de alto-falantes elétricos para equipamentos de áudio.</p><p>Alguns materiais, como o chumbo, possuem a capacidade de absorver radiação, ou seja, são utilizados como blindagem. Como</p><p>exemplo, o avental fornecido pelos dentistas durante um exame de raios X.</p><p>E ainda, os materiais metálicos podem apresentar propriedades ópticas, absorvendo luz em todas as frequências, irradiam</p><p>imediatamente. Os metais formam espelhos com sua superfície reflexiva e o seu brilho lhes dá a aparência atraente, que é tão</p><p>importante em joias e moedas.</p><p>Por fim, as propriedades dos materiais metálicos podem ser melhoradas ou modificadas de várias formas, seja pelos diferentes tipos</p><p>de processamento ou pela adição de impurezas de tamanhos de macro a nanoescala. Dessa forma é possível melhorar as</p><p>propriedades de um metal e obter as características adequadas e necessárias para uma determinada aplicação.</p><p>Siga em Frente...</p><p>Principais aplicações</p><p>São muitas as aplicações possíveis para os metais. Eles podem ser utilizados em praticamente todas as situações, tanto materiais</p><p>metálicos puros, quanto suas ligas. Ou seja, por sua adaptabilidade, essas aplicações nas mais diversas áreas são possíveis, desde</p><p>a construção civil, produtos e componentes eletrônicos, indústria automobilística a qualquer outra área que for possível imaginação.</p><p>Vejamos alguns exemplos.</p><p>Os aços podem ser utilizados nas indústrias de base na parte estrutural, nos maquinários, nas ferramentas de reparo e nos</p><p>equipamentos eletrônicos. Os aços utilizados na construção de estruturas, como edifícios e pontes, apresentam resistências</p><p>adequadas, de modo que não comprometam a segurança das edificações.</p><p>Já os aços inox são utilizados em produtos que ficam expostos a ambientes corrosivos, como tanques de aquecimento, peças para</p><p>banheiros, panelas e utensílios de cozinha, mobiliário urbano, entre outros.</p><p>Na produção de aviões, as ligas de alumínio ou os compósitos reforçados com carbono usados em componentes aeronáuticos são</p><p>leves, resistentes e capazes de suportar cargas mecânicas cíclicas durante longos períodos. Uma liga de titânio biocompatível</p><p>usada como implante ósseo deve ter resistência suficiente para se manter íntegra no corpo humano durante muitos anos sem falhar.</p><p>Os metais refratários, que incluem tungstênio, molibdênio, tântalo e nióbio, possuem temperaturas de fusão muito acima de 1925ºC</p><p>e, consequentemente, apresentam potencial para serviços em alta temperatura. As aplicações abrangem filamentos para lâmpadas,</p><p>bocal de saída dos gases dos foguetes, geradores de energia nuclear, capacitores eletrônicos à base de tântalo e nióbio e</p><p>equipamentos para processamento químico. Esses metais têm alta massa específica e resistências mecânicas não muito elevadas.</p><p>Olhando para os metais preciosos, esse grupo inclui o ouro, a prata, o paládio, a platina e o ródio. Como o nome sugere, eles são</p><p>preciosos e caros e todos são usados em joias. Do ponto de vista da engenharia, esses materiais resistem à corrosão e são bons</p><p>condutores de eletricidade. Como resultado, ligas desses materiais são com frequência usadas como eletrodos em diversos</p><p>dispositivos.</p><p>E ainda, nas aplicações mais comuns, o cobre é normalmente utilizado na fabricação de fios elétricos por possuir alta condutividade</p><p>elétrica e boa conformidade. Já o ferro fundido cinzento é comumente utilizado na fabricação de blocos de motores para automóveis</p><p>por sua característica de fundibilidade, usinabilidade e amortecimento de vibrações. Por fim, os aços especiais são utilizados na</p><p>fabricação de ferramentas e chassis de automóveis por apresentarem boa endurecibilidade por tratamento térmico.</p><p>Essas são apenas algumas das mais vastas aplicações dessa classe de materiais. Como suas propriedades podem ser facilmente</p><p>modificadas pelas mais diversas formas, incluindo tratamentos térmicos e termoquímicos, os metais podem ser projetados e</p><p>utilizados em qualquer situação.</p><p>Vamos Exercitar?</p><p>Relembrando o problema proposto inicialmente, você irá calcular a força (em newtons) à qual os fios são submetidos no processo</p><p>de pré-tensionamento para a fabricação peças pré-moldadas de concreto protendido.</p><p>Para esse cálculo, o módulo de elasticidade é dado e a deformação também é conhecida (1% de deformação, que corresponde a</p><p>uma deformação ).</p><p>Como os fios de aço sofrem esforço de tração na região elástica, podemos utilizar a relação matemática da tensão com a</p><p>deformação, pelo módulo de elasticidade, dada por .</p><p>Substituindo os valores fornecidos, a tensão é obtida por (1).</p><p>Considerando um sistema ideal, podemos encontrar a força atuante através da equação de tensão, que relaciona força e a área da</p><p>seção</p><p>transversal por</p><p>Assim o valor para a força atuante pode ser obtido por (2), lembrando que a área de seção transversal nominal dos fios de aço</p><p>apresenta valor de 62,9 mm2.</p><p>Assim, você encontrou que a força (em newtons) à qual os fios são submetidos no processo de pré-tensionamento para a fabricação</p><p>peças pré-moldadas de concreto protendido é de 125,8 kN.</p><p>Saiba Mais</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Compreender as relações entre tensão e deformação, bem como as propriedades mecânicas que os materiais apresentam quando</p><p>solicitados é fundamental para escolha correta de um material na aplicação pretendida. Aprofunde seus conhecimentos na área</p><p>lendo a seção 5.1.1 do livro Fundamentos de Resistência dos Materiais de Pinheiro e Crivelaro. Saiba mais sobre o assunto</p><p>lendo os conceitos, verificando os exemplos e fazendo os exercícios propostos.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo</p><p>GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627.</p><p>Bons estudos!</p><p>Referências Bibliográficas</p><p>ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São</p><p>Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 18 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN</p><p>9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 18 abr. 2024.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN</p><p>978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 18 abr. 2024.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo</p><p>GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book.