Classificação e propriedade dos materiais_c4

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<p>CLASSIFICAÇÃO E</p><p>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</p><p>classificados. E mais, aprofundaremos os conhecimentos a respeito de uma</p><p>classe de materiais muito importante para o desenvolvimento social e científico-</p><p>tecnológico: os metais. Compreenderemos como esses materiais são formados,</p><p>suas propriedades e principais aplicações.</p><p>Entender os conceitos que permeiam essa classe de materiais são importantes</p><p>para sua prática pessoal e profissional, pois dentre as mais diversas aplicações na</p><p>ciência e indústria, utilizamos diversos tipos de materiais metálicos em nosso dia</p><p>a dia, desde as estruturas metálicas utilizadas para construir nossas casas aos</p><p>talheres que utilizamos nas refeições, sempre temos a presença dos 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,</p><p>entender como são constituídos e compreender o que são ligas metálicas e para</p><p>qual finalidade são utilizadas. E ainda, discutir meios para conhecer um material</p><p>metálico através da avaliação das propriedades que apresentam.</p><p>Tudo isso para escolha adequada do material para aplicação em um projeto,</p><p>atendendo os requisitos necessários no projeto para sua utilização, garantindo o</p><p>custo-benefício e às condições de segurança.</p><p>Assim, visando a aplicação desses conceitos, vamos considerar uma situação em</p><p>que você atua como estagiário em uma indústria que fabrica peças pré-moldadas</p><p>de concreto protendido. Durante a visitação à fábrica, você verificou que, para a</p><p>fabricação dessas peças, são utilizados fios de aço carbono com área de seção</p><p>transversal nominal de 62,9 mm2. E ainda, nessas peças, a armação de fios de aço</p><p>é pré tensionada (esforço de tração aplicado) antes de ser imersa na matriz de</p><p>concreto. Depois que o concreto é adicionado e endurece, a tensão na armação de</p><p>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</p><p>esforço de compressão.</p><p>Curioso com a fabricação do material, você resolveu calcular a força (em</p><p>newtons) à qual os fios foram submetidos no processo de pré-tensionamento.</p><p>Para isso, buscou algumas informações: o valor do módulo de elasticidade do aço</p><p>utilizado é de 200 GPa e, para o desenvolvimento dos cálculos, será necessário</p><p>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</p><p>composição química e estrutura atômica. Eles podem ser metálicos, cerâmicos e</p><p>poliméricos. Existe ainda uma outra classificação, denominada de compósito. Um</p><p>material compósito é aquele resultante das combinações dois ou mais materiais</p><p>diferentes, resultando em propriedades únicas, não apresentadas pelos materiais</p><p>separadamente. Outra categoria para os materiais, mais recente, é denominada de</p><p>materiais avançados, aqueles utilizados em aplicações de alta tecnologia (eles</p><p>podem ser semicondutores, biomateriais, materiais inteligentes e materiais</p><p>nanomateriais).</p><p>Nesse momento, vamos estender o nosso estudo a respeito dos materiais</p><p>metálicos, compreendendo como são constituídos, suas propriedades e principais</p><p>aplicações.</p><p>Os materiais metálicos, também chamados de metais, são compostos por um ou</p><p>mais elementos metálicos (por exemplo, ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro,</p><p>níquel) por meio de ligações metálicas. Contudo, com frequência, podem ser</p><p>utilizados elementos não metálicos em sua constituição principal (por exemplo,</p><p>carbono, nitrogênio, oxigênio), em quantidades relativamente pequenas, formando</p><p>ligas metálicas, alterando algumas das propriedades iniciais do material.</p><p>Nos metais, os átomos apresentam ordenamento de longo alcance, formando</p><p>estruturas que se repetem ao longo do material, ou seja, são materiais cristalinos.</p><p>E ainda, em comparação com as cerâmicas e os polímeros, são relativamente</p><p>densos.</p><p>Devido ao tipo de ligação que apresentam, os materiais metálicos são rígidos,</p><p>resistentes  e dúcteis, podendo sofrer grandes deformações sem sofrer fratura.</p><p>Por essa razão, apresentam elevada resistência à fratura, fator responsável pelo</p><p>seu amplo uso em aplicações estruturais.</p><p>Com relação à ligação metálica, os materiais metálicos possuem grandes</p><p>números de elétrons não localizados (elétrons livres) que não estão ligados a</p><p>nenhum átomo em particular, formando uma nuvem eletrônica. Por essa razão,</p><p>muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas diretamente a esses</p><p>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</p><p>apresenta aparência brilhosa. Por fim, alguns metais (como Fe, Co e Ni) possuem</p><p>propriedades magnéticas desejáveis.</p><p>Uma liga metálica é definida como um material metálico que contém adições de</p><p>um ou mais metais ou não metais. Elas incluem aços, alumínio, magnésio, zinco,</p><p>ferro fundido, titânio, cobre, níquel, entre outros. Tanto os metais, quanto as ligas</p><p>metálicas, possuem resistência mecânica relativamente elevada, alta rigidez,</p><p>ductilidade ou conformabilidade e resistência a choques mecânicos. Esses</p><p>materiais são particularmente úteis em aplicações estruturais.</p><p>Embora os metais puros sejam raramente utilizados, a combinações de metais</p><p>(ligas) permitem melhorar uma propriedade específica desejada ou obter melhor</p><p>combinação de propriedades. Um dos melhores exemplos na formação e</p><p>utilização de ligas metálicas se dá para o ouro: o ouro puro é um metal muito</p><p>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</p><p>danificada facilmente.</p><p>Propriedades dos materiais metálicos</p><p>Antes de falar das propriedades dos metais, precisamos entender o que são</p><p>propriedades e o que elas representam. De maneira geral, todos os materiais são</p><p>expostos a estímulos externos, apresentado algum tipo de resposta. Por exemplo,</p><p>um corpo é submetido à ação de forças e apresenta deformação, ou uma</p><p>superfície metálica é polida e reflete a luz. Assim, podemos dizer que uma</p><p>propriedade é definida como uma característica de um dado material, em termos</p><p>do tipo e da magnitude da sua resposta a um estímulo específico que lhe é</p><p>imposto. Geralmente, as definições das propriedades são feitas de modo que elas</p><p>sejam independentes da forma e do tamanho do material.</p><p>As propriedades de maior importância que podem ser apresentadas pelos</p><p>materiais sólidos são agrupadas em seis categorias diferentes, sendo que para</p><p>cada categoria existe um tipo característico de estímulo que é capaz de provocar</p><p>diferentes respostas. Essas categorias são conhecidas por:</p><p>Propriedades mecânicas. Essas propriedades expressam a resposta de um</p><p>material sob condição de carregamento, ou seja, quando é aplicado uma força</p><p>sobre ele. Como exemplo temos a tensão, módulo de elasticidade (rigidez), a</p><p>resistência e a tenacidade.</p><p>Propriedades elétricas. Essas propriedades dizem respeito ao estímulo que</p><p>um corpo apresenta quando colocado em um campo elétrico aplicado. Nesse</p><p>caso, as propriedades típicas incluem a condutividade elétrica e a constante</p><p>dielétrica.</p><p>Propriedades térmicas. Essas propriedades estão relacionadas a variações</p><p>na temperatura ou gradientes de temperatura ao longo de um material. Como</p><p>exemplo para o comportamento térmico temos expansão térmica e a</p><p>capacidade calorífica.</p><p>Propriedades magnéticas. Essas propriedades consideram as respostas de</p><p>um material à aplicação de um campo magnético. As propriedades</p><p>magnéticas mais comuns são conhecidas como susceptibilidade magnética</p><p>e a magnetização.</p><p>Propriedades</p><p>ser utilizado</p><p>como alternativa à utilização do material (a)?</p><p>Para que possamos responder a esses questionamentos, alguns conceitos são</p><p>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</p><p>propriedades que não podem ser atendidas apenas pelas ligas metálicas, pelos</p><p>materiais cerâmicos e pelos materiais poliméricos convencionais. Exemplo disso</p><p>são os materiais necessários para a aplicação aeroespacial, subaquáticas e de</p><p>transporte.</p><p>Devido a essa necessidade, surge uma classe de materiais denominada de</p><p>materiais compósitos. Um compósito é definido como a combinação de dois ou</p><p>mais materiais distintos, cada um com suas propriedades específicas que, juntas,</p><p>criam um material com combinações de propriedades não observadas nos</p><p>materiais isolados.</p><p>Dessa forma, podem ser fabricados por meio da combinação entre metais,</p><p>cerâmicas e polímeros. Em sua grande maioria, consistem em uma fase de</p><p>reforço (fase dispersa) composta por partículas, fibras ou folhas envolvidas por</p><p>uma matriz (fase contínua).</p><p>Os materiais compósitos podem ser classificados como: reforçados com</p><p>partículas (partículas grandes ou reforçados por dispersão), reforçados com fibras</p><p>(contínuo ou descontínuo, alinhado ou orientado aleatoriamente), estrutural</p><p>(laminados ou painéis sanduíche).</p><p>Para os compósitos reforçados com partículas, as partículas grandes atuam na</p><p>restrição do movimento da matriz, mas não impedem o movimento de defeitos do</p><p>tipo discordâncias. Já os compósitos reforçados por dispersão contêm partículas</p><p>na escala de 10 a 250 nm de diâmetro, em que a matriz suporta a maior parte da</p><p>carga aplicada, enquanto as partículas impedem o movimento das discordâncias,</p><p>limitando a deformação permanente (plástica).</p><p>O concreto é um exemplo de compósito reforçado por partículas grandes, feito de</p><p>uma matriz de cimento que une partículas de diferentes tamanhos, como areia e</p><p>brita. As propriedades do cimento dissolvido em água, com os materiais</p><p>particulados, dependem do quão bem os materiais foram misturados, do tamanho</p><p>dos materiais particulados e da quantidade de água. Nesse caso, água demais</p><p>resulta em uma porosidade excessiva do concreto solidificado, água de menos</p><p>resulta em uma superfície porosa e compactação comprometida.</p><p>Para os compósitos reforçados por dispersão, o exemplo clássico é o compósito à</p><p>base de pó de alumínio sinterizado, no qual a matriz de alumínio é endurecida com</p><p>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</p><p>resistência e/ou rigidez elevadas em relação ao peso do material. Em relação aos</p><p>compósitos com fibras contínuas e alinhadas, a resposta mecânica depende de</p><p>diversos fatores, como os comportamentos tensão-deformação das fases fibra e</p><p>matriz, as frações volumétricas das fases e, além disso, direção na qual a tensão</p><p>ou carga está sendo aplicada. Já em relação aos compósitos com fibras</p><p>descontínuas e alinhadas, estas estão se tornando cada vez mais comuns no</p><p>mercado comercial. As fibras de vidro picadas são os reforços desse tipo usados</p><p>com maior frequência.</p><p>Por fim, os compósitos estruturais são aqueles que apresentam estruturas de alto</p><p>desempenho e com baixo peso, favorecendo o desenvolvimento de sistemas</p><p>estratégicos, como na área de mísseis, foguetes e aeronaves de geometrias</p><p>complexas.</p><p>Propriedades dos compósitos</p><p>As propriedades físicas dos materiais compósitos em geral não são isotrópicas</p><p>(independentes da direção da força aplicada), mas são tipicamente anisotrópicas</p><p>(diferentes, dependendo do sentido da força ou carga aplicada), ou seja, o</p><p>compósito é mais resistente ao longo da direção de orientação das fibras e mais</p><p>fraco na direção perpendicular à fibra.</p><p>A rigidez de um painel composto (anisotrópico), por exemplo, além da orientação</p><p>das forças e/ou momentos aplicados, também depende do desenho do painel,</p><p>reforço de fibra, matriz, método de construção do painel, tipo de tecido e a</p><p>orientação do eixo da fibra em relação à força primária. Em contraste, os materiais</p><p>isotrópicos, como o alumínio e o aço já forjados, apresentam a mesma rigidez</p><p>independentemente da orientação e direção das forças ou dos momentos</p><p>aplicados.</p><p>As propriedades dos compósitos dependem da natureza dos materiais que são</p><p>utilizados, ou seja, das propriedades da fase matriz e da fase de reforço, da</p><p>geometria da fase dispersa e do grau de ligação entre as interfaces. Nos</p><p>compósitos, as funções da matriz são: absorver as deformações, dar suporte às</p><p>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</p><p>reagentes, que são inseridas no molde e posteriormente curadas. Além dos</p><p>compósitos de matriz polimérica, temos os compósitos de matriz cerâmica: estes</p><p>materiais são leves, apresentam boa resistência e dureza. Nos compósitos</p><p>cerâmicos são utilizadas como fases de reforço fibras de carbono, fibras de vidro,</p><p>fibras de carbeto de silício, entre outros.