Materiais de construção mecânica PT2

Prévia do material em texto

Prof. Marcos Allan Leite dos Reis 
SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ 
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA 
INSTITUTO DE TECNOLOGIA 
Programação: 
2 
Parte I: 
4. Diagramas de Fases: 
 
 
 
 
 
 
5. 
 
 
 
Trabalho: Artigos
Lista de Exercícios
Avaliação 02
4. Diagramas de Fases: 
 4.1. Limite de solubilidade; 
 4.2. Equilíbrio de Fases, fases unárias, 
binárias e intermediárias; 
 4.3. Reações eutetóides e peritéticas 
 4.4. Transformações de fases congruentes; 
 4.5. Diagramas de Fases Ternários 
 4.6. Microestruturas; 
5. Sistema Ferro-Carbono: 
 5.1. Diagramas; 
 5.2. Elementos de Ligas; 
 5.3. Microestruturas; 
Trabalho: Artigos 
Lista de Exercícios 
Avaliação 02 
Parte II: 
1. Introdução 
2.
 
 
 
 
3. Materiais Avançados:
 
 
 
 
 
Trabalho: Artigos
Lista de Exercícios
Avaliação 01
1. Introdução 
2. Classificação dos Materiais: 
 2.1. Metais; 
 2.2. Cerâmicas; 
 2.3. Polímeros; 
 2.4. Compósitos. 
3. Materiais Avançados: 
 3.1. Biomateriais 
 3.2. Semicondutores e supercondutores; 
 3.3. Materiais Inteligentes; 
 3.4. Nanomateriais; 
 3.5. Nanocompósitos. 
Trabalho: Artigos 
Lista de Exercícios 
Avaliação 01 
Bibliografia: 
3 
1. Introdução 
4 
A escolha correta de materiais previne possíveis falhas, aumenta a vida útil de 
operação em serviço. 
 
A escolha inadequada de materiais promove falhas constantes em serviço, 
podendo levar às falhas catastróficas. 
 
A imperfeição presentes no material, erros de fabricação e processamento são 
mais comuns em construção mecânica. 
MATERIAL PROPRIEDADES 
PROCESSAMENTO 
CONDIÇÕES DE SERVIÇO 
1. Introdução 
5 
PROCESSAMENTO 
Prof. Dr. Cassius / USP 
1. Introdução 
6 
PROPRIEDADES 
Prof. Dr. Cassius / USP 
1. Introdução 
7 
CONDIÇÕES DE SERVIÇO 
Prof. Dr. Cassius / USP 
1. Introdução 
8 
MATERIAL INADEQUADO: FRATURA EM SOLDA 
Estado Sólido 9 
1. Introdução 
10 
1. Introdução 
11 
Nesta seção, descreveremos a classificação baseada nas propriedades Físicas dos 
materiais, com uma ênfase menor para a simetria. 
A classificação dos sólidos será baseada na distribuição e configuração dos 
elétrons de valência. 
1. Introdução 
12 
Diferentes tipos de materiais são obtidos quando relaxamos condições de 
simetria e consideramos apenas as ligações promovidas pelos elétrons de 
valência. 
1. Introdução 
13 
1. Introdução 
14 
Além das ligações, os elétrons de valência determinam as características elétricas 
dos materiais, como: isolantes; semicondutores e condutores. 
1. Introdução 
15 
Estas características elétricas dos isolantes; semicondutores e condutores podem 
ser observadas diretamente na propriedade de transporte de carga desses 
materiais, como por exemplo, a condutividade elétrica. 
1. Introdução 
16 
Características elétricas de alguns materiais sólidos: 
Callister, 8ª ed, 2010 
1. Introdução 
17 
Características mecânicas de alguns materiais sólidos: 
Callister, 8ª ed, 2010 
1. Introdução 
18 
Características mecânicas de alguns materiais sólidos: 
Callister, 8ª ed, 2010 
1. Introdução 
19 
2.1. Metais: 
São os materiais onde a ligação covalente se expande até que a densidade de 
elétrons ocupem todas as regiões intersticiais e ocorre a superposição de bandas 
de energia: 
Ex.: Chumbo 
2. Classificação dos Materiais 
20 
2.1.1 – Características dos Metais: 
Nos metais a força de ligação aumenta a medida que o número de elétrons 
disponíveis para a ligação aumenta: 
2. Classificação dos Materiais 
21 
2.1.1 – Características dos Metais: 
Sólidos covalentes moleculares podem ter características metálicas que 
dependem das bandas de energia do preenchimento dos orbitais moleculares de 
mais baixa energia desocupados e mais alta energia ocupados: 
2. Classificação dos Materiais 
22 
2.1.2 – Condutividade elétrica: 
A mobilidade de cargas em materiais metálicos ocorrem por transporte de íons 
ou elétrons: 
2. Classificação dos Materiais 
MATERIAL 
metálico 
Condutividade 
iônica 
Condutividade 
eletrônica 
Portadores de carga: 
Cátions/ânions 
Portadores de carga: 
elétrons 
Condutividade iônica sem/com campo elétrico: Condutividade eletrônica sem/com campo elétrico: 
23 
2.1.2 – Condutividade elétrica: Teoria de Drude: 
Proposto por Paul Drude em 1900, 3 anos após a descoberta do elétron por J.J. 
Thomson; 
 
É um modelo dos metais baseado na Mecânica Clássica, especificamente, teoria 
cinética dos gases aplicados aos metais; 
 
O gás de elétrons livres movendo-se sobre um fundo de carga positiva, que deve-
se aos cerne de íons positivos mais pesados; 
 
Não leva em conta detalhes da estrutura cristalina do material e do tipo de átomo 
que compõe o metal. 
2. Classificação dos Materiais 
24 
2.1.2 – Condutividade elétrica: Teoria de Drude: 
Colisões no modelo de Drude: 
2. Classificação dos Materiais 
25 
2.1.2 – Condutividade elétrica: Teoria de Drude para Condutividade Elétrica: 
Considere a lei de Ohm vetorial: 
 
 
Alem disso, a densidade de corrente de um gás de elétrons e dada por: 
 
 
onde n e a densidade eletrônica, q = -e a carga eletrônica e v a velocidade dos 
elétrons. Igualando as equações obtém-se a condutividade: 
 
 
 
A relação abaixo é denominada mobilidade. 
2. Classificação dos Materiais 
26 
2.1.2 – Condutividade elétrica: Teoria de Drude para Condutividade Elétrica: 
Condutividade Elétricas (107S/m) de Alguns Metais: 
2. Classificação dos Materiais 
27 
2.1.3 – Metais monofásicos: Fases 
Metais monofásicos apresentam uma única estrutura cristalina, mas sua composição 
pode ser de um elemento químico, metais puros, ou dois elementos que podem 
variar dependendo da solução sólida; 
Quando são usados dois elementos na composição, chamamos de ligas monofásicas; 
Caso o limite de solubilidade seja ultrapassado, então, formam-se ligas polifásicas. 
 
 
2. Classificação dos Materiais 
28 
2.1.3 – Metais monofásicos: 
Exemplos de ligas monofásicas são latão (ZnCu) e ligas de cobre-níquel. 
 
 
2. Classificação dos Materiais 
29 
2.1.3 – Metais monofásicos: 
O crescimento de grãos metálicos monofásicas dependem da energia térmica necessária 
pra promover o movimento atômico na fronteira de grão, onde os átomos migram para 
as superfícies côncavas. 
 
