Introducao Propriedades dos Materiais

Prévia do material em texto

Faculdade Metropolitana de Guaramirim – FAMEG
Grupo UNIASSELVI
Unidade 1: Introdução a Ciência e Propriedades dos Materiais 
Perspectiva histórica.
Classificação dos materiais
Ciência e engenharia dos materiais
Necessidade dos materiais modernos
Materiais avançados
MATERIAIS
Os materiais são constituídos de átomos, e são estes que determinam se o material é um metal, polímero, cerâmica, madeira ou um compósito... (é a estrutura geral do átomo ou da molécula é que diferencia um material do outro).
O domínio e o conhecimento das propriedades dos materiais são importantes para a indústria em geral (metalmecânica, química, elétrica, civil... etc), estás propriedades se referem ao comportamento do material em diversas situações e em níveis de solicitação do normal ao crítico.
Quando escolhemos ou podemos dizer especificamos um material, levamos em consideração vários fatores, por exemplo: serem resistentes, duráveis, baratos, práticos, leves... etc. Inúmeros fatores podem ser citados, uns mais gerais outros mais restritos ao emprego dado para o material.
Os produtos são fabricados a partir de materiais, que conseguem atender não só as exigências de mercado, mas também às exigências técnicas de adequação ao uso e ao processo de fabricação.
A especificação de um determinado material só pode ser feita, quando se pode prever o que vai acontecer, quando avaliado os fatores do cotidiano de trabalho em que o material é empregado (fatores do tipo: aquecimento, resfriamento, ataque químico, dobramento, tração, torção, lixamento, corte... etc). Como também a possibilidade da alteração das propriedades originais de um material muitas vezes é desejada até visando facilitar o trabalho com o material, no momento da fabricação, por exemplo.
O comportamento em relação ao processo de fabricação e do modo como o material será usado, devem ser previstos quando especificamos o material.
Em geral, os materiais estão agrupados em duas famílias:
Materiais metálicos - ferrosos e não-ferrosos.
Materiais não-metálicos - naturais e sintéticos.
Essa separação em grupos está diretamente relacionada às propriedades desses materiais. Na simples verificação e comparação dos materiais da tabela, podemos tirar conclusões sobre as propriedades dos materiais. Por exemplo: os materiais metálicos apresentam plasticidade, isto é, podem ser deformados sem se quebrarem e são bons condutores de calor e de eletricidade. Essa propriedade térmica e elétrica, está ligada à mobilidade dos elétrons dos átomos de sua estrutura. Comparando agora os não metálicos verificamos que na sua maioria são maus condutores de calor e de eletricidade.
Perspectiva Histórica 
– Materiais metálicos
Pela divisão da história em períodos, por volta de 6000 a.C o homem aprendeu a fazer objetos de metal. O primeiro metal usado foi o cobre e se prestou principalmente à fabricação de ferramentas, utensílios e armas. Em torno de 1500 a.C o homem passou a usar também o ferro. O uso dos metais, nesse período, foi o principal fator para o aperfeiçoamento dos instrumentos e das técnicas usadas na guerra, na caça e na agricultura. Essa evolução permitiu ao ser humano formar estruturas sociais mais complexas, com maior divisão do trabalho e concentração de renda.
A partir do século XVIII, o fenômeno da Revolução Industrial provocou uma grande mudança nas técnicas e nos instrumentos de trabalho, que por sua vez ampliaram os empreendimentos comerciais e aumentaram a produção.
A posse de jazidas de metais como ferro, ouro e prata possibilitou a alguns países, em especial a Inglaterra, um pleno desenvolvimento nessa época, pois os metais se constituíam na mais importante forma de acumulação de capital e de matéria-prima. 
A obtenção de novas técnicas em relação aos metais possibilitou maior rendimento e qualidade na sua utilização: a utilização do carvão para baratear a produção do ferro, melhorias nos processos utilizados nas fundições de metais e na obtenção do bronze tornaram a revolução industrial, o marco histórico para o avanço tecnológico através do conhecimento das propriedades dos materiais. 
A partir desse momento na história, um leque de opções se abriu para emprego dos materiais metálicos, com diversas características tais como: leves, resistentes, tenazes, em abundancia e etc.
Os metais constituem 80% da tabela periódica e a maior parte destes encontram-se combinados com outros elementos como o Oxigênio.
- Materiais Poliméricos
Desde a Antiguidade que se conhecem aplicações de polímeros naturais, no entanto, a ciência e indústria dos polímeros teve origem no início do século XIX, quando Hancock, em Inglaterra, descobriu o efeito da “mastigação” da borracha natural, tendo sido em 1843 patenteada a vulcanização da borracha por meio de enxofre. Em 1839, Goodyear, na América do Norte, tinha apresentado independentemente uma patente semelhante e, mais tarde, em 1851, viria a descobrir a ebonite, iniciando assim o desenvolvimento dos plásticos termoendurecíveis. 