</p><p>Por fim, temos os compósitos de matriz metálica, nos quais são utilizadas como</p><p>matrizes ligas metálicas de baixa densidade à base de alumínio, titânio e</p><p>magnésio. Nesse tipo de compósito, a maior parte dos materiais de reforço</p><p>empregados é cerâmica, como partículas de alumina, fibras de grafita e filamentos</p><p>de boro.</p><p>A fibra de vidro é um exemplo muito comum de materiais compósitos. Essa fibra é</p><p>feita com pequenas fibras de vidro que são envolvidas por uma resina polimérica.</p><p>É um material de baixa densidade, reciclável, apresenta pouca condutividade</p><p>térmica, boa resistência à corrosão e é um bom isolante elétrico. Apesar de não</p><p>serem tão resistentes e duras como os compósitos de fibra de carbono, as</p><p>matérias-primas da fibra de vidro são baratas e, quando comparada com alguns</p><p>metais, esse compósito, apresenta melhores propriedades em termos de peso em</p><p>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</p><p>folha ou em tecido e a matriz polimérica pode ser um polímero termoendurecível.</p><p>Na maioria das vezes, são utilizadas resinas epóxi, de poliéster ou um</p><p>termoplástico.</p><p>Outro tipo de compósito muito importante é aquele que possui como fase de</p><p>reforço fibras ou mantas de carbono, como o compósito carbono/epóxi que é</p><p>classificado como um compósito estrutural. Nesse tipo de compósito, além das</p><p>propriedades dos materiais, o projeto geométrico dos elementos estruturais é</p><p>extremamente importante.</p><p>Os materiais compósitos podem ser classificados em duas categorias de</p><p>acordo com a construção do material: laminados, que possuem camadas ligadas</p><p>em conjunto com orientações específicas da disposição das fibras (Figura 2) e</p><p>painéis sanduíche, que são materiais estruturais de múltiplas camadas contendo</p><p>um núcleo de baixa densidade entre camadas finas de materiais compósitos.</p><p>Figura 2. Compósito laminado. Fonte: Askeland (2019, p.</p><p>569).</p><p>Os compósitos reforçados com fibras de carbono são resistentes e podem ser</p><p>utilizados em ambientes com altas temperaturas. A Figura 3 apresenta um</p><p>laminado carbono/epóxi utilizado na indústria aeronáutica e produzido a partir de</p><p>camadas sobrepostas de mantas de fibra de carbono envolvidas em resina epóxi.</p><p>Figura 3. Laminado carbono/epóxi. Fonte:</p><p>KLS Química e Ciência dos Materiais (2019,</p><p>p. 197).</p><p>Na indústria, os laminados compósitos são importantes na substituição de ligas</p><p>metálicas e exibem excelentes características, como rigidez, resistência mecânica,</p><p>resistência a elevadas temperaturas em condições de trabalho, além de exibir um</p><p>bom desempenho sob fadiga.</p><p>Já os painéis consistem basicamente em duas placas finas de um material</p><p>resistente intercaladas por um outro material (núcleo), apresentando baixa</p><p>densidade e baixo módulo de elasticidade. Normalmente,</p><p>para o material do</p><p>núcleo, são utilizadas espumas poliméricas rígidas, madeira balsa e colmeias. A</p><p>Figura 4a apresenta um esquema de painel sanduíche do tipo honeycomb</p><p>(colmeia) e a Figura 4b mostra um painel sanduíche do tipo honeycomb</p><p>desenvolvido pela NASA.</p><p>Figura 4. Painéis sanduíche (honeycomb). Fonte: KLS Química e Ciência</p><p>dos Materiais (2019, p. 198)</p><p>A Figura 4a apresenta um painel que está estruturado por: (1) representa um</p><p>esquema do painel sanduíche, (2) corresponde às placas de um determinado</p><p>material, ou seja, a face da lâmina, enquanto (3) refere-se ao núcleo (colmeia) que</p><p>adere às placas por meio de adesivos.</p><p>Ao final, o painel sanduíche apresenta, em determinadas condições, resistência à</p><p>flexão bem maior que placas maciças dos mesmos materiais e da mesma</p><p>densidade. Nesse compósito as faces suportam as tensões normais de</p><p>compressão, tração ou cisalhamento que estão associadas à flexão e são</p><p>fabricadas de materiais relativamente resistentes, como ligas de alumínio, aços,</p><p>madeiras compensadas ou plásticos reforçados com fibras. O núcleo deve manter</p><p>as faces afastadas em uma determinada espessura, ser suficientemente rígido na</p><p>direção perpendicular a elas, a fim de evitar o esmagamento.</p><p>Nos materiais compósitos, podemos usar os diferentes tipos de fibras que podem</p><p>ser orgânicas naturais (coco, sisal, bambu), sintéticas (carbono, aramida,</p><p>poliamida) ou inorgânicas (metálicas, bora, vidro).</p><p>Os compósitos estruturais mais avançados utilizam-se de fibra de vidro,</p><p>carbono/grafite, boro e outros materiais orgânicos, resultando em materiais leves</p><p>e que ao mesmo tempo apresentam elevada resistência e dureza. Além dos</p><p>diferentes tipos de fibras, na fabricação de um material compósito vários</p><p>materiais, como polímeros, metais e não metais podem ser utilizados como</p><p>matrizes.</p><p>Siga em Frente...</p><p>Materiais avançados</p><p>Os materiais avançados são aqueles utilizados em aplicações de alta tecnologia</p><p>(ou high-tech), incluindo os equipamentos eletrônicos, computadores, sistemas de</p><p>fibras ópticas, baterias de alta densidade de energia, sistemas de conversão de</p><p>energia e aeronaves. Esses materiais podem ser comuns (com propriedades</p><p>aprimoradas) e de alto desempenho (recentemente desenvolvidos).</p><p>Justamente por essa razão, os materiais avançados podem pertencer a qualquer</p><p>tipo de material (metais, cerâmicas, polímeros), mas de custo elevado devido a</p><p>tecnologia embutida em seu processo de fabricação.</p><p>Os materiais avançados incluem semicondutores, biomateriais, materiais</p><p>inteligentes e nanomateriais. Vejamos cada um separadamente.</p><p>Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre</p><p>aquelas exibidas pelos condutores elétricos e os isolantes. Eles apresentam</p><p>condução, ou não, dependendo das circunstâncias a quais são expostos e/ou</p><p>devido à quantidade de impureza que possuem, cujas concentrações podem ser</p><p>controladas em regiões espaciais muito pequenas do material. Esse tipo de</p><p>material tornou possível o desenvolvimento dos circuitos integrados, os quais</p><p>revolucionaram totalmente as indústrias de produtos eletrônicos e de</p><p>computadores ao longo das quatro últimas décadas.</p><p>Os biomateriais são aqueles utilizados, de alguma forma, em aplicações humanas,</p><p>direta ou indiretamente. Por exemplo, os implantes de reposição são construídos a</p><p>partir de biomateriais, que são implantados no corpo, de modo que eles</p><p>funcionem de uma maneira confiável, segura e fisiologicamente satisfatória,</p><p>enquanto interagem com o tecido vivo. Por essa razão, os biomateriais devem ser</p><p>biocompatíveis e não devem causar rejeição, respostas fisiologicamente</p><p>inaceitáveis, nem liberar substâncias tóxicas. Os biomateriais podem ser de</p><p>materiais metálicas, cerâmicos, poliméricos e materiais compósitos.</p><p>Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração com</p><p>influência significativa sobre muitas das nossas tecnologias. O adjetivo inteligente</p><p>significa que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus</p><p>ambientes e assim responder a essas mudanças segundo padrões</p><p>predeterminados. Os componentes de um material (ou sistema) inteligente</p><p>incluem algum tipo de sensor (que detecta um sinal de entrada) e um atuador (que</p><p>executa uma função de resposta e adaptação). Os atuadores podem provocar</p><p>mudança de forma, de posição, da frequência natural ou das características</p><p>mecânicas em resposta a mudanças na temperatura, nos campos elétricos e/ou</p><p>nos campos magnéticos. Quatro tipos de materiais são utilizados como</p><p>atuadores: ligas com memória de forma, cerâmicas piezoelétricas, materiais</p><p>magnetoconstritivos e fluidos eletrorreológicos/magnetorreológicos.</p><p>Os nanomateriais podem ser constituídos de qualquer um dos quatro tipos</p><p>básicos de materiais, mas com dimensões das entidades estruturais da ordem do</p><p>nanômetro (10-9m). Devido às propriedades únicas e não usuais, os nanomateriais</p><p>estão encontrando nichos na eletrônica, biomedicina, esportes, produção de</p><p>energia e em outras aplicações industriais.</p><p>Vamos Exercitar?</p><p>Relembrando o problema proposto inicialmente, como analista de um laboratório</p><p>que trabalha com análises de amostras de materiais, você recebeu duas amostras</p><p>de materiais de uma empresa cliente que atua na fabricação de componentes</p><p>para aeronaves comerciais. Essas amostras (Figura 1) são de materiais</p><p>deformados a partir de um ensaio de impacto (ensaio de dureza). E foi informado</p><p>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</p><p>Ciência dos Materiais (2019, p. 188).</p><p>Assim, para entender se a substituição do material pode ser realizada,</p><p>considerando os materiais apresentados na Figura 1, será necessário responder</p><p>alguns questionamentos:</p><p>a qual classificação esses materiais pertencem?</p><p>quais as propriedades de interesse para a aplicação em componentes de</p><p>aeronaves?</p><p>esses materiais apresentam propriedades semelhantes?</p><p>qual a diferença entre eles? O material (b) poderá ser utilizado como</p><p>alternativa à utilização do material (a)?</p><p>Através de suas pesquisas, você concluiu que as amostras recebidas são de</p><p>materiais denominados compósitos. Um material compósito pode ser definido</p><p>como a combinação entre diferentes materiais que, quando juntos, apresentam</p><p>propriedades características e distintas daquelas dos materiais isolados. Assim, o</p><p>material apresentará a combinação das melhores propriedades daqueles que o</p><p>compõem.</p><p>Existem diversos tipos de compósitos, como o concreto, a fibra de vidro e as fibras</p><p>de carbono em que cada um desses materiais apresentará uma determinada</p><p>propriedade que atenderá a uma necessidade específica.</p><p>Os compósitos podem ser do tipo reforçado por partículas, por fibras e estruturais</p><p>(painéis e laminados). Um compósito termoplástico pode ser entendido como um</p><p>material que utiliza uma resina termoplástica, isto é, uma resina que quando</p><p>atinge determinada temperatura apresenta alta viscosidade e facilidade para ser</p><p>moldada e conformada, como a poli-éter-éter-cetona (PEEK), o sulfeto de</p><p>polifenileno (PPS) e a polieterimida (PEI).</p><p>Já um compósito termorrígido utiliza-se de resinas que, uma vez aquecidas, não</p><p>podem ser mais remodeladas, como as resinas epóxis. Os compósitos</p><p>termorrígidos apresentam melhores propriedades mecânicas e maior resistência à</p><p>umidade quando comparados aos termoplásticos.</p><p>Por fim, os dois materiais apresentados na Figura 1 são compostos por camadas</p><p>de fibra de carbono, diferenciando o tipo de resina utilizado. A Figura 1a apresenta</p><p>um compósito termorrígido de carbono epóxi enquanto a Figura 1b apresenta um</p><p>compósito termoplástico (PPS), ambos foram sujeitos a um ensaio de impacto</p><p>com mesma energia no centro dos espécimes.</p><p>Pela análise visual das figuras, podemos concluir que o compósito-PPS (Figura 1b)</p><p>apresenta uma região de deformação maior quando comparado ao carbono epóxi</p><p>(Figura 1a), corroborando a premissa de que os compósitos termorrígidos</p><p>possuem melhores propriedades</p><p>mecânicas.</p><p>Assim, a partir das características desses materiais, é possível concluir que o</p><p>material (b) pode ser utilizado como alternativa ao material (a) em aplicação que</p><p>requerem uma menor resistência ao impacto, já que esse material apresenta uma</p><p>maior área de 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</p><p>tecnológico. Eles apresentam características únicas, podendo ser utilizados nas</p><p>mais diversas aplicações, tornando possível projetos que pareciam inalcançáveis.</p><p>Por essa razão, aprofunde seu conhecimento sobre esses materiais lendo a seção</p><p>3.7 do livro Comportamento Mecânico dos Materiais de Norman Dowling. Veja os</p><p>conceitos, analise os exemplos e faça os exercícios propostos.</p><p>DOWLING, Norman. Comportamento Mecânico dos Materiais. Rio de Janeiro:</p><p>Grupo GEN, 2017. E-book. ISBN 9788595153493. Disponível em: . Acesso em: 22</p><p>abr. 2024.</p><p>Bons estudos!</p><p>Referências Bibliográficas</p><p>ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais –</p><p>Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil,</p><p>2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>DOWLING, Norman. Comportamento Mecânico dos Materiais. Rio de Janeiro:</p><p>Grupo GEN, 2017. E-book. ISBN 9788595153493. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788595153493/. Acesso em:</p><p>22 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de</p><p>Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788595153493/</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788595153493/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais.