Introdução ao Estudos dos Materiais

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• 1 – Introdução
O objetivo do estudo de Materiais Elétricos é habilitar os 
estudantes de todas as modalidades da Engenharia Elétrica nas 
quais o profissional especialista se insere, a distinguir e 
recomendar os diversos materiais utilizados em equipamentos e 
componentes elétricos e magnéticos, correlacionando as 
propriedades dos metais, ligas, materiais cerâmicos, 
semicondutores, plásticos e outros tipos de polímeros com suas 
propriedades estruturais, além de conhecer as tendências atuais 
e perspectivas futuras no campo da ciência dos materiais.
• Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades 
estiveram intimamente ligados às habilidades de seus membros 
em produzir e manipular materiais para satisfazer as suas 
necessidades.
• Assim, as civilizações antigas foram designadas pelos pesquisadores 
de acordo com seu nível de desenvolvimento em relação aos 
materiais: 
• Idade da Pedra (50000 AC)
• Idade do Bronze ( 3800 AC) 
• Idade do Ferro ( 1500 AC) 
e assim por diante. 
• Não seria nenhum exagero chamar a época atual com sendo a 
Idade do Silício, uma vez que o Silício é o elemento 
químico fundamental para a fabricação de componentes eletrônicos 
atualmente tão presentes na vida de todos. 
Silício
• Voltando a um passado muito remoto, os 
primeiros seres humanos, tiveram acesso a 
apenas um número muito limitado de 
materiais, apenas aqueles que ocorriam na 
Natureza que os cercava: 
• pedras, madeiras, argila, peles de diversos 
animais, ossos, etc. 
• Com o passar do tempo, o homem primitivo 
pode desenvolver técnicas para a produção de 
outros materiais que teriam propriedades 
superiores àquelas dos materiais até então, 
apenas encontrados na Natureza. 
• Esses novos materiais incluíam cerâmicas e 
vários metais. 
O homem percebeu ainda que as propriedades 
de um dado material poderiam ser 
modificadas através da ação do fogo( ação 
térmica ) e pela adição de outras substâncias.
• O desenvolvimento de muitas das tecnologias 
que tornam a existência do homem na face da 
Terra, uma existência confortável, está 
intimamente ligado ao acesso a materiais 
adequados. 
• Os grandes avanços na Engenharia Elétrica se 
devem ao conhecimento cada vez mais 
profundo e detalhado das propriedades e 
características dos materiais conhecidos como 
• Materiais Isolantes, 
• Materiais Condutores 
• Materiais Magnéticos. 
• Materiais Semicondutores.
• Nos tempos atuais, onde os computadores, 
microprocessadores, as novas TVs digitais e as 
lâmpadas de estado sólido ( LED), tomaram conta do 
cotidiano das pessoas , os chamados Materiais 
Semicondutores tem máxima importância .
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• 2 - Classificação dos Materiais
A moderna Engenharia de Materiais , agrupa os materiais presentes nas 
tecnologias atuais, no seguintes grupos básicos:
• Metais 
• Cerâmicas
• Polímeros
• Materiais Avançados
• Para um melhor entendimento, em termos das características que 
distinguem cada grupo, numa análise inicial, podemos fazer uma breve 
descrição:
• Metais:
• Os materiais desse grupo, são compostos por um ou 
mais elementos químicos metálicos, tais como 
Alumínio, Cobre, Ferro, Prata, Ouro, Platina, Níquel, 
Titânio, entre outros. 
• Além da presença (em quantidades bem menores) de 
elementos químicos não metálicos, tais como Carbono, 
Nitrogênio e Oxigênio.
• Metais:
• Os átomos nos metais e nas suas ligas, estão arranjados em 
uma forma muito ordenada ( estrutura cristalina), e quando 
comparado com as cerâmicas e com os polímeros, são 
relativamente mais densos. 
• Em termos de características mecânicas, os metais se 
apresentam rígidos e resistentes, além de serem dúcteis, 
isto é, são capazes de sofrer deformações sem haver 
fratura. 
