CAP01_Introducao

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Objetivos do Aprendizado Após estudar este capítulo, você deverá ser capaz de fazer seguinte: 1. Listar seis diferentes classificações das propriedades dos (b) Citar os quatro tipos de materiais avançados e, para materiais as quais determinam sua aplicabilidade. cada um deles, sua(s) característica(s) distinta(s). 2. Citar os quatro componentes que estão envolvidos no 5. (a) Definir sucintamente um "material/sistema projeto, produção e utilização dos materiais, e descrever inteligente". sucintamente as inter-relações entre esses componentes. (b) Explicar sucintamente o conceito de 3. Citar três critérios que são importantes no processo de "nanotecnologia" na medida em que este conceito seleção de materiais. se aplica aos materiais. 4. (a) Listar as três classificações principais dos materiais sólidos, e então citar as características químicas que distinguem cada uma delas. 1.1 PERSPECTIVA HISTÓRICA Os materiais estão provavelmente mais enraizados em nossa cultura do que a maioria de nós se dá conta. Nos transportes, habitação, vestuário, comunicação, recreação e produção de alimentos vir- tualmente, todos os seguimentos da nossa vida diária são influenciados em maior ou menor grau pelos materiais. Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades estiveram intima- mente ligados às habilidades de seus membros em produzir e manipular materiais para satisfazer as suas De fato, as civilizações antigas foram designadas de acordo com seu nível de desenvolvimento em relação aos materiais (Idade da Pedra, Idade do Bronze, Idade do Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um número muito limitado de materiais, aqueles que ocorrem naturalmente: pedra, madeira, argila, peles, e assim por diante. Com o tempo, eles descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores àque- las dos materiais naturais; esses novos materiais incluíam as cerâmicas e vários metais. Além disso, foi descoberto que as propriedades de um material podiam ser alteradas através de tratamentos térmicos e pela adição de outras Naquele ponto, a utilização dos materiais era um pro- cesso totalmente seletivo, que envolvia decidir, dentre um conjunto específico e relativamente limi- tado de materiais, aquele que mais se adequava a uma dada aplicação em virtude das suas caracte- Não foi senão em tempos relativamente recentes que os cientistas compreenderam as rela- ções entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedades. Esse conhecimento, adqui- rido aproximadamente ao longo dos últimos 100 anos, deu-lhes as condições para moldar, de modo significativo, as características dos materiais. Nesse contexto, foram desenvolvidos dezenas de milhares de materiais diferentes, com características relativamente específicas, os quais atendem às necessidades da nossa moderna e complexa sociedade; esses materiais incluem os metais, os plás- ticos, os vidros e as fibras. desenvolvimento de muitas das tecnologias que tornam a nossa existência tão confortável está intimamente associado ao acesso a materiais adequados. Um avanço na compreensão de um tipo de material é com frequência o precursor de um progresso gradativo de alguma tecnologia. Por exemplo, os automóveis não teriam sido possíveis sem a disponibilidade a baixo custo de aço ou de algum outro material substituto comparável. Em nossos tempos atuais, os dispositivos ele- trônicos sofisticados dependem de componentes fabricados a partir dos chamados materiais semi- 1.2 CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS Algumas vezes é útil subdividir a disciplina de ciência e engenharia de materiais nas subdisciplinas ciência de materiais e engenharia de materiais. Rigorosamente falando, a ciência de materiais envolve a investigação das relações que existem entre as estruturas e as propriedades dos materiais. Em contraste, a engenharia de materiais consiste, baseado nessas correlações estrutura-proprie- dade, no projeto ou na engenharia da estrutura de um material para obter um conjunto predeter- minado de A partir de uma perspectiva funcional, o papel de um cientista de mate- riais é o de desenvolver ou sintetizar novos materiais, enquanto um engenheiro de materiais é cha- 1 As datas aproximadas para os inícios das Idades da Pedra, do Bronze e do Ferro foram 2,5 milhões a.C., 3500 a.C. e a.C., respectivamente. 2 Ao longo deste texto chamamos a atenção para as relações que existem entre as propriedades dos materiais e os elementos estruturais. 2Introdução 3 Processamento Estrutura Propriedades Desempenho Figura 1.1 Os quatro componentes da disciplina de ciência e engenharia de materiais e o seu inter-relacionamento. mado para criar novos produtos ou sistemas usando materiais existentes e/ou para desenvolver técnicas para o processamento de materiais. A maioria dos formandos em programas de materiais é treinada para ser tanto um cientista de materiais quanto um engenheiro de materiais. Estrutura é, a essa altura, um termo nebuloso que merece alguma explicação. De maneira sucinta, a estrutura de um material refere-se, em geral, ao arranjo dos seus componentes internos. A estrutura subatômica envolve os elétrons nos átomos individuais e as interações com os seus núcleos. Ao nível atômico, a estrutura engloba a organização dos átomos ou das moléculas, uns em relação aos outros. próximo reino estrutural na escala crescente das dimensões, que contém grandes grupos de átomos que estão normalmente conglomerados, é chamado de microscópico, significando aquele que está sujeito a uma observação direta através de algum tipo de microscópio. Finalmente, os elementos estruturais que podem ser vistos ao olho nu são chamados de picos. A noção de propriedade merece alguma elaboração. Em serviço, todos os materiais são expos- tos a estímulos externos que causam algum tipo de resposta. Por exemplo, uma amostra submetida à ação de forças deformará, ou uma superfície metálica polida refletirá a luz. Uma propriedade é uma característica de um dado material, em termos do tipo e da magnitude da sua resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. Geralmente, as definições das propriedades são feitas de modo que elas sejam independentes da forma e do tamanho do material. Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes: mecânica, elétrica, térmica, magnética, óptica e de deterioração. Para cada categoria existe um tipo característico de estímulo que é capaz de provocar diferentes respos- tas. As propriedades mecânicas relacionam a deformação a uma carga ou força que é aplicada; os exemplos incluem o módulo de elasticidade (rigidez), a resistência e a tenacidade. Para as proprie- dades elétricas, tais como a condutividade elétrica e a constante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico. comportamento térmico dos sólidos pode ser representado em termos da capacidade calorífica e da condutividade térmica. As propriedades magnéticas demonstram a resposta de um material à aplicação de um campo magnético. Para as propriedades ópticas, o estímulo é a radiação eletromagnética ou a radiação luminosa; o índice de refração e a refletividade são propriedades ópticas representativas. Finalmente, as características de deterioração estão relacionadas à reativi- dade química dos materiais. Os capítulos seguintes discutem propriedades que se enquadram em cada uma dessas seis classificações. Além da estrutura e das propriedades, dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência e engenharia de materiais quais sejam: o processamento e o desempenho. No que se refere às relações entre esses quatro componentes, a estrutura de um material dependerá de como ele é processado. Além disso, o desempenho de um material será uma função das suas proprieda- des. Assim, a inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho ocorre como está mostrado na ilustração esquemática representada na Figura 1.1. Ao longo deste texto chamamos a atenção para as relações que existem entre esses quatro componentes em termos de projeto, produção e utilização dos materiais. Apresentamos agora um exemplo desses princípios de processamento-estrutura-proprieda- des-desempenho com o auxílio da Figura 1.2, uma fotografia que mostra três amostras com for- mato de discos delgados, colocadas sobre algum material impresso. Fica óbvio que as propriedades ópticas (i.e., a transmitância da luz) de cada um dos três materiais são diferentes; o material mais à esquerda é transparente (i.e., virtualmente toda luz refletida passa através dele), enquanto os dis- cos no centro e à direita são, respectivamente, translúcido e opaco. Todas essas amostras são do mesmo material, óxido de alumínio, mas aquela mais à esquerda é o que chamamos um monocris- tal isto é, tem um elevado grau de perfeição que dá origem à sua transparência. A amostra no centro é composta por um grande número de monocristais muito pequenos, todos ligados entre si; as fronteiras entre esses pequenos cristais espalham uma fração da luz refletida da página impressa, o que torna esse material opticamente translúcido. Finalmente, a amostra à direita é composta não apenas por um número muito grande de pequenos cristais interligados, mas também por um grande número de poros ou espaços vazios muito pequenos. Esses poros também espalham, de maneira efetiva, a luz refletida e tornam esse material opaco. Dessa forma, as estruturas dessas três amostras são diferentes em termos dos contornos entre os cristais e da presença de poros, o que afeta as propriedades de transmitância óptica. Além disso, cada material foi produzido utilizando uma técnica de processamento diferente. E, obviamente, se a transmitância óptica for um parâmetro importante em relação à aplicação final do material, o desempenho apresentado por cada um deles será diferente.4 Capítulo 1 Figura 1.2 Três amostras de discos delgados de óxido de alumínio, que foram colocadas sobre uma página impressa com o objetivo de degree of regular that demonstrar suas diferenças em termos das características de transmitância da luz. disco mais à esquerda é transparente (i.e., virtualmente toda luz que é refletida na página passa através the dele), enquanto o disco no centro é translúcido (significando que uma parte dessa luz refletida é makes S struc- transmitida através do disco). disco à direita é in a opaco isto é, nenhuma luz passa através dele. Essas diferenças nas propriedades ópticas são uma consequência de diferenças nas estruturas desses as quais resultaram da maneira como os materiais foram processados. (Preparação das amostras, P.A. Lessing; fotografia liquids. long-range ture are the and about disor por S. Tanner.) they move 1.3 POR QUE ESTUDAR A CIÊNCIA E A ENGENHARIA DE MATERIAIS? Por que estudamos os materiais? Muitos cientistas ou engenheiros experimentais, sejam eles mecâ- nicos, civis, químicos ou elétricos, irão uma vez ou outra deparar-se com um problema de tura que envolve materiais. Os exemplos podem incluir uma engrenagem de transmissão, a superestru- projeto para um edifício, um componente de uma refinaria de petróleo ou um chip de circuito inte- envolvidos na investigação e no projeto de materiais. grado. os cientistas e engenheiros de materiais são especialistas que estão totalmente Muitas vezes um problema de materiais consiste na seleção do material correto dentre os mui- tos milhares que estão disponíveis. A decisão final normalmente baseia-se em diversos critérios. Em primeiro lugar, as condições de serviço devem ser caracterizadas, uma vez que essas ditarão máxima ou ideal de