 
2. Classificação dos Materiais 
Artigo 01 
30 
Artigo 01 
31 
32 
2.2. Cerâmicas: 
São constituídos por elementos metálicos e não metálicos. Isolantes ao calor e 
eletricidade, bem como mais rígidos e resistentes, porém fáceis de fraturar em 
comparação aos metais: 
Ex.: Óxido de alumínio (alumina, Al2O3), dióxido de silício (sílica, SiO2), carbeto de 
silício (SiC). 
2. Classificação dos Materiais 
33 
2.2.1 – Características das Cerâmicas: 
Para metais, a agitação térmica reduz o livre caminho médio dos elétrons com 
consequente diminuição da mobilidade eletrônica e aumento da resistividade. 
Portanto, assume um valor positivo (+d/dT) em (a), enquanto que para as 
cerâmicas, temos um valor negativo (-d/dT) em (b). Nas cerâmicas, a energia 
térmica liberta transportadores de carga. 
2. Classificação dos Materiais 
34 
2.2.1 – Condutividade elétrica em isolantes: 
Para ocorrer transporte de carga em um sólido covalente é necessário que o 
elétron receba uma energia muito grande para sair de uma ligação. O diamante 
(a), por exemplo, precisa de 6 eV para demover um elétron de uma ligação 
covalente, o que representa uma probabilidade muito pequena de ocorrência. 
Porém, alguns tipos de sólidos covalentes apresentam baixa energia e condução 
intrínseca. 
2. Classificação dos Materiais 
(a) (b) 
35 
2.2.2 – Ferroeletricidade, Piroeletricidade e Piezoeletricidade: 
Ferroeletricidade: E análoga ao ferromagnetismo. Mesmo na ausência de campo 
elétrico externo há a formação espontânea de uma polarização dielétrica, abaixo 
de uma temperatura crítica. 
Uma aproximação de campo médio leva ao comportamento crítico na forma da 
susceptibilidade:onde Tc é uma temperatura crítica, abaixo da qual pode haver polarização 
espontânea. 
2. Classificação dos Materiais 
36 
2.2.2 – Ferroeletricidade, Piroeletricidade e Piezoeletricidade: 
Piro e Piezoeletricidade: formação de momentos de dipolo elétrico pela 
aplicação de temperatura ou pressão sobre o material. Tem aplicações 
tecnológicas importantes, sobretudo a piezoeletricidade. 
 
2. Classificação dos Materiais 
37 
2.2.3 – Propriedades mecânicas das cerâmicas: 
• Elevada resistência mecânica quando aquecido; 
• Alta dureza; 
• Alta fragilidade; 
• Elevado ponto de fusão; 
• Bom isolamento térmico e elétrico. 
 
2. Classificação dos Materiais 
38 
2.2.3 – Propriedades mecânicas das cerâmicas: Porosidade vs resistência 
• Depende da granulometria e temperatura de sinterização; 
• Propagam trincas; 
• Porosidades abertas e fechadas. 
 
2. Classificação dos Materiais 
39 
2.2.4 – Cerâmicas: Fases 
• A mistura de seus componentes pode ser homogênea ou heterogênea; 
• Isomorfos: fase líquida + fase sólida; 
• Eutéticos: uma ou mais fases sólidas. 
 
2. Classificação dos Materiais 
HOMOGÊNEAS ISOMORFOS 
UMA FASE 
COMPONENTES SOLÚVEIS ENTRE SÍ 
HETEROGÊNEAS EUTÉTICOS 
DUAS OU MAIS FASES 
COMPONENTES NÃO SÃO TOTALMENTE SOLÚVEIS ENTRE SÍ 
40 
2.2.4 – Cerâmicas: Sistema Isomorfo 
2. Classificação dos Materiais 
41 
2.2.4 – Cerâmicas: Sistema Eutético 
2. Classificação dos Materiais 
42 
2.2.4 – Cerâmicas: Classificação dos materiais cerâmicos com base em sua aplicação 
2. Classificação dos Materiais 
Artigo 02 
43 
Artigo 02 
44 
45 
2.3. Polímeros: 
São materiais orgânicos naturais e artificiais, podem ser estruturas moleculares 
muito longas baseadas em um tipo de monômero ou vários tipos de monômeros 
(copolímero), comparados aos metais e cerâmicas, possuem baixas massas 
específicas. 
Em geral, polímeros que contém moléculas grandes são mais resistentes 
mecanicamente e termicamente. 
2. Classificação dos Materiais 
46 
Etileno Polietileno 
2. Classificação dos Materiais 
2.3. Polímeros: Estrutura 
47 
Polymer A Polymer B 
2. Classificação dos Materiais 
48 
2. Classificação dos Materiais 
49 
Nos materiais não-cristalinos ou amorfos não existe ordem de longo alcance na 
disposição dos átomos 
 Algumas cerâmica e polímeros não apresentam estruturas cristalina 
CUIDADO! 
2. Classificação dos Materiais 
50 
2. Classificação dos Materiais 
2.3.1. Polímeros: Fases 
51 
2. Classificação dos Materiais 
2.3.2. Polímeros de engenharia: 
Os polímeros de engenharia oferecem as 
seguintes propriedades: 
• Alta resistência mecânica; 
• Ótima usinabilidade e estabilidade 
dimensional; 
• Boa resistência química; 
• Boa resistência a desgaste; 
• Versatilidade de forma e tamanho; 
• Aplicações em variadas temperaturas, 
podendo ser usado permanentemente 
entre 100 °C e 150 °C; 
• Exemplos: Nylon, PET, PETG, Kevlar 
Artigo 03 
52 
Artigo 03 
53 
54 
2.4. Compósitos: 
São constituídos por dois ou mais materiais individuais (metais, cerâmicas ou 
polímeros); 
As propriedades do material compósito não são observadas em nenhum material 
que o constitui isoladamente; 
Compósitos mais comuns são reforçados por fibra de vidro ou fibra de carbono. 
2. Classificação dos Materiais 
Partícula 
partícula 
55 
2.4.1. Compósitos: Fases 
Os materiais compósitos apresentam duas fases: 
Matriz: é a fase contínua, envolve a fase dispersa ou o reforço. A matriz pode ser 
constituída por metais, cerâmicas ou polímeros; 
Dispersa: é constituída pelo material de reforço, que confere grande parte das 
propriedades do material compósito, podem ser fibras ou partículas. 
2. Classificação dos Materiais 
56 
2.4.2. Compósitos Estruturais: compósitos laminares 
Folhas ou painéis bidimensionais fixadas umas as outras e invertendo a direção 
do alinhamento das fibras em cada folha; 
A matriz pode ser resina, epóxi ou polimérica. 
2. Classificação dos Materiais 
57 
2.4.3. Compósitos Estruturais: compósitos sanduichados 
Folhas externas mais resistentes (poliméricas ou metálicas) separadas por um 
preenchimento (espuma, borracha, colmeias, etc). 
2. Classificação dos Materiais 
58 
2.4.4. Compósitos: propriedades 
2. Classificação dos Materiais 
Cerâmica Polimérica Metálica 
Artigo 04 
59 
60 
Artigo 04 
1. Introdução 
2.
 
 
 
 
3. Materiais Avançados:
 
 
 
 
 
Trabalho: Artigos
Lista de Exercícios
Avaliação 01
1. Introdução 
2. Classificação dos Materiais: 
 2.1. Metais; 
 2.2. Cerâmicas; 
 2.3. Polímeros; 
 2.4. Compósitos. 
3. Materiais Avançados: 
 3.1. Biomateriais 
 3.2. Semicondutores e supercondutores; 
 3.3. Materiais Inteligentes; 
 3.4. Nanomateriais; 
 3.5. Nanocompósitos. 
Trabalho: Artigos 
Lista de Exercícios 
Avaliação 01 
outline: parte I 
61 
3.1. Biomateriais – Área da Ciência e da Engenharia de materiais dedicada a 
investigação e aplicação de materiais aos cuidados da saúde, especialmente à cirurgia 
reconstrutiva. 
 