</p><p>Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso</p><p>em: 21 abr. 2024.</p><p>NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos,</p><p>Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades. Editora Saraiva, 2014. E-book.</p><p>ISBN 9788536520506. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>PAWLICKA, Agnieszka; FRESQUI, Maíra; TRSIC, Milan. Curso de Química para</p><p>Engenharia, volume II: Materiais. São Paulo: Editora Manole, 2013. E-book. ISBN</p><p>9788520436646. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788520436646/. Acesso em:</p><p>22 abr. 2024.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de</p><p>Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN</p><p>9788521632627. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos</p><p>Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso</p><p>em: 21 abr. 2024.</p><p>Encerramento da Unidade</p><p>CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADE</p><p>DOS MATERIAIS</p><p>Videoaula de Encerramento</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>Olá, estudante! Nessa videoaula você irá conhecer os principais conceitos que</p><p>envolvem os tipos de materiais existentes, através da classificação que possuem,</p><p>levando em consideração sua formação (átomos e ligações químicas) e</p><p>propriedades que possuem. Conteúdos importantes para sua prática profissional,</p><p>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</p><p>sólido, se apresenta na forma de um material (seja metal, polímero, cerâmica ou</p><p>semicondutor, avançados ou não).</p><p>Vamos entender cada classificação dos materiais levando em consideração sua</p><p>composição, propriedades e principais aplicações?!!</p><p>Bons estudos!</p><p>Ponto de Chegada</p><p>Olá, estudante! Para desenvolver a competência dessa unidade, que consiste em</p><p>analisar e compreender as propriedades dos materiais para seleção, de modo a</p><p>atender às características de desempenho e processamento, é necessário</p><p>entender que há várias formas de classificação dos materiais. A mais comum</p><p>considera quatro categorias: metais e ligas; cerâmicas, vidros e vitrocerâmicas;</p><p>polímeros (como os plásticos) e materiais compósitos. A Tabela 1 apresenta</p><p>algumas aplicações, propriedades e exemplos para cada categoria.</p><p>Exemplos de</p><p>aplicações</p><p>Propriedades</p><p>Metais e Ligas</p><p>Cobre Fios elétricos</p><p>Alta condutividade</p><p>elétrica, boa</p><p>conformabilidade</p><p>Ferro fundido</p><p>cinzento</p><p>Blocos de</p><p>motores para</p><p>automóveis</p><p>Fundibilidade,</p><p>usinabilidade,</p><p>amortecimento de</p><p>vibrações</p><p>Aços especiais</p><p>Ferramentas,</p><p>chassis de</p><p>automóveis</p><p>Endurecibilidade por</p><p>tratamentos térmicos</p><p>Cerâmicas e vidros</p><p>,</p><p>,</p><p>SiO</p><p>2</p><p>Na</p><p>2</p><p>O</p><p>CaO</p><p>Vidro para</p><p>janelas</p><p>Transparência óptica,</p><p>isolamento térmico</p><p>,</p><p>,</p><p>Al</p><p>2</p><p>O</p><p>3</p><p>MgO</p><p>SiO</p><p>2</p><p>Refratários</p><p>(revestimento</p><p>resistente ao</p><p>calor para fornos</p><p>de fusão)</p><p>Isolamento térmico,</p><p>suporta altas</p><p>temperaturas,</p><p>relativamente inerte</p><p>ao metal fundido</p><p>Titanato de bário</p><p>Capacitores para</p><p>microeletrônica</p><p>Grande capacidade</p><p>de armazenamento</p><p>de cargas elétricas</p><p>Sílica</p><p>Fibras ópticas</p><p>para a tecnologia</p><p>da informação</p><p>Baixas perdas</p><p>ópticas</p><p>Polímeros</p><p>Polietileno</p><p>Embalagens para</p><p>alimentos</p><p>Facilidade de ser</p><p>moldado para</p><p>produzir filmes finos,</p><p>flexibilidade e</p><p>hermetismo</p><p>Resinas epóxi</p><p>Encapsulamento</p><p>de circuitos</p><p>integrados</p><p>Isolante elétrico e</p><p>resistência à</p><p>umidade</p><p>Resinas fenólicas</p><p>Adesivos para</p><p>união de camadas</p><p>de compensado</p><p>Resistência mecânica</p><p>e à umidade</p><p>Compósitos</p><p>Resina epóxi Componentes Elevada razão</p><p>Tabela 1. Aplicações, propriedades e exemplos para cada classe de material.</p><p>Fonte: elaborada pela autora.</p><p>Os materiais de cada um desses grupos (classes) apresentam estruturas e</p><p>propriedades distintas. Contudo, como os materiais metálicos são amplamente</p><p>usados em aplicações estruturais, suas propriedades mecânicas são de grande</p><p>interesse prático. As propriedades mecânicas são aquelas apresentadas pelos</p><p>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</p><p>aplicada, por unidade de área. Matematicamente, a tensão é obtida pela força em</p><p>função da área da seção transversal  .</p><p>Já a deformação indica mudança de forma do material quando um carregamento</p><p>é aplicado. Se a força aplicada for do tipo axial, a deformação é específica ( )</p><p>dada pela variação de comprimento do material dividida pelo comprimento</p><p>inicial  Caso a deformação desapareça após ser removida a carga ou a</p><p>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</p><p>deformação é plástica.</p><p>Para deformações elásticas, a tensão e deformação estão linearmente</p><p>relacionadas, e o coeficiente angular da reta tensão-deformação neste trecho é</p><p>conhecido como módulo de elasticidade (E) ou módulo de Young.</p><p>Matematicamente, essa relação é conhecida como Lei de Hooke, expressa</p><p>por  .</p><p>A tensão necessária para iniciar uma deformação plástica é denominada limite de</p><p>escoamento (LE). E a deformação percentual máxima que se pode obter é uma</p><p>medida da ductilidade de um material metálico.</p><p>reforçadas com</p><p>fibras de carbono</p><p>para avião resistência-peso</p><p>Metal duro (liga de</p><p>cobalto reforçada</p><p>com carbeto de</p><p>tungstênio)</p><p>Ferramentas de</p><p>corte para</p><p>usinagem</p><p>Elevada dureza</p><p>conjugada com boa</p><p>resistência a</p><p>choques</p><p>Aço revestido com</p><p>titânio</p><p>Vasos para</p><p>reatores</p><p>Baixo custo e</p><p>associação de alta</p><p>resistência do aço</p><p>com a elevada</p><p>resistência à corrosão</p><p>do titânio</p><p>(σ =</p><p>F</p><p>A</p><p>)</p><p>ε</p><p>(ε</p><p>ΔL</p><p>L</p><p>0</p><p>)</p><p>σ = Eε</p><p>Essas são apenas algumas das propriedades possíveis para os materiais, existem</p><p>muitas outras. Todas elas devem ser sempre avaliadas na análise de um material</p><p>para escolha adequada para uma aplicação específica, casando as condições de</p><p>projeto com as características assertivas do material escolhido.</p><p>Considerando a classificação dos materiais, vamos entender melhor as</p><p>características e principais propriedades de cada classe, começando pelos metais</p><p>e suas ligas.</p><p>A classe dos materiais metálicos inclui aços, alumínio, magnésio, zinco, ferro</p><p>fundido, titânio, cobre, níquel, dentre outros materiais. Uma liga é um metal que</p><p>contém adições de um ou mais elementos metálicos ou elementos não metais.</p><p>Em geral, os metais apresentam boa condutividade térmica e elétrica. Tanto os</p><p>metais quanto as ligas possuem resistência mecânica relativamente elevada, alta</p><p>rigidez, ductilidade ou conformabilidade e resistência a choques mecânicos. Eles</p><p>são particularmente úteis em aplicações estruturais. Embora metais puros</p><p>raramente sejam usados, combinações de metais (legas) permitem melhorar uma</p><p>propriedade específica desejada ou obter melhor combinação de propriedades.</p><p>Por exemplo, o ouro puro é um metal muito macio, por isso os joalheiros</p><p>adicionam-lhe cobre para aumentar sua resistência mecânica, de modo que a joia</p><p>feita de ouro não seja danificada facilmente.</p><p>Com relação aos materiais cerâmicos, é possível definir as cerâmicas como</p><p>materiais cristalinos inorgânicos. As cerâmicas podem ser consideradas os</p><p>materiais mais naturais que existem. De fato, a areia das praias e as rochas são</p><p>exemplos de cerâmicas em estado natural. As cerâmicas avançadas são materiais</p><p>feitos com o refino de cerâmicas naturais e por outros processos especiais,</p><p>empregadas em substratos de chips de computadores, sensores e atuadores,</p><p>capacitores, equipamentos para comunicações sem fio, velas de ignição, indutores</p><p>e isoladores elétricos. Alguns tipos de cerâmica são utilizados como revestimento</p><p>de proteção para substratos metálicos em turbinas. As cerâmicas também são</p><p>utilizadas em vários produtos de consumo, como tintas, plásticos e pneus, e em</p><p>aplicações industriais mais avançadas, como os sensores de oxigênio para</p><p>automóveis. Quanto às cerâmicas tradicionais, são utilizadas em tijolos, louças de</p><p>cozinha, pias e vasos sanitários, refratários (materiais resistentes ao calor) e</p><p>abrasivos. Em geral, as cerâmicas não são boas condutoras de calor. Além disso,</p><p>devem ser aquecidas a temperaturas altíssimas antes de fundir. As cerâmicas são</p><p>também resistentes e rígidas, mas, ao mesmo tempo, bastante frágeis.</p><p>Normalmente são preparados pós finos de cerâmica, que serão então moldados</p><p>em diferentes formatos. Novas técnicas de processamento tornaram-nas</p><p>suficientemente resistentes à fratura, a ponto de serem usadas em aplicações</p><p>estruturais (como rotores de turbinas). E ainda, as cerâmicas apresentam</p><p>excepcional resistência à compressão.</p><p>Os polímeros são materiais orgânicos produzidos por meio de um processo</p><p>conhecido como polimerização. Entre os materiais poliméricos, em geral podemos</p><p>citar as borrachas (elastômeros) e muitos tipos de adesivos. Os polímeros</p><p>geralmente são bons isolantes térmicos e elétricos, apesar de existirem exceções.</p><p>Embora tenham baixa resistência, possuem boa razão resistência-peso.</p><p>Normalmente, não são adequados ao uso em altas temperaturas, entretanto,</p><p>vários polímeros são bastante resistentes a produtos químicos corrosivos.</p><p>Empregam-se os polímeros em milhares de aplicações, de coletes à prova de bala,</p><p>discos compactos (CD), cordas e displays de cristal líquido (LCD) a roupas e</p><p>xícaras. Os polímeros termoplásticos, nos quais as longas cadeias moleculares</p><p>não estão rigidamente conectadas, possuem boa ductilidade e conformabilidade.</p><p>Já os polímeros termofixos são mais resistentes e mais frágeis, pois suas cadeias</p><p>moleculares apresentam ligações cruzadas. Utilizam-se os polímeros em</p><p>inúmeras aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos. Os termoplásticos são</p><p>fabricados por conformação do material fundido, ao passo que os termofixos são</p><p>geralmente fundidos e vazados em moldes. Os plásticos contêm aditivos que</p><p>aprimoram as propriedades dos polímeros.</p><p>Por fim, os materiais compósitos. Ao desenvolver compósitos, a ideia primordial</p><p>consiste em combinar as propriedades de diferentes materiais. Assim, os</p><p>compósitos são formados por dois ou mais materiais, dando origem a</p><p>propriedades que não são encontradas em nenhum dos materiais</p><p>individualmente. Concreto, compensado e fibra de vidro são exemplos de</p><p>materiais compósitos. O material conhecido como fibra de vidro, por exemplo, é</p><p>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</p><p>o auxílio de compósitos, podemos produzir materiais leves, tenazes, dúcteis e</p><p>resistentes a altas temperaturas, ou podemos fabricar ferramentas de corte duras</p><p>(e mesmo assim resistentes a choques) que iriam fraturar se fossem feitas com</p><p>outros materiais. Aviões e veículos aeroespaciais avançados dependem bastante</p><p>dos compósitos. Equipamentos esportivos, como bicicletas, tacos de golfe,</p><p>raquetes de tênis e outros, também podem utilizar diferentes tipos de materiais</p><p>compósitos leves e rígidos.</p><p>Os materiais também podem ser classificados com base na função mais</p><p>importante que desempenham, ou seja, mecânica (estrutural), biológica, elétrica,</p><p>magnética ou óptica. Vejamos cada um desses materiais nessa classificação.</p><p>Biomateriais são materiais naturais ou sintéticos utilizados em contato com</p><p>sistemas biológicos cuja finalidade é reparar ou substituir tecidos, órgãos ou</p><p>funções do organismo, com o objetivo de manter ou melhorar a qualidade de vida</p><p>do paciente. Vários órgãos artificiais, implantes ortopédicos, próteses</p><p>endovasculares (stents), aparelhos ortodônticos e outros componentes são feitos</p><p>utilizando-se diversos tipos de plásticos, ligas de titânio e aços inoxidáveis não</p><p>magnéticos.</p><p>Semicondutor é todo material que, dependendo das circunstâncias (temperatura,</p><p>pressão, radiação e campos magnéticos), pode atuar como condutor, permitindo a</p><p>passagem de corrente, ou como isolante, impedindo a passagem de corrente. Os</p><p>semicondutores feitos de silício, por exemplo, são utilizados na fabricação de</p><p>circuitos integrados de computador.