propriedades. Dessa forma, pode ser necessário abrir mão de uma caracterís- propriedades necessárias do material. Apenas em raras ocasiões um material possui a combinação as tica por outra. exemplo clássico envolve a resistência e a um material que possui alta resistência terá uma ductilidade apenas limitada. Em tais casos, pode ser necessário um compromisso razoável entre duas ou mais Uma segunda consideração de seleção é qualquer deterioração das propriedades dos riais que possa ocorrer durante a operação. Por exemplo, reduções significativas na resistência mate- mecânica podem resultar da exposição a temperaturas elevadas ou a ambientes corrosivos. Finalmente, provavelmente a consideração definitiva estará relacionada a aspectos econômi- cos: Quanto custará o produto acabado? Pode ocorrer que um material tenha o conjunto ideal de propriedades, mas seja proibitivamente caro. Novamente, algum comprometimento será fabricação para a obtenção da forma o custo de uma peça acabada também inclui quaisquer despesas incorridas durante o processo de Quanto mais familiarizado estiver um engenheiro ou um cientista com as várias características e relações estrutura-propriedade, assim como com as técnicas de processamento dos materiais, mais capacitado e confiante ele ou ela estará para fazer escolhas ponderadas de materiais com base nesses critérios. 1.4 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Os materiais sólidos foram agrupados convenientemente em três categorias básicas: metais, micas e polímeros. Esse esquema está baseado principalmente na composição química e na estru- tura atômica, e a maioria dos materiais se enquadra em um ou outro grupo Adicional- mente, existem os compósitos, que são combinações "engenheiradas" de dois ou mais materiais Uma explicação sucinta dessas classificações de materiais e das suas características representativas será apresentada a seguir. Outra categoria é a dos materiais avançados aqueles que são usados em aplicações de alta tecnologia, como por exemplo os semicondutores, os bioma- Seção 1.5. teriais, os materiais inteligentes e os materiais "nano-engenheirados"; esses serão discutidos na Metais Os materiais nesse grupo são compostos por um ou mais elementos metálicos (tais como ferro, alu- mínio, cobre, titânio, ouro e níquel), e com frequência também por elementos não metálicos (porIntrodução . 5 exemplo, carbono, nitrogênio e oxigênio) em quantidades relativamente Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados em uma maneira muito ordenada (como discutido no Capí- tulo 3) e, em comparação às cerâmicas e aos polímeros, são relativamente densos (Figura 1.3). Em relação às características mecânicas, esses materiais são relativamente rígidos (Figura 1.4) e resis- tentes (Figura 1.5), e ainda assim são dúcteis (isto é, são capazes de grandes quantidades de defor- mação sem sofrer fratura), e são resistentes à fratura (Figura 1.6), o que é responsável pelo seu uso em aplicações estruturais. Os materiais metálicos possuem grande número de elétrons não localizados; isto é, esses elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular. Muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas diretamente a esses elétrons. Por exemplo, os metais são condutores de eletricidade (Figura 1.7) e de calor extremamente bons e não são transparentes à luz visível; uma superfície metálica polida possui uma aparência brilhosa. Além disso, alguns metais (por exemplo, Fe, Co e Ni) têm propriedades magnéticas desejáveis. 40 Metais 20 Platina Prata Cerâmicas 10 8 Cobre 6 Titânio 4 - Polímeros Compósitos - Alumínio = Vidro CRFV 2 PTFE Concreto - Magnésio PVC CRFC PS PE 0,8 Borracha 0,6 Madeiras 0,4 0,2 0,1 Figura 1.3 Gráfico de barras dos valores da massa específica à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos. Metais Cerâmicas 1000 Compósitos Tungstênio SiC - Titânio - CRFC 100 - Alumínio de Magnésio - Vidro CRFV no) - Concreto 10 Madeiras PVC PS, 1,0 de PTFE PE de 0.1 Borrachas 0,01 0,001 Figura 1.4 Gráfico de barras dos valores da rigidez (isto é, do módulo de elasticidade) à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e 30 termo liga metálica refere-se a uma substância metálica que é composta por dois ou mais elementos.6 Capítulo 1 Metais Compósitos Cerâmicas Aços 1000 CRFC Si3N4 Ligas de CRFV Cu, Ti SiC Ligas de alumínio de Ouro 100 Figura 1.5 Gráfico de Vidro Náilon Madeiras barras dos valores da resistência (isto é, do de PS PVC limite de resistência à PTFE tração) à temperatura PE ambiente para vários 10 materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos. Metais Aços Compósitos 100 Ligas de Figura 1.6 Gráfico de titânio barras da resistência à Ligas de CRFC CRFV fratura (isto é, da alumínio tenacidade à fratura) à temperatura ambiente 10 para vários materiais Cerâmicas polímeros e metálicos, cerâmicos, - Si3N4 (Reimpresso de de - Poliestireno Engineering Materials 1: SiC Polietileno An Introduction to 1,0 Properties, Applications Madeira and Design, terceira - Poliéster - Vidro edição, M. F. Ashby e D. R.H. Jones, páginas 177 e - Concreto 178, Copyright 2005, com permissão da Elsevier.) 