Ciência 
materiais 
Ciência 
dos 
materiais 
Ciências 
Química 
Ciências 
biológicas/
Química 
Campo 
Multidisc
iplinar 
 
Ciências Ciências 
Mecânicas 
Ciências Ciências 
Médicas 
3. Materiais Avançados 
3.1. Biomateriais – Em termos 
gerais, os biomateriais podem 
ser definidos como materiais 
sintéticos, que foram 
concebidos para induzir uma 
atividade biológica específica. 
A principal diferença entre 
biomateriais e outros matérias 
é a sua capacidade de 
permanecer em um ambiente 
biológico sem danificar ou ser 
danificado pelo meio 
envolvente. 
Esquema de classificação dos biomateriais em relação a origem 
Biomateriais 
Biológico
s 
Sintéticos Naturais 
Autógeno
s 
Alógenos Xenógenos 
Metais Cerâmicos Polímeros Compósitos 
 Colágeno Celulose Quitina 
3. Materiais Avançados 
Em alguns casos, uma necessidade clínica 
só pode ser atendida por meio de uma 
combinação complexa de propriedades. 
Diferentes órgãos do corpo humano podem 
ser substituídos por biomateriais, conforme 
é ilustrado na figura 3. 
Fig. 2 – Ilustração de diferentes órgãos do corpo humano que podem ser substituídos 
As aplicações vão desde: ortopedia, 
odontologia, substituição de tecidos moles, 
substituição de tecidos, dentre outras 
aplicações 
 Fonte: Black apud Basu; katti; Kumar (2010) 
3. Materiais Avançados 
3.1. Biomateriais: 
METAIS – comumente são utilizados na Medicina, e, entre seus inúmeros 
componentes, os mais empregados são as ligas de titânio, aço inoxidável e ligas a 
base de cobalto. 
Fig. 3 – Prótese de fêmur de titânio com cabeça de alumina 
Fig. 4 – Aparelho ortodôntico 
 Fonte: Silva (2021) 
 Fonte: Ferreira (2005) 
3.1. Biomateriais: Diferentes tipos de biomateriais 
3. Materiais Avançados 
POLÍMEROS – são utilizados como 
adesivos médicos e selantes para 
revestimentos. 
Exemplos: Poli (ácido glicólico) - 
(PGA), poli (L-ácido láctico), poli 
(dioxanona); as blendas poliméricas 
como a poli-ε caprolactona com poli 
(ácido sebácico) e os hidrogéis como 
poliHEMA (pHEMA) e o PVAI - 
Poli(vinil-butiral)). 
Fig. 5 – Prótese meniscal polimérica composta de poli (dioxanona) e PLA 
Fonte: Cardoso et al. (2010) 
3.1. Biomateriais: Diferentes tipos de biomateriais 
3. Materiais Avançados 
Cerâmicos – Cerâmicas 
geralmente são utilizadas em 
restaurações odontológicas e não 
possuem utilização de forma 
extensa no campo da Medicina. 
Fig. 6 – Imagens representativas de implantes cerâmicos feitos de zircônia 
Fonte: Neto et al. (2016) 
3.1. Biomateriais: Diferentes tipos de biomateriais 
3. Materiais Avançados 
Biocompatibilidade – O material e o 
tecido corporal devem coexistir sem que 
haja efeitos indesejados um sobre o outro. 
Em termos gerais – A biocompatibilidade 
é definida como “a capacidade de um 
material funcionar com uma resposta 
apropriada do hospedeiro em uma aplicação 
específica”. 
Biologicamente– a biocompatibilidade 
resulta da aceitabilidade de materiais não 
vivo em um organismo vivo. 
Biocompatibilidade 
Contato bioadesivo 
Aspectos 
importantes 
Biomecanicamente 
compatíveis 
 
3.1. Biomateriais: Compatibilidade 
3. Materiais Avançados 
• Imprescindível compreender a resposta do 
biomaterial in vivo; 
• Idealmente, os biomateriais não devem 
induzir alterações ou reações indesejáveis 
no organismo; 
• Em caso de falta de biocompatibilidade 
ocorre reações (sistêmicas ou locais); 
Classificação dos biomateriais no que 
diz respeito a biocompatibilidade e a 
resposta do hospedeiro: 
• Bioinerte/ biotolerante; 
• Bioativo; 
• bioabsorvíveis . 
3.1. Biomateriais: Compatibilidade 
3. Materiais Avançados 
Célula – unidade autoduplicável, 
tendo em conta os nutrientes e 
ambientes adequados. 
 
• Uma célula pode ser descrita 
alternativamente como uma coleção 
de enzimas autorreplicável e 
proteínas estruturais. 
 
A fig. 4 em (a) ilustra a anatomia de 
uma célula eucariótica típica de um 
mamífero e em (b) a interação 
célula/biomaterial. 
Fig. 7 - Anatomia celular 
Ratner et al. (2004) 
3.1. Biomateriais: Interação celular 
3. Materiais Avançados 
Fenômeno de adsorção de proteínas: em implantes ocorre por meio da cinética de 
adsorção, atuando como precursor para interação entre célula/biomaterial. Fig. 9 - Interação biomaterial/célula 
Fonte: Ratner et al. (2004) 
Fig. 8 - Interação biomaterial/célula 
Fonte: Ratner et al. (2004) 
3.1. Biomateriais: Interação celular 
3. Materiais Avançados 
Fig. 10 – Ilustração esquemática mostrando a anatomia celular e os mecanismos envolvidos na interação célula e biomaterial 
Fonte: Ratner et al. (2004) 
3.1. Biomateriais: Interação celular 
3. Materiais Avançados 
Testes: in vitro e in vivo 
Teste in vitro: Experiências simuladas em escala laboratorial. São rápidas e 
obrigatórias. Primeira etapa de avaliação de biocompatibilidade. 
Teste in vivo: Produzem uma melhor aproximação do ambiente humano. O material 
nessa etapa entra em contato com diferentes tipos de células. Segundo passo antes da 
utilização clínica 
Fig. 11 - O caminho da ciência básica dos biomateriais 
Fonte: Ratner et al. (2013) 
3.1. Biomateriais: Avaliação experimental de biocompatibilidade 
3. Materiais Avançados 
Teste in vitro 
Normatizado de acordo com a ISO 
10933, a qual incorpora todas as 
diretrizes nacionais e internacionais. Os 
requisitos dessa norma para implantes 
de curta e longa duração incluem vários 
testes biológicos, e os principais são in 
vitro. Os testes in vitro incluem: 
• Citotoxicidade; 
• Genotoxicidade; 
• Hemocompatibilidade. 
 
Citotoxicidade - determinam se o material 
é tóxico em contato com algumas 
linhagens de células em particular. 
Geralmente é feito em um laboratório 
usando algum padrão/linhas celular. 
Genotoxicidade – Neste experimento, 
observa-se principalmente se ocorre 
mutações genéticas nas células em contato 
com a superfície do biomaterial. 
Hemocompatibilidade – Avalia a 
compatibilidade do material com os 
glóbulos vermelhos. 
3.1. Biomateriais: Avaliação experimental de biocompatibilidade 
3. Materiais Avançados 
Teste in vivo 
Os diferentes testes in vivo 
incluem: 
• Sensibilização; 
• Implantação; 
• Carcinogenicidade. 
Sensibilização – Nessa análise o biomaterial é 
mantido na região subcutânea de um animal, e, 
observa-se alterações na cor da pele, reações 
alérgicas ou irritações 
Implantação – Nesta etapa, o biomaterial é 
implantado e, após um período o mesmo e a 
região celular são examinados para determinar 
histopatologicamente a resposta in vivo do 
material. 
Carcinogenicidade – Experiência in vivo a 
longo prazo. Determina efeitos cancerígenos. 
3.1. Biomateriais: Avaliação experimental de biocompatibilidade 
3. Materiais Avançados 
A ISO – 10993, categoriza os dispositivos conforme sua natureza de contato com o 
corpo, como: 
a) Dispositivos contendo superfície, tal como: ligaduras de compressão, lentes de 
contato, cateteres urinários. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.1. Biomateriais: Categoria de dispositivos segundo norma 
3. Materiais Avançados 
A ISO – 10993, categoriza os dispositivos conforme sua natureza de contato com o 
corpo, como: 
b) Dispositivos de comunicação externa: tubos de diálises, cimentos dentários. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.1. Biomateriais: Categoria de dispositivos segundo norma 
3. Materiais Avançados 
A ISO – 10993, categoriza os dispositivos conforme sua natureza de contato com o corpo, como: 
c) Dispositivos de implante: tendões artificiais, próteses de joelho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.1. Biomateriais: Categoria de dispositivos segundo norma 
3. Materiais Avançados 
Agrupamento de implantes segundo a ISO 10993 
Conforme a duração de interação com o corpo: 
a) Limitada; 
b) Exposição prolongada; 
c) Ou contato permanente. 
3.1. Biomateriais: Categoria de dispositivos segundo norma 
3. Materiais Avançados 
Desenvolvimento 
do material 
Avaliação de 
propriedades 
Avaliação de 
propriedades/ 
análise in vitro 
Análise in vivo 
Análise 
microscópica 
Aspectos de 
seleção animal 
Seleção biológica 
de implantes 
Moldagem do 
material 
Prototipagem 
rápida 
Avaliação 
microbiológica 
do material 
3.1. Biomateriais: Etapas de desenvolvimento, caracterização e aplicação 
3. Materiais Avançados 
REFERÊNCIAS 
BASU, B.; KATTI, D. S.; KUMAR, A. Advanced biomaterials: fundamentals, processing, and applications. John Wiley & Sons, 2010. 
 