</p><p>ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 18 abr. 2024.</p><p>Aula 2</p><p>MATERIAIS POLIMÉRICOS</p><p>Materiais poliméricos</p><p>Olá, Estudante! Nessa videoaula você irá conhecer a classe de materiais denominada de polímero, popularmente conhecida como</p><p>plásticos. Veremos o que são, e como são, os materiais poliméricos, como podem ser classificados, as principais propriedades que</p><p>apresentam e as aplicações mais comuns.</p><p>Esse tema é fundamental para sua prática pessoal e profissional, já que materiais dessa classe são amplamente utilizados em</p><p>diversas áreas da ciência e tecnologia, bem como situações práticas de nosso dia a dia. Afinal, só hoje, quantos materiais</p><p>poliméricos você já teve contato?</p><p>Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os polímeros?!</p><p>Bons estudos!!!</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/.</p><p>Ponto de Partida</p><p>Olá, Estudante! Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais poliméricos, entender como são constituídos e</p><p>compreender para qual finalidade são comumente utilizados. E ainda, discutir meios para conhecer um polímero através da</p><p>avaliação das propriedades que apresentam. Tudo isso para escolha adequada do material para aplicação em um projeto,</p><p>atendendo os requisitos necessários para sua utilização, garantindo o custo-benefício e às condições de segurança.</p><p>Sendo assim, como forma de aplicação dos conceitos, vamos considerar uma situação em que você é recém-contratado em uma</p><p>empresa de desenvolvimento tecnológico e está visitando os departamentos que essa empresa possui. Chegando ao departamento</p><p>de materiais poliméricos, ou melhor, ao departamento que desenvolve plásticos ou borrachas (elastômeros), você verifica que um</p><p>estudo a respeito de tipos de materiais poliméricos, para ser utilizado em vedações em diferentes dispositivos, está sem</p><p>desenvolvimento. O objetivo é utilizar esses materiais em dispositivos do tipo válvulas de vasos sanitários, torneiras, bombas de</p><p>reservatórios, entre outros.</p><p>O foco desse estudo consiste em desenvolver componentes de vedação que apresentem uma vida útil maior que os atuais e você</p><p>foi convidado, pela equipe, para auxiliar nesse processo, respondendo algumas perguntas:</p><p>Quais são as principais propriedades dos materiais poliméricos?</p><p>Seria possível utilizar um polímero que seria definitivo para essa aplicação?</p><p>Para responder a esses questionamentos e identificar um material adequado, que atenda às especificidades de um componente de</p><p>vedação, alguns conceitos são necessários. Vamos a eles?!</p><p>Bons estudos!</p><p>Vamos Começar!</p><p>Definição</p><p>Os polímeros são materiais formados por carbono e outros elementos não metálicos, unidos por ligações covalentes. Sua formação</p><p>inicial é caracterizada por longas cadeias com o elemento químico carbono em sua espinha dorsal.</p><p>Para entender mais sobre esse material, precisamos conhecer a estrutura molecular de uma substância para ser possível sua</p><p>caracterização quanto as suas propriedades, especificando o seu processamento e definindo suas aplicações. Por essa razão, é</p><p>importante conhecer cada termo e seu respectivo significado para entender a ciência dos materiais poliméricos.</p><p>O termo polímero foi criado pelo pesquisador Berzelius, em 1832, buscando um nome para diferenciar moléculas orgânicas que</p><p>possuíam os mesmos elementos químicos, mas não necessariamente as mesmas propriedades. Contudo, essa denominação só foi</p><p>amplamente utilizada em 1922, por Staudinger, que propôs a teoria da macromolécula, uma nova classe de materiais formada por</p><p>moléculas de grande tamanho.</p><p>Os materiais poliméricos podem ser definidos como materiais que possuem várias partes quimicamente ligadas. A própria palavra</p><p>polímero significa “muitas partes”. Os polímeros são compostos orgânicos de elevada massa molecular formados por unidades que</p><p>se repetem, denominadas meros, formando cadeias de longa extensão.</p><p>Os meros são obtidos a partir da reação química entre os monômeros, matéria-prima que dá́ origem aos polímeros. O conjunto de</p><p>reações químicas em que há a ligação entre os monômeros é chamado de reação de polimerização, ou síntese dos polímeros. A</p><p>equação (1) apresenta a reação de polimerização do etileno, obtendo-se polietileno com seu respectivo mero.</p><p>Na equação (1) o índice significa o grau de polimerização definido como o número de unidades repetitivas que compõem a cadeia</p><p>polimérica. Este valor varia para cada polímero, sendo que geralmente é maior que 750.</p><p>Cada polímero é caracterizado pela sua massa molar (MM), definida como a somatória das massas atômicas de cada elemento</p><p>químico que compõe o mero. Uma equação simplificada é dada para a massa molar da unidade repetitiva (MMur) multiplicada pelo</p><p>seu grau de polimerização (), dada por (2).</p><p>MM = n(MMur)</p><p>Como exemplo, vamos considerar a reação do etileno () com grau de polimerização de 500. Para calcular a massa molar desse</p><p>polímero, precisamos da massa atômica do carbono e do hidrogênio, de valor e , respectivamente. Assim, como o etileno possui</p><p>dois átomos de carbono e quatro de oxigênio, sua massa molar é dada por (3).</p><p>Assim, a massa molar de cada mero possui valor de 28g/mol. Como, nesse caso, n=500, a massa molar do etileno com grau de</p><p>polimerização de 500 terá valor de (4).</p><p>Polímeros que apresentam massa molar menor que 10.000 g/mol são denominados oligômeros (ou pré́-polímeros, onde 1.000</p><p>maior que 250,000 g/mol.</p><p>Quando um polímero é obtido, macromoléculas são formadas com diferentes graus de polimerização, ou seja, algumas cadeias</p><p>crescem mais do que outras, ocasionando a existência de macromoléculas de diferentes massas molares. Devido a essa</p><p>ô</p><p>irregularidade no tamanho da molécula, o cálculo da massa molar deve ser estatístico, através de um valor médio (média</p><p>aritmética), assim como o grau de polimerização. Dessa forma, reescrevemos (2), considerando os valores médios, por (5).</p><p>Em que é a massa molar média da molécula do polímero, o grau de polimerização e é a massa molar média do mero (ou</p><p>unidade repetitiva). E, por fim, a obtenção de cadeias poliméricas com comprimentos diferentes, variando em torno de uma média,</p><p>gera a distribuição de massa molar (DMM).