Compósitos com Matriz Metálica

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA 
CURSO SUPERIOR EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
CIÊNCIAS DOS MATERIAIS: 
 COMPÓSITOS COM MATRIZ METÁLICA 
 
 
 
 
CÁSSIO GABRIEL DA SILVA 
WESLEY SPARREMBERGER CORREIA 
 
 
 
PROFESSORA: CARMEN IARA WALTER CALCAGNO 
 
 
 
Sapucaia, maio de 2017. 
INTRODUÇÃO 
 
Os compósitos são uma classe de materiais em que são usadas duas fases distintas em sua 
construção (dois ou mais materiais diferentes), sendo então materiais multifásicos em que há uma 
matriz e um ou mais reforços. Segundo o Callister, o material é compósito quando essas duas ou 
mais fases exibem uma proporção significativa das propriedades das fases que constituem o 
compósito. Se comparados com os materiais feitos de apenas um elemento, estes não teriam tanta 
utilidade para as aplicações efetivas as quais são enquadrados, quanto o compósito tem. Um 
exemplo de ocorrência natural de compósito é o osso, onde há principalmente cálcio e fosfato 
(resistente e frágil) e então um reforço de colágeno (Maleável e dúctil). E um exemplo de sintético é 
o concreto, onde cimento é o principal, e brita e areia os reforços agregados. 
Os metais podem ser altamente beneficiados com reforços de outros materiais, podendo 
resultar em aumento de resistência mecânica, dureza, temperatura de trabalho, resistência a abrasão, 
condutividade térmica e estabilidade dimensional. Se tornando então em uma das divisões de 
materiais compósitos, os compósitos de matriz metálica (MMC – metal-matrix composites). O 
termo matriz metálica se refere ao material principal do compósito ser um metal, e seu reforço estar 
disperso nessa fase metálica, seja fibras, pó ou partículas. Esse tipo oferece alta relação 
resistência/peso, alta rigidez e boa resistência contra danos em uma grande gama de aplicações, 
fazendo destes substitutos melhores para muitas aplicações em que se usa o material monolítico. 
O presente trabalho buscará nos demonstrar um vasto campo de informações referentes a 
compósitos, com ênfase em compósitos com matriz metálica. Dentro destes assuntos 
apresentaremos conceitos dos compósitos, aplicações, propriedades e métodos de preparação. 
 
 
DESENVOLVIMENTO 
 
Compósitos 
Os compósitos são materiais formados por dois ou mais constituintes e que apresentam 
propriedades distintas de seus componentes separadamente. Pode ser definido como um material 
multifásico feito artificialmente, em contraste com um material que ocorre ou que se forma 
naturalmente. Isto evidencia que estes materiais são misturas não solúveis com composições, 
propriedades e estruturas diferentes, mas que se combinam e em que um dos materiais garante a 
ligação – matriz – e o outro a resistência – reforço. Pode-se acrescentar que a criação dos 
compósitos teve como finalidade a melhoria das combinações de características mecânicas 
(propriedades) pela adição de reforços, tais como rigidez, resistência mecânica, vida à fadiga, 
resistência ao desgaste, peso, resistência à corrosão, comportamento mecânico a altas temperaturas, 
isolamento térmico, condutibilidade térmica e isolamento acústico. 
Em geral, os compósitos consistem numa fase endurecedora, reforço, constituído 
normalmente por partículas, micropartículas, whiskers, fibras curtas e fibras longas, embebidas 
numa matriz. A matriz é a responsável por transferir os esforços mecânicos para o reforço e por 
garantir maior tenacidade, resistência à fadiga e resistência à corrosão do material compósito. O 
reforço, por sua vez, tem a tarefa de suportar os esforços mecânicos que lhe são transferidos pela 
matriz, e isso só pode acontecer se houver garantia de boa afinidade química entre ambos – do 
contrário, a transferência de carga é ineficiente. Aliás, essa boa afinidade química gera outra região, 
chamada de interface, que é tão importante quanto as outras já citadas. Estas três regiões são 
ilustradas na figura abaixo: 
Figura 1 
 
