Tipos de Materiais Alunos (1 estágio-ufcg)

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Unidade Acadêmica de Engenharia 
Mecânica 
Tipos de Materiais em Engenharia 
Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos 
Universidade Federal de Campina Grande 
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 Introdução; 
 Classificação; 
 Materiais metálicos; 
 Materiais poliméricos; 
 Materiais cerâmicos; 
 Materiais compósitos; 
 Materiais semicondutores; 
 Quadro resumo; 
 Utilização no decorrer do tempo. 
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INTRODUÇÃO 
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From Farside by Gary Larson 
No começo… 
Introdução; 
Classificação; 
Materiais metálicos; 
Materiais poliméricos; 
Materiais cerâmicos; 
Materiais compósitos; 
Materiais semicondutores; 
Quadro resumo; 
Utilização no decorrer do 
tempo. 
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Perspectiva Histórica 
 Materiais entranhados em nossa cultura  Transporte, 
habitação, vestuário, comunicação, recreação e 
produção de alimentos. 
 Primeiros seres humanos  números limitados de 
materiais (ocorriam naturalmente: pedra, madeira, 
argila, peles, etc.  Processo de Seleção) 
 Civilizações antigas  designadas pelo nível de seus 
desenvolvimentos em relação aos materiais (Idade da 
Pedra, Idade do Bronze). 
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Perspectiva Histórica 
 Paleolítico (40,000 to 100,000 anos atrás): Ferramentas de pedra 
e panelas de cerâmica 
 Mesolítico (10,000 to 40,000 anos atrás): Uso extenso de 
ferramentas de pedra e barro, estátuas de pedra, ocre (pigmento) 
 Idade do cobre (5,000 to 10,000 anos atrás): Ornamentos Cobre, 
louça de barro, metal fundido 
 Idade do Bronze (3,000 to 5,000 anos atrás): Bronze (Cu/Sn), vidro, 
fusão do ferro 
 Idade do ferro (1000 – 3000 anos atrás): melhoria do forjamento, 
porcelana; 
 Aço e concreto (100 – 1000 anos atrás); 
 Polímeros (Logo no início do século passado); 
 Silício (Anos 60 – ); 
 Atualmente: Idade do biomateriais - e nanomateriais? 
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O QUE SÃO MATERIAIS? 
 Avanço da sociedade  produzir e manipular 
materiais para satisfazer as suas necessidades. 
 
 Materiais podem ser definidos como substâncias 
com as quais qualquer coisa pode ser composta ou 
fabricada. 
 
 Os materiais são obtidos a partir da crosta 
terrestre ou da atmosfera. 
 
 Exemplos: 
 Silício e ferro constituem respectivamente 27,72 e 5 por 
cento em peso da crosta terrestre. 
 Nitrogênio e Oxigênio constituem respectivamente 
78,08 e 20,95 por cento em volume de ar seco. 
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 Recentemente  relações entre os 
elementos estruturais dos metais e as 
suas propriedades. Permitem moldar as 
características dos materiais  
Desenvolvimento de dezenas de 
milhares de novos materiais diferentes. 
 
 Avanço na compreensão de um tipo de 
material é frequentemente o procurar 
da progressão escalonada de uma 
tecnologia. 
 
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Porque o estudo de materiais é importante? 
 Produção e processamento de materiais constituem uma 
grande parte de nossa economia. 
 Engenheiros escolhem materiais para determinados 
projetos. 
 Novos materiais podem ser necessários para algumas 
novas aplicações. 
 Exemplo: Materiais resistentes a alta temperatura. 
 Estação espacial e veículos de marte devem suportar as 
condições do espaço. Alta velocidade, baixa 
temperatura, forte mas leve. 
 Modificação de propriedades podem ser necessárias em 
algumas aplicações. 
 Exemplo: Tratamento térmico para modificar 
propriedades. 
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Ciência dos materiais e Engenharia 
 Ciências dos materiais – trata do conhecimento básico sobre a estrutura 
interna, propriedades e processamento de materiais. Envolve a 
investigação das relações que existem entre as estruturas e as 
propriedades dos materiais. 
 