0,1 Metais 108 Semicondutores 104 de 1 10-4 Cerâmicas Figura 1.7 Gráfico de barras das faixas de 10-12 condutividade elétrica à temperatura ambiente para vários materiais 10-16 metálicos, cerâmicos, polímeros e 10-20Introdução 7 Figura 1.8 Objetos familiares feitos de metais e ligas metálicas (da esquerda para a direita): talheres (garfo e faca), moedas, uma engrenagem, um anel de casamento e uma porca e um parafuso. A Figura mostra vários objetos comuns e familiares que são feitos de materiais Adicionalmente, os tipos e as aplicações dos metais e das suas ligas serão discutidos no Capítulo 11. Cerâmicas As cerâmicas são compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos; na maioria das vezes, são óxidos, nitretos e carbetos. Por exemplo, alguns materiais cerâmicos comuns incluem o óxido de alumínio (ou alumina, o dióxido de silício (ou sílica, o carbeto de silício (SiC), o nitreto de silício e, ainda, o que alguns referem-se como as cerâmicas tradicionais aqueles materiais compostos por minerais argilosos (isto é, a porcelana), assim como o cimento e o vidro. Em relação ao comportamento mecânico, os materiais cerâmicos são relativamente rígi- dos e resistentes os valores de rigidez e de resistência são comparáveis aos dos metais (Figuras e 1.5). Adicionalmente, as cerâmicas são tipicamente muito duras. Historicamente, as cerâmicas sempre exibiram extrema fragilidade (ausência de ductilidade) e são altamente suscetíveis à fra- tura (Figura 1.6). Entretanto, novas cerâmicas estão sendo "engenheiradas" para apresentar uma melhor resistência à fratura; esses materiais são usados como utensílios de cozinha, cutelaria e até mesmo peças de motores de Além disso, os materiais cerâmicos são tipicamente iso- lantes à passagem de calor e eletricidade (isto é, possuem baixas condutividades elétricas, Figura 1.7) e são mais resistentes a temperaturas elevadas e a ambientes severos que os metais e os polí- meros. Em relação às suas características ópticas, as cerâmicas podem ser transparentes, translúci- das ou opacas (Figura 1.2), e alguns dos óxidos cerâmicos (por exemplo, exibem comporta- mento magnético. Vários objetos cerâmicos comuns são mostrados na Figura 1.9. As características, os tipos e as aplicações dessa classe de materiais serão discutidos nos Capítulos 12 e 13. Figura 1.9 Objetos comuns feitos a partir de materiais cerâmicos: tesoura, uma xícara de chá de porcelana, um tijolo de construção, um azulejo de piso e um vaso de vidro.8 Capítulo 1 Figura 1.10 Vários objetos comuns feitos de materiais poliméricos: talheres plásticos (colher, garfo e faca), bolas de bilhar, um capacete de bicicleta, dois dados, uma roda de cortador de grama (cubo de plástico e pneu de borracha) e um vasilhame plástico para leite. Polímeros Os polímeros incluem os familiares materiais plásticos e de borracha. Muitos deles são compostos orgânicos que têm sua química baseada no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não metálicos (por exemplo, N e Si). Além disso, eles têm estruturas moleculares muito grandes, com frequência na forma de cadeias, que frequentemente possuem uma estrutura composta por átomos de carbono. Alguns dos polímeros comuns e familiares são o polietileno (PE), náilon, cloreto de polivinila (PVC), policarbonato (PC), poliestireno (PS) e a borracha silicone. Tipicamente, esses materiais possuem baixas massas específicas (Figura 1.3), enquanto suas características mecânicas são, em geral, diferentes das características exibidas pelos materiais metálicos e cerâmicos eles não são tão rígidos nem tão resistentes quanto esses outros tipos de materiais (Figuras 1.4 e 1.5). Entretanto, em função das suas densidades reduzidas, muitas vezes as suas rigidez e resistência em relação à sua massa são comparáveis às dos metais e das cerâmicas. Adicionalmente, muitos dos polímeros são extremamente dúcteis e flexíveis (isto é, plásticos), o que significa que são facilmente conformados em formas complexas. Em geral, quimicamente eles são relativamente inertes, não reagindo em um grande número de ambientes. Uma das maiores desvantagens dos polímeros é sua tendência em amolecer e/ou decompor em temperaturas modestas, o que, em algumas situações, limita seu uso. Adicionalmente, eles possuem baixas condutividades elétricas (Figura 1.7) e não são magnéticos. A Figura 1.10 mostra vários artigos feitos de polímeros, que são familiares ao leitor. Os Capí- tulos 14 e 15 estão dedicados a discussões sobre estruturas, propriedades, aplicações e processa- mento dos materiais poliméricos. MATERIAIS DE IMPORTÂNCIA Recipientes para Bebidas Carbonatadas U m item comum que apresenta alguns requisitos inte- (3) ser relativamente resistente e capaz de sobreviver a ressantes em relação às propriedades dos materiais é uma queda de uma altura de alguns metros quando estiver o recipiente para bebidas carbonatadas. o material usado cheio com a bebida; (4) ser barato, incluindo o custo para para essa aplicação deve satisfazer às seguintes restrições: a fabricação da forma final; (5) se for opticamente trans- (1) prover uma barreira à passagem do gás carbônico, que parente, deve reter sua clareza óptica; e (6) ser capaz de está sob pressão no interior do recipiente; (2) ser atóxico, ser produzido em diferentes cores e/ou ser capaz de ser não reativo com a bebida e, de preferência, ser reciclável; adornado com rótulos decorativos.Introdução 9 Todos os três tipos de materiais básicos metal (alu- impermeável à passagem do gás carbônico, é um material mínio), cerâmica (vidro) e polímero (plástico poliéster) relativamente barato e pode ser reciclado, mas racha e se são usados em recipientes de bebidas carbonatadas (como quebra com facilidade e as garrafas de vidro são relativa- pode ser visto nas fotografias que abrem este capítulo). mente Embora o plástico seja relativamente resis- Todos esses materiais não são tóxicos e não reagem com as tente, possa ser fabricado opticamente transparente, seja bebidas. Além disso, cada material possui seus pontos posi- barato e de baixo peso e seja reciclável, ele não é tão imper- tivos e negativos. Por exemplo, a liga de alumínio é relati- meável à passagem do gás carbônico quanto o alumínio e vamente resistente (mas pode ser deformada com facili- o vidro. Por exemplo, você pode ter observado que as bebi- dade), é uma barreira muito boa contra a difusão do gás das em recipientes de alumínio e de vidro retêm sua carbo- carbônico, é