Fonte:www.notapositiva.com 
Existem vários tipos de materiais compósitos com matrizes metálicas, cerâmicas ou 
poliméricas. No entanto, este estudo será dedicado essencialmente aos compósitos de matriz 
metálica. 
Compósitos com Matriz Metálica 
Nos compósitos com matriz metálica, a matriz é um metal dúctil. A escolha de um 
compósito com este tipo de matriz se dá em função das características finais pretendidas, dos 
processos de fabricação e compatibilidade entre a matriz e o reforço. Os MMC apresentam a 
possibilidade de serem trabalhados a temperaturas bem maiores do que seus respectivos metais de 
base; ainda, o reforço pode melhorar a rigidez e resistência específica, resistência à abrasão e à 
fluência, a condutividade térmica e a estabilidade dimensional. Algumas das vantagens desses 
materiais, se compararmos aos de matriz poliméricas incluem temperatura de operação mais 
elevadas, não serem inflamáveis e maior resistência a degradação por fluidos orgânicos. Os 
compósitos com matriz metálica são muito mais caros que os PMCs e, por este motivo, os 
compósitos de matriz metálica são bastante restritos. 
Exemplo de compósitos de matriz metálica com alta afinidade com os elementos de 
reforço é o caso do ferro. O reforço de carbono presente no ferro forma Fe3C (Cementita) que 
aumenta as propriedades de resistência a tração e dureza do material. 
 
Nanocompósitos de Matriz Metálica 
Os nanocompósitos são uma nova classe de materiais de reforço. Estes materiais são 
combinações entre uma matriz e partículas que atuam como reforço, isto é, os nanocompósitos são 
obtidos pela incorporação do reforço nanométrico, dispersos na matriz. As partículas tendo 
dimensões nanométricas apresentam uma área de superfície elevada, se comparado ao mesmo peso 
de reforços com partículas grandes, promovendo melhor dispersão na matriz e por isso uma 
melhoria das propriedades físicas do compósito que dependem da homogeneidade do material. 
Esses reforços podem ter dimensões uni, bi, e tridimensional. Exemplos: Grafeno, nanotubos de 
carbono e nano partículas de sílica. O reforço nanométrico deve suportar a carga aplicada ao 
material limitando a deformação do mesmo, e ao mesmo tempo aumentando resistência, dureza, 
rigidez e diminuindo a corrosão e a fadiga quando comparado o nanocompósito com a matriz. 
O artigo Metal matrix composites reinforced with carbon nanotubes by an alternative 
technique faz o estudo e teste de uma nova maneira de se produzir compósitos de matriz metálica, 
usando magnésio reforçado com nanotubos de carbono multi paredes, através da prensa dos 
materiais usando método de sanduiche de compactação a quente, alternando camadas da matriz 
metálica de magnésio e do reforço nanométrico, e então recozendo o material e então o laminando a 
quente. Os nanotubos foram misturados com álcool polivinílico e deixados a curar, foi então 
alongada essa mistura e então distribuídas as duas folhas resultantes da mistura no meio entre três 
folhas de magnésio, esse empilhamento foi para a prensa a 580°, evaporando o álcool, 
fragmentando as folhas de nanotubo e unindo-as as folhas de magnésio, após a compactação o 
compósito foi recozido a 350° e laminado logo em seguida na mesma temperatura. O resultado foi 
uma matriz metálica de magnésio com “folhas” dispersas de nanotubos de carbono com boa 
dispersão e orientação, mantendo uma boa ductilidade da matriz de magnésio e resistência 
direcional dos nanotubos de carbono. 
Figura 2: Corte tirado do artigo detalhando a união 
 
Fonte: Metal matrix composites reinforced with carbon nanotubes by an 
 alternative technique 
 
 
 Aplicações de compósitos de matriz metálica 
Em relação às aplicações desses MMCs,podemos mencionar as indústrias aeronáutica e 
aeroespacial, utilizando em forma de chapas ou peças forjadas, devido à necessidade de 
componentes leves e resistentes. Como estes materiais apresentavam bons desempenhos a indústria 
automobilística incorporou e tem incorporado os compósitos (de uma maneira geral) cada vez mais, 
sendo que uma das pioneiras no caso dos compósitos com matriz metálica foi a Toyota do Japão 
(início da década de 60) que passou a pesquisar esses materiais e terminou por lançar, entre outros 
componentes, os pistões de veículos automotores e bielas. Na figura 3, um exemplo de pistão 
reforçado por fibras de alumina e biela de motor automotivo reforçado por fibras (geralmente 
alumina), com o intuito de resistir as mais altas temperaturas de trabalho e paredes mais finas, o que 
acaba reduzindo seu peso. 
 