</p><p>Um material inteligente é capaz de detectar estímulos externos (tais como</p><p>alterações de temperatura, de tensão, de umidade ou de um composto químico</p><p>específico) e de responder a esses estímulos. Em geral, um sistema que utiliza</p><p>materiais inteligentes é composto por sensores e atuadores que percebem</p><p>mudanças e iniciam determinada reação. O titanato zirconato de chumbo (PZT) e</p><p>as ligas com memória de forma são exemplos de materiais inteligentes. Outro</p><p>exemplo de materiais inteligentes são os fluidos magneto-reológicos que</p><p>respondem a campos magnéticos e são usados nos sistemas de suspensão de</p><p>automóveis. E mais, temos os vidros fotocrômicos e os espelhos com regulação</p><p>automática da intensidade de luz refletida.</p><p>Nanomateriais são materiais com dimensões nanométricas, em que a superfície</p><p>ou as propriedades da interface predominam sobre as propriedades intensivas. O</p><p>uso de nanomateriais resulta na capacidade tecnológica de gerar materiais de</p><p>uma maneira particular para desempenhar um papel específico. Portanto, ele</p><p>abrange vários setores, desde saúde e cosméticos até preservação ambiental e</p><p>purificação do ar.</p><p>E por fim, os materiais avançados referem-se aos materiais que, devido as suas</p><p>propriedades intrínsecas ou aos processos</p><p>tecnológicos de preparação, possuem</p><p>a potencialidade de gerar novos produtos, soluções e processos inovadores de</p><p>elevado valor tecnológico, econômico, social e ambiental, de elevar o desempenho,</p><p>durabilidade, de agregar valor ou de introduzir novas funcionalidades em produtos</p><p>e processos tradicionais.</p><p>Ao projetar um material para determinada aplicação, uma série de fatores precisa</p><p>ser considerado. O material deve alcançar as propriedades físicas e mecânicas</p><p>desejadas, deve permitir o processamento ou a fabricação em um formato</p><p>específico e deve oferecer solução econômica aos problemas do projeto. Também</p><p>é importante proteger o meio ambiente estimulando, se possível, a reciclagem dos</p><p>materiais. Assim, será necessário compatibilizar os diversos requisitos de projeto</p><p>para obter um produto ao mesmo tempo viável tecnicamente e comercializável.</p><p>É Hora de Praticar!</p><p>Olá, Estudante! Nesse estudo de caso, vamos considerar alguns processos da</p><p>indústria do petróleo. Para isso, precisamos de algumas informações referentes a</p><p>esse tema. Assim, os processos inerentes da indústria do petróleo, além de</p><p>complexos, necessitam de condições operacionais seguras, principalmente</p><p>porque ocorrem em altas temperaturas. Dentre as operações de aquecimento do</p><p>óleo cru, existe um processo, em especial, que envolve o forno. Nesse</p><p>equipamento, o fluido é aquecido para ser direcionado à torre de destilação,</p><p>devendo apresentar viscosidade e temperaturas adequadas para o processo de</p><p>fracionamento do óleo.</p><p>A finalidade dos fornos é queimar combustível, e o calor gerado por essa</p><p>combustão é transferido ao petróleo, para que, aquecido e no estado fluido, possa</p><p>circular no interior dos tubos que ficam dentro da serpentina. Esses equipamentos</p><p>são muito importantes nas refinarias e indústrias petroquímicas, pois tratam-se de</p><p>grandes vazões de petróleo que precisam estar sob altas temperaturas para que</p><p>diminua a sua viscosidade, permitindo o escoamento do fluido no interior dos</p><p>tubos da serpentina, tornando possível a realização de operações como a</p><p>destilação e o craqueamento do petróleo.</p><p>Além disso, outro fator importante no processo é o econômico, uma vez que os</p><p>fornos de aquecimento correspondem a 20% do custo investido em uma planta de</p><p>destilação de petróleo. Por isso, fica evidente a importância em, ao realizar o</p><p>projeto de um forno, garantir a capacidade do equipamento em reduzir a emissão</p><p>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</p><p>sustentar todo o peso do equipamento (refratários, serpentinas, chaminés,</p><p>acessórios etc.). Além disso, a estrutura precisa resistir aos esforços</p><p>mecânicos oriundos de ventos, e não é submetida à altas temperaturas, já</p><p>que é a camada externa do forno e protegida pela câmara de combustão, não</p><p>está sujeita às altas temperaturas.</p><p>Câmara de combustão: a parte de forno que sustenta as serpentinas, deve</p><p>suportar altas temperaturas (em torno de 400 ºC) e serem isolantes térmicos,</p><p>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</p><p>onde ocorre a combustão e o transporte do óleo. Dessa forma, devem</p><p>manter a temperatura do fluido constante até o final do processo, além de</p><p>possuir uma superfície lisa para manter homogênea a temperatura do fluido.</p><p>Chaminé: responsável pela tiragem e descarga dos gases ao final do</p><p>processo.</p><p>Segundo essa temática, vamos considerar uma situação em que você oferece</p><p>consultoria para uma grande companhia petroquímica que pretende instalar uma</p><p>planta de um novo forno para o craqueamento térmico da nafta, ficando</p><p>responsável por selecionar os materiais mais adequados para compor o forno.</p><p>Dessa forma, você deve apresentar um relatório para o CEO da companhia</p><p>petroquímica, mostrando as partes principais do forno (serpentina de</p><p>aquecimento, câmara de combustão e chaminé) e os materiais mais adequados</p><p>para serem utilizados em cada parte do forno, de acordo com a sua função e</p><p>condições de operação. Cada material selecionado deve ser justificado, levando</p><p>em 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</p><p>mesmas propriedades?</p><p>Um material pode apresentar duas classificações primárias ao mesmo</p><p>tempo?</p><p>Com relação às ligações químicas na formação dos materiais, elas podem</p><p>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</p><p>avançados?</p><p>Resolução do estudo de caso</p><p>Retomando ao estudo de caso, será necessário apresentar um relatório para o</p><p>CEO da companhia petroquímica, mostrando as partes principais do forno</p><p>(serpentina de aquecimento, câmara de combustão e chaminé) e os materiais</p><p>mais adequados para serem utilizados em cada parte do forno, de acordo com a</p><p>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</p><p>para compor cada componente do forno. Vale lembrar que os componentes são:</p><p>estrutura e carcaça, câmara de combustão, serpentina de aquecimento e chaminé.</p><p>Alguns materiais são possíveis para utilização, por essa razão é importante</p><p>justificar a escolha do material de acordo com a relação estrutura-propriedade-</p><p>aplicação. Dentre os materiais adequados para cada componente, podemos</p><p>utilizar para:</p><p>Estrutura e carcaça o material metálico, como chapas de aço e carbono, por</p><p>possuírem propriedades mecânicas adequadas para suportar todo o peso do</p><p>equipamento e a ação dos ventos, e não precisam ser isolantes térmicos, já</p><p>que não sofrem variação de temperatura durante o processo. O material da</p><p>câmara de combustão (cerâmico) é isolante térmico, protegendo a estrutura</p><p>e a carcaça.</p><p>Câmara de combustão o material de tijolos refratários (cerâmica). Por serem</p><p>isolantes térmicos, protegem os demais componentes do forno, são</p><p>resistentes a altas temperaturas, além de evitar que os gases de combustão</p><p>atinjam as chapas da carcaça metálica, onde se condensariam, formando</p><p>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,</p><p>aço-liga cromo ou aço inoxidável. Pelo fato de o fluido escoar dentro desses</p><p>tubos, as ligas metálicas de cromo ou aço inoxidável são adequadas por</p><p>suportarem altas temperaturas. E por serem condutores térmicos, mantêm o</p><p>fluido aquecido por todo processo, e são mais resistentes à corrosão.</p><p>Chaminé podem ser de materiais metálicos, de concreto ou aço. Como têm</p><p>contato com os gases provenientes da combustão, devem ser constituídos</p><p>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</p><p>relacionados à classificação dos materiais. Importante conhecer cada tipo de</p><p>material, considerando sua formação e as propriedades que possuem, para</p><p>escolha adequada na aplicação de projetos de engenharia.</p><p>Referências</p><p>ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais –</p><p>Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil,</p><p>2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em:</p><p>24 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de</p><p>Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em:</p><p>24 abr. 2024.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais.</p><p>Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso</p><p>em: 24 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos</p><p>Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso</p><p>em: 24 abr. 2024.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/.</p><p>ópticas. Nesse caso, o estímulo é a radiação eletromagnética</p><p>ou a radiação luminosa. E, como exemplo dessas propriedades, temos o</p><p>índice de refração e a refletividade.</p><p>Propriedades deteriorativas. Elas estão relacionadas com a reatividade</p><p>química dos materiais. Um exemplo clássico desse tipo de propriedades é</p><p>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</p><p>sem que ocorra mudança de identidade do composto, ou seja, são</p><p>intrínsecas à substância pura. Ponto de fusão, ponto de ebulição e densidade</p><p>são exemplos desse tipo de propriedade.</p><p>As propriedades químicas são aquelas que, quando medidas, alteram a</p><p>composição inicial do material. Como exemplo, temos a ferrugem e a</p><p>inflamabilidade.</p><p>Além da estrutura e das propriedades que um material apresenta, também deve</p><p>ser levado em consideração o processamento e o desempenho. No que se refere</p><p>às relações entre esses quatro componentes, a estrutura de um material depende</p><p>de como ele é processado. Além disso, o desempenho de um material é uma</p><p>função das suas propriedades.</p><p>Olhando para algumas dessas propriedades para os materiais metálicos, temos</p><p>que a propriedade química fundamental dos metais é definida pela habilidade dos</p><p>elementos metálicos se combinarem com outros metais ou não metálicos,</p><p>formando ligas que melhoram suas propriedades iniciais, podendo ser utilizadas</p><p>em aplicações específicas. Como exemplo os aços austeníticos são utilizados na</p><p>construção civil para fins estruturais, os aços ferríticos são empregados em</p><p>sistemas de exaustão de gases em motores de combustão e os aços</p><p>martensíticos são utilizados em áreas de mineração e instrumentos</p><p>odontológicos.</p><p>A grande utilização dos metais também é justificada pelas diversas propriedades</p><p>mecânicas, possibilitando sua aplicação nos mais diferentes contextos. Entre as</p><p>propriedades mecânicas exibidas por esses materiais, podemos citar a resistência</p><p>e a ductilidade, que permitem o uso desses materiais em máquinas e estruturas.</p><p>Os metais e suas ligas exibem ductilidade, maleabilidade e a capacidade de serem</p><p>deformados plasticamente (sem quebrar), tornando-os fáceis de moldar em vigas</p><p>(vigas de aço para a construção), extrusões (esquadrias de alumínio para portas e</p><p>janelas), moedas, latas de metal e uma variedade de elementos de fixação (pregos</p><p>e clipes de papel).</p><p>As propriedades mecânicas dos metais determinam a gama de utilidades e</p><p>estabelecem a vida útil esperada de um material. Essas propriedades também são</p><p>utilizadas para ajudar a identificar e classificar o material, por exemplo, pelos</p><p>valores da resistência e ductilidade, dureza, resistência ao impacto e resistência à</p><p>fratura podemos escolher o material para uma finalidade específica.</p><p>A maioria dos materiais metálicos apresenta uma característica denominada de</p><p>anisotropia, ou seja, suas propriedades variam de acordo com a direção da</p><p>estrutura dos grãos. Essa variação na orientação dos grãos promove variação nas</p><p>propriedades mecânicas, isso ocorre principalmente devido ao processo de</p><p>formação do material relacionado à direcionalidade da microestrutura (textura)</p><p>formada durante a conformação mecânica ou em operações de trabalho a frio.</p><p>Assim, podemos dizer que as propriedades mecânicas nos materiais metálicos</p><p>são específicas com relação à forma que o produto apresenta (como placas,</p><p>chapas) devido ao seu processo de conformação (como extrusão, moldagem,</p><p>forjamento). Com relação à direção da estrutura dos grãos, em produtos como</p><p>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</p><p>é chamada de direção transversal e a espessura, de direção transversal curta. As</p><p>orientações dos grãos em produtos metálicos de acordo com os diferentes tipos</p><p>de processamentos são apresentadas na Figura 1.</p><p>Figura 1. Orientação dos grãos em componentes metálicos.