 Engenharia de materiais – trata da aplicação de conhecimento ganhos por 
ciência de materiais para converter materiais em produtos. A partir das 
correlações estrutura-propriedade, consiste no projeto ou engenharia da 
estrutura de um material para produzir um conjunto predeterminado de 
propriedades. 
Conhecimento 
resultante 
de estrutura 
e propriedades 
Conhecimento 
Aplicado 
de Materiais 
Ciência dos 
materiais 
Ciência dos materiais e 
engenharia 
Engenharia 
de materiais 
Conhecimento 
básico de 
materiais 
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CLASSIFICAÇÃO DOS 
MATERIAIS 
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POLIMEROS 
ELASTÓMEROS VIDROS 
CERÂMICOS 
METAIS 
COMPÓSITOS 
FAMÍLIAS DE MATERIAIS DE ENGENHARIA 
Introdução; 
Classificação; 
Materiais metálicos; 
Materiais poliméricos; 
Materiais cerâmicos; 
Materiais compósitos; 
Materiais semicondutores; 
Quadro resumo; 
Utilização no decorrer do 
tempo. 
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Tipos de materiais 
 Metais 
 Elemento metálico (Fe, Au, aço (liga Fe-C), latão 
(liga Cu, Zn), cobre, compostos intermetálicos 
 
 Cerâmicas 
 Vidros, argilas, cimento, cerâmica estrutural 
(Mancais de alta temperatura), Refratários 
(resistência a corrosão, isolante), Louça branca 
(porcelanas), Cerâmica Elétrica (condensadores, 
Isoladores, transdutores, etc.), Cerâmica 
Quimicamente ligada (cimento e concreto)… 
 
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3. Polímeros 
 Plásticos, polietileno (-C
2
H
4
-)
n
, neoprene 
 
4. Compósitos 
 Fibra de vidro, concreto, madeira. 
 Compósitos particulados (pequenas partículas 
embebidas em materiais diferentes), compósito laminado 
(cabos de taco de golfe, raquete de tênis lâminas de 
espada de Damasco), compósito reforçado com fibra 
(fibra de vidro). 
5. Semicondutores 
 Si, GaAs, InGaAsP. 
 
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Outra Classificação de Materiais 
 TRADICIONAIS; 
 
 CONVENCIONAIS; 
 
 TÉCNICOS; 
 
 NOVOS MATERIAIS; 
 
 AVANÇADOS; 
 
 EM DESENVOLVIMENTO. 
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MATERIAIS TÉCNICOS 
 METÁLICOS 
 METAIS E SUAS LIGAS 
 Cobre, ferro, chumbo, etc. 
 Bronze (Cu+Sn), Aço (Fe+C), Latão (Cu+Zn) 
 NÃO METÁLICOS 
 MADEIRA; 
 COURO; 
 FIBRAS NATURAIS E SINTÉTICAS; 
 CERÂMICA; 
 POLÍMEROS. 
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MATERIAIS METÁLICOS 
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Materiais Metálicos 
 Propriedades básicas 
 Elementos com valência 1, 2 ou 3; 
 Ligação metálica (compartilhamento dos elétrons livres); 
 Pode combinar-se com elementos não metálicos; 
 Inorgânico e possui microestrutura cristalina; 
 Dúcteis (alta plasticidade - deformam antes de quebrar); 
 Rígidos (alto módulo de elasticidade); 
 Tenazes (resistentes a trincas); 
 Encruáveis (endurecem por deformação); 
 Opacos; 
 Bons condutores de calor e eletricidade; 
Introdução; 
Classificação; 
Materiais metálicos; 
Materiais poliméricos; 
Materiais cerâmicos; 
Materiais compósitos; 
Materiais semicondutores; 
Quadro resumo; 
Utilização no decorrer do 
tempo. 
 
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 Propriedades básicas (continuação) 
 Temperáveis (quando têm mais de uma 
fase alotrópica); 
 Ligas endurecíveis por precipitação; 
 Ativos quimicamente; 
 Propagação de discordâncias em geral 
muito mais fácil que clivagem; 
 Fortes e podem ser moldados; 
 Superfície “metálica”. 
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METAIS 
 METAIS PUROS 
 ALUMÍNIO, COBRE, FERRO,etc. 
 