</p><p>Siga em Frente...</p><p>Propriedades dos materiais poliméricos</p><p>De maneira geral, os polímeros são classificados com relação às características que apresentam, ou seja, são classificados de</p><p>acordo com suas propriedades mecânicas, estruturas e ligações interatômicas.</p><p>Quanto à origem, eles podem ser naturais ou sintéticos. Sendo que:</p><p>Os polímeros naturais são os polímeros presentes na natureza, como celulose, amido, lignina. Eles são classificados como</p><p>polipeptídios, proteínas, polinucleotídeos, polissacarídeos, gomas, resinas e elastômeros.</p><p>Os polímeros sintéticos são obtidos por meio de reações de polimerização, sintetizados em laboratórios. Como exemplos</p><p>podemos citar o polipropileno, polietileno, poliestireno, poliamida, polietileno tereftalato. Eles são classificados como</p><p>elastômeros, termoplásticos e termofixos.</p><p>Os materiais poliméricos também podem classificados pela forma em que as moléculas estão estruturadas. Por exemplo, os</p><p>polímeros denominados lineares possuem longas cadeias poliméricas dispostas aleatoriamente, enquanto os polímeros ramificados</p><p>apresentam as cadeias poliméricas principais e ramificações secundárias na forma de cadeias menores que se originam a partir das</p><p>cadeias principais.</p><p>Já para a indústria, os polímeros podem ser do tipo plásticos ou elastômeros. Os plásticos são resinas orgânicas moldáveis,</p><p>podendo ser de ocorrência natural ou sintética, e o método mais comum de fabricação deles é através da moldagem. Esses</p><p>materiais são importantes na engenharia pelo fato de apresentarem ampla gama de propriedades de custo relativamente baixo.</p><p>Dentre as propriedades possíveis, as mais importantes são a baixa densidade, baixa condutividade térmica e elétrica, boa</p><p>tenacidade, boa resistência a ácidos, bases e umidade e alta rigidez dielétrica (uso em isolamento elétrico).</p><p>Dependendo do tipo de polímero, ele pode ser frágil ou altamente elástico. As magnitudes da tensão de ruptura para os materiais</p><p>poliméricos são menores quando comparadas com os metais, no entanto, o alongamento pode ser na ordem de 1000% maior.</p><p>Contudo, as propriedades nesses materiais alteram drasticamente com a temperatura, indo de um comportamento frágil igual a um</p><p>vidro à baixa temperatura ou a um comportamento semelhante à borracha em elevadas temperaturas. Dessa forma, o aumento da</p><p>temperatura pode tornar o polímero mais macio e dúctil.</p><p>Com relação à fusibilidade, ou solubilidade, os polímeros podem ser termofixos (termorrígidos) ou termoplásticos. Os polímeros do</p><p>tipo termoplásticos são aqueles em que, quando formado, pode ser fundido e reutilizado, ou seja, pode ser reciclado e processado</p><p>com facilidade. Polietileno tereftalato (PET), polipropileno (PP), poliestireno (PS) e policloreto de vinila (PVC) são alguns exemplos</p><p>de materiais termoplásticos. Esses materiais são normalmente fabricados pela aplicação simultânea de calor e pressão.</p><p>Os termoplásticos são polímeros lineares sem qualquer ligação cruzada na estrutura, no qual longas cadeias moleculares estão</p><p>ligadas umas às outras por ligações secundárias e possuem a possibilidade de aumentar a plasticidade com o aumento da</p><p>temperatura, que rompe as ligações secundárias entre cadeias moleculares. Outras propriedades mecânicas dos polímeros</p><p>termoplásticos como fluência, tração, tenacidade, são afetadas pelo grau de polimerização , obtido por (5). E ainda, à medida que</p><p>ocorre o aumento da massa molecular média do polímero, a temperatura de fusão desse polímero aumenta.</p><p>Já os materiais termorrígidos (também conhecidos por termofixos) são aqueles que requerem calor e pressão para moldá-los. Eles</p><p>são produzidos em uma forma permanente e curados ou “ativados” por meio de reações químicas, como a reticulação. Os</p><p>termorrígidos não podem ser refundidos ou reformados em outra forma, ou seja, não podem ser reciclados, se decompondo quando</p><p>submetidos a elevadas temperaturas.</p><p>Em sua grande maioria, os termorrígidos são mais duros (elevada resistência mecânica) e mais frágeis, quando comparados aos</p><p>termoplásticos. Algumas vantagens desses polímeros incluem: elevada estabilidade térmica, estabilidade dimensional, baixa</p><p>densidade, boas propriedades de isolamento elétrico e térmico, resistência à deformação e deformação sob carga.</p><p>Epóxis, borrachas vulcanizadas, fenólicos, resinas de poliéster insaturadas, resinas de amino (ureias e melaminas) são exemplos de</p><p>termofixos.</p><p>Outro tipo de polímero são os chamados elastômeros, popularmente conhecidos como borrachas. Eles são polímeros que, em</p><p>temperatura ambiente, suportam grandes alongamentos sob carga e retornam à condição original quando a carga é liberada.</p><p>De maneira geral, a maioria das propriedades dos polímeros são características intrínsecas do material, características específicas</p><p>para cada polímero. Contudo, podem ser utilizados aditivos para melhorar ou modificar as propriedades que os polímeros</p><p>apresentam segundo as necessidades para aplicação em projetos específicos. Esses aditivos incluem cargas, plastificantes,</p><p>estabilizadores, corantes e retardantes de chama:</p><p>As cargas são usadas para melhorar a resistência à tração e à compressão, a abrasão, a tenacidade e a estabilidade</p><p>dimensional e térmica.</p><p>Os plastificantes são utilizados quando o objetivo é melhorar a flexibilidade, ductilidade e a tenacidade, diminuindo a</p><p>temperatura de transição vítrea do polímero, a dureza e a rigidez.</p><p>Os estabilizadores são outro tipo de aditivo polimérico que neutraliza os processos de deterioração como a oxidação e</p><p>radiação.</p><p>Os corantes são os responsáveis por dar uma cor específica um polímero. Esses corantes são adicionados na forma de</p><p>pigmentos, que permanecem como uma fase distinta ou tintas (matiz) que se dissolvem no polímero.</p><p>Os retardantes de chama são usados para aumentar a resistência ao fogo dos polímeros combustíveis, já que a maioria dos</p><p>materiais poliméricos é inflamável na forma pura.