A primeira experiência comercial bem sucedida na área dos polímeros deve-se a J. W. Hyatt que, em 1870, nos E.U.A., usando cânfora como plastificador do nitrato de celulose produziu a celulóide. Esta invenção surgiu na sequência dos seus trabalhos para conseguir sintetizar um substituto para o marfim para o fabricação de bolas de bilhar. Assim, a celulóide tornou-se rapidamente um sucesso comercial e controlou o mercado durante cerca de 30 anos, embora, devido à sua elevada inflamabilidade, logo se procurassem materiais alternativos mais estáveis. 
Os plásticos baseados em acetato de celulose e caseína foram desenvolvidos em princípios do século XX e, entre 1907 e 1910, comercializou-se a “bakelite”, um polímero que ainda hoje é muito usado em caixas e ligações elétricas. Em 1917, a falta de matérias-primas fez com que os químicos alemães desenvolvessem uma borracha sintética a partir do dimetilbutadieno. O produto, cujas propriedades eram incomparavelmente inferiores às da borracha natural, serviu, no entanto, como ponto de partida para a importantíssima indústria da borracha artificial sintética. 
Até ao início da década de 20, não era possível um verdadeiro desenvolvimento neste domínio dada a ausência de conhecimentos fundamentais sobre a estrutura dos materiais poliméricos. Quando, em 1953, Staudinger recebeu o prémio Nobel de Química pelo seu trabalho monumental no estabelecimento da ciência de polímeros, já que esta ciência e a indústria dos polímeros estavam firmemente implantadas. De facto, desde 1930, nomes como Mark, Carothers, Flory, Meyer e muitos outros tinham contribuído fortemente para o desenvolvimento destes materiais. 
Em 1933, três investigadores da ICI, Gibson, Fawcett e Swallow descobriram o polietileno. Em 1934, W. H. Carothers, trabalhando para a Dupont descobriu o nylon e, subsequentemente, desenvolveu um trabalho pioneiro sobre a teoria das reações de polimerização por condensação. 
Nessa década, Hill e Crawford, da ICI, sintetizaram o poli(metacrilato de metilo) (perspex e vidro acrílico). Nessa mesma altura começou a produzir-se comercialmente o poliestireno e o poli(cloreto de vinilo) (PVC). Em 1939 a ICI produzia industrialmente o polietileno de alta pressão. Depois da 2ª Guerra Mundial, acelerou-se quer a investigação científica quer o desenvolvimento industrial. 
A maioria dos polímeros poliolefínicos modernos são o resultado direto do trabalho de Natta (e Ziegler) que desenvolveu catalisadores organometálicos de polimerização que permitiram obter, na década de 50, o polietileno de alta densidade e o polipropileno isotático. Juntamente com os poliuretanos (1937), os epóxidos (1939), o poli(tetrafluoroetileno) (1941), os silicones (1942), as resinas de poliéster insaturadas (1946), o policarbonato (1956) e as poliamidas (descobertas em 1964), estes polímeros são a base de mais de 90 % dos plásticos utilizados atualmente.
A partir daí começaram a surgir polímeros modificados a partir de materiais naturais, mas somente no iníciodo século XX os processos de polimerização artificial surgiram. Desde então esses processos passaram por aperfeiçoamento e colaboraram para a obtenção de plásticos, borrachas e resinas cada vez mais sofisticadas e baratas, graças a uma engenharia molecular cada vez mais complexa.
Polímeros são macromoléculas em que existe uma unidade que se repete, chamada monômero. O nome vem do grego: poli = muitos + meros = partes, ou seja, muitas partes. A reação que forma os polímeros é chamada de polimerização.
Para demonstrar a importância do estudo dos polímeros, basta mencionarmos que a variedade de objetos a que temos acesso hoje se deve à existência de polímeros sintéticos, como por exemplo: sacolas plásticas, para-choques de automóveis, canos para água, panelas antiaderentes, mantas, colas, tintas, chicletes, etc.
Os polímeros podem se subdividir em diferentes classes, sendo as principais a dos polímeros de adição e de condensação. Veja abaixo alguns polímeros e suas utilizações:
• Polietileno: etileno usado para fabricar baldes, sacos de lixo e de embalagens.
• Polipropileno: o propileno pertence a essa classe e é usado para a fabricação de cadeiras, poltronas, pára-choques de automóveis.
• PVC: cloreto de vinila e estireno são exemplos. Esse material é usado em tubos para encanamentos hidráulicos. 
• Isopor: o chamado poliestireno expandios é um ótimo isolante térmico.