 LIGAS METÁLICAS 
 AÇO, BRONZE, DURALUMÍNIO 
 
 METAIS FRRROSOS 
 AÇOS, FERRO FUNDIDO, ETC 
 
 METAIS NÃO FERROSOS 
 Alumínio, Cobre, Níquel, Titânio, Magnésio 
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Exemplos de 
materiais utilizados 
em recipiente de 
bebidas: 
Metal – latas de 
alumínio; 
Cerâmico – garrafas 
de vidro; 
Polímeros – garrafas 
plásticas. 
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MATERIAIS POLIMÉRICOS 
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Materiais Poliméricos 
 Propriedades básicas 
 São sintéticos - feitos pelo homem; 
 Altamente moldáveis – plásticos - pouco 
rígidos - ótima fabricabilidade; 
 Longas cadeias de moléculas repetidas 
(em geral orgânicas). Geralmente não 
cristalinas (microestrutura amorfa). 
Algumas são misturas de regiões 
cristalinas e não cristalinas - São formados 
pela combinação de unidades - “meros”; 
Introdução; 
Classificação; 
Materiais metálicos; 
Materiais poliméricos; 
Materiais cerâmicos; 
Materiais compósitos; 
Materiais semicondutores; 
Quadro resumo; 
Utilização no decorrer do 
tempo. 
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 Propriedades básicas (continuação) 
 São formados por um número bem limitado 
de elementos. C e H, O (acrílicos), N 
(nylons), F (fluor-plásticos) e Si (silicones); 
 Ligações covalentes nas cadeias (entre as 
cadeias é secundária nos termoplásticos e 
covalente nos termofixos); 
 Baixa temperatura de fusão ou de 
decomposição; 
 Podem ter boa resistência química; 
 São leves e não frágeis; 
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 Propriedades básicas (continuação) 
 Em geral são menos resistentes do 
que metais e cerâmicas; 
 Bons isolantes elétricos; 
 Maus condutores de calor – 
isolantes térmicos. 
 Viscoelásticos e dúcteis acima da 
temperatura de transição vítrea 
(frágeis abaixo de Tv); 
 
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CLASSIFICAÇÃO 
 TERMOPLÁSTICOS 
 POLIETILENO, POLIPROPILENO,etc. 
 
 TERMOFIXOS 
 BAQUELITE, EPOX, ACRÍLICO, etc. 
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Termoplásticos de Baixa 
Resistência 
 PE, LDPE, HDPE (p-etileno); 
 ABS (acrilonotrilo-butadieno-
estireno); 
 PVC (p-cloreto de vinila); 
 PMMA (p-metilmetacrilato, acrílico); 
 PTFE (p-tetrafluoroetileno, Teflon); 
 PP (p-propileno); 
 PS (p-estireno), ... 
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MATERIAIS CERÂMICOS 
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Materiais Cerâmicos 
 Propriedades básicas: 
 São uma combinação de metais com O, N, C, 
P, S; 
 Em geral a combinação de metais com não-
metais (valência 5, 6 ou 7); 
 Ligação iônica ou covalente; 
 Microestrutura cristalina, não cristalina ou 
uma mistura das duas; 
 Quimicamente estáveis; 
Introdução; 
Classificação; 
Materiais metálicos; 
Materiais poliméricos; 
Materiais cerâmicos; 
Materiais compósitos; 
Materiais semicondutores; 
Quadro resumo; 
Utilização no decorrer do 
tempo. 
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 Propriedades básicas (continuação) 
 São altamente resistentes a temperatura 
(refratários) - Alto ponto de fusão; 
 São isolantes térmicos e elétricos; 
Conseqüentemente usado para revestimento de 
forno para tratamento térmico e fusão de metais. 
Também usado em ônibus espacial para isolá-lo 
durante a saída e reentrada na atmosfera; 
 São frágeis (quebram sem deformar); 
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 Propriedades básicas (continuação) 
 Alta rigidez; 
 Dureza elevada, resistência a tensão e ao 
desgaste; 
 Não encruáveis nem maleáveis; 
 São altamente resistentes a temperatura 
(refratários) - Alto ponto de fusão; 
 São isolantes térmicos e elétricos; 
Conseqüentemente usado para revestimento de 
forno para tratamento térmico e fusão de metais. 
Também usado em ônibus espacial para isolá-lo 
durante a saída e reentrada na atmosfera; 
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 Propriedades básicas (continuação) 
 Pouco endurecíveis por precipitação; 
 Propagação de discordâncias quase impossível 
(quase sempre clivam); 
 São menos densas do que metais; 
 Podem ser transparentes. 
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CERÂMICAS 
 Rochas: granito, gnaisse, basalto, mármore, arenito; 
 
 Concreto: cimento+areia+brita, cimento Portland 
 (3CaO.SiO
2
+2CaO.SiO
2
+3CaO.Al
2
O
3
+4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
); 
 
 Aluminosilicatos: caulim (Al
2
O
3
.2SiO
2
.2H
2
O), 
 argilas (caulim+impurezas); 
 Vidros: comum (70SiO
2
+15CaO+15Na
2
O), 
 pirex (80SiO
2
+15B
2
O
3
+5Na
2
O); 
 
 Alta Resistência: alumina (Al
2
O
3
, esmeril,safira), WC, TiC, VC, SiC, Si
3
N
4 
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 Nas aplicações estruturais os materiais 
cerâmicos devem ser usados em compressão. 
 