reciclada com facilidade, resfriada as bebidas nização (isto é, sua "efervescência") durante vários anos, com rapidez e os rótulos podem ser pintados sobre a sua enquanto as bebidas em garrafas plásticas de dois litros superfície. Por outro lado, as latas são opticamente opacas "ficam chocas" em apenas alguns meses. e relativamente caras para serem produzidas. o vidro é Compósitos Um é composto por dois (ou mais) materiais individuais, os quais se enquadram nas categorias discutidas anteriormente metais, cerâmicas e polímeros. objetivo de projeto de um compósito é atingir uma combinação de propriedades que não é exibida por qualquer material iso- lado e, também, incorporar as melhores características de cada um dos materiais que o compõe. Existe um grande número de tipos de compósitos, que são obtidos por diferentes combinações de metais, cerâmicas e Adicionalmente, alguns materiais de ocorrência natural também são compósitos por exemplo, a madeira e o Entretanto, a maioria dos compósitos que conside- ramos em nossas discussões são sintéticos (ou feitos pelo homem). Um dos compósitos mais comuns e familiares é aquele com fibra de vidro, no qual pequenas fibras de vidro são encerradas dentro de um material polimérico (normalmente um epóxi ou um poliéster).4 As fibras de vidro são relativamente resistentes e rígidas (mas também são enquanto o polímero é mais flexível. Dessa forma, o compósito fibra de vidro resultante é relativa- mente rígido, resistente (Figuras 1.4 e 1.5) e flexível. Além disso, possui baixa massa específica (Figura 1.3). Outro material tecnologicamente importante é o compósito de polímero reforçado com fibras de carbono (ou "PRFC") no qual fibras de carbono são colocadas no interior de um polímero. Esses materiais são mais rígidos e mais resistentes que os materiais reforçados com fibras de vidro (Figuras 1.4 e 1.5); no entanto, são mais caros. Os compósitos de PRFC são usados em algumas aeronaves e em aplicações aeroespaciais, assim como em equipamentos esportivos de alta tecnolo- gia (por exemplo, bicicletas, tacos de golfe, raquetes de tênis, esquis e pranchas de snowboardos) e recentemente em para-choques de A fuselagem do novo Boeing 787 é feita principal- mente com esses compósitos de PRFC. Capítulo 16 está dedicado a uma discussão desses interessantes materiais compósitos. 1.5 MATERIAIS AVANÇADOS Os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia (ou high-tech) são algumas vezes chama- dos materiais avançados. Por alta tecnologia subentendemos um dispositivo ou produto que opera ou que funciona usando princípios relativamente intrincados e sofisticados; alguns exemplos incluem os equipamentos eletrônicos (câmeras de vídeo, CD/DVD players etc.), computadores, sis- temas de fibras ópticas, espaçonaves, aeronaves e foguetes militares. Tipicamente, esses materiais avançados são materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas e também materiais de alto desempenho que foram desenvolvidos recentemente. Além disso, eles podem pertencer a todos os tipos de materiais (por exemplo, metais, cerâmicas, polímeros) e são em geral de alto custo. Os materiais avançados incluem os semicondutores, os biomateriais e o que podemos chamar "materiais do futuro" (isto é, materiais inteligentes e materiais "nanoengenheirados"), que serão discutidos a seguir. As propriedades e as aplicações de uma variedade desses materiais avançados por exemplo, os materiais que são usados em lasers, circuitos integrados, para o armazenamento magnético de informações, em mostradores de cristal líquido (LCD Liquid Crystal Display) e em fibras ópticas também serão discutidas em capítulos subsequentes. 4 Algumas vezes o termo fibra de vidro é usado como referência a um compósito de "polímero reforçado com fibras de vidro", que tem como abreviação "PRFV".10 Capítulo 1 Semicondutores Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas exibidas pelos condutores elétricos (ou seja, os metais e as ligas metálicas) e os isolantes (ou seja, as micas e os polímeros) ver a Figura 7.Além disso, as características elétricas desses materiais são extremamente sensíveis à presença de mínimas concentrações de átomos de impurezas, cujas con- centrações podem ser controladas em regiões muito pequenas do material. Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos integrados, os quais revolucionaram totalmente as indús- trias de produtos eletrônicos e de computadores (para não mencionar as nossas vidas) ao longo das três últimas décadas. Biomateriais Os biomateriais são empregados em componentes implantados no corpo humano para a substitui- ção de partes do corpo doentes ou danificadas. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo (isto é, eles não devem causar reações biológicas adversas). Todos os materiais citados anteriormente metais, cerâmicas, polímeros, com- pósitos e semicondutores podem ser usados como biomateriais. Por exemplo, alguns dos bioma- teriais usados em próteses da bacia são discutidos no Módulo de Biomateriais que está disponível online. Materiais Inteligentes Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração, que estão sendo atu- almente desenvolvidos e que terão uma influência significativa sobre muitas das nossas tecnolo- gias. o adjetivo inteligente implica que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e assim responder a essas mudanças segundo maneiras predeterminadas característi- cas que também são encontradas nos organismos vivos. esse conceito de "inteli- gente" está sendo estendido a sistemas razoavelmente sofisticados que consistem tanto em mate- riais inteligentes quanto tradicionais. Os componentes de um material (ou sistema) inteligente incluem algum tipo de sensor (que detecta um sinal de entrada) e um atuador (que executa uma função de