</p><p>Fonte: adaptada de Primo (2012, p.12).</p><p>Como os materiais metálicos são amplamente usados em aplicações estruturais,</p><p>suas propriedades mecânicas são de grande interesse prático, pois devido a elas,</p><p>eles podem ser selecionados para melhor utilização. Dentre as propriedades</p><p>mecânicas existentes, as principais são:</p><p>Tesão. A tensão ( ) é definida pela resposta que o material apresenta devido</p><p>a um esforço mecânico (carga, força) aplicado, sendo representada pela</p><p>força  atuante por unidade de área A. Matematicamente, a tensão é</p><p>expressa por  e sua unidade no Sistema Internacional é Pascal (Pa),</p><p>sendo que  .</p><p>Deformação. A deformação ( ) é a consequência da força aplicada no</p><p>material, ou seja, é a mudança de forma sofrida pelo material devido ao</p><p>carregamento aplicado. Matematicamente, ela pode ser calculada pela</p><p>variação do comprimento do material  em relação ao comprimento inicial</p><p>L0 por    lembrando que a variação de comprimento é obtida pelo</p><p>comprimento final menos o comprimento inicial  . Essa é</p><p>uma grandeza adimensional, ou seja, não possui unidades, podendo ser</p><p>expressa por porcentagem ou por  .</p><p>A deformação sofrida pelo material pode ser de duas formas, elástica ou</p><p>plástica, dependendo da intensidade da força atuante. Será elástica quando a</p><p>deformação no material desaparecer com a remoção da carga (material</p><p>retorna às características iniciais, àquelas antes de ser deformado) e será</p><p>plástica quando a deformação permanecer, mesmo após o carregamento ser</p><p>retirado (não voltando às características inicial). Por essa razão, a</p><p>deformação elástica é chamada de deformação momentânea, enquanto a</p><p>deformação plástica é conhecida como deformação permanente.</p><p>Na região elástica do material, tensão  e deformação ε são proporcionais, se</p><p>relacionando de forma linear. O coeficiente angular dessa reta linear tensão-</p><p>σ</p><p>F</p><p>σ =</p><p>F</p><p>A</p><p>1Pa = 1</p><p>N</p><p>m</p><p>2</p><p>ε</p><p>ΔL</p><p>ε  =</p><p>ΔL</p><p>L</p><p>0</p><p>(ΔL = L − L</p><p>0</p><p>)</p><p>mm</p><p>mm</p><p>σ</p><p>deformação, neste trecho, é conhecido como módulo de elasticidade E ou</p><p>módulo de Young. Assim, na região elástica, tensão  e deformação ε são</p><p>proporcionais entre si pelo módulo de elasticidade E,   ou seja, σ=Eε. O</p><p>módulo de elasticidade também é uma forma de tensão, indicando a rigidez</p><p>que o material apresenta, por essa razão sua unidade no SI também será</p><p>Pascal (Pa).</p><p>Limite de escoamento. A tensão necessária para iniciar uma deformação</p><p>plástica é denominada limite de escoamento (LE). Ou seja, é o valor de</p><p>tensão em que as deformações elástica e plástica atuam em conjunto. Para</p><p>valores de tensão menores que LE, teremos a região elástica, e para valores</p><p>maiores que LE, teremos a região plástica.</p><p>Tensão máxima. Também chamada de limite de resistência à tração (LRT) é</p><p>o maior valor de tensão que o material suportará antes do rompimento.</p><p>Tensão de ruptura. Essa tensão indica o ponto em que o material sofrerá</p><p>fratura. Com esse dado, podemos verificar se o material é dúctil ou frágil. O</p><p>material será dúctil quando a tensão máxima for diferente da tensão de</p><p>ruptura  . Por outro lado, se a tensão de ruptura apresentar o</p><p>mesmo valor que a tensão máxima  , o material será frágil.</p><p>Ductilidade. A ductilidade indica a maleabilidade que o material apresenta.</p><p>Quanto maior for essa propriedade, mais deformação o material suportará</p><p>sem sofrer fratura. A ductilidade é a propriedade contrária a fragilidade.</p><p>Importante frisar que as propriedades mecânicas mudam em função de</p><p>temperatura e da taxa de carregamento (estático ou dinâmico). Por exemplo,</p><p>temperaturas inferiores à temperatura ambiente geralmente causam um aumento</p><p>das propriedades de resistência das ligas metálicas, mas a ductilidade, resistência</p><p>à ruptura e alongamento, normalmente, diminuem. Já temperaturas acima da</p><p>temperatura ambiente costumam causar uma diminuição nas propriedades de</p><p>resistência das ligas metálicas.</p><p>E ainda, os valores das propriedades mecânicas apresentam variações com</p><p>relação aos tipos de esforços que são aplicados, devido à região de atuação</p><p>da</p><p>força. De maneira geral, existem 7 tipos de esforços que podem ser atuantes no</p><p>material, nomeados de acordo com a deformação apresentada pelo material. Eles</p><p>podem ser de tração, compressão, flexão, cisalhamento e torção (Figura 2).</p><p>σ</p><p>(σ</p><p>máx</p><p>) ≠ σ</p><p>rup</p><p>(σ</p><p>máx</p><p>= σ</p><p>rup</p><p>)</p><p>Figura 2. Tipos de carregamentos. Fonte: KLS Química</p><p>e Ciência dos Materiais (2019, p. 158).</p><p>Vamos entender melhor cada tipo de carregamento indicado pela Figura 2,</p><p>começando pelos carregamentos de tração e compressão, que são similares. Os</p><p>esforços de tração e compressão, também denominados de esforços axiais, são</p><p>aqueles atuantes no eixo longitudinal do material, perpendiculares à área da seção</p><p>transversal, provocando alongamento ou diminuição no comprimento original,</p><p>respectivamente. Como resposta ao esforço aplicado, o carregamento de tração</p><p>promove uma tensão de tração e o carregamento de compressão promove uma</p><p>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</p><p>de tensão normal. Tanto para força quanto para tensão, indicamos com sinais de</p><p>+ e – quando se tratar de tração ou compressão, respectivamente.</p><p>A flexão é um tipo especial do carregamento de compressão, ocorrendo em</p><p>materiais que apresentam comprimento muito maior do que a largura e</p><p>espessura, como uma viga ou coluna, por exemplo. Nesse caso, o carregamento</p><p>de compressão causa deflexão lateral no material, ou seja, provoca curvatura na</p><p>região longitudinal. E nas laterais da região de curva do elemento estrutural, como</p><p>consequência desse carregamento inicial, teremos uma região tracionada</p><p>(esticada) e outra comprimida.</p><p>Já o cisalhamento é conhecido por uma força aplicada no eixo transversal do</p><p>corpo, fazendo com que os planos desse material cisalhem em um ângulo de</p><p>deformação. Por ser um esforço pontual, também é denominado de esforço</p><p>cortante. Essa carga é aplicada paralelamente à seção transversal, fazendo com</p><p>que uma das partes adjacentes de um mesmo corpo do material se deslize sobre</p><p>a outra.</p><p>Por fim, o esforço de torção é aquele que provoca rotação no material, sobre o</p><p>eixo ou em torno do eixo de rotação. Ele também é um tipo de carregamento</p><p>transversal, mas devido a uma força tangencial. O sentido de rotação, devido ao</p><p>esforço aplicado é, convencionalmente, dado por horário (torque negativo) ou anti-</p><p>horário (torque positivo).</p><p>Além dessas propriedades citadas, a fadiga indica a capacidade do metal resistir à</p><p>fratura após repetidas deformações (repetidos ciclos de carregamento). Ou seja,</p><p>essa propriedade mede a vida útil do material quando utilizado segundo as</p><p>condições elásticas. É justamente devido a essa propriedade que podemos usar</p><p>os materiais com segurança e prever as manutenções necessárias.</p><p>Com relação às propriedades elétricas, os materiais metálicos apresentam boa</p><p>condutividade. Em geral, a condutividade desses materiais aumenta com a</p><p>diminuição da temperatura, de modo que no zero absoluto (-273 °C) a</p><p>condutividade possui valor infinito,   e nessa região os metais apresentam a</p><p>característica de supercondutores.</p><p>A resistividade é outra propriedade elétrica muito importante dos materiais</p><p>metálicos. Sua definição se dá pelo oposto da condutividade: essa propriedade</p><p>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</p><p>ferromagnetismo, por exemplo, é uma propriedade encontrada no ferro e em</p><p>vários outros metais. Além disso, metais e ligas podem ser magnetizados em um</p><p>campo elétrico e exibem uma propriedade denominada paramagnetismo. As</p><p>propriedades magnéticas são empregadas em motores, geradores e sistemas de</p><p>alto-falantes elétricos para equipamentos de áudio.</p><p>Alguns materiais, como o chumbo, possuem a capacidade de absorver radiação,</p><p>ou seja, são utilizados como blindagem. Como exemplo, o avental fornecido pelos</p><p>dentistas durante um exame de raios X.</p><p>E ainda, os materiais metálicos podem apresentar propriedades ópticas,</p><p>absorvendo luz em todas as frequências, irradiam imediatamente. Os metais</p><p>formam espelhos com sua superfície reflexiva e o seu brilho lhes dá a aparência</p><p>atraente, que é tão importante em joias e moedas.</p><p>Por fim, as propriedades dos materiais metálicos podem ser melhoradas ou</p><p>modificadas de várias formas, seja pelos diferentes tipos de processamento ou</p><p>pela adição de impurezas de tamanhos de macro a nanoescala. Dessa forma é</p><p>possível melhorar as propriedades de um metal e obter as características</p><p>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</p><p>praticamente todas as situações, tanto materiais metálicos puros, quanto suas</p><p>ligas. Ou seja, por sua adaptabilidade, essas aplicações nas mais diversas áreas</p><p>são possíveis, desde a construção civil, produtos e componentes eletrônicos,</p><p>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</p><p>maquinários, nas ferramentas de reparo e nos equipamentos eletrônicos. Os aços</p><p>utilizados na construção de estruturas, como edifícios e pontes, apresentam</p><p>resistências adequadas, de modo que não comprometam a segurança das</p><p>edificações.</p><p>Já os aços inox são utilizados em produtos que ficam expostos a ambientes</p><p>corrosivos, como tanques de aquecimento, peças para banheiros, panelas e</p><p>utensílios de cozinha, mobiliário urbano, entre outros.</p><p>Na produção de aviões, as ligas de alumínio ou os compósitos reforçados com</p><p>carbono usados em componentes aeronáuticos são leves, resistentes e capazes</p><p>de suportar cargas mecânicas cíclicas durante longos períodos. Uma liga de</p><p>titânio biocompatível usada como implante ósseo deve ter resistência suficiente</p><p>para se manter íntegra no corpo humano durante muitos anos sem falhar.</p><p>Os metais refratários, que incluem tungstênio, molibdênio, tântalo e nióbio,</p><p>possuem temperaturas de fusão muito acima de 1925ºC e, consequentemente,</p><p>apresentam potencial para serviços em alta temperatura. As aplicações abrangem</p><p>filamentos para lâmpadas, bocal de saída dos gases dos foguetes, geradores de</p><p>energia nuclear, capacitores eletrônicos à base de tântalo e nióbio e equipamentos</p><p>para processamento químico. Esses metais têm alta massa específica e</p><p>resistências mecânicas não muito elevadas.</p><p>Olhando para os metais preciosos, esse grupo inclui o ouro, a prata, o paládio, a</p><p>platina e o ródio. Como o nome sugere, eles são preciosos e caros e todos são</p><p>usados em joias. Do ponto de vista da engenharia, esses materiais resistem à</p><p>corrosão e são bons condutores de eletricidade. Como resultado, ligas desses</p><p>materiais são com frequência usadas como eletrodos em diversos dispositivos.</p><p>E ainda, nas aplicações mais comuns, o cobre é normalmente utilizado na</p><p>fabricação de fios elétricos por possuir alta condutividade elétrica e boa</p><p>conformidade. Já o ferro fundido cinzento é comumente utilizado na fabricação de</p><p>blocos de motores para automóveis por sua característica de fundibilidade,</p><p>usinabilidade e amortecimento de vibrações. Por fim, os aços especiais são</p><p>utilizados na fabricação de ferramentas e chassis de automóveis por</p><p>apresentarem boa endurecibilidade por tratamento térmico.</p><p>Essas são apenas algumas das mais vastas aplicações dessa classe de materiais.</p><p>Como suas propriedades podem ser facilmente modificadas pelas mais diversas</p><p>formas, incluindo tratamentos térmicos e termoquímicos, os metais podem ser</p><p>projetados e utilizados em qualquer situação.</p><p>Vamos Exercitar?</p><p>Relembrando o problema proposto inicialmente, você irá calcular a força (em</p><p>newtons) à qual os fios são submetidos no processo de pré-tensionamento para a</p><p>fabricação peças pré-moldadas de concreto protendido.</p><p>Para esse cálculo, o módulo de elasticidade é dado  e a</p><p>deformação também é conhecida (1%</p><p>de deformação, que corresponde a uma</p><p>deformação  ).</p><p>Como os fios de aço sofrem esforço de tração na região elástica, podemos utilizar</p><p>a relação matemática da tensão com a deformação, pelo módulo de elasticidade,</p><p>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</p><p>equação de tensão, que relaciona força e a área da seção transversal</p><p>por</p><p>Assim o valor para a força atuante pode ser obtido por (2), lembrando que a área</p><p>de seção transversal nominal dos fios de aço apresenta valor de 62,9 mm2.