CARDOSO, T. P. et al. Prótese meniscal de polímero bioabsorvível: estudo em coelhos. Revista Brasileira de Ortopedia, v. 45, p. 247-259, 2010. 
 
FERREIRA, J. T. L. Avaliação da resistência à corrosão de materiais metálicos utilizados em aparelhos ortodônticos fixos. 2005. 257 f. . Tese 
(Doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2005. 
 
HELITO, C. P. et al. Artroplastia de joelho com implante constrito e rotatório: uma opcão para casos complexos primários e de revisão. Revista 
brasileira de ortopedia , v. 53, p. 151-157, 2018. 
 
NETO, A. M. et al. Implantes Cerâmicos, aspectos atuais e perspectivas futuras. Osseointegração na Clínica Multidisciplinar, 2016. 
 
RATNER, B. D. et al. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine. Elsevier, 2013. 
 
RATNER, B. D. et al. Biomaterials science: an introduction to materials in medicine. Elsevier, 2004. 
 
SILVA, M. H. P. Apostila de biomateriais. Disponível em: http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/EME715/AT%202021/ApostilaBiomateriais.pdf. 
Acesso em: 01 de Março de 2023. 
82 
Artigo 05 
83 
Artigo 05 
84 
Dentre todos os semicondutores, os mais importantes são o Silício (Si) e o 
Germânio (Ge), pertencentes ao grupo IV A da tabela periódica (4 elétrons de 
valência, ou tetravalentes). 
 
Silício: Bandgap = 1,11 eV; Índice de Refração: n = 3,50 para  = 1,5 μm. 
 
Condutividade elétrica intrínseca: (T = 293 K) = 10-3 S/m 
 
Possui característica diamagnética. Boas características elétricas e mecânicas. 
Estrutura cristalina: diamante. 
 
Si é o 2° elemento mais abundante na crosta terrestre: 28% do total. Fácil de ser 
extraído da sílica (SiO2) ou minerais silicatos (areia, quartzo). 
3.2. Semicondutores: Homogêneos 
3. Materiais Avançados 
85 
Reação de extração em forno com eletrodos de carbono a 1900 °C: 
 SiO2+C = Si+CO2 
 
Numero de Massa do Isótopo mais Comum: 28 (92,3%). 
 
Numero Atômico: 14. Configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 
 
Germânio: Bandgap = 0,67 eV; Índice de Refração: n = 4,15 a  = 1,5 μm 
 
Condutividade elétrica intrínseca: (T = 293K) = 1 S/m 
 
Possui característica diamagnética. 
Tem boas propriedades de condução e foi utilizado nos primeiros transistores,alta eficiência para células fotovoltaicas, etc. Estrutura cristalina: diamante. 
3.2. Semicondutores: Homogêneos 
3. Materiais Avançados 
86 
O Ge é bem mais raro que o Si, tem importância na fabricação de fibras ópticas 
como dopante para a fibra de sílica, além de dispositivos. 
 
É encontrado na crosta terrestre na proporção de 1,6 ppm, associado a algumas 
rochas e compostos organometálicos. A extração principal vem da esfalerita, 
rocha que contem 0,3% de Ge. A produção mundial está na marca de 100 
toneladas/ano. 
 
Número de Massa dos Isótopos mais comuns: 74 (35%), 72 (27%), 70 (21%) . 
 
N° Atômico: 32. Configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2. 
3.2. Semicondutores: Homogêneos 
3. Materiais Avançados 
87 
Outros Materiais Semicondutores são obtidos através da composição de 
materiais, que são denominados Alloys e blendas: 
 
Motivação: 
1) melhorar características de condutividade elétrica e variar o valor do bandgap; 
 
2) para fabricação de dispositivos emissores de luz, onde o Ge e o Si não são 
adequados (tem bandgap indireto); 
 
3) para variar o espectro de emissão/absorção em lasers, leds e fotodetectores. 
 
4) utilização de semicondutores com propriedades magnéticas, para uso em 
spintrônica; 
3.2. Semicondutores: Homogêneos 
3. Materiais Avançados 
88 
Principais Combinações: 
 
Combinação entre Elementos do Grupo IV A: tem bandgap ajustável embora em 
geral indireto, combinação SiC (para emissão no amarelo e no azul), PbS (pedra 
de galena, primeiro semicondutor utilizado), SiGe (melhora a condutividade e 
pode-se obter bandgap direto em estruturas denominadas superlattices); 
 
Combinação entre Elementos das Famílias III A e V A: As (V) e Ga (III) para formar 
o Arsenieto de Gálio (GaAs); InSb (Antimoneto de Índio), GaSb (Antimoneto de 
Gálio) etc. Em geral possuem bandgap direto, o que os torna úteis em 
optoeletrônica, para produzir leds e lasers, fotodetectores; 
3.2. Semicondutores: Homogêneos 
3. Materiais Avançados 
89 
Consideremos um modelo parabólico simplificado para a estrutura de bandas de 
um semicondutor: 
3.2. Semicondutores: Estrutura de bandas de energia 
3. Materiais Avançados 
90 
Por serem os semicondutores mais importantes, vamos considerar aspectos da 
estrutura de bandas do Si e Ge, sem perda de generalidade. Abaixo a estrutura de 
bandas do Si: 
3.2. Semicondutores: Estrutura de bandas de energia 
3. Materiais Avançados 
91 
O gap e indireto para o Si (no Ge também): o máximo da banda de valência não 
coincide com o mínimo da banda de condução, na primeira zona Brillouin. 
 
Existem, no entanto, alguns semicondutores cujo gap é direto (1,42 eV), como o 
GaAs. 
 
Pelo modelo de Kronig-Penney, sabemos que as bandas de energia tomam a 
forma geral: 
3.2. Semicondutores: Estrutura de bandas de energia 
3. Materiais Avançados 
92 
3.2. Semicondutores: Efeito da temperatura 
3. Materiais Avançados 
Realizando o produto np obtemos: 
 
 
 
sendo o bandgap Eg dado por: 
 
 
 
A relação do produto é conhecida com lei de ação de 
massas, onde F é uma função da temperatura e dos parâmetros físicos de massa 
efetiva e bandgap. 
93 
Observe que o produto np aumenta com o aumento de temperatura na forma: 
 
 
Para T   a parte exponencial tenderá para a unidade, 
Uma vez que no material intrínseco ni = pi temos nipi = ni
2 e a lei de ação de 
massas toma a forma: 
 
 
Para o material intrínseco tem-se nipi = ni
2 porque o número de elétrons é igual 
ao número de lacunas, e o aumento de temperatura aumenta o número de 
lacunas em valor igual ao número de elétrons promovidos a banda de condução 
por efeito térmico. 
 