resposta e adaptação). Os atuadores podem provocar mudança de forma, de posição, da frequência natural ou das caracterís- ticas mecânicas em resposta a mudanças na temperatura, nos campos elétricos e/ou nos campos magnéticos. Quatro tipos de materiais são normalmente utilizados como atuadores: as ligas com memória da forma, as cerâmicas piezelétricas, os materiais magneto-constritivos e os fluidos eletrorreológi- cos/magneto-reológicos. As ligas com memória da forma são metais que, após terem sido deforma- dos, retornam às suas formas originais quando a temperatura é modificada (ver o item Materiais de Importância após a Seção 10.9). As cerâmicas piezelétricas expandem-se e contraem-se em res- posta à aplicação de um campo elétrico (ou tensão); de maneira inversa, elas também geram um campo elétrico quando suas dimensões são alteradas (ver a Seção 18.25). comportamento dos materiais magneto-constritivos é análogo àquele exibido pelos materiais piezelétricos, exceto pelo fato de que respondem à presença de campos magnéticos. Ainda, os fluidos eletrorreológicos e magneto-reológicos são líquidos que apresentam mudanças drásticas na sua viscosidade quando há a aplicação, respectivamente, de campos elétricos e campos magnéticos. Dentre os materiais dispositivos empregados como sensores incluem-se as fibras ópticas (Seção 21.14), os materiais piezelétricos (incluindo alguns polímeros) e os sistemas microeletrome- cânicos (MEMS Microelectromechanical Systems, Seção 13.8). Por exemplo, um tipo de sistema inteligente é usado em helicópteros para reduzir o ruído aero- dinâmico na cabine, que é criado pelas lâminas do rotor em movimento. Sensores piezelétricos inseridos nas lâminas monitoram as tensões e as deformações na lâmina; os sinais de retorno desses sensores são alimentados a um dispositivo adaptador controlado por computador, que gera um que cancela o ruído produzido pelas lâminas. Nanomateriais Uma nova classe de materiais com propriedades fascinantes e uma tremenda promessa tecnológica é a dos nanomateriais. Os nanomateriais podem ser de qualquer um dos quatro tipos básicos de materiais metais, cerâmicas, polímeros e compósitos. No entanto, ao contrário desses outros mate- riais, eles não são diferenciados com base em sua química, mas em lugar disso, em função do seu tamanho; o prefixo nano representa que as dimensões dessas entidades estruturais são da ordem do nanômetro m) como regra, menos de 100 nanômetros (o que equivale a aproximada- mente 500 diâmetros atômicos). Antes do advento dos nanomateriais, o procedimento geral utilizado pelos cientistas para compreender a química e a física dos materiais consistia em partir do estudo de estruturas grandes e complexas e, então, investigar os blocos construtivos fundamentais que compõem essas estrutu- ras, que são menores e mais simples. Essa abordagem é algumas vezes chamada de ciência "de cimaIntrodução 11 para baixo". Por outro lado, com o desenvolvimento dos microscópios de varredura por sonda (Seção 4.10), que permitem a observação de átomos e moléculas individuais, tornou-se possível projetar e construir novas estruturas a partir dos seus constituintes no nível atômico, um átomo ou molécula de cada vez (isto é, "materiais por projeto"). Essa habilidade em arranjar cuidadosa- mente os átomos oferece oportunidades para o desenvolvimento de propriedades mecânicas, elé- tricas, magnéticas e de outras naturezas que não seriam possíveis de nenhuma outra maneira. A isso nós chamamos de abordagem "de baixo para cima", e o estudo das propriedades desses mate- riais é denominado nanotecnologia. Algumas das características físicas e químicas exibidas pela matéria podem experimentar mudanças drásticas na medida em que o tamanho da partícula se aproxima das dimensões atômi- cas. Por exemplo, materiais que são opacos no domínio macroscópico podem tornar-se transparen- tes na nanoescala; alguns sólidos tornam-se líquidos, materiais quimicamente estáveis tornam-se combustíveis e isolantes elétricos tornam-se Além disso, as propriedades podem depen- der do tamanho nesse domínio em nanoescala. Alguns desses efeitos têm sua origem na mecânica quântica, enquanto outros estão relacionados a fenômenos de superfície a proporção de átomos localizada em sítios na superfície de uma partícula aumenta dramaticamente na medida em que o tamanho da partícula diminui. Devido a essas propriedades únicas e não usuais, os nanomateriais estão encontrando nichos na eletrônica, biomedicina, esportes, produção de energia e em outras aplicações Algu- mas estão discutidas neste livro incluindo as seguintes: Conversores catalíticos para automóveis Materiais de Importância, Capítulo 4 Nanotubos de carbono Materiais de Importância, Capítulo 12 Partículas de negro de fumo como reforço para pneus de automóveis Seção 16.2 Nanocompósitos em bolas de tênis Materiais de Importância, Capítulo 16 Grãos magnéticos com nanodimensões que são usados para drives de discos rígidos Seção 20.11 Partículas magnéticas que armazenam dados em fitas magnéticas Seção 20.11 Sempre que um novo material é desenvolvido, seu potencial para interações nocivas e toxico- lógicas com os seres humanos e animais deve ser considerado. As pequenas nanopartículas pos- suem razões de área superficial-por-volume que são extremamente grandes, o que pode levar a altas reatividades químicas. Embora a segurança dos nanomateriais seja uma área relativamente inexplorada, existem preocupações de que eles possam ser absorvidos para o interior do corpo através da pele, dos e do trato digestivo em taxas relativamente elevadas, e de que alguns, se presentes em concentrações suficientes, venham a apresentar riscos à saúde tais como danos ao DNA ou o desenvolvimento de câncer de pulmão. 