</p><p>Assim, você encontrou que a força (em newtons) à qual os fios são submetidos no</p><p>processo de pré-tensionamento para a fabricação peças pré-moldadas de</p><p>concreto protendido é de 125,8 kN.</p><p>Saiba Mais</p><p>(E = 200 GPa)</p><p>ε = 0, 01</p><p>mm</p><p>mm</p><p>σ = Eε</p><p>σ = Eε = (0, 01</p><p>mm</p><p>mm</p><p>) = 2GPa</p><p>σ = F/A.</p><p>σ =</p><p>F</p><p>A</p><p>→ F = σ A = 2GPa (62, 9mm</p><p>2</p><p>) = 2x10</p><p>9</p><p>Pa(62, 9x10</p><p>−6</p><p>m</p><p>2</p><p>) = 125, 8 kN</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Compreender as relações entre tensão e deformação, bem como as propriedades</p><p>mecânicas que os materiais apresentam quando solicitados é fundamental para</p><p>escolha correta de um material na aplicação pretendida. Aprofunde seus</p><p>conhecimentos na área lendo a seção 5.1.1 do livro Fundamentos de Resistência</p><p>dos Materiais de Pinheiro e Crivelaro. Saiba mais sobre o assunto lendo os</p><p>conceitos, verificando os exemplos e fazendo os exercícios propostos.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de</p><p>Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN</p><p>9788521632627.</p><p>Bons estudos!</p><p>Referências Bibliográficas</p><p>ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais –</p><p>Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil,</p><p>2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em:</p><p>18 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de</p><p>Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em:</p><p>18 abr. 2024.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais.</p><p>Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso</p><p>em: 18 abr. 2024.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de</p><p>Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN</p><p>9788521632627. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos</p><p>Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso</p><p>em: 18 abr. 2024.</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/</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>Aula 2</p><p>MATERIAIS POLIMÉRICOS</p><p>Materiais poliméricos</p><p>Olá, Estudante! Nessa videoaula você irá conhecer a classe de materiais</p><p>denominada de polímero, popularmente conhecida como plásticos. Veremos o</p><p>que são, e como são, os materiais poliméricos, como podem ser classificados, as</p><p>principais propriedades que apresentam e as aplicações mais comuns.</p><p>Esse tema é fundamental para sua prática pessoal e profissional, já que materiais</p><p>dessa classe são amplamente utilizados em diversas áreas da ciência e</p><p>tecnologia, bem como situações práticas de nosso dia a dia. Afinal, só hoje,</p><p>quantos materiais poliméricos você já teve contato?</p><p>Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os polímeros?!</p><p>Bons estudos!!!</p><p>Ponto de Partida</p><p>Olá, Estudante! Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais</p><p>poliméricos, entender como são constituídos e compreender para qual finalidade</p><p>são comumente utilizados. E ainda, discutir meios para conhecer um polímero</p><p>através da avaliação das propriedades que apresentam. Tudo isso para escolha</p><p>adequada do material para aplicação em um projeto, atendendo os requisitos</p><p>necessários para sua utilização, garantindo o custo-benefício e às condições de</p><p>segurança.</p><p>Sendo assim, como forma de aplicação dos conceitos, vamos considerar uma</p><p>situação em que você é recém-contratado em uma empresa de desenvolvimento</p><p>tecnológico e está visitando os departamentos que essa empresa possui.</p><p>Chegando ao departamento de materiais poliméricos, ou melhor, ao departamento</p><p>que desenvolve plásticos ou borrachas (elastômeros), você verifica que um estudo</p><p>a respeito de tipos de materiais poliméricos, para ser utilizado em vedações em</p><p>diferentes dispositivos, está sem desenvolvimento. O objetivo é utilizar esses</p><p>materiais em dispositivos do tipo válvulas de vasos sanitários, torneiras, bombas</p><p>de reservatórios, entre outros.</p><p>O foco desse estudo consiste em desenvolver componentes de vedação que</p><p>apresentem uma vida útil maior que os atuais e você foi convidado, pela equipe,</p><p>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</p><p>atenda às especificidades de um componente de vedação, alguns conceitos são</p><p>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</p><p>metálicos,  unidos por ligações covalentes. Sua formação inicial é caracterizada</p><p>por longas cadeias com o elemento químico carbono em sua espinha dorsal.</p><p>Para entender mais sobre esse material, precisamos conhecer a estrutura</p><p>molecular de uma substância para ser possível sua caracterização quanto as suas</p><p>propriedades, especificando o seu processamento e definindo suas aplicações.</p><p>Por essa razão, é importante conhecer cada termo e seu respectivo significado</p><p>para entender a ciência dos materiais poliméricos.</p><p>O termo polímero foi criado pelo pesquisador Berzelius, em 1832, buscando um</p><p>nome para diferenciar moléculas orgânicas que possuíam os mesmos elementos</p><p>químicos, mas não necessariamente as mesmas propriedades. Contudo, essa</p><p>denominação só foi amplamente utilizada em 1922, por Staudinger, que propôs a</p><p>teoria da macromolécula, uma nova classe de materiais formada por moléculas de</p><p>grande tamanho.</p><p>Os materiais poliméricos podem ser definidos como materiais que possuem</p><p>várias partes quimicamente ligadas. A própria palavra polímero significa “muitas</p><p>partes”. Os polímeros são compostos orgânicos de elevada massa molecular</p><p>formados por unidades que se repetem, denominadas meros, formando cadeias</p><p>de longa extensão.</p><p>Os meros são obtidos a partir da reação química entre os monômeros, matéria-</p><p>prima que dá ́origem aos polímeros. O conjunto de reações químicas em que há a</p><p>ligação entre os monômeros é chamado de reação de polimerização, ou síntese</p><p>dos polímeros. A equação (1) apresenta a reação de polimerização do etileno,</p><p>obtendo-se polietileno com seu respectivo mero.</p><p>Na equação (1) o índice  significa o grau de polimerização definido como o</p><p>número de unidades repetitivas que compõem a cadeia polimérica. Este valor</p><p>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</p><p>somatória das massas atômicas de cada elemento químico que compõe o mero.</p><p>Uma equação simplificada é dada para a massa molar da unidade repetitiva</p><p>(MMur) multiplicada</p><p>pelo 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</p><p>polimerização de 500. Para calcular a massa molar  desse polímero,</p><p>precisamos da massa atômica do carbono e do hidrogênio, de valor</p><p>e  , respectivamente. Assim, como o etileno possui dois átomos de</p><p>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,</p><p>n=500, a massa molar do etileno com grau de polimerização de 500 terá valor de</p><p>(4).</p><p>nCH</p><p>2</p><p>= CH</p><p>2</p><p>Monômetro etileno</p><p>→ ~CH</p><p>2</p><p>− CH</p><p>2</p><p>− CH</p><p>2</p><p>− CH</p><p>2</p><p>~</p><p>polietileno</p><p>ou [−CH</p><p>2</p><p>− CH</p><p>2</p><p>−]</p><p>n</p><p>mero</p><p> </p><p></p><p>n</p><p>n</p><p>CH</p><p>4</p><p>MM</p><p>12g/mol</p><p>1g/mol</p><p>MM</p><p>etileno</p><p>= 2(</p><p>12g</p><p>mol</p><p>) + 4(</p><p>1g</p><p>mol</p><p>) = 28</p><p>g</p><p>mol</p><p>Polímeros que apresentam massa molar menor que 10.000 g/mol são</p><p>denominados oligômeros (ou pré-́polímeros, onde 1.000</p><p>para essa propriedade podem</p><p>ser modificados utilizando catalisadores, podendo formar a chamada memory</p><p>foam, também conhecida como espuma de memória. Esse tipo de espuma é</p><p>extremamente macio à temperatura da pele humana quando comparado à</p><p>temperatura ambiente. Um exemplo de polímeros viscoelásticos são as</p><p>popularmente conhecidas espumas da NASA (travesseiros da NASA).</p><p>Mesmo cada polímero apresentando propriedades bem distintas, a maioria deles é</p><p>resistente aos produtos químicos. E, ainda, uma das características mais</p><p>marcantes dos polímeros é o fato deles serem bons isolantes térmicos e elétricos.</p><p>Por essa razão os cabos elétricos são revestidos de materiais poliméricos.</p><p>Principais aplicações</p><p>Devido ao crescimento da ciência, acompanhado dos avanços tecnológicos, a</p><p>indústria polimérica vem se tornando cada vez mais importante na manutenção</p><p>do estilo de vida da sociedade contemporânea., fazendo com que essa classe de</p><p>materiais esteja presente na indústria plástica, civil, têxtil e muitas outras.</p><p>Isso é possível pelo fato de que esses materiais possibilitam o desenvolvimento</p><p>de produtos com características químicas inovadoras, como o caso do poliacetato</p><p>de vinila, utilizado em revestimentos. Eles também podem contribuir</p><p>positivamente na produção do nylon, usado em roupas e fibras, e de PVC, utilizado</p><p>nas tubulações.</p><p>Considerando o desempenho tecnológico, os polímeros do tipo termoplásticos</p><p>convencionais (commodities) são amplamente empregados. Esses polímeros são</p><p>materiais de baixo custo, baixo nível de exigência mecânica, alta produção, alto</p><p>consumo e facilidade de processamento. A produção desses termoplásticos</p><p>corresponde a aproximadamente 90% da produção total de polímeros no mundo.</p><p>Como exemplos, temos as poliolefinas (PEBD, PEAD, PELBD, PP), o poliestireno</p><p>(PS), o policloreto de vinila (PVC) e o copolímero de estireno-acrilonitrila (SAN).</p><p>Já os termoplásticos de engenharia apresentam propriedades de alta resistência</p><p>mecânica (rigidez), boa tenacidade e excelente estabilidade dimensional.</p><p>Características que são exigências para a confecção de peças com bom</p><p>desempenho para aplicação em dispositivos mecânicos (engrenagens, peças</p><p>técnicas para a indústria eletroeletrônica e automobilística). Como exemplo</p><p>desses materiais, temos o polimetacrilato de metila (PMMA), os poliésteres</p><p>saturados - polietileno tereftalato (PET) e polibutileno tereftalato (PBT),</p><p>policarbonato (PC) e copolímeros de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS).</p><p>E ainda, os termoplásticos de alto desempenho são utilizados nas aplicações em</p><p>que são empregadas altas temperaturas, com grande quantidade de anéis</p><p>aromáticos na cadeia principal, o que aumenta a estabilidade térmica para uso</p><p>contínuo para temperaturas acima de 150°C. Como exemplo, temos os polímeros</p><p>contendo enxofre, como polissulfonas, polissulfeto de fenileno (PPS),</p><p>poliftalamidas (PPA), alguns poliuretanos e os polímeros de cristal líquido</p><p>polimérico (LCP).</p><p>Por fim, os polímeros autorregeneradores, muito falado nos últimos anos.</p><p>Contudo, desde a década de 1990 esses materiais são estudados. Esses</p><p>polímeros são compostos por agentes regeneradores encapsulados e</p><p>catalisadores que são distribuídos ao longo da matriz polimérica. Quando sujeitos</p><p>a cortes ou aplicações que danificam sua estrutura inicial, após um determinado</p><p>tempo, se autorregeneram. Existem diversos estudos utilizando polímeros que se</p><p>autorregeneram como revestimentos de peças metálicas, componentes</p><p>automotivos, adesivos, equipamentos náuticos e aeroespaciais e componentes</p><p>estruturais. O emprego desses materiais pode minimizar ou até mesmo eliminar</p><p>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</p><p>empresa de desenvolvimento tecnológico e está visitando os departamentos que</p><p>essa empresa possui. Chegando ao departamento de materiais poliméricos, ou</p><p>melhor, ao departamento que desenvolve plásticos ou borrachas (elastômeros),</p><p>você verifica que um estudo a respeito de tipos de materiais poliméricos, para ser</p><p>utilizado em vedações em diferentes dispositivos, está sem desenvolvimento. O</p><p>objetivo é utilizar esses materiais em dispositivos do tipo válvulas de vasos</p><p>sanitários, torneiras, bombas de reservatórios, entre outros. O foco desse estudo</p><p>consiste em desenvolver componentes de vedação que apresentem uma vida útil</p><p>maior que os atuais e você foi convidado, pela equipe, para auxiliar nesse</p><p>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</p><p>podem apresentar as mais diferentes propriedades, podendo ser classificados,</p><p>basicamente em termoplásticos, termorrígidos e elastômeros.</p><p>Os termoplásticos são polímeros que podem ser fundidos por diversas vezes (são</p><p>recicláveis), já os termorrígidos não apresentam essa mesma habilidade, pois uma</p><p>vez fundidos, ao serem aquecidos, sofrem degradação. E por fim, os elastômeros</p><p>(borrachas), um material natural ou sintético que apresenta propriedades</p><p>elásticas, obedecendo funções específicas.