</p><p>E ainda, outra propriedade interessante dos materiais poliméricos é a viscoelasticidade, que indica a capacidade do material para se</p><p>deformar na região elástica, considerando sua viscosidade. Os valores para essa propriedade podem ser modificados utilizando</p><p>catalisadores, podendo formar a chamada memory foam, também conhecida como espuma de memória. Esse tipo de espuma é</p><p>extremamente macio à temperatura da pele humana quando comparado à temperatura ambiente. Um exemplo de polímeros</p><p>viscoelásticos são as popularmente conhecidas espumas da NASA (travesseiros da NASA).</p><p>Mesmo cada polímero apresentando propriedades bem distintas, a maioria deles é resistente aos produtos químicos. E, ainda, uma</p><p>das características mais marcantes dos polímeros é o fato deles serem bons isolantes térmicos e elétricos. Por essa razão os cabos</p><p>elétricos são revestidos de materiais poliméricos.</p><p>Principais aplicações</p><p>Devido ao crescimento da ciência, acompanhado dos avanços tecnológicos, a indústria polimérica vem se tornando cada vez mais</p><p>importante na manutenção do estilo de vida da sociedade contemporânea., fazendo com que essa classe de materiais esteja</p><p>presente na indústria plástica, civil, têxtil e muitas outras.</p><p>Isso é possível pelo fato de que esses materiais possibilitam o desenvolvimento de produtos com características químicas</p><p>inovadoras, como o caso</p><p>do poliacetato de vinila, utilizado em revestimentos. Eles também podem contribuir positivamente na</p><p>produção do nylon, usado em roupas e fibras, e de PVC, utilizado nas tubulações.</p><p>Considerando o desempenho tecnológico, os polímeros do tipo termoplásticos convencionais (commodities) são amplamente</p><p>empregados. Esses polímeros são materiais de baixo custo, baixo nível de exigência mecânica, alta produção, alto consumo e</p><p>facilidade de processamento. A produção desses termoplásticos corresponde a aproximadamente 90% da produção total de</p><p>polímeros no mundo. Como exemplos, temos as poliolefinas (PEBD, PEAD, PELBD, PP), o poliestireno (PS), o policloreto de vinila</p><p>(PVC) e o copolímero de estireno-acrilonitrila (SAN).</p><p>Já os termoplásticos de engenharia apresentam propriedades de alta resistência mecânica (rigidez), boa tenacidade e excelente</p><p>estabilidade dimensional. Características que são exigências para a confecção de peças com bom desempenho para aplicação em</p><p>dispositivos mecânicos (engrenagens, peças técnicas para a indústria eletroeletrônica e automobilística). Como exemplo desses</p><p>materiais, temos o polimetacrilato de metila (PMMA), os poliésteres saturados - polietileno tereftalato (PET) e polibutileno tereftalato</p><p>(PBT), policarbonato (PC) e copolímeros de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS).</p><p>E ainda, os termoplásticos de alto desempenho são utilizados nas aplicações em que são empregadas altas temperaturas, com</p><p>grande quantidade de anéis aromáticos na cadeia principal, o que aumenta a estabilidade térmica para uso contínuo para</p><p>temperaturas acima de 150°C. Como exemplo, temos os polímeros contendo enxofre, como polissulfonas, polissulfeto de fenileno</p><p>(PPS), poliftalamidas (PPA), alguns poliuretanos e os polímeros de cristal líquido polimérico (LCP).</p><p>Por fim, os polímeros autorregeneradores, muito falado nos últimos anos. Contudo, desde a década de 1990 esses materiais são</p><p>estudados. Esses polímeros são compostos por agentes regeneradores encapsulados e catalisadores que são distribuídos ao longo</p><p>da matriz polimérica. Quando sujeitos a cortes ou aplicações que danificam sua estrutura inicial, após um determinado tempo, se</p><p>autorregeneram. Existem diversos estudos utilizando polímeros que se autorregeneram como revestimentos de peças metálicas,</p><p>componentes automotivos, adesivos, equipamentos náuticos e aeroespaciais e componentes estruturais. O emprego desses</p><p>materiais pode minimizar ou até mesmo eliminar processos de reparação ou de manutenção em sistemas hidráulicos e de vedação.</p><p>Vamos Exercitar?</p><p>Relembrando o problema proposto inicialmente, você é recém-contratado em uma empresa de desenvolvimento tecnológico e está</p><p>visitando os departamentos que essa empresa possui. Chegando ao departamento de materiais poliméricos, ou melhor, ao</p><p>departamento que desenvolve plásticos ou borrachas (elastômeros), você verifica que um estudo a respeito de tipos de materiais</p><p>poliméricos, para ser utilizado em vedações em diferentes dispositivos, está sem desenvolvimento. O objetivo é utilizar esses</p><p>materiais em dispositivos do tipo válvulas de vasos sanitários, torneiras, bombas de reservatórios, entre outros. O foco desse estudo</p><p>consiste em desenvolver componentes de vedação que apresentem uma vida útil maior que os atuais e você foi convidado, pela</p><p>equipe, para auxiliar nesse processo, respondendo algumas perguntas:</p><p>Quais são as principais propriedades dos materiais poliméricos?</p><p>Seria possível utilizar um polímero que seria definitivo para essa aplicação?</p><p>Para responder a esses questionamentos, temos que os materiais poliméricos podem apresentar as mais diferentes propriedades,</p><p>podendo ser classificados, basicamente em termoplásticos, termorrígidos e elastômeros.</p><p>Os termoplásticos são polímeros que podem ser fundidos por diversas vezes (são recicláveis), já os termorrígidos não apresentam</p><p>essa mesma habilidade, pois uma vez fundidos, ao serem aquecidos, sofrem degradação. E por fim, os elastômeros (borrachas), um</p><p>material natural ou sintético que apresenta propriedades elásticas, obedecendo funções específicas.</p><p>Os polímeros podem apresentar elevada resistência química e mecânica, ser bons isolantes térmicos e elétricos, apresentar baixa</p><p>densidade quando comparados aos materiais metálicos. No entanto, os materiais poliméricos utilizados como anéis de vedação</p><p>sofrem com o desgaste durante a utilização, ocasionando vazamentos.</p><p>Contudo, como sugestão de melhoria, para a finalidade proposta, é possível utilizar os polímeros autorregeneradores. O anel de</p><p>vedação fabricado com polímeros autorregeneradores pode ser uma alternativa viável, pois ao sofrer desgastes esses polímeros</p><p>liberam agentes regeneradores que, com o auxílio de substâncias catalisadoras, regeneram ou “colam” a superfície afetada. O</p><p>componente regenerado apresenta as mesmas propriedades e resistência verificada que o componente antes da ruptura.