1.6 NECESSIDADE DOS MATERIAIS MODERNOS Apesar do tremendo progresso que tem sido obtido ao longo dos últimos anos na disciplina da ciência e engenharia de materiais, ainda existem desafios tecnológicos, que incluem o desenvolvi- mento de materiais cada vez mais sofisticados e especializados, assim como uma consideração do impacto ambiental causado pela produção de materiais. Dessa forma, torna-se apropriado abordar essas questões a fim de tornar tal perspectiva mais clara. A energia nuclear é promissora, mas as soluções para os muitos problemas que ainda perma- necem irão necessariamente envolver materiais, tais como combustíveis, estruturas de contenção e instalações para o descarte dos rejeitos radioativos. Quantidades significativas de energia estão envolvidas na área de transportes. A redução no peso dos veículos de transporte (automóveis, aeronaves, trens etc.), assim como o aumento das temperaturas de operação dos motores, irá melhorar a eficiência dos Novos materiais estruturais de alta resistência e baixa massa específica ainda precisam ser desenvolvidos, assim como materiais com capacidade de trabalhar sob temperaturas mais elevadas, para serem usados nos componentes dos motores. Adicionalmente, existe uma reconhecida necessidade de se encontrar fontes de energia novas e econômicas, além de se usar os recursos atuais mais eficientemente. Os materiais, sem dúvida alguma, desempenharão um papel significativo nesses desenvolvimentos. Por exemplo, a conversão direta de energia solar em energia elétrica foi demonstrada. As células solares empregam alguns materiais razoavelmente caros e complexos. Para assegurar uma tecnologia viável, devem ser Uma sugestão lendária e profética em relação à possibilidade da existência de materiais "nanoengenheirados" foi dada por Richard Feyman na sua palestra de 1959 na Sociedade Americana de Física, que tinha o título de "There is Plenty of Room at the Bottom" (Existe Bastante Espaço Embaixo).12 Capítulo 1 desenvolvidos materiais que sejam altamente eficientes nesse processo de conversão, mas que tam- bém sejam mais A célula combustível de hidrogênio é outra tecnologia atrativa e factível para a conversão de energia, que possui a vantagem de não ser poluente. Ela está apenas começando a ser implementada em baterias para dispositivos eletrônicos e promete ser uma usina de energia para os Novos materiais ainda precisam ser desenvolvidos para a fabricação de células combustíveis mais eficientes e, também, para a utilização de melhores catalisadores na produção de hidrogênio. Além disso, a qualidade do meio ambiente depende da nossa habilidade em controlar a polui- ção do ar e da água. As técnicas de controle da poluição empregam vários materiais. Adicional- mente, os métodos de processamento e de refino de materiais precisam ser melhorados, de modo que produzam menor degradação do meio ambiente isto é, menos poluição e menor destruição do ambiente pela mineração das matérias-primas. Além disso, substâncias tóxicas são produzidas em alguns processos de fabricação de materiais e o impacto ecológico do seu descarte deve ser considerado. Muitos dos materiais que usamos são derivados de recursos não renováveis isto é, de recur- SOS que não podem ser regenerados. Esses materiais incluem a maioria dos polímeros, cuja matéria- prima principal é o petróleo, e alguns metais. Esses recursos não renováveis estão tornando-se gra- dualmente mais escassos, o que exige (1) a descoberta de reservas adicionais, (2) o desenvolvi- mento de novos materiais que possuam propriedades comparáveis e que apresentem um impacto ambiental menos adverso e/ou (3) maiores esforços de reciclagem e o desenvolvimento de novas tecnologias de reciclagem. Como uma consequência dos aspectos econômicos, não somente relati- vos à produção mas também ao impacto ambiental e a fatores ecológicos, está se tornando cada vez mais importante considerar o ciclo de vida completo dos materiais "desde o berço até o túmulo", levando-se em consideração o processo global de fabricação. Os papéis que os cientistas e engenheiros de materiais desempenham em relação a esses aspec- tos, assim como em relação a questões ambientais e sociais, serão discutidos em maiores detalhes no Capítulo 22. 1.7 CORRELAÇÕES PROPRIEDADES/DESEMPENHO Como mencionado anteriormente (Seção 1.2), a ciência e a engenharia de materiais envolve qua- tro componentes que estão inter-relacionados: processamento, estrutura, propriedades e desempe- nho (Figura 1.1). Não obstante o restante do livro discutir esses componentes para os diferentes tipos de materiais, decidiu-se por direcionar a atenção do leitor ao tratamento de componentes individuais para vários materiais específicos. Enquanto algumas dessas discussões são encontradas dentro de um único capítulo, outras estão espalhadas ao longo de vários capítulos. Para o último caso, e para cada material que selecionamos, foi criado um "cronograma dos tópicos" que indica os locais (por seções) onde tratamentos dos quatro componentes podem ser encontrados. A Figura 1.11 apresenta os cronogramas dos tópicos para os seguintes materiais: aços, vidrocerâmicas, fibras poliméricas e semicondutores de silício. Adicionalmente, no começo de cada capítulo (na seção Por que Estudar?), destacamos aqueles materiais que possuem algum aspecto do seu processamento, estrutura, propriedades e/ou desempenho discutido naquele capítulo. E, finalmente, um resumo do processamento/estrutura/propriedades/desempenho aparece ao final do capítulo no qual o último item no cronograma dos tópicos aparece por exemplo, Capítulo 11 para os aços, Capítulo 13 para as vidrocerâmicas, Capítulo 15 para as fibras poliméricas e Capítulo 18 para os semicondutores de silício.Introdução 13 AÇOS Diagramas de transformação diagramas de transformação por resfriamento tratamento térmico