3.2. Semicondutores: Efeito da temperatura 
3. Materiais Avançados 
94 
No material intrínseco a corrente elétrica tem contribuição de igual número de 
elétrons e lacunas. 
 
Além disso para T  0 o produto np tende para zero! Nesse caso o material 
semicondutor deve se comportar como isolante. 
 
No entanto, e possível introduzir um excesso de lacunas ou de elétrons no 
material, através do processo denominado dopagem, que veremos a seguir. 
3.2. Semicondutores: Efeito da temperatura 
3. Materiais Avançados 
95 
Dopagem é um processo pelo qual um outro tipo de átomo e diluído no material 
semicondutor intrínseco de modo a melhorar as características de condutividade. 
 
Diz-se que impurezas são adicionadas ao material puro, permitindo de acordo 
com o tipo de impureza, controlar o número de elétrons e lacunas no material e 
definir qual portador será o maior responsável pela condutividade. 
 
Da mesma forma defeitos na rede cristalina, como ausência de um átomo da rede 
em uma determinada posição, também são capazes de alterar a condutividade. 
3.2. Semicondutores: Efeito da dopagem 
3. Materiais Avançados 
96 
Os dois processos tem em comum a quebra de simetria da rede cristalina do 
material intrínseco, embora não há como controlar de modo preciso os defeitos 
de rede cristalina, enquanto a introdução de impurezas ditas substitucionais, na 
qual alguns átomos do material intrínseco serão substituídos pelos átomos da 
impureza na rede cristalina é um processo perfeitamente reprodutível. 
 
A quebra de algumas simetrias implica remoção de degenerescência, e no caso 
da estrutura de bandas de sólidos cristalinos, pode introduzir estados disponíveis 
de energia na região do gap do semicondutor intrínseco. 
 
É esse efeito que buscamos na dopagem de um semicondutor. O semicondutor 
dopado é dito extrínseco. 
3.2. Semicondutores: Efeito da dopagem 
3. Materiais Avançados 
97 
Existem dois tipos de dopagem, que iremos ver em maiores detalhes, adiante: 
 
Dopagem do tipo P: permitem aumentar a concentração de lacunas no material 
e são os materiais da família III-A no caso de dopagem dos semicondutores da 
família IV-A como o Silício e o Germânio; 
 
Dopagem do tipo N: permitem aumentar a concentração de elétrons no material 
e são os materiais da família V-A. 
 
 A concentração de dopantes é em geral baixa, como 0,01 ppm numa dopagem 
dita soft ou light. Porém é possível altas taxas de dopagem como 100 ppm. 
Quando a dopagem e tão intensa a ponto de tornar o semicondutor mais 
próximo do comportamento condutor ele é dito degenerado. 
3.2. Semicondutores: Efeito da dopagem 
3. Materiais Avançados 
98 
Os dopantes do tipo P são usualmente denominados impurezas aceitadoras. 
 
Utilizam-se os elementos como Boro, Alumínio, Índio e eventualmente o Gálio, 
elementos da família III-A. 
 
Por terem configuração eletrônica s2p1 na última camada, em uma hibridização 
sp3 fica faltando um elétron para compartilhar nas ligações com o Si ou Ge. Essas 
ligações quebradas fornecem uma vacância ou lacuna. 
 
O efeito na estrutura de bandas é introduzir estados não-ocupados no gap 
semicondutor, próximos a banda de valência do semicondutor. 
 
Ao receber um elétron na ligação deficitária o dopante inicialmente neutro torna-
se um íon negativamente carregado. 
3.2. Semicondutores: Dopagem tipo p 
3. Materiais Avançados 
99 
Considerando np = ni
2, se são acrescentadas lacunas o número de elétrons livres 
decai de forma inversamente proporcional, fazendo que com os portadores 
majoritários de corrente no material tipo P sejam lacunas, ficando os elétrons 
minoritários. 
3.2. Semicondutores: Dopagem tipo p 
3. Materiais Avançados 
100 
Os dopantes do tipo N são usualmente denominados impurezas doadoras. 
 
Utilizam-se os elementos como Fósforo, Bismuto, Arsênio e Antimônio, 
elementos da família V-A. 
 
Por terem configuração eletrônica s2p3 na última camada, em uma hibridização 
sp3 fica sobrando um elétron para compartilhar nas ligações com o Si ou Ge. 
Todas as ligações covalentes ficam completas e o elétron restante fica mais livre 
para se mover. 
 
O efeito na estrutura de bandas é introduzir estados não-ocupados no gap 
semicondutor, próximos a banda de condução do semicondutor. 
3.2. Semicondutores: Dopagem tipo n3. Materiais Avançados 
101 
Pela lei de ação de massas np = ni
2, se há aumento do número de elétrons estes 
serão os portadores majoritários da corrente em um material do tipo N, 
enquanto as lacunas serão minoritárias. 
3.2. Semicondutores: Dopagem tipo n 
3. Materiais Avançados 
102 
A Supercondutividade foi descoberta por Heike Kammerlingh Onnes em 1911. 
(Onnes ganhou o prêmio Nobel de Física em 1913 por suas descobertas em 
fenômenos em baixas temperaturas, que levou a produção do hélio líquido). 
 
São características gerais dos supercondutores: 
 
•Abaixo de uma temperatura crítica Tc a resistência cai abruptamente para zero; 
 
•Há a expulsão total do campo magnético do interior do material supercondutor, 
conhecido como Efeito Meissner; 
 
• Existência de correntes persistentes, ou supercorrentes, que não sofrem 
dissipação. 
3.2.1. Supercondutores: 
3. Materiais Avançados 
103 
Comportamento da resistência elétrica em função da temperatura para um condutor 
normal e um supercondutor: 
Para um Supercondutor a resistência cai abruptamente para zero abaixo de Tc enquanto 
para um condutor normal ela nunca se anula. 
3.2.1. Supercondutores: Propriedades 
3. Materiais Avançados 
Efeito Meissner 
104 
Variação do Campo Magnético no Interior de um Supercondutor: Efeito Meissner 
3.2.1. Supercondutores: Propriedades 
3. Materiais Avançados 
105 
Elementos Supercondutores: 
3.2.1. Supercondutores: Propriedades 
3. Materiais Avançados 
106 
Teoria microscópica da supercondutividade descrita por Bardeen, Cooper e 
Schrieffer em 1957: prêmio Nobel de Física por essa teoria. 
 
As principais características são: 
•Existência de uma interação atrativa entre elétrons devido a interação elétron-
fônon; 
 
•A interação promove a formação de pares de Cooper (estados de dois elétrons 
"ligados") que é energeticamente favorável em relação aos elétrons não 
correlacionados; 
 
•Prevê a existência do gap supercondutor, permite inferir a temperatura crítica 
abaixo da qual o material se torna supercondutor, o campo magnético crítico que 
destrói a supercondutividade e o comportamento do calor específico. 
3.2.1. Supercondutores: Teoria BCS 
3. Materiais Avançados 
107 
Teoria BCS: estado supercondutor 
Pares de Cooper 
3. Materiais Avançados 
3.2.1. Supercondutores: Teoria BCS 
108 
Pares de Cooper são elétrons que se associam em pares enquanto se 
deslocavam no material, com o auxílio de “fônons”. Um fônon é uma excitação 
mecânica que se propaga pela rede cristalina de um sólido. Essa modificação 
causa uma concentração de carga positiva no local, assim atraindo outro elétron 
formando os pares. 
Representação diagramática da interações elétron-fônon: 
3. Materiais Avançados 
3.2.1. Supercondutores: Teoria BCS 
109 
O modelo BCS mais simples negligencia interação coulombiana elétron-elétron. 
Nos metais considera um gás de elétrons representados por ondas planas 
uniformes, interagindo com o gás de fônons da rede cristalina: 
são operadores fermiônicos que 
aniquilam(criam) elétrons de 
momento ђk e spin  = (,) 
são operadores bosônicos 
fermiônicos que aniquilam(criam) 
fônons de momento ђq 
Energia do gás de 
elétrons He 
Energia do gás de 
fônons Hph 
Energia da interação elétron-fônon He-ph 
v 
são que representam troca de energia 
e momento entre elétrons e fônons, 
com emissão e absorção de fônons, 
respectivamente. 
3. Materiais Avançados 
3.2.1. Supercondutores: Teoria BCS 
110 
A Teoria BCS e também denominada convencional e prevê: 
 
•A existência de pares de Cooper mediada por fônons; 
 
•Os pares estão no estado singleto de spin; 
 
•É incompatível com ordem magnética e idealmente apresentam diamagnetismo 
perfeito; 
 
•Prevê como máxima temperatura crítica admissível Tc = 35K (-238 °C). 
 