Figura 3 
 
Fonte: compositosmetalicos 
 
Não só a indústria automobilística passou a se interessar pelos compósitos, mas também as 
indústrias de materiais, indústrias bélicas e outras se interessaram pelos mesmos e passaram a usar 
os compósitos com matriz metálica e também os outros tipos de compósitos, como por exemplo; A 
bélica, que procurava obter estabilidade térmica e outras propriedades para serem utilizadas em 
componentes de precisão, sistemas de guia inerciais, espelhos para lasers e espelhos rotatórios de 
alta velocidade, espelhos para miras de carros de combate sendo que um dos compósitos usados é o 
de liga 2009 reforçado por 30% vol. SiC; A indústria esportiva com a possibilidade de se usar 
peças mais leves e mais resistentes para raquetes de tênis, quadros de bicicletas e componentes de 
bicicletas, tacos de golfe; E indústria eletrônica no encapsulamento de componentes eletrônicos 
onde se requer alta condutividade térmica aliada a estabilidade dimensional a altas temperaturas. 
Até o ano de 1988 existiam três sistemas compósitos com matriz metálica de alumínio 
considerados como em uso comercial: Fibras de alumina reforçando matrizes de alumínio utilizado 
para pistões de automóveis; Matriz de alumínio reforçada por partículas de SiC utilizado no sistema 
de guia de mísseis; e matriz de alumínio reforçada por fibras de boro e/ou borosilicatos utilizados 
em componentes de foguetes. Atualmente a Honda do Japão faz pesquisas com o intuito de 
substituir partes de blocos de motores que utilizavam ferros fundidos por compósitos com matriz 
metálica reforçada por fibras de alumina e carbono. 
Propriedades dos compósitos com matriz de metal 
Muitos são os materiais metálicos já utilizados como matriz nos CMM, ligas de Cu, Ti, 
Mg, Al, Fe. As ligas leves Al e Mg, são os metais mais utilizados, pois eles apresentam um maior 
número de vantagens como por exemplo, a razão (Tensão/densidade), custo, facilidade de 
processamento. Em aplicações até 450°c o Al é de primeira preferência. Para aplicações a elevadas 
temperaturas, o Ti e as ligas de Ni são os que se apresentam com melhores capacidades. Dentro das 
ligas de alumínio, a escolha de uma determinada liga ou série de ligas, é em função das 
propriedades específicas destas. Podemos citar o alumínio puro muito utilizado devido sua elevada 
capacidade de se deformar plasticamente sendo um ótimo material na fabricação de compósitos por 
processos que envolvem grande deformação plástica da matriz metálica; outras ligas como a Al-Cu 
e Al-Cu-Mg possuem como principal característica a resposta ao endurecimento por precipitação; e 
ainda as ligas Al-Si escolhidas em processos de fabricação que utilizam técnicas próximas da 
fundição. 
Além destes metais acima citados, as superligas também são empregadas como materiais 
da matriz. Já os reforços apresentam-se na forma de particulados, de fibras tanto contínuas, quanto 
descontínuas e de whiskers; as concentrações variam normalmente entre 10% vol. E 60% vol. A 
tabela 1 abaixo expõe as propriedades de diversos compósitos comuns com matriz metálica 
reforçadas com fibras contínuas e alinhadas. 
Tabela 1 
 
Fonte: Livro Ciência e Engenharia dos materiais uma introdução 
 
 
Ainda acrescentamos que as propriedades de fluência e de ruptura a altas temperaturas de 
algumas superligas (ligas à base de Ni e Co) podem ser melhoradas pelo reforço com fibras, usando 
metais refratários, tais como o tungstênio. Também são mantidas as excelentes resistências à 
oxidação em temperaturas elevadas e ao impacto. 
No artigo “Metal matrix composites reinforced with carbon nanotubes by an alternative 
technique”, que nos apresenta mais uma técnica de aprimoramento das propriedades mecânicas dos 
compósitos, sendo os compósitos de matriz metálica com magnésio reforçado com nanotubos de 
carbono, o material estudado, evidencia resultados satisfatórios se compararmos ele a um com 
magnésio sem a presença destes nanotubos de carbono. Nos gráficos a) curvas de tensão-
deformação e b) resistência final e limite de elasticidade, expostos na figura 4, são demonstrados 
após o ensaio de tração, que existe uma melhora significativa no rendimento da força, resistência à 
tração final e módulo de elasticidade; estas excelentes propriedades somente podem ser explicadas 
se existe ligação interfacial entre as multi-paredes de nanotubos de carbono e a matriz metálica. 
Figura 4 
 
Fonte: Metal matrix composites reinforced with carbon nanotubes by an alternative technique 
 