 Outras aplicações: Abrasivos, materiais de 
construção, utensílios etc. Exemplo: 
Porcelana, vidro etc. 
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 Si e Ge são semicondutores mas são usados em 
cerâmicas de forma equivalente a metais. 
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MATERIAIS COMPÓSITOS 
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Materiais Compostos ou 
Compósitos 
 O que são? 
 Combinação de dois ou mais materiais (metais, 
cerâmicas e polímeros) cujas propriedades são 
diferenciadas das dos constituintes 
 Preservam as propriedades “boas” dos componentes e 
possuem propriedades superiores às de cada 
componente separado. 
Introdução; 
Classificação; 
Materiais metálicos; 
Materiais poliméricos; 
Materiais cerâmicos; 
Materiais compósitos; 
Materiais semicondutores; 
Quadro resumo; 
Utilização no decorrer do 
tempo. 
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UFCG/CCT/UAEM 44 
Materiais Compósitos 
 Materiais Compósitos 
 Consiste de material de enchimento e de 
material de união. 
 Materiais apenas unem, não dissolverão um no 
outro. 
 Dois tipos principais: 
o Fibroso: Fibras numa matriz 
o Particulado: Partículas numa matriz 
o Matriz pode ser metálica, cerâmica ou polimérica 
 Exemplo: 
 Fibra de vidro (material de reforço numa matriz de 
poliéster ou de epóxi) 
 Aplicação: Motor e asas de espaçonave, construção. 
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UFCG/CCT/UAEM 45 
 MATRIZ POLIMÉRICA 
 CASCOS DE BARCO, BUGRE, etc. 
 MATRIZ CERÂMICA 
 CONCRETO 
 MATRIZ METÁLICA 
 PISTÕES, CAMISAS DE MOTOR, etc. 
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UFCG/CCT/UAEM 46 
EXEMPLOS 
 concreto armado e protendido (cerâmica reforçada por metal); 
 
 madeira (dois polímeros, celulose e lignina - fibras de celulose 
coladas por lignina); 
 
 fibra de vidro (numa matriz polimérica); 
 
 Espumas: (gás + sólido) - isopor (poliestireno + CO
2
), espuma 
de PU; 
 
 Polímeros Reforçados: GFRP, CFRP, KFRP; 
 
 Cermets: (cerâmicas + metais) Vídia (partículas de WC coladas 
com Co); 
 
 Naturais: osso (hidroxipatite + colágeno), esponja; 
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MATERIAIS 
SEMICONDUTORES 
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Semicondutores 
Propriedades básicas: 
 Componentes eletrônicos 
do computador - chips e 
transistores. 
 Condutividade finamente 
controlada pela presença 
de impurezas - dopantes. 
Silício é o material mais 
comum. 
 Podem ser combinados 
entre si para gerar 
propriedades eletrônicas 
e óticas “sob medida”. 
 São a base da tecnologia 
de opto - eletrônica - 
lasers, detectores, 
circuitos integrados 
óticos e células solares. 
Introdução; 
Classificação; 
Materiais metálicos; 
Materiais poliméricos; 
Materiais cerâmicos; 
Materiais compósitos; 
Materiais semicondutores; 
Quadro resumo; 
Utilização no decorrer do 
tempo. 
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Quando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais 
(quadrados claros) assumem propriedades semicondutoras. 
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QUADRO RESUMO 
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Distribuição dos 
Elementos 
ALCALINOS 
ALCALINOS TERROSOS 
METAIS DE TRANSIÇÃO 
TERRAS RARAS 
METAIS 
GASES 
NOBRES 
HALOGÊNEOS 
NÃO METAL 
Introdução; 
Classificação; 
Materiais metálicos; 
Materiais poliméricos; 
Materiais cerâmicos; 
Materiais compósitos; 
Materiais semicondutores; 
Quadro resumo; 
Utilização no decorrer do 
tempo. 
 
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UTILIZAÇÃO NO 
DECORRER DO TEMPO 
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Importância dos Materiais no 
Tempo 
Introdução; 
Classificação; 
Materiais metálicos; 
Materiais poliméricos; 
Materiais cerâmicos; 
Materiais compósitos; 
Materiais semicondutores; 
Quadro resumo; 
Utilização no decorrer do 
tempo. 
 