</p><p>Saiba Mais</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Conhecer materiais poliméricos, entender as principais propriedades que apresentam e as principais aplicações são importantes</p><p>para análise de materiais no desenvolvimento de projetos. Assim, aprofunde seus conhecimentos na área lendo o capítulo 3 do</p><p>livro Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades de Nunes e Lopes. Saiba mais sobre o assunto</p><p>lendo os conceitos, verificando os exemplos e fazendo os exercícios propostos. Caso o assunto desperte curiosidade, aproveite</p><p>para olhar os demais capítulos do livro proposto!</p><p>NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades.</p><p>Editora Saraiva, 2014. E-book. ISBN 9788536520506.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/</p><p>Bons estudos!</p><p>Referências Bibliográficas</p><p>ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São</p><p>Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN</p><p>9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN</p><p>978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades.</p><p>Editora Saraiva, 2014. E-book. ISBN 9788536520506. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo</p><p>GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book.</p><p>ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>Aula 3</p><p>MATERIAIS CERÂMICOS</p><p>Materiais Cerâmicos</p><p>Olá, Estudante! Nessa videoaula você irá conhecer a classe de materiais cerâmicos. Veremos o que são cerâmicas, como são</p><p>constituídas, as características e propriedades que apresentam e as principais aplicações no dia a dia e na indústria.</p><p>Esse tema é fundamental para sua prática pessoal e profissional, já que são muitas as áreas de aplicação desse tipo de material,</p><p>desde utilização como isolantes elétricos e térmicos em ônibus espaciais até a aplicação em implantes dentários ou próteses.</p><p>Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os materiais cerâmicos?!</p><p>Bons estudos!!!</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/.</p><p>Ponto de Partida</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais cerâmicos, entender como são constituídos e compreender para qual</p><p>finalidade são comumente utilizados. Para isso, se torna importante entender como o material cerâmico é formado e conhecer as</p><p>principais propriedades que essa classe de materiais apresenta. Tudo para seja possível a escolha adequada do material para</p><p>utilização em um projeto, atendendo os requisitos necessários, garantindo o custo-benefício e às condições de segurança.</p><p>Sendo assim, como forma de aplicação dos conceitos, vamos considerar uma situação em que você atua como analista em um</p><p>laboratório de análise de materiais que presta serviços para empresas de diversos ramos. Nesse momento, você foi acionado por</p><p>uma empresa fabricante de próteses usadas na artroplastia do quadril ou do joelho para ajudá-los na fabricação de uma prótese</p><p>com características específicas.</p><p>Para isso, é importante entender que a artroplastia é uma cirurgia indicada a pacientes com quadro crônico de artrite. Nos joelhos,</p><p>por exemplo, a lesão ou o desgaste da cartilagem entre os ossos, resulta no atrito ósseo, ocasionando dores e dificuldade de</p><p>locomoção. Assim, para resolver esse problema, a superfície da cabeça dos ossos é substituída por superfícies metal-polietileno.</p><p>Observe a Figura 1, ela apresenta a sequência do processo para implante da prótese metal-polietileno no joelho.</p><p>Figura 1. Etapas do processo cirúrgico para artroplastia do joelho. Fonte: KLS Química e Ciência dos Materiais (2019, p.171).</p><p>A empresa fabricante de próteses procurou o laboratório para encontrar alternativas de materiais como substitutos ao uso do metal-</p><p>polietileno. Nesse cenário, alguns questionamentos foram feitos a você:</p><p>Quais outros tipos de materiais poderiam ser utilizados para substituir o metal-polietileno?</p><p>As cerâmicas seriam uma opção?</p><p>Quais as propriedades gerais desses materiais para implante atualmente existentes? E quais seriam as características</p><p>específicas e desejáveis dessas cerâmicas para essa aplicação?</p><p>Para que possamos responder a esses questionamentos, alguns conceitos são necessários. Vamos a eles?!</p><p>Bons estudos!</p><p>Vamos Começar!</p><p>Definição</p><p>As cerâmicas apresentam várias propriedades muito interessantes, e por essa razão, são amplamente utilizadas em diversos ramos</p><p>de indústria. De modo geral, elas possuem maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços, e sua resistência ao calor e à</p><p>corrosão é maior que a dos metais e polímeros. Além disso, são menos densas que a maioria dos metais e suas ligas, mas se</p><p>quebram facilmente. As matérias−primas para fabricação de cerâmicas são abundantes e relativamente baratas.</p><p>Materiais cerâmicos são compostos definidos geralmente pelo que não são. Isso quer dizer que eles não são metálicos nem</p><p>poliméricos, mas são inorgânicos e podem ser cristalinos ou não. Essa classe de materiais envolve compostos, como óxidos de</p><p>metais, nitritos e carbetos. E, comumente, esses materiais são isolantes, mas também podem ser condutores e resistentes a altas</p><p>temperaturas.</p><p>Olhando a formação atômica dos compostos, as cerâmicas são materiais inorgânicos formados entre elementos metálicos e não</p><p>metálicos. Um exemplo bem conhecido é o óxido de alumínio (alumina), com formulação Al2O3, que é composto por átomos de</p><p>alumínio (metal) e de oxigênio (não metal).</p><p>Nesses materiais, as ligações atômicas são predominantemente de natureza iônica, podendo apresentar também ligações</p><p>covalentes entre os átomos que formam o material. Através dos valores de eletronegatividade de cada elemento que compõe o</p><p>material, é possível calcular a porcentagem de ligações iônicas e covalentes existentes. E ainda, quanto maior for a diferença de</p><p>eletronegatividade dos elementos, mais iônicas serão as ligações; em contrapartida, quanto menor for essa diferença, mais</p><p>covalente serão.</p><p>O percentual de caráter iônico (%Caráter Iônico) de cada cerâmica, que dependerá da diferença de eletronegatividade (Xn) entre os</p><p>átomos (A e B), pode ser calculado por (1).