</p><p>Os polímeros podem apresentar elevada resistência química e mecânica, ser bons</p><p>isolantes térmicos e elétricos, apresentar baixa densidade quando comparados</p><p>aos materiais metálicos. No entanto, os materiais poliméricos utilizados como</p><p>anéis de vedação sofrem com o desgaste durante a utilização, ocasionando</p><p>vazamentos.</p><p>Contudo, como sugestão de melhoria, para a finalidade proposta, é possível utilizar</p><p>os polímeros autorregeneradores. O anel de vedação fabricado com polímeros</p><p>autorregeneradores pode ser uma alternativa viável, pois ao sofrer desgastes</p><p>esses polímeros liberam agentes regeneradores que, com o auxílio de substâncias</p><p>catalisadoras, regeneram ou “colam” a superfície afetada. O componente</p><p>regenerado apresenta as mesmas propriedades e resistência verificada que o</p><p>componente antes da ruptura.</p><p>Saiba Mais</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Conhecer materiais poliméricos, entender as principais propriedades que</p><p>apresentam e as principais aplicações são importantes para análise de materiais</p><p>no desenvolvimento de projetos. Assim, aprofunde seus conhecimentos na área</p><p>lendo o capítulo 3 do livro Polímeros - Conceitos, Estrutura Molecular,</p><p>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.</p><p>Caso o assunto desperte curiosidade, aproveite para olhar os demais capítulos do</p><p>livro proposto!</p><p>NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos,</p><p>Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades. Editora Saraiva, 2014. E-book.</p><p>ISBN 9788536520506.</p><p>Bons estudos!</p><p>Referências Bibliográficas</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/</p><p>ASKELAND, Donald R.; WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais –</p><p>Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil,</p><p>2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de</p><p>Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais.</p><p>Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso</p><p>em: 21 abr. 2024.</p><p>NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos,</p><p>Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades. Editora Saraiva, 2014. E-book.</p><p>ISBN 9788536520506. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788536520506/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de</p><p>Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN</p><p>9788521632627. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos</p><p>Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso</p><p>em: 21 abr. 2024.</p><p>Aula 3</p><p>MATERIAIS CERÂMICOS</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>Materiais Cerâmicos</p><p>Olá, Estudante! Nessa videoaula você irá conhecer a classe de materiais</p><p>cerâmicos. Veremos o que são cerâmicas, como são constituídas, as</p><p>características e propriedades que apresentam e as principais aplicações no dia a</p><p>dia e na indústria.</p><p>Esse tema é fundamental para sua prática pessoal e profissional, já que são</p><p>muitas as áreas de aplicação desse tipo de material, desde utilização como</p><p>isolantes elétricos e térmicos em ônibus espaciais até a aplicação em implantes</p><p>dentários ou próteses.</p><p>Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os materiais</p><p>cerâmicos?!</p><p>Bons estudos!!!</p><p>Ponto de Partida</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais cerâmicos, entender</p><p>como são constituídos e compreender para qual finalidade são comumente</p><p>utilizados. Para isso, se torna importante entender como o material cerâmico é</p><p>formado e conhecer as principais propriedades que essa classe de materiais</p><p>apresenta. Tudo para seja possível a escolha adequada do material para utilização</p><p>em um projeto, atendendo os requisitos necessários, garantindo o custo-benefício</p><p>e às condições de segurança.</p><p>Sendo assim, como forma de aplicação dos conceitos, vamos considerar uma</p><p>situação em que você atua como analista em um laboratório de análise de</p><p>materiais que presta serviços para empresas de diversos ramos. Nesse momento,</p><p>você foi acionado por uma empresa fabricante de próteses usadas na artroplastia</p><p>do quadril ou do joelho para ajudá-los na fabricação de uma prótese com</p><p>características específicas.</p><p>Para isso, é importante entender que a artroplastia é uma cirurgia indicada a</p><p>pacientes com quadro crônico de artrite. Nos joelhos, por exemplo, a lesão ou o</p><p>desgaste da cartilagem entre os ossos, resulta no atrito ósseo, ocasionando dores</p><p>e dificuldade de locomoção. Assim, para resolver esse problema, a superfície da</p><p>cabeça dos ossos é substituída por superfícies metal-polietileno. Observe a Figura</p><p>1, ela apresenta a sequência do processo para implante da prótese metal-</p><p>polietileno no joelho.</p><p>Figura 1. Etapas do processo cirúrgico para artroplastia do joelho.</p><p>Fonte: KLS Química e Ciência dos Materiais (2019, p.171).</p><p>A empresa fabricante de próteses procurou o laboratório para encontrar</p><p>alternativas de materiais como substitutos ao uso do metal-polietileno. Nesse</p><p>cenário, alguns questionamentos foram feitos a você:</p><p>Quais outros tipos de materiais poderiam ser utilizados para substituir o</p><p>metal-polietileno?</p><p>As cerâmicas seriam uma opção?</p><p>Quais as propriedades gerais desses materiais para implante atualmente</p><p>existentes? E quais seriam as características específicas e desejáveis dessas</p><p>cerâmicas para essa aplicação?</p><p>Para que possamos responder a esses questionamentos, alguns conceitos são</p><p>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</p><p>razão, são amplamente utilizadas em diversos ramos de indústria. De modo geral,</p><p>elas possuem maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços, e sua</p><p>resistência ao calor e à corrosão é maior que a dos metais e polímeros. Além</p><p>disso, são menos densas que a maioria dos metais e suas ligas, mas se quebram</p><p>facilmente. As matérias−primas para fabricação de cerâmicas são abundantes e</p><p>relativamente baratas.</p><p>Materiais cerâmicos são compostos definidos geralmente pelo que não são. Isso</p><p>quer dizer que eles não são metálicos nem poliméricos, mas são inorgânicos e</p><p>podem ser cristalinos ou não. Essa classe de materiais envolve compostos, como</p><p>óxidos de metais, nitritos e carbetos. E, comumente, esses materiais são isolantes,</p><p>mas também podem ser condutores e resistentes a altas temperaturas.</p><p>Olhando a formação atômica dos compostos, as cerâmicas são materiais</p><p>inorgânicos formados entre elementos metálicos e não metálicos. Um exemplo</p><p>bem conhecido é o óxido de alumínio (alumina), com formulação Al2O3, que é</p><p>composto por átomos de alumínio (metal) e de oxigênio (não metal).</p><p>Nesses materiais, as ligações atômicas são predominantemente de natureza</p><p>iônica, podendo apresentar também ligações covalentes entre os átomos que</p><p>formam o material. Através dos valores de eletronegatividade de cada elemento</p><p>que compõe o material, é possível calcular a porcentagem de ligações iônicas e</p><p>covalentes existentes. E ainda, quanto maior for a diferença de eletronegatividade</p><p>dos elementos, mais iônicas serão as ligações; em contrapartida, quanto menor</p><p>for essa diferença, mais covalente serão.</p><p>O percentual de caráter iônico (%Caráter Iônico) de cada cerâmica, que dependerá</p><p>da diferença de eletronegatividade (Xn) entre os átomos (A e B), pode ser</p><p>calculado por (1).</p><p>Como exemplo, o caráter iônico do óxido de alumínio (Al2O3) pode ser calculado</p><p>por (1), considerando os valores de eletronegatividade do alumínio (Al) e do</p><p>oxigênio (O) 1,61 e 3,44, respectivamente. Assim, a porcentagem de caráter iônico</p><p>é expressa em (2)</p><p>%caráter iônico  =  {1 − exp[−(0, 25)(X</p><p>A</p><p>− X</p><p>B</p><p>)</p><p>2</p><p>]}x100</p><p>%caráter iônico  =  {1 − exp[−(0, 25)(X</p><p>A</p><p>−  X</p><p>B</p><p>)</p><p>2</p><p>]}x100</p><p>%caráter iônico Al</p><p>2</p><p>O</p><p>3</p><p>= {1 − exp[−(0, 25)(3, 44 − 1, 61)</p><p>2</p><p>]}x100 = 57%</p><p>⎫⎪⎬⎪⎭</p><p>Ou seja, o composto óxido de alumínio  , possui 57% de ligações iônicas e</p><p>43% de ligações covalentes.</p><p>Os compostos cerâmicos que possuem um elevado percentual de caráter iônico</p><p>apresentam uma estrutura dependente do tamanho dos íons e,</p><p>consequentemente, do balanço eletrostático. Enquanto os compostos cerâmicos</p><p>que possuem um elevado percentual de caráter covalente apresentam estruturas</p><p>dependentes da direcionalidade das ligações.</p><p>As ligações iônicas e covalentes existentes nos materiais cerâmicos são mais</p><p>fortes que as ligações metálicas e, devido a essa característica, as cerâmicas, são</p><p>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</p><p>estrutura cristalina e composição química. O óxido de alumínio (alumina), por</p><p>exemplo, apresenta estrutura cristalina hexagonal compacta e elevada dureza,</p><p>resistência à abrasão e compressão e, quando polida, apresenta um ótimo</p><p>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</p><p>complementam, o coeficiente de atrito entre elas diminui com o tempo,</p><p>aproximando-se ao de uma articulação normal.</p><p>Assim, fica evidente a relação entre a microestrutura e as propriedades, tais como</p><p>variações localizadas de densidade, granulometria, tipo de porosidade e a</p><p>composição de segunda fase, que podem ser correlacionadas com as</p><p>propriedades das cerâmicas, como a resistência mecânica, dureza, tenacidade,</p><p>constante dielétrica, densidade e elevados pontos de fusão e ebulição.</p><p>As propriedades mecânicas das cerâmicas são importantes em materiais</p><p>estruturais e de construção e incluem elasticidade, resistência à tração, resistência</p><p>à compressão, resistência ao corte, resistência à fratura, ductilidade (baixa em</p><p>materiais quebradiços) e dureza.</p><p>No entanto, diferentemente dos metais, as propriedades mecânicas das</p><p>cerâmicas não são avaliadas por meio de um ensaio de tração, devido à</p><p>dificuldade em produzir corpos de prova que possuam a geometria exigida. A</p><p>fixação adequada desses materiais pode ocasionar fraturas e, por fim, as</p><p>cerâmicas falham após uma deformação de aproximadamente 0,1%. Assim, é</p><p>Al</p><p>2</p><p>O</p><p>3</p><p>mais conveniente utilizar um ensaio de compressão ou um ensaio de flexão</p><p>transversal.</p><p>Com o intuito de melhorar o comportamento frágil dos materiais cerâmicos, foram</p><p>desenvolvidos os compósitos com matriz cerâmica, que aumentam</p><p>consideravelmente a resistência à fratura nesses materiais. Os freios a disco são</p><p>exemplos dos compósitos que utilizam matrizes cerâmicas, fabricados a partir de</p><p>processos específicos. A patilha fabricada por esse processo é mais eficiente</p><p>quando comparada aos discos de freios de ferro fundido, devido à boa dissipação</p><p>de calor do material cerâmico e à elevada resistência ao desgaste, sem perder a</p><p>capacidade de frenagem em elevadas temperaturas.</p><p>Como vimos, as cerâmicas, em sua maioria, apresentam comportamento frágil.</p><p>No entanto, não cabe a elas o sinônimo de delicadas. Esses materiais são muito</p><p>resistentes a altas temperaturas e a ambientes severos. O ônibus espacial</p><p>Discovery, por exemplo, possuía um sofisticado sistema térmico de proteção nos</p><p>cones de exaustão do foguete, telhas de isolamento, componentes de motor e</p><p>revestimentos cerâmicos embutidos no vidro do para-brisa.</p><p>Além das propriedades mecânicas, os materiais cerâmicos apresentam diversas</p><p>propriedades elétricas. Com o aumento da temperatura, as cerâmicas iônicas (que</p><p>são isolantes à temperatura ambiente) apresentam aumento da condutividade</p><p>elétrica, podendo chegar a valores maiores que a condutividade de materiais</p><p>semicondutores.</p><p>Algumas cerâmicas são semicondutoras (ou seja, apresentam condutividade</p><p>apenas em circunstâncias específicas) e a maior parte delas é formada por óxidos</p><p>de metais de transição que são semicondutores, como o óxido de zinco ( ).</p><p>As cerâmicas semicondutoras são aplicadas em subestações de distribuição de</p><p>energia elétrica e protegem a infraestrutura de relâmpagos, pois apresentam</p><p>resposta rápida ao dissipar uma grande quantidade de energia, são de baixa</p><p>manutenção e não se degradam. As cerâmicas semicondutoras também são</p><p>utilizadas como sensores de gás, em que a passagem de gases altera a</p><p>resistência elétrica da cerâmica policristalina.</p><p>A piezoeletricidade, que pode ser definida como a habilidade de alguns cristais</p><p>produzirem tensão elétrica a partir de uma pressão mecânica, é outra propriedade</p><p>exibida por muitos materiais cerâmicos, incluindo o quartzo, utilizado em relógios</p><p>para medir o tempo e em outros equipamentos. Esses dispositivos empregam as</p><p>propriedades da piezoeletricidade utilizando a energia elétrica para criar um</p><p>movimento mecânico (alimentando o dispositivo) e depois, a partir desse</p><p>movimento, produzem eletricidade (gerando um sinal).