Os supercondutores que não se encaixam nas definições da teoria BCS são ditos 
Não-Convencionais, dentre os quais existem os de High-Tc (Tc > 35K ). 
3. Materiais Avançados 
3.2.1. Supercondutores: Supercondutores não-convencionais de High-Tc 
111 
Principais Tipos de Supercondutividade Não-Convencional: 
 
•Supercondutores de Altas Temperaturas, ou High-Tc: os pares de Cooper não 
podem ser formados através de interação por fônons virtuais, que limita Tc a 
aproximadamente 35K; 
 
•Os High-Tc foram descobertos por Bednorz e Muller, que ganharam o prêmio 
Nobel de Física em 1987 pela descoberta. São exemplos de High-Tc materiais 
cerâmicos chamados cupratos: HgBa2Ca2Cu3Ox tem a mais alta temperatura ate 
agora com 135K (-138 °C); 
 
•Além disso os supercondutores que envolvem ordem magnética, estado tripleto 
e pareamento por outros mecanismos que não sejam fônons. Exemplos são os 
supercondutores Iron-based. Podem ser ou não de high-Tc. 
3. Materiais Avançados 
3.2.1. Supercondutores: Supercondutores não-convencionais de High-Tc 
112 
Evolução da descoberta de Supercondutores High-Tc: 
3. Materiais Avançados 
3.2.1. Supercondutores: Supercondutores não-convencionais de High-Tc 
113 
Artigo 06 
114 
Artigo 06 
115 
São materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia; 
 
“Alta tecnologia”: dispositivo ou produto que opera por princípios sofisticados de 
engenharia; 
 
Materiais inteligentes são materiais de última geração, capazes de mudar 
paradigmas tecnológicos; 
 
“Inteligentes”: materiais capazes de sentir mudanças em seu ambiente e 
responder de forma predeterminada; 
 
Material inteligente é constituído por um sensor (detecta um sinal) e um atuador 
(executa a resposta ou adaptação). Ex: sistemas microeletromecânicos. 
3.3. Materiais Inteligentes: 
3. Materiais Avançados 
116 
3.3. Materiais Inteligentes: Sistemas Microeletromecânicos 
3. Materiais Avançados 
• MEMS são dispositivos que combinam componentes eletromecânicos, eletrônicos e 
microfabricados em uma única estrutura integrada, com tamanhos que variam de 
micrômetros a alguns milímetros. 
 
• Com os avanços recentes, os MEMS podem ser utilizados, entre outros, como: 
microdispositivos de diagnóstico, na saúde; geradores de energia limpa a partir de 
movimentos naturais; sensores para a coleta de dados e feedback em tempo real na 
robótica, em inteligência artificial, e na Internet das Coisas (IoT). 
 
• Os MEMS são projetados para serem precisos, eficientes em termos de energia, 
confiáveis e econômicos em larga escala, e são amplamente utilizados em aplicações 
que requerem alta sensibilidade e miniaturização. 
117 
3.3. Materiais Inteligentes: Sistemas Microeletromecânicos 
3. Materiais Avançados 
• MEMS são dispositivos eletromecânicos, eletrônicos e/ou microfabricados em 
uma única estrutura integrada, com tamanhos que variam de micrômetros a 
alguns milímetros. 
 
118 
3.3. Materiais Inteligentes: Princípios de funcionamento 
3. Materiais Avançados 
• A piezoeletricidade e a termoeletricidade são dois fenômenos fundamentais 
para o funcionamento de MEMS. 
119 
3.3. Materiais Inteligentes: Fabricação 
3. Materiais Avançados 
 As técnicas fabricação de MEMS dependem do material utilizado e do desing do 
dispositivo. Dois métodos utilizados envolvem a utilização de materiais de sacrifício 
para a fabricação. 
 
120 
3.3. Materiais Inteligentes: Aplicações como sensores 
3. Materiais Avançados 
1. Acelerômetros MEMS: são usados em sistemas de airbag para detectar a 
desaceleração repentina de um veículo e acionar o airbag em caso de colisão. 
2. Giroscópios MEMS: são usados em smartphones, drones e sistemas de 
navegação inercial para medir a rotação e a orientação do dispositivo. 
3. Sensores de pressão MEMS: são usados em sistemas de controle de 
climatização, pneus de automóveis e monitores de saúde para medir a pressão. 
4. Sensores de temperatura MEMS: são usados em equipamentos de refrigeração, 
eletrônicos e automóveis para monitorar a temperatura. 
5. Sensores de umidade MEMS: são usados em sistemas de controle de clima e em 
aparelhos domésticos para monitorar a umidade. 
6. Sensores de luzMEMS: são usados em câmeras de smartphones e 
equipamentos de iluminação para detectar a intensidade da luz. 
121 
3.3. Materiais Inteligentes: Aplicações como sensores 
3. Materiais Avançados 
Giroscópio 
Sensor 
de Pressão 
122 
3.3. Materiais Inteligentes: Aplicações como sensores 
3. Materiais Avançados 
Acelerômetro 
Sensor de 
Temperatura 
123 
3.3. Materiais Inteligentes: Aplicações como atuadores 
3. Materiais Avançados 
1. Microválvulas MEMS: são usadas em dispositivos de microfluidos e sistemas de 
controle de fluxo, como em dispositivos de análise clínica ou laboratorial. 
2. Microatuadores piezoelétricos MEMS: são usados em dispositivos de foco 
automático em câmeras, microscópios e equipamentos de inspeção ótica. 
3. Micromotores MEMS: são usados em robótica, como em microrrobôs para 
aplicações médicas ou na indústria de eletrônica. 
4. Microespelhos MEMS: são usados em projetores, displays holográficos e 
sistemas de varredura a laser. 
5. Microbombas MEMS: são usadas em dispositivos médicos, como sistemas de 
entrega de drogas ou em dispositivos de microfluidos para análise de amostras 
biológicas. 
6. Microinterruptores MEMS: são usados em sistemas de comutação de alta 
velocidade, como em roteadores de rede. 
124 
3.3. Materiais Inteligentes: Aplicações como atuadores 
3. Materiais Avançados 
Micro 
Bomba 
125 
3.3. Materiais Inteligentes: Aplicações como atuadores 
3. Materiais Avançados 
Válvula 
126 
3.3. Materiais Inteligentes: Desafios e limitações 
3. Materiais Avançados 
Miniaturização 
Custo e 
Escalabilidade 
Fabricação e 
Integração 
Padronização 
Confiança e 
Durabilidade 
127 
Artigo 07 
128 
Artigo 07 
129 
Artigo 07 
MEMS sensores: Park e cols. integrou um sensor de pressão MEMS baseado em um circuito ressonante indutor-
capacitor em stents metálicos e poliméricos impressos em 3D para vasos sanguíneos. 
130 
Artigo 07 
MEMS atuadores: Um switch MEMS impresso em 3D foi desenvolvido por Lee et al. Usando a impressão FDM 
de condutores PLA e poli(álcool vinílico) (PVA) como suporte solúvel em água, witch mostrou boas propriedades 
eletromecânicas, como comutação abrupta e uma relação de corrente liga/desliga de 106. 
1. Introdução 
2.
 