</p><p>áô</p><p>Como exemplo, o caráter iônico do óxido de alumínio (Al2O3) pode ser calculado por (1), considerando os valores de</p><p>eletronegatividade do alumínio (Al) e do oxigênio (O) 1,61 e 3,44, respectivamente. Assim, a porcentagem de caráter iônico é</p><p>expressa em (2)</p><p>Ou seja, o composto óxido de alumínio , possui 57% de ligações iônicas e 43% de ligações covalentes.</p><p>Os compostos cerâmicos que possuem um elevado percentual de caráter iônico apresentam uma estrutura dependente do tamanho</p><p>dos íons e, consequentemente, do balanço eletrostático. Enquanto os compostos cerâmicos que possuem um elevado percentual de</p><p>caráter covalente apresentam estruturas dependentes da direcionalidade das ligações.</p><p>As ligações iônicas e covalentes existentes nos materiais cerâmicos são mais fortes que as ligações metálicas e, devido a essa</p><p>característica, as cerâmicas, são frágeis enquanto os metais são dúcteis.</p><p>Propriedades dos materiais cerâmicos</p><p>As propriedades físicas de qualquer cerâmica são consequência direta da sua estrutura cristalina e composição química. O óxido de</p><p>alumínio (alumina), por exemplo, apresenta estrutura cristalina hexagonal compacta e elevada dureza, resistência à abrasão e</p><p>compressão e, quando polida, apresenta um ótimo acabamento superficial. As fortes ligações iônicas tornam a alumina um material</p><p>quimicamente inerte, apresentando grande estabilidade em meios fisiológicos.</p><p>Quando peças de alumina para próteses são polidas e utilizadas em pares que se complementam, o coeficiente de atrito entre elas</p><p>diminui com o tempo, aproximando-se ao de uma articulação normal.</p><p>Assim, fica evidente a relação entre a microestrutura e as propriedades, tais como variações localizadas de densidade,</p><p>granulometria, tipo de porosidade e a composição de segunda fase, que podem ser correlacionadas com as propriedades das</p><p>cerâmicas, como a resistência mecânica, dureza, tenacidade, constante dielétrica, densidade e elevados pontos de fusão e</p><p>ebulição.</p><p>As propriedades mecânicas das cerâmicas são importantes em materiais estruturais e de construção e incluem elasticidade,</p><p>resistência à tração, resistência à compressão, resistência ao corte, resistência à fratura, ductilidade (baixa em materiais</p><p>quebradiços) e dureza.</p><p>No entanto, diferentemente dos metais, as propriedades mecânicas das cerâmicas não são avaliadas por meio de um ensaio de</p><p>tração, devido à dificuldade em produzir corpos de prova que possuam a geometria exigida. A fixação adequada desses materiais</p><p>pode ocasionar fraturas e, por fim, as cerâmicas falham após uma deformação de aproximadamente 0,1%. Assim, é mais</p><p>conveniente utilizar um ensaio de compressão ou um ensaio de flexão transversal.</p><p>Com o intuito de melhorar o comportamento frágil dos materiais cerâmicos, foram desenvolvidos os compósitos com matriz</p><p>cerâmica, que aumentam consideravelmente a resistência à fratura nesses materiais. Os freios a disco são exemplos dos</p><p>compósitos que utilizam matrizes cerâmicas, fabricados a partir de processos específicos. A patilha fabricada por esse processo é</p><p>mais eficiente quando comparada aos discos de freios de ferro fundido, devido à boa dissipação de calor do material cerâmico e à</p><p>elevada resistência ao desgaste, sem perder a capacidade de frenagem em elevadas temperaturas.</p><p>Como vimos, as cerâmicas, em sua maioria, apresentam comportamento frágil. No entanto, não cabe a elas o sinônimo de</p><p>delicadas. Esses materiais são muito resistentes a altas temperaturas e a ambientes severos. O ônibus espacial Discovery, por</p><p>exemplo, possuía um sofisticado sistema térmico de proteção nos cones de exaustão do foguete, telhas de isolamento,</p><p>componentes de motor e revestimentos</p><p>cerâmicos embutidos no vidro do para-brisa.</p><p>Além das propriedades mecânicas, os materiais cerâmicos apresentam diversas propriedades elétricas. Com o aumento da</p><p>temperatura, as cerâmicas iônicas (que são isolantes à temperatura ambiente) apresentam aumento da condutividade elétrica,</p><p>podendo chegar a valores maiores que a condutividade de materiais semicondutores.</p><p>áô</p><p>áô</p><p>Algumas cerâmicas são semicondutoras (ou seja, apresentam condutividade apenas em circunstâncias específicas) e a maior parte</p><p>delas é formada por óxidos de metais de transição que são semicondutores, como o óxido de zinco (). As cerâmicas semicondutoras</p><p>são aplicadas em subestações de distribuição de energia elétrica e protegem a infraestrutura de relâmpagos, pois apresentam</p><p>resposta rápida ao dissipar uma grande quantidade de energia, são de baixa manutenção e não se degradam. As cerâmicas</p><p>semicondutoras também são utilizadas como sensores de gás, em que a passagem de gases altera a resistência elétrica da</p><p>cerâmica policristalina.</p><p>A piezoeletricidade, que pode ser definida como a habilidade de alguns cristais produzirem tensão elétrica a partir de uma pressão</p><p>mecânica, é outra propriedade exibida por muitos materiais cerâmicos, incluindo o quartzo, utilizado em relógios para medir o tempo</p><p>e em outros equipamentos. Esses dispositivos empregam as propriedades da piezoeletricidade utilizando a energia elétrica para</p><p>criar um movimento mecânico (alimentando o dispositivo) e depois, a partir desse movimento, produzem eletricidade (gerando um</p><p>sinal).</p><p>A piezoeletricidade é geralmente mais forte em materiais cerâmicos que também exibem piroeletricidade, e todos os materiais</p><p>piroelétricos são, do mesmo modo, piezoelétricos. A piroeletricidade é definida pela habilidade de alguns materiais produzirem</p><p>temporariamente um potencial elétrico quando aquecidos ou resfriados, podendo ser utilizados para converter energia térmica em</p><p>mecânica ou elétrica.</p><p>Outra característica importante é que as cerâmicas não possuem elétrons livres, que são responsáveis por absorver fótons de luz.</p><p>Assim, esses materiais podem ser transparentes à luz visível e apresentarem os fenômenos de reflexão, refração, transmissão e</p><p>absorção. Na formação de cerâmicas policristalinas, o tamanho dos grãos é determinado pelo tamanho das partículas cristalinas</p><p>presentes na matéria-prima, durante a formação (ou compressão) do objeto. Dessa forma, uma redução do tamanho da partícula</p><p>original pode eliminar qualquer dispersão de luz, resultando em um material transparente.</p><p>Siga em Frente...