</p><p>ZnO</p><p>A piezoeletricidade é geralmente mais forte em materiais cerâmicos que também</p><p>exibem piroeletricidade, e todos os materiais piroelétricos são, do mesmo modo,</p><p>piezoelétricos. A piroeletricidade é definida pela habilidade de alguns materiais</p><p>produzirem temporariamente um potencial elétrico quando aquecidos ou</p><p>resfriados, podendo ser utilizados para converter energia térmica em mecânica ou</p><p>elétrica.</p><p>Outra característica importante é que as cerâmicas não possuem elétrons livres,</p><p>que são responsáveis por absorver fótons de luz. Assim, esses materiais podem</p><p>ser transparentes à luz visível e apresentarem os fenômenos de reflexão, refração,</p><p>transmissão e absorção. Na formação de cerâmicas policristalinas, o tamanho</p><p>dos grãos é determinado pelo tamanho das partículas cristalinas presentes na</p><p>matéria-prima, durante a formação (ou compressão) do objeto. Dessa forma, uma</p><p>redução do tamanho da partícula original pode eliminar qualquer dispersão de luz,</p><p>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</p><p>diversidade das composições básicas e ligações interatômicas, que resultam em</p><p>diferentes propriedades do material final.</p><p>O material cerâmico pode ser classificado de acordo com sua composição</p><p>específica ou com base em suas aplicações. A Figura 2 apresenta a classificação</p><p>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,</p><p>eles podem ser divididos em dois grupos: cerâmicas tradicionais e cerâmicas de</p><p>engenharia. Normalmente, as cerâmicas tradicionais são feitas de três</p><p>componentes básicos: argila, sílica e feldspato, produzindo produtos como tijolos,</p><p>telhas e artigos de porcelana. Já as cerâmicas de engenharia são compostos</p><p>altamente puros de óxido de alumínio (Al2O3), carboneto de silício (SiC) e nitreto</p><p>de silício (Si3N4).</p><p>O vidro é um dos tipos de materiais cerâmicos com o qual temos contato</p><p>diariamente: o vemos em recipientes, janelas, espelhos, utensílios domésticos,</p><p>entre outros. Os vidros são silicatos não cristalinos com adição de outros óxidos</p><p>que influenciam suas propriedades finais. Entre os óxidos mais utilizados, se</p><p>destacam</p><p>CaO (óxido de cálcio), Na2O (óxido de sódio), K2O (óxido de potássio) e o óxido de</p><p>alumínio. Eles se enquadram em uma linha exclusiva de materiais cerâmicos</p><p>definidos principalmente pela estrutura atômica que possuem: amorfa. Já os</p><p>denominados vidrocerâmicos são vidros inorgânicos que foram submetidos a</p><p>tratamentos térmicos em elevadas temperaturas.</p><p>Os produtos à base de argila são materiais encontrados em abundância em</p><p>virtude da facilidade que são produzidos. Eles são, basicamente, de dois tipos:</p><p>estruturais (tijolos, telhas, tubos de esgoto) e louças brancas (porcelana, louças,</p><p>cerâmicas). Sendo que os produtos estruturais possuem integridade estrutural do</p><p>material e as louças brancas recebem esse nome pois, quando submetidos ao</p><p>cozimento em elevadas temperaturas, se tornam brancas.</p><p>Os materiais refratários são caracterizados pela capacidade de suportar altas</p><p>temperaturas sem fundir ou se decompor (são bons isolantes térmicos),</p><p>mantendo inertes quando expostos a ambientes severos. Eles podem ser do tipo</p><p>argila refratária, à base de sílica, básicos e especiais. As propriedades que esses</p><p>materiais apresentam estão relacionadas à composição química que possuem.</p><p>As cerâmicas abrasivas possuem elevada dureza, elevada resistência ao desgaste</p><p>e alta tenacidade. Elas são utilizadas no desgaste, corte ou polimento de materiais</p><p>com menor dureza. O diamante, carboneto de silício, carboneto de tungstênio,</p><p>areia de sílica e óxido de alumínio são exemplos típicos de materiais cerâmicos</p><p>abrasivos, que podem ser utilizados como: grãos soltos, abrasivos revestidos e</p><p>colados a discos de esmerilhamento.</p><p>Os cimentos constituem outra classificação de material cerâmico. Ao serem</p><p>misturados em água, formam inicialmente uma pasta que, posteriormente, seca</p><p>em forma sólida. Essa propriedade do cimento é muito útil, pois permite que</p><p>materiais sólidos com diferentes geometrias sejam moldados, além de ser</p><p>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</p><p>portland, gesso e cal.</p><p>Por fim, as cerâmicas avançadas são materiais mais recentes, fabricados de</p><p>acordo com as aplicações específicas. Dentre as propriedades, as ópticas,</p><p>magnéticas e elétricas são as mais exploradas na formação desse tipo de</p><p>material. Motores de combustão, fibras ópticas e sistemas micro eletromecânicos</p><p>são algumas aplicações típicas</p><p>das cerâmicas avançadas.</p><p>Vamos Exercitar?</p><p>Relembrando o problema proposto inicialmente, o laboratório de análise de</p><p>materiais em que você atua como analista foi acionado para atender uma</p><p>empresa fabricante de próteses utilizadas na artroplastia de joelhos e quadril, que</p><p>pretende utilizar outro material das próteses em substituição ao metal-polietileno.</p><p>Foi perguntado a você qual material poderia ser utilizado como alternativa? E se</p><p>existem materiais cerâmicos que podem ser utilizados nessa aplicação? Se sim,</p><p>quais as propriedades dessa classe de materiais e quais seriam as características</p><p>específicas e desejáveis dessas cerâmicas para essa aplicação?</p><p>Para responder a esses questionamentos, é necessário que entender que, dentre</p><p>as classes de materiais, os materiais cerâmicos podem ser uma alternativa pelo</p><p>fato de apresentam diferentes propriedades, como resistência mecânica, dureza,</p><p>tenacidade e elevados pontos de fusão e ebulição.</p><p>Especificamente, em no problema proposto, o material cerâmico alumina é</p><p>utilizado na fabricação de acetábulos e cabeças femorais usados na artroplastia</p><p>do quadril e do joelho. A alumina possui estrutura cristalina hexagonal compacta,</p><p>o que lhe confere elevada dureza, resistência à abrasão e compressão. As peças</p><p>polidas possuem excelente acabamento superficial e as fortes ligações iônicas</p><p>fazem com que a alumina seja um material quimicamente inerte e com boa</p><p>estabilidade em meios fisiológicos. Ao serem polidas, o coeficiente de atrito entre</p><p>as peças de alumina utilizadas em pares diminui com o tempo, aproximando-se ao</p><p>de uma articulação normal.</p><p>Por essa razão, a alumina se apresenta como alternativa ideal em substituição ao</p><p>metal-polietileno em próteses utilizadas na artroplastia de joelhos e quadril, devido</p><p>suas propriedades. Por exemplo, a resistência ao desgaste de superfícies alumina-</p><p>alumina é aproximadamente 10 vezes menor que o das superfícies metal-</p><p>polietileno.</p><p>Outras aplicações clínicas da alumina incluem próteses de joelho, parafusos para</p><p>ossos e implantes dentários.</p><p>Saiba Mais</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Conhecer materiais cerâmicos, entender as principais propriedades que</p><p>apresentam e as principais aplicações são importantes para análise de materiais</p><p>no desenvolvimento de projetos. Assim, aprofunde seus conhecimentos na área</p><p>lendo o capítulo 6 do livro Materiais de Construção de Antônio Carlos da Fonseca</p><p>Pinheiro. Saiba mais sobre o assunto lendo os conceitos, verificando os exemplos</p><p>e fazendo os exercícios propostos. Caso o assunto desperte curiosidade, aproveite</p><p>para olhar os demais capítulos do livro proposto!</p><p>PINHEIRO, Antonio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. MATERIAIS DE</p><p>CONSTRUÇÃO. São Paulo: Editora Saraiva, 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 –</p><p>Tradução da 4a edição norte-americana. São Paulo: Cengage Learning Brasil,</p><p>2019. E-book. ISBN 9788522128129. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522128129/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>JR., William D C. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de</p><p>Janeiro: Grupo GEN, 2020. E-book. ISBN 9788521637325. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521637325/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>NEWELL, James. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais.</p><p>Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010. E-book. ISBN 978-85-216-2490-5. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/978-85-216-2490-5/. Acesso</p><p>em: 21 abr. 2024.</p><p>NUNES, Edilene de Cássia D.; LOPES, Fábio Renato S. Polímeros - Conceitos,</p><p>Estrutura Molecular, Classificação e Propriedades. Editora Saraiva, 2014. E-book.</p><p>ISBN 9788536520506. Disponível em:</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/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>PAWLICKA, Agnieszka; FRESQUI, Maíra; TRSIC, Milan. Curso de Química para</p><p>Engenharia, volume II: Materiais. São Paulo: Editora Manole, 2013. E-book. ISBN</p><p>9788520436646. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788520436646/. Acesso em:</p><p>22 abr. 2024.</p><p>PINHEIRO, Antônio Carlos da Fonseca B.; CRIVELARO, Marcos. Fundamentos de</p><p>Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2016. E-book. ISBN</p><p>9788521632627. Disponível em:</p><p>https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521632627/. Acesso em:</p><p>21 abr. 2024.</p><p>SMITH, William F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos</p><p>Materiais. Porto Alegre: Grupo A, 2012. E-book. ISBN 9788580551150. Disponível</p><p>em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788580551150/. Acesso</p><p>em: 21 abr. 2024.</p><p>Aula 4</p><p>MATERIAIS COMPÓSITOS E</p><p>AVANÇADOS</p><p>Materiais Compósitos e Avançados</p><p>Olá, Estudante!</p><p>Nessa videoaula iremos conhecer uma classe de materiais que está sempre em</p><p>desenvolvimento, como novas descobertas de propriedades e aplicações: os</p><p>materiais compósitos. Vamos compreender como esses materiais são obtidos,</p><p>sua classificação e propriedades. Também falaremos sobre os materiais</p><p>avançados, que são materiais de alto desenvolvimento tecnológico, com</p><p>aplicações importantes nas mais diversas áreas da ciência.</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>Esse tema é fundamental para sua prática pessoal e profissional, pelo fato de que</p><p>a maioria dos novos materiais que estão em desenvolvimento são do tipo</p><p>compósitos com alguma das características dos materiais avançados.</p><p>Vamos juntos analisar os conceitos e propriedades que descrevem os materiais</p><p>compósitos e avançados?!</p><p>Bons estudos!!!</p><p>Ponto de Partida</p><p>Olá, Estudante! Nessa aula temos como objetivo descrever os materiais</p><p>compósitos e os materiais avançados. Os compósitos (ou também conhecidos</p><p>como compostos) compreendem uma classe de materiais que a cada dia ganham</p><p>mais importância tecnológica. Quando um material é preparado usando materiais</p><p>de natureza distinta, é denominado compósito, logo, podem ser encontrados na</p><p>natureza ou serem sintetizados.</p><p>Já os materiais avançados, também chamados de novos materiais, definem os</p><p>materiais que, devido às propriedades intrínsecas que possuem ou aos processos</p><p>de fabricação e/ou preparação, possuem a potencialidade de gerar novos</p><p>produtos, soluções e processos inovadores de elevado valor tecnológico,</p><p>econômico, social e ambiental, de elevar o desempenho, durabilidade, de agregar</p><p>valor ou de introduzir novas funcionalidades em produtos e processos</p><p>tradicionais.</p><p>Sendo assim, como forma de aplicação dos conceitos, vamos considerar uma</p><p>situação em que você atua em um laboratório de análise de materiais que presta</p><p>consultoria para diversos clientes. Nesse momento, você recebeu uma demanda</p><p>de uma indústria aeronáutica referência na fabricação de componentes utilizados</p><p>em aeronaves comerciais.</p><p>A empresa enviou duas amostras de materiais (Figura 1) que foram submetidas a</p><p>um ensaio de impacto (dureza). Foi solicitado que você verificasse as</p><p>propriedades dos dois materiais ensaiados (Figura 1a e 1b), uma vez que a</p><p>empresa pretende utilizar o material indicado na Figura 1b como alternativa ao</p><p>material indicado na Figura 1a.</p><p>Figura 1. Amostra dos materiais (a) e (b). Fonte: KLS Química e</p><p>Ciência dos Materiais (2019, p. 188).</p><p>Assim, considerando os materiais apresentados na Figura 1, a qual classificação</p><p>eles pertencem? Quais as propriedades de interesse para a aplicação em</p><p>componentes de aeronaves? Esses materiais apresentam propriedades</p><p>semelhantes? Qual a diferença entre eles? O material (b) poderá</p>