para martensita revenida Difusão Recristalização Tratamento térmico de aços Processamento Estrutura cristalina, Desenvolvimento da microestrutura, Microestrutura de vários polimorfismo ligas ferro-carbeto de ferro microconstituintes Estrutura Discordâncias, sistemas de escorregamento, Equilíbrio de mecanismos de fases, diagrama Soluções sólidas, Propriedades aumento da de fases ferro- Propriedades mecânicas discordâncias mecânicas resistência carbeto de ferro de ligas Fe-C Propriedades Aplicações dos aços Desempenho cap. 3 cap. 4 cap. 5 cap. 6 cap. 7 cap. 9 cap. 10 cap. 11 (a) Cristalização, Diagramas de transformação fabricação, por resfriamento contínuo Conceito de viscosidade tratamento térmico Processamento Sólidos não Estrutura atômica cristalinos de vidros de sílica Policristalinidade Estrutura Propriedades mecânicas, Opacidade e translucidez térmicas, ópticas em isolantes Propriedades Aplicações Desempenho cap. 3 cap. 10 cap. 12 cap. 13 cap. 21 (b) FIBRAS POLIMÉRICAS Polimerização, aditivos, fusão, conformação de fibras Temperatura de fusão, fatores que afetam Processamento Estrutura eletrônica, Moleculas poliméricas, ligações interatômicas cristais poliméricos Estrutura Temperatura de fusão, fatores que afetam Propriedades mecânicas, termoplásticos fatores que afetam Degradação Propriedades Aplicações Desempenho cap. 2 cap. 14 cap. 15 cap. 17 Figura 1.11 Cronogramas dos tópicos para o processamento/estrutura/propriedades/desempenho de (a) aços, (b) vidrocerâmicas, (c) fibras poliméricas e (d) semicondutores de silício.14 Capítulo 1 SEMICONDUTORES DE Especificação da composição Difusão Circuitos integrados Processamento Estrutura eletrônica, Estrutura da banda ligações eletrônica Estrutura Propriedades elétricas Propriedades Circuitos integrados Desempenho cap. 3 cap. 4 cap. 5 cap. 18 (d) Figura 1.11 (continuação) RESUMO Ciência e Engenharia de Materiais Existem seis classificações diferentes das propriedades dos materiais, que determinam suas apli- cações: mecânica, elétrica, térmica, magnética, óptica e de deterioração. Um aspecto da ciência de materiais é a investigação das relações que existem entre as estruturas e as propriedades dos Por estrutura queremos dizer a maneira como algum(ns) componente(s) interno(s) do material está(ão) arranjado(s). Em termos da dimensão (e com o seu aumento), os elementos estruturais incluem elementos subatômicos, atômicos, microscópi- cos e macroscópicos. Com relação ao projeto, produção e utilização dos materiais, existem quatro elementos a serem considerados processamento, estrutura, propriedades e desempenho. desempenho de um material depende das suas propriedades, as quais, por sua vez, são uma função da(s) sua(s) estrutura(s); adicionalmente, a(s) estrutura(s) é(são) determinada(s) pela maneira como o mate- rial foi processado. Três critérios importantes na seleção dos materiais são as condições em serviço às quais o mate- rial será submetido, qualquer deterioração das propriedades dos materiais durante a operação e os aspectos econômicos ou custo da peça fabricada. Classificação dos Materiais Com base na química e na estrutura atômica, os materiais são classificados em três categorias gerais: metais (elementos metálicos), cerâmicas (compostos entre elementos metálicos e não metálicos) e polímeros (compostos cuja composição inclui carbono, hidrogênio e outros elemen- tos não metálicos). Adicionalmente, os compósitos são compostos por pelo menos dois tipos de materiais diferentes. Materiais Avançados Outra categoria dos materiais é a dos materiais avançados, que são usados em aplicações de alta tecnologia. Esses incluem os semicondutores (que possuem condutividades elétricas intermedi- árias entre os condutores e os isolantes), os biomateriais (que devem ser compatíveis com os tecidos do corpo), os materiais inteligentes (aqueles que sentem e respondem a mudanças nos seus ambientes de maneiras predeterminadas) e os nanomateriais (aqueles que possuem carac- terísticas estruturais na ordem do nanômetro, alguns dos quais podem ser projetados em uma escala atômica molecular). REFERÊNCIAS Ashby, M. and R. H. Jones, Engineering Materials An Askeland, and Phulé, The Science and Engineering Introduction to Their Properties and Applications, 3rd of Materials, 5th edition, Nelson, Toronto, 2006. edition, Butterworth-Heinemann Woburn, UK, 2005. Baillie, C., and L. Vanasupa, Navigating the Materials World, Ashby, M. and R. H. Jones, Engineering Materials 2, Academic Press, San Diego, CA, 2003. 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Warner, The Science and Design of Engineering neering, 6th edition, Addison-Wesley Longman, Boston, Materials, 2nd edition, McGraw-Hill, New York, 1999. 1989. Shackelford, J. F., Introduction to Materials Science for En- White, M. A., Properties of Materials, Oxford University gineers, 7th edition, Prentice Hall PTR, Paramus, NJ, Press, New York, 1999. 2009. PERGUNTA 1.1 Selecione um ou mais dos seguintes itens ou disposi- Carrocerias de automóveis (excluindo os aços liga) tivos modernos e faça uma busca na internet para Espelhos do telescópio espacial determinar qual(is) material(is) específico(s) é(são) Blindagem pessoal militar usado(s) e quais propriedades específicas esse(s) Equipamentos esportivos material(is) possui(em) para o dispositivo/item fun- Bolas de futebol cionar corretamente. Finalmente, escreva um texto Bolas de basquete curto no qual reporte suas descobertas. Bastões de esqui Baterias de telefone celular/câmeras digitais Botas de esqui Mostradores de telefone celular Pranchas de snowboard Células solares Pranchas de surfe Lâminas de turbinas eólicas Tacos de golfe Células combustíveis Bolas de golfe Blocos de motores de automóveis (excluindo o Caiaques ferro fundido) Quadros leves de bicicleta