</p><p>Principais aplicações</p><p>Os materiais cerâmicos são utilizados nas mais diversas aplicações em virtude da diversidade das composições básicas e ligações</p><p>interatômicas, que resultam em diferentes propriedades do material final.</p><p>O material cerâmico pode ser classificado de acordo com sua composição específica ou com base em suas aplicações. A Figura 2</p><p>apresenta a classificação dos materiais cerâmicos de acordo com suas aplicações.</p><p>Figura 2. Classificação dos materiais cerâmicos. Fonte: elaborada pela autora.</p><p>Considerando os materiais cerâmicos utilizados para aplicações de engenharia, eles podem ser divididos em dois grupos:</p><p>cerâmicas tradicionais e cerâmicas de engenharia. Normalmente, as cerâmicas tradicionais são feitas de três componentes básicos:</p><p>argila, sílica e feldspato, produzindo produtos como tijolos, telhas e artigos de porcelana. Já as cerâmicas de engenharia são</p><p>compostos altamente puros de óxido de alumínio (Al2O3), carboneto de silício (SiC) e nitreto de silício (Si3N4).</p><p>O vidro é um dos tipos de materiais cerâmicos com o qual temos contato diariamente: o vemos em recipientes, janelas, espelhos,</p><p>utensílios domésticos, entre outros. Os vidros são silicatos não cristalinos com adição de outros óxidos que influenciam suas</p><p>propriedades finais. Entre os óxidos mais utilizados, se destacam</p><p>CaO (óxido de cálcio), Na2O (óxido de sódio), K2O (óxido de potássio) e o óxido de alumínio. Eles se enquadram em uma linha</p><p>exclusiva de materiais cerâmicos definidos principalmente pela estrutura atômica que possuem: amorfa. Já os denominados</p><p>vidrocerâmicos são vidros inorgânicos que foram submetidos a tratamentos térmicos em elevadas temperaturas.</p><p>Os produtos à base de argila são materiais encontrados em abundância em virtude da facilidade que são produzidos. Eles são,</p><p>basicamente, de dois tipos: estruturais (tijolos, telhas, tubos de esgoto) e louças brancas (porcelana, louças, cerâmicas). Sendo que</p><p>os produtos estruturais possuem integridade estrutural do material e as louças brancas recebem esse nome pois, quando</p><p>submetidos ao cozimento em elevadas temperaturas, se tornam brancas.</p><p>Os materiais refratários são caracterizados pela capacidade de suportar altas temperaturas sem fundir ou se decompor (são bons</p><p>isolantes térmicos), mantendo inertes quando expostos a ambientes severos. Eles podem ser do tipo argila refratária, à base de</p><p>sílica, básicos e especiais. As propriedades que esses materiais apresentam estão relacionadas à composição química que</p><p>possuem.</p><p>As cerâmicas abrasivas possuem elevada dureza, elevada resistência ao desgaste e alta tenacidade. Elas são utilizadas no</p><p>desgaste, corte ou polimento de materiais com menor dureza. O diamante, carboneto de silício, carboneto de tungstênio, areia de</p><p>sílica e óxido de alumínio são exemplos típicos de materiais cerâmicos abrasivos, que podem ser utilizados como: grãos soltos,</p><p>abrasivos revestidos e colados a discos de esmerilhamento.</p><p>Os cimentos constituem outra classificação de material cerâmico. Ao serem misturados em água, formam inicialmente uma pasta</p><p>que, posteriormente, seca em forma sólida. Essa propriedade do cimento é muito útil, pois permite que materiais sólidos com</p><p>diferentes geometrias sejam moldados, além de ser utilizado como fase de ligação entre os tijolos em construção. Como exemplo</p><p>desse grupo de materiais cerâmicos, temos o cimento, propriamente dito, cimento portland, gesso e cal.</p><p>Por fim, as cerâmicas avançadas são materiais mais recentes, fabricados de acordo com as aplicações específicas. Dentre as</p><p>propriedades, as ópticas, magnéticas e elétricas são as mais exploradas na formação desse tipo de material. Motores de</p><p>combustão, fibras ópticas e sistemas micro eletromecânicos são algumas aplicações típicas das cerâmicas avançadas.</p><p>Vamos Exercitar?</p><p>Relembrando o problema proposto inicialmente, o laboratório de análise de materiais em que você atua como analista foi acionado</p><p>para atender uma empresa fabricante de próteses utilizadas na artroplastia de joelhos e quadril, que pretende utilizar outro material</p><p>das próteses em substituição ao metal-polietileno.</p><p>Foi perguntado a você qual material poderia ser utilizado como alternativa? E se existem materiais cerâmicos que podem ser</p><p>utilizados nessa aplicação? Se sim, quais as propriedades dessa classe de materiais e quais seriam as características específicas e</p><p>desejáveis dessas cerâmicas para essa aplicação?</p><p>Para responder a esses questionamentos, é necessário que entender que, dentre as classes de materiais, os materiais cerâmicos</p><p>podem ser uma alternativa pelo fato de apresentam diferentes propriedades, como resistência mecânica, dureza, tenacidade e</p><p>elevados pontos de fusão e ebulição.</p><p>Especificamente, em no problema proposto, o material cerâmico alumina é utilizado na fabricação de acetábulos e cabeças femorais</p><p>usados na artroplastia do quadril e do joelho. A alumina possui estrutura cristalina hexagonal compacta, o que lhe confere elevada</p><p>dureza, resistência à abrasão e compressão. As peças polidas possuem excelente acabamento superficial e as fortes ligações</p><p>iônicas fazem com que a alumina seja um material quimicamente inerte e com boa estabilidade em meios fisiológicos. Ao serem</p><p>polidas, o coeficiente de atrito entre as peças de alumina utilizadas em pares diminui com o tempo, aproximando-se ao de uma</p><p>articulação normal.</p><p>Por essa razão, a alumina se apresenta como alternativa ideal em substituição ao metal-polietileno em próteses utilizadas na</p><p>artroplastia</p><p>de joelhos e quadril, devido suas propriedades. Por exemplo, a resistência ao desgaste de superfícies alumina-alumina é</p><p>aproximadamente 10 vezes menor que o das superfícies metal-polietileno.</p><p>Outras aplicações clínicas da alumina incluem próteses de joelho, parafusos para ossos e implantes dentários.</p><p>Saiba Mais</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Conhecer materiais cerâmicos, entender as principais propriedades que apresentam e as principais aplicações são importantes para</p><p>análise de materiais no desenvolvimento de projetos. Assim, aprofunde seus conhecimentos na área lendo o capítulo 6 do</p><p>livro Materiais de Construção de Antônio Carlos da Fonseca Pinheiro. Saiba mais sobre o assunto lendo os conceitos, verificando</p><p>os exemplos e fazendo os exercícios propostos. Caso o assunto desperte curiosidade, aproveite para olhar os demais capítulos do</p><p>livro proposto!