• Orlon: o composto acrinitrilo é um exemplo e é empregado na obtenção da lã sintética, agasalhos, cobertores, tapetes.
• Acrílico: composto transparente muito resistente usado em portas e janelas, lentes de óculos, etc. 
• Teflon: o tetrafluoretileno é o revestimento interno de panelas, mais conhecido como teflon. 
• Borracha Fria: empregada em pneus, câmaras de ar, objetos de borracha em geral. 
-Matérias Cerâmicos 
Os primeiros vestígios da utilização da cerâmica datam do início do Neolítico(*) (entre 10000 e 6000 a.C.), na forma de potes para o armazenamento de grãos.
No que diz respeito ao uso na construção, os materiais cerâmicos também estão entre os mais antigos, tanto na forma de blocos e telhas, quanto na de placas de revestimento
A palavra cerâmica é de origem grega – vem do keramikos que significa “matéria queimada”, designação curiosa que associa o processo de fabrico ao material. A classe dos Materiais Cerâmicos engloba, porém, desde os artefatos cerâmicos mais antigos, alguns dos quais não sofreram quaisquer processos de cozedura, até a alguns dos cerâmicos mais avançados, concebidos para as indústrias aeroespacial e eletrônica.
A classe dos Materiais Cerâmicos engloba ainda os vidros – materiais cerâmicos sem estrutura cristalina, que desenvolveremos futuramente.
É comum subdividir-se a classe dos cerâmicos cristalinos em Cerâmicos Tradicionais e Cerâmicos Técnicos.
Até há aproximadamente 50 anos, os materiais cerâmicos limitavam se aos Cerâmicos Tradicionais, contemplando a faiança, a porcelana, a louça de hotelaria, os revestimentos, os sanitários e os cerâmicos estruturais, como tijolo, telha e coletores. Uma nova geração de materiais cerâmicos, designada por Cerâmicos Técnicos, afirma-se nas últimas décadas. A zircónia parcialmente estabilizada (ZrO2), o nitreto de silício (SiN) ou o SiAlON são candidatos de relevo em aplicações estruturais avançadas, enquanto os cerâmicos para electrónica (e.g.BaTiO2) ou para aplicações magnéticas (e.g. NiFe2O4) representam a maior fatia de mercado da indústria dos cerâmicos. 
-Matérias Compósitos 
Os compósitos surgiram em meados do século XX e são materiais compostos por dois ou mais materiais diferentes, tais como um metal e um polímero. Os compósitos têm assim características diferentes dos materiais que os originaram sendo, por exemplo, mais resistente e rígidos, com grande capacidade de amortecimento, resistem bem a altas temperaturas, não corroem nem se desgastam. São usados na aeronáutica, indústria automóvel e construção civil, mas prevê-se que tenham mais aplicações no futuro.
- Materiais Avançados
As coberturas translúcidas iluminadas de marcos arquitetônicos modernos, como Cubo D’ Água, na China, e a Allianz Arena, na Alemanha, têm em comum a utilização do etileno tetrafluoretileno (ETFE), um polímero baseado em fluorcarbono criado nos anos 1970 para atender às necessidades da indústria aeronáutica.
Nos último resiste à sujeira. Para completar, o ETFE é facilmente reparável, é reciclável e durável, não sofrendo danos quando exposto aos raios UV.s anos, o material passou a ser muito utilizado em projetos arquitetônicos por uma série de razões. Em comparação com o vidro, o ETFE transmite mais luz, é um melhor isolante térmico, é mais leve e tem instalação mais barata. Além disso, este polímero é capaz de suportar cerca de 400 vezes o seu próprio peso, pode ser esticado até três vezes o seu comprimento sem perda da elasticidade e tem uma superfície antiaderente que resiste à sujeira. Para completar, o ETFE é facilmente reparável, é reciclável e durável, não sofrendo danos quando exposto aos raios UV
Fibra de carbono é uma fibra sintética composta de finos filamentos de 5 a 10 micrometros de diâmetro e composta principalmente de carbono. Cada filamento é a união de diversos milhares de fibras de carbono. É uma fibra sintética porque é feita a partir de poliacrilonitrila. Possui propriedades mecânicas semelhantes às do aço e é leve como madeira ou plástico. Por sua dureza tem maior resistência ao impacto do que o aço.
Sua principal aplicação é a fabricação de compósitos na maioria dos casos, cerca de 75% - com polímeros termofixos. O polímero é geralmente resina epóxi do tipo termofixa, mas também pode ser associado com outros polímeros, tais como poliéster ouviniléster.
Ciência Engenharia de Materiais - Uma Introdução - 8ª Ed. 2012
Callister Jr., William D. 
Editora: Ltc