 
Métodos de obtenção 
 
O processamento de MMCs envolve pelo menos duas etapas: consolidação ou síntese, 
procedida de uma operação de conformação. Há muitas técnicas disponíveis para essa mistura entre 
matriz metálica e reforço. A incorporação desses materiais em matriz metálica em grande escala, se 
dá pela dispersão deste pó na fase líquida da matriz. Os processos de infiltração sob pressão são 
aplicados a CMM reforçados por fibras e consiste em se obter um fluxo de metal líquido através de 
interstícios de uma pré-forma, que é um emaranhado de fibras curtas, por meio da aplicação de uma 
pressão ao metal líquido de forma a se obter como produto final uma peça ou uma barra solidificada 
onde o metal líquido preencheu todas as cavidades possíveis dessa pré-forma. 
Porém esse método pode promover pouca dispersão do reforço, gerando pouca 
homogeneidade se usados métodos arcaicos que não facilitem a homogeneidade e dispersão do 
reforço. Mas muitos processos giram em torno da fase líquida da matriz metálica. Outro é a 
prensagem da matriz metálica e do reforço (normalmente fibras) seguido de conformação a quente 
para consolidar a mistura. 
 
O artigo Metal matrix composites reinforced with carbon nanotubes by an alternative 
technique, cita algumas maneiras de como fazer a união (síntese) de nanotubos em matriz metálica, 
antes de detalharem a própria do artigo. Novamente a dispersão do particulado sobre a matriz em 
forma líquida. 
Metalurgia do pó: Processo fácil e econômico. Necessita-se de pós de metais, e de pós do 
nanomaterial a adicionar para reforçar o metal. Há diversos modos de se fazer, um deles é a 
compactação desse pó metálico e reforço manométrico, e então o aquecimento da mistura formando 
uniões entre os grãos metálicos da matriz e o reforço nanométrico, e normalmente após isso, esse 
metal passa por uma compressão a quente, forjamento ou conformação, para consolidar a união, 
mesmo que não aumente muito suas propriedades mecânicas. 
Uma rota alternativa de reforço na superfície é spray térmico em superfícies metálicas, cuja 
aplicação é mais em turbinas, motores automotivos e próteses ortopédicas. O Spray se incorpora na 
superfície do material formando uma espécie de revestimento. Podem ser partículas, materiais 
manométricos. 
 
CONCLUSÃO 
Conforme inicialmente proposto, foi realizadouma análise em compósitos com matrizes 
metálicas, objetivando identificar suas características gerais, aprimoramento de propriedades, suas 
aplicações e os métodos de obtenção. De forma geral, foram expostas as potencialidades da 
utilização de MMCs, em diversos segmentos da indústria. Constatou-se que houve uma melhora 
significativa seguindo o exemplo do artigo, onde grande parte das propriedades mecânicas da matriz 
metálica de magnésio foram melhoradas. Nos últimos anos o estudo de nanocompósitos foi bastante 
intensificado, e conforme o artigo citado, as propriedades dos metais matrizes são muito 
aprimoradas com a adição dos nanotubos de carbono multi camada. E considerando a vasta gama de 
aplicações deste tipo de compósito, é um material de potencialidade muito alta, e processo de 
fabricação mais eficientes e/ou baratos é necessário. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
REFERÊNCIAS 
KETTERMAN, Vivian (Ed.). Compósitos com matriz metálica (MMC). 2017. 
Http://engenheirodemateriais.com.br/2016/04/22/compositos-com-matriz-metalica-mmc/. 
Disponível em: <http://engenheirodemateriais.com.br/2016/04/22/compositos-com-matriz-metalica-
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(Washington, DC: U.S. Government Printing Office, June 1988) 
COMPÓSITOS DE MATRIZ METÁLICA. 2017. Disponível em: 
<https://compositosmetalicos.wordpress.com>. Acesso em: 12 maio 2017. 
BATISTTELE, Rosane Aparecida Gomes; RENOFIO, Adilson. MATRIZES TRADICIONAIS E 
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Http://faculdadeinap.edu.br/materiais_didaticos_disciplinas/materiais e. MATERIAIS 
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<http://faculdadeinap.edu.br/materiais_didaticos_disciplinas/materiais e 
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DUARTE, José Manuel Ferreira. COMPÓSITOS DE MATRIZ METALICA ESTUDO DA 
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Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia Mecânica, 
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<https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/11278/2/Texto integral.pdf>. Acesso em: 11 maio 
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CALLISTER, W. D.,RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução. 
Oitava edição, Rio de Janeiro: LTC 2015.