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Veículo enviado a Marte - Spirit e 
Opportunity 
Spirit and Opportunity foram feitos de materiais 
como: Metais, Cerâmicas, Compósitos, Polímeros e 
Semicondutores 
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Competição entre materiais 
 Materiais competem 
entre si para existir no 
mercado. 
 
 Ao longo do tempo o uso 
de diferentes materiais 
mudam dependendo do 
custo e do desempenho. 
 
 Materiais novos, mais 
baratos ou melhores 
substituem os materiais 
velhos quando houver 
uma inovação em 
tecnologia 
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O número de materiais cresceu muito nas 
últimas décadas e a tendência é de se 
proliferarem mais num futuro próximo 
 
 
 
 
 Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos 
métodos de extração de materiais da natureza 
 Modificação de materiais naturais 
 Combinação de materiais conhecidos para a 
formação de novos materiais 
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Tendências Futuras 
 Materiais metálicos 
 
 Produção segue de perto a economia dos Estados 
Unidos. 
 
 Ligas podem ser aumentadas pelo melhor controle 
químico e de processo. 
 
 Novas ligas aeroespaciais são constantemente 
pesquisadas. 
o Objetivo: Aumentar a resistência à 
temperatura e à corrosão. 
o Exemplo: Superligas de alta temperatura à 
base de níquel. 
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 Novas técnicas de processamento são 
investigadas. 
o Objetivo: Aumentar a vida útil do 
produto e propriedades de fadiga. 
o Exemplo: Forjamento isotérmico 
e Metalurgia do pó. 
 
 Metais para aplicações biomédicas. 
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Tendências futuras 
 Polímeros (Materiais plásticos) 
 Rápido crescimento da matéria 
prima (9% ao ano). 
 Após 1995 a taxa de crescimento 
diminuiu devido a saturação do 
mercado. 
 Diferentes materiais poliméricos 
podem ser misturados para produzir 
uma nova liga plástica. 
 Pesquisa por novos plásticos 
continua. 
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Tendências futuras 
 Materiais cerâmicos 
 Novas famílias de cerâmica de engenharia 
foram produzidas na década passada. 
 Novos materiais e aplicações são 
constantemente encontradas. 
 Agora usado em aplicações automotivas e 
biomédicas. 
 Processamento de cerâmicas custa caro. 
 Facilmente danificáveis devido a alta 
fragilidade. 
 Melhores técnicas de processamento e 
cerâmicas de alto impacto são encontradas. 
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Tendências futuras 
 Materiais compósitos 
 Plásticos reforçados por fibra são 
produtos básicos. 
 São esperados o uso de mais e mais 
materiais compósitos em aeronaves 
comerciais. 
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Tendências futuras 
 Materiais eletrônicos 
 Uso de materiais eletrônicos como silicone 
aumentou rapidamente desde 1970. 
 São esperados materiais eletrônicos fazer 
papel vital nas “Fábricas de Futuro.” 
 Uso de computadores e robôs aumentará 
resultando em crescimento extenso no uso 
de materiais eletrônicos. 
 Alumínio para interconexões em circuitos 
integrados poderia ser substituído por cobre 
o que resultaria em melhor condutividade. 
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Tendências futuras 
 Materiais inteligentes 
 Muda suas propriedades sentindo 
estímulo externo. 
 Ligas com memória de forma: Material tracionado 
volta a sua forma original sobre uma temperatura 
crítica. 
 Usado em válvulas de coração e ampliar artérias. 
 Materiais de Piezelétrico: Produz campo elétrico 
quando exposto a força e vice-versa. 
 Usado em atuadores e redutores de vibração. 
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MEMS e Nanomateriais 
 MEMS: Sistemas Microeletromecanicos 
 Dispositivos em miniatura 
 Micro-bombas, sensores 
 
 Nanomateriais: Comprimento característico 
<100 nm 
 Exemplos: pó de cerâmicas e tamanho de grão 
<100 nm 
 Nanomateriais são mais duros e mais fortes que 
materiais de tamanho maiores. 
 Tem características biocompatíveis (como o 
zircônio). 
 Transistores e diodos foram desenvolvidos em 
nanoarame. 
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Bibliografia 
1. Callister Jr., W. D., Ciência e 
Engenharia de Materiais: Uma 
Introdução, LTC – Livros 
Técnicos e Científicos Editora 
S.A., 2002. 
Ricardo Cabral de Vasconcelos 
UFCG/CCT/UAEM 68