 
 
 
3. Materiais Avançados:
 
 
 
 
 
Trabalho: Artigos
Lista de Exercícios
Avaliação 01
1. Introdução 
2. Classificação dos Materiais: 
 2.1. Metais; 
 2.2. Cerâmicas; 
 2.3. Polímeros; 
 2.4. Compósitos. 
3. Materiais Avançados: 
 3.1. Biomateriais 
 3.2. Semicondutores e supercondutores; 
 3.3. Materiais Inteligentes; 
 3.4. Nanomateriais; 
 3.5. Nanocompósitos. 
Trabalho: Artigos 
Lista de Exercícios 
Avaliação 01 
outline: parte I 
131 
132 
3.4. Nanomateriais: 
3. Materiais Avançados 
É um nova classe de materiais com vasta aplicação em engenharia e o estudo das 
suas propriedades representa um campo da Nanotecnologia; 
 
As principais características são: 
 
• Podem ser qualquer um dos tipos básicos de materiais já apresentados, porém 
em dimensões nanométricas (10 -9m); 
 
• Possuem área superficial-por-volume extremamente grandes; 
 
• As propriedades físicas e químicas são governadas por efeitos de 
escala/quânticos. 
133 
3.4. Nanomateriais: Definição 
3. Materiais Avançados 
134 
3.4. Nanomateriais: Definição 
3. Materiais Avançados 
135 
3.4. Nanomateriais: Processamento 
3. Materiais Avançados 
Os nanomateriais podem ser obtidos basicamente por duas vias: Top Down, que são 
processos físicos; e, Bottom Up, o qual representa processos biológicos e químicos. 
136 
3.4. Nanomateriais: Classificação 
3. Materiais Avançados 
Fulerenos 
Quantum Dots 
Nanotubos 
Nanofitas 
Filmes finos 
Grafeno 
Nanopartículas 
Core-shell 
0D 1D 2D 3D 
137 
3.4.1. Nanomateriais 0D: Fulerenos 
3. Materiais Avançados 
Os Fulerenos são alótropos de carbono descobertos em 1985 por H. W. 
Kroto e R. E. Smalley, apresentam forma esférica perfeita na estrutura C60 
com 0,7 nm de diâmetro. Foram batizados de “Fullerenes” em homenagem 
ao arquiteto norte americano Buckminster Fuller. 
138 
3.4.1. Nanomateriais 0D: Propriedades 
3. Materiais Avançados 
139 
3.4.2. Nanomateriais 1D: Nanotubos de Carbono 
3. Materiais Avançados 
Fonte: www.nanoshel.com 
140 
3.4.2. Nanomateriais 1D: Propriedades 
3. Materiais Avançados 
Material Densidade 
(g/cm³) 
Condutividade 
Térmica 
(W/mK) 
Módulo de 
Young 
(GPa) 
Resistência à 
Tração 
(GPa) 
SWCNT 1,4 3000 1000 53 
MWCNT 2,18 2000 1200 150 
Alumínio 2,71 204 70 0,2 
Aço 7,86 52 200 0,56 
141 
3.4.3. Nanomateriais 2D: Grafeno 
3. Materiais Avançados 
No final de 2004, dois pesquisadores, Konstantin Novoselov e Andre Geim, da Universidade de 
Manchester, na Inglaterra, descreveram o processo para a obtenção de um novo material 
chamado grafeno, a partir da esfoliação de grafite. 
Fonte: Fapesp 
142 
3.4.3. Nanomateriais 2D: Propriedades 
3. Materiais Avançados 
Materia
l 
Densidade 
(g/cm³) 
Condutividad
e Térmica 
(W/mK) 
Módulo de 
Young 
(GPa) 
Resistência à 
Tração 
(GPa) 
Preço 
R$/g 
SWCNT 1,4 3000 1000 53 10.450 
MWCNT 2,18 2000 1200 150 1.329 
Grafeno 2,26 4000 1000 130 4.756 
143 
3.4.3. Nanomateriais 2D: Propriedades 
3. Materiais Avançados 
144 
3.4.4. Nanomateriais 3D: Core@Shell 
3. Materiais Avançados 
São nanopartículas constituídas de um núcleo e um revestimento, onde podem ser compostos 
por metais, óxidos metálicos, polímeros ou semicondutores. O revestimento tem a função de 
proteger o núcleo de mudanças físicas e químicas. 
Fonte: https://doi.org/10.1155/2013/672059 
145 
3.4.4. Nanomateriais 3D: Propriedades 
3. Materiais Avançados 
Fonte: https://doi.org/10.1007/s10653-020-00766-1 
146 
Artigo 08 
147 
Artigo 08 
148 
Artigo 08 
Ferrita vermicular 
304LSS 
304LSS-NTC/MA 
304LSS-NTC/CTTT 
304LSS-NTC/CT 
149 
Artigo 08 
150 
3.5. Nanocompósitos: 
3. Materiais Avançados 
São materiais multifásicos nanoestruturados, onde uma das fases terá dimensões 
nanométricas; 
 
As principais características são: 
 
• Possuem matrizes constituídos de qualquer um dos tipos básicos de materiais já 
apresentados, porém o seu reforço tem dimensões nanométricas (10 -9m); 
 
• A interação entre matriz e reforço depende da dispersão da fase nanométrica; 
 
• As propriedades físicas e químicas são diferentes de qualquer uma das fases 
individualmente. 
151 
(a) distância interpartículas surface-surface e (b) área superficial total com 1 mm3 
assumindo partículas micrométricas e nanométricas com diâmetros de 1μm and 55 
nm, respectivamente, e (c) um esquema descrevendo a discrepância causada pelo 
tamanho. 
3.5. Nanocompósitos: compósitos vs nanocompósitos 
3. Materiais Avançados 
152 
3.5. Nanocompósitos: interação matriz/reforço 
3. Materiais Avançados 
153 
3.5. Nanocompósitos: reforços fibrosos (fonte: Scopus) 
3. Materiais Avançados 
154 
Para nanocompósitos em matriz metálica, as matrizes que recebem maiores 
atenções são: Cu, Al e Ni, sendo os dois primeiros em função da elevada 
condutividade elétrica/térmica e baixo peso específico, respectivamente. Já o Ni 
devido sua elevada resistência a corrosão. 
Fonte: Scopus 
3.5.1. Nanocompósitos em matriz metálica: 
3. Materiais Avançados 
155 
3.5.1. Nanocompósitos em matriz metálica: Classificação 
3. Materiais Avançados 
156 
Classificação de diferentes processos para a fabricação de nanocompósitos de 
Matriz Metálica reforçados por CNT (MM-CNT): 
3. Materiais Avançados 
3.5.1. Nanocompósitos em matriz metálica: 
157 
• É uma técnica de fácil dispersão de pós, onde o nível de mistura é governado 
pelo tamanho de particulados; 
• O nível de dispersão entre as partículas vai depender da técnica empregada na 
preparação e mistura dos pós. 
Mixing: 
(a) Moinho de Bolas 
(b) Ultrasonicação 
3. Materiais Avançados 
3.5.1. Nanocompósitos em matriz metálica: Metalurgia do pó 
158 
3. Materiais Avançados 
3.5.1. Nanocompósitosem matriz metálica: Processamento por deformação 
159 
Os processos de fundição apresentam os seguintes desafios: 
 