</p><p>PINHEIRO, Antonio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO. São Paulo: Editora Saraiva,</p><p>2020. E-book. ISBN 9788536532769.</p><p>Bons estudos!</p><p>Referências Bibliográficas</p><p>ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais – Tradução da 4a edição norte-americana. São</p><p>Paulo: Cengage Learning Brasil, 2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN</p><p>9788521637325. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN</p><p>978-85-216-2490-5. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades.</p><p>Editora Saraiva, 2014. E-book. ISBN 9788536520506. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>PAWLICKA, Agnieszka; FRESQUI, Maíra; TRSIC, Milan. Curso de Química para Engenharia, volume II: Materiais. São Paulo:</p><p>Editora Manole, 2013. E-book. ISBN 9788520436646. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788520436646/. Acesso em: 22 abr. 2024.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo</p><p>GEN, 2016. E-book. ISBN 9788521632627. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book.</p><p>ISBN 9788580551150. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso em: 21 abr. 2024.</p><p>Aula 4</p><p>MATERIAIS COMPÓSITOS E AVANÇADOS</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536532769/</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788520436646/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/.</p><p>Materiais Compósitos e Avançados</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Nessa videoaula iremos conhecer uma classe de materiais que está sempre em desenvolvimento, como novas descobertas de</p><p>propriedades e aplicações: os materiais compósitos. Vamos compreender como esses materiais são obtidos, sua classificação e</p><p>propriedades. Também falaremos sobre os materiais avançados, que são materiais de alto desenvolvimento tecnológico, com</p><p>aplicações importantes nas mais diversas áreas da ciência.</p><p>Esse tema é fundamental para sua prática pessoal e profissional, pelo fato de que a maioria dos novos materiais que estão em</p><p>desenvolvimento são do tipo compósitos com alguma das características dos materiais avançados.</p><p>Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os materiais compósitos e avançados?!</p><p>Bons estudos!!!</p><p>Ponto de Partida</p><p>Olá, Estudante! Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais compósitos e os materiais avançados. Os compósitos (ou</p><p>também conhecidos como compostos) compreendem uma classe de materiais que a cada dia ganham mais importância</p><p>tecnológica. Quando um material é preparado usando materiais de natureza distinta, é denominado compósito, logo, podem ser</p><p>encontrados na natureza ou serem sintetizados.</p><p>Já os materiais avançados, também chamados de novos materiais, definem os materiais que, devido às propriedades intrínsecas</p><p>que possuem ou aos processos de fabricação e/ou preparação, possuem a potencialidade de gerar novos produtos, soluções e</p><p>processos inovadores de elevado valor tecnológico, econômico, social e ambiental, de elevar o desempenho, durabilidade, de</p><p>agregar valor ou de introduzir novas funcionalidades em produtos e processos tradicionais.</p><p>Sendo assim, como forma de aplicação dos conceitos, vamos considerar uma situação em que você atua em um laboratório de</p><p>análise de materiais que presta consultoria para diversos clientes. Nesse momento, você recebeu uma demanda de uma indústria</p><p>aeronáutica referência na fabricação de componentes utilizados em aeronaves comerciais.</p><p>A empresa enviou duas amostras de materiais (Figura 1) que foram submetidas a um ensaio de impacto (dureza). Foi solicitado que</p><p>você verificasse as propriedades dos dois materiais ensaiados (Figura 1a e 1b), uma vez que a empresa pretende utilizar o material</p><p>indicado na Figura 1b como alternativa ao material indicado na Figura 1a.</p><p>Figura 1. Amostra dos materiais (a) e (b). Fonte: KLS Química e Ciência dos Materiais (2019, p. 188).</p><p>Assim, considerando os materiais apresentados na Figura 1, a qual classificação eles pertencem? Quais as propriedades de</p><p>interesse para a aplicação em componentes de aeronaves? Esses materiais apresentam propriedades semelhantes? Qual a</p><p>diferença entre eles? O material (b) poderá ser utilizado como alternativa à utilização do material (a)?</p><p>Para que possamos responder a esses questionamentos, alguns conceitos são necessários. Vamos a eles?!</p><p>Bons estudos!</p><p>Vamos Começar!</p><p>Definição</p><p>O desenvolvimento tecnológico exige materiais com combinações não usuais de propriedades que não podem ser atendidas apenas</p><p>pelas ligas metálicas, pelos materiais cerâmicos e pelos materiais poliméricos convencionais. Exemplo disso são os materiais</p><p>necessários para a aplicação aeroespacial, subaquáticas e de transporte.</p><p>Devido a essa necessidade, surge uma classe de materiais denominada de materiais compósitos. Um compósito é definido como a</p><p>combinação de dois ou mais materiais distintos, cada um com suas propriedades específicas que, juntas, criam um material com</p><p>combinações de propriedades não observadas nos materiais isolados.</p><p>Dessa forma, podem ser fabricados por meio da combinação entre metais, cerâmicas e polímeros. Em sua grande maioria,</p><p>consistem em uma fase de reforço (fase dispersa) composta por partículas, fibras ou folhas envolvidas por uma matriz (fase</p><p>contínua).</p><p>Os materiais compósitos podem ser classificados como: reforçados com partículas (partículas grandes ou reforçados por dispersão),</p><p>reforçados com fibras (contínuo ou descontínuo, alinhado ou orientado aleatoriamente), estrutural (laminados ou painéis sanduíche).</p><p>Para os compósitos reforçados com partículas, as partículas grandes atuam na restrição do movimento da matriz, mas não impedem</p><p>o movimento de defeitos do tipo discordâncias. Já os compósitos reforçados por dispersão contêm partículas na escala de 10 a 250</p><p>nm de diâmetro, em que a matriz suporta a maior parte da carga aplicada, enquanto as partículas impedem o movimento das</p><p>discordâncias, limitando a deformação permanente (plástica).</p><p>O concreto é um exemplo de compósito</p>