1. Como os nanotubos se dispersam no metal fundido? 
 
2. Os nanotubos conseguem manter sua cristalinidade em elevadas 
temperaturas? 
 
3. Como se comporta a estabilidade química dos CNTs devido a alta reatividade de 
metais fundidos? 
 
 
3. Materiais Avançados 
3.5.1. Nanocompósitos em matriz metálica: Processamento por fundição 
160 
O desafio é obter a dispersão dos CNT que tem baixa densidade em relação ao 
metal fundido. Portanto, a molhabilidade dos CNT é um fator importante e o 
ângulo de contato entre a fase líquida (L) e a superfície (S) do CNT determinará a 
mistura do CNT no metal fundido. 
3. Materiais Avançados 
3.5.1. Nanocompósitos em matriz metálica: Processamento por fundição 
161 
Esquema mostra o setup para a deposição eletroquímica de co-depósitos para a 
formação de um filme de metal-CNT. 
3. Materiais Avançados 
3.5.1. Nanocompósitos em matriz metálica: Eletrodeposição 
162 
Eletrodeposição: densidade de corrente é um fator importante dessa técnica. 
Um aumento na densidade de corrente ajuda na deposição de CNTs devido ao 
aumento das forças eletrostáticas entre CNT e o substrato. Entretanto, ao 
mesmo tempo, a elevada condutividade elétrica de CNTs causa seu 
envelopamento e crescimento de grandes estruturas globulares de metal. 
 
Banho eletroquímico: por ser um processo termo-químico, a temperatura e pH 
do banho são fatores importantes que determinam a composição e morfologia 
do revestimento. Esses dois parâmetros variam de acordo com a composição e 
morfologia esperadas ao filme. Entretanto, o tipo de agente redutor presente no 
solvente e o tipo de sal metálico do banho determinarão o tipo de revestimento 
nas paredes dos CNTs. 
3. Materiais Avançados 
3.5.1. Nanocompósitos em matriz metálica: Eletrodeposição vs Banho eletroquímico 
163 
• CNTs podem ser usados como reforço para melhorar as propriedades 
mecânicas e adicionar novas funcionalidades; 
 
• Materiais cerâmicos podem ser usados como escudo protetor da estrutura dos 
CNTs em ambientes agressivos, como por exemplo, ambientes corrosivos. 
3. Materiais Avançados 
3.5.2. Nanocompósitos em matriz cerâmica: 
164 
Estruturas da matriz cerâmica microcristalina contendo nanoinclusões: 
a) Nanocompósito de matriz microcristalina com grãos em microescala em uma 
fase e partículas semi-esféricas em nanoescala localiadas na segunda fase na 
fronteira de grão; 
b) Nanocompósito de matriz microcristalina contendo semi-esferas 
nanocristalinas de segunda fase, incorporadas dentro dos grãos. 
3. Materiais Avançados 
3.5.2. Nanocompósitos em matriz cerâmica: Classificação 
165 
Estruturas da matriz cerâmica microcristalina contendo nanoinclusões ou 
matriz cerâmica nanocristalina: 
c) Nanocompósito de matriz microcristalina contendo fibras de segunda fase 
localizadas na fronteira de grão e/ou no interior dos grãos; 
d) Fase única de cerâmica nanocristalina consistindo de grãos 
aproximadamente equiaxiais com distribuição de tamanho de grão em 
nanoescala. 
3. Materiais Avançados 
3.5.2. Nanocompósitos em matriz cerâmica: Classificação 
166 
Estruturas da matriz cerâmica nanocristalina contendo nanogrãos ou segunda 
fase em nanoescala: 
e) Nanocompósito cerâmico de matriz Nanocristalina de diferentes fases e grãos 
equiaxiais; 
f) Nanocompósito cerâmico de matriz Nanocristalina contendo fibras de segunda 
fase. 
3. Materiais Avançados 
3.5.2. Nanocompósitos em matriz cerâmica: Classificação 
167 
a) O reforço por Fibra é realizado pelos efeitos crack-bridging (A–C) e crack-
deflection (D) da segunda fase incorporada na matriz cerâmica; 
b) Reforço por fase dúctil. Inclusões dúcteis promovem o enfraquecimento da 
ponta da fratura (A), deformação plástica das partículas dúcteis na zona do 
crescimento da fratura (B), e efeito de ponte em partículas dúcteis gerada pela 
deformação plástica (C), desligamento da nanoinclusão da matriz cerâmica (D) 
ou quebra e pull out (E). 
3. Materiais Avançados 
3.5.2. Nanocompósitos em matriz cerâmica: Mecanismo de tenacidade 
168 
c) Endurecimento por transformação ocorre por meio da transformação de 
partículas de zirconia da fase tetragonal para monoclínica na vizinhança da 
fratura; 
d) Endurecimento por Microfissura por meio da formação de numerosos 
microcracks em nanopartículas de segunda fase na vizinhança do 
crescimento da fratura. 
3. Materiais Avançados 
3.5.2. Nanocompósitos em matriz cerâmica: Mecanismo de tenacidade 
169 
3. Materiais Avançados 
3.5.2. Nanocompósitos em matriz cerâmica: Mecanismo de tenacidade 
170 
Influência do volume de CNT e tratamento ácido nas propriedades mecânicas 
(resistência à flexão e tenacidade à fratura) do nanocompósito: 
3. Materiais Avançados 
3.5.2. Nanocompósitos em matriz cerâmica: Volume de reforço vs propriedades 
171 
Considerando uma aproximação in situ, a combinação de um grande número de 
funcionalizações poliméricas possíveis e diferentes tipos de nanopartículas que 
podem ser preparadas, nos fornece uma imensa gama de nanocompósitos 
poliméricos que podem ser preparados. Os parâmetros que controlam sua 
natureza são: 
i. Tipos de funcionalizações polimérica; 
 
ii. Tipos de precursores de nanopartículas; 
 
iii. Tipos de reações que formam as nanopartículas; 
 
iv. A composição da nanopartícula de óxido metálico. Nesse caso, a matriz 
polimérica serve como nanoreator para prover de meio para a síntese e 
evitar a aglomeração de nanocompósito. 
3. Materiais Avançados 
3.5.3. Nanocompósitos em matriz polimérica: 
172 
(a) Íons metálicos são precarregados dentro da matriz polimérica para servir 
primeiro como precursor de nanopartículas; 
(b) Monômeros poliméricos hospedeiros e nanopartículas alvo como material de 
partida; 
(c) Nanopartículas e polímeros são preparados simultaneamente por meio da 
mistura de seus precursores. 
3. Materiais Avançados 
3.5.3. Nanocompósitos em matriz polimérica: Processo 
173 
Processo de preparação de PLA-MWCNT por Electrospinning em três etapas: 
1 - Preparação da solução de MWCNT por ultrasonicação (0,1 mg/mL em DMF com 
1% Pluronic F127 (BASF, Florham Park, NJ) em banho frio por 4 h a 25 Hz; 
2 - Incorporação de MWCNT 20 wt% em PLA soubilizado a (3:1) de clorofórmio e 
dimethyl formamide, respectivamente. 
 3 - Electrospun do nanocompósito contendo de 0–1 wt% MWNT. 
3. Materiais Avançados 
3.5.3. Nanocompósitos em matriz polimérica: Processo 
174 
Nanocompósitos poliméricos são fabricados com nanofillers como reforço 
dentro de matriz polimérica podem ser naturais, sintéticas ou ambas. Abaixo 
temos três diferentes tipos de nanofillers que são extensivamente usados em 
matriz polimérica: 
1. Carbon nanotubes; 
2. Graphene; 
3. Nanoclay; 
3. Materiais Avançados 
3.5.3. Nanocompósitos em matriz polimérica: Tipos de reforço 
175 
3. Materiais Avançados 
3.5.3. Nanocompósitos em matriz polimérica: Propriedades 
176 
3. Materiais Avançados 
3.5.3. Nanocompósitos em matriz polimérica: Aplicações 
177 
Artigo 09 
178 
Artigo 09 
179 
Artigo 09