• Como característica elétrica importante, os metais e 
materiais metálicos, possuem em grande quantidade, aquilo 
que em Física se denomina “elétrons não localizados“, isto é, 
elétrons não ligados a nenhum átomo em particular. 
• Muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas 
diretamente a esses elétrons “livres”.
• Os metais, as ligas metálicas e os materiais metálicos são 
condutores de eletricidade ( elevada condutividade elétrica ) 
e de calor (elevada condutividade térmica ) extremamente 
eficientes. 
• Além disso, alguns metais apresentam propriedades 
magnéticas notáveis, como por exemplo: o Ferro ( Fe) ,o 
Cobalto (Co) e o Níquel (Ni ).
Moeda de bronze Romana 65 AC
Peça de cobre Etrusca 900AC
Mascara mortuária Faraó 
Tutankamon 1500 AC em ouro
Condutores de cobre
Condutores e caixas de alumínio
• Cerâmicas:
• As cerâmicas são compostos formados entre 
elementos químicos metálicos e não metálicos, sendo 
na maioria das vezes óxidos, carbetos, nitretos, além 
de titanatos. 
A título de ilustração, podemos citar materiais 
cerâmicos que incluem:
• óxido de alumínio ou alumina ( Al2O3 ) ,
• dióxido de silício ( SiO2 ) , 
• titanato de bário ( BaTiO3 ),
• carbeto de silício ( SiC ) , 
entre tantos outros. 
Alumina
• São também considerados materiais 
cerâmicos, aqueles materiais compostos por :
• argilas e minerais argilosos ( as conhecidas 
porcelanas ) 
• cimento
• vidro
Ânfora Grega Cerâmica 450 AC
Vaso Sumério Cerâmica 
2500 AC
Azulejos vitrificados de Sakkara , Egito 3500 AC
Ânforas de vidro Romanas 50 AC
Isoladores de cerâmica e 
porcelana
Vidro
Isoladores de vidro
• Em termos de características mecânicas, os 
materiais cerâmicos são relativamente rígidos 
e resistentes (compatíveis com os materiais 
metálicos ). 
• Historicamente, as cerâmicas sempre exibiram 
grande fragilidade por não serem dúcteis, 
sendo altamente suscetíveis a fraturas. 
• Com as tecnologias atuais é possível obter 
cerâmicas de elevada resistência a fratura, 
sendo utilizadas em diversos ramos da 
Engenharia.
• Os materiais cerâmicos são tipicamente 
isolantes a passagem de corrente elétrica 
(baixa condutividade elétrica ) e a transmissão 
de calor( baixa condutividade térmica).
Alguns óxidos cerâmicos apresentam 
comportamento magnético, como o oxido de 
ferro Fe3O4.( Ferritas)
Ferritas
• Polímeros:
• Os polímeros incluem os materiais conhecidos 
genericamente como “ plásticos “ e as 
borrachas ( elastômeros ) . 
• Na sua grande maioria, são materiais 
fabricados a partir de compostos orgânicos, 
que tem sua química baseada no Carbono, no 
Hidrogênio e em outros elementos químicos 
não metálicos tais como Oxigênio (O) 
e Nitrogênio (N) . 
PVCPolietileno
• Polímeros:
• São materiais com estruturas moleculares 
muito grandes, em geral na forma de cadeias 
formadas por átomos de Carbono
Macromolécula de PVC
Macromolécula de 
Polietileno
Isoladores de alta tensão em polímero
Capa isolante em PVC e XLPE
Capa isolante em PVC
borracha de 
silicone
• A título de exemplo, podemos citar alguns
polímeros largamente utilizados em diversos 
campos da Engenharia tais como :
• polietileno ( PE )
• poliestireno ( PS )
• policarbonato ( PC )
• cloreto de polivinila ( PVC )
• nylon 
• borracha de silicone. 
• Em geral, estes materiais apresentam baixo 
peso específico ( baixa densidade ) . 
• Em termos de características mecânicas, os 
polímeros apresentam elevada rigidez e 
resistência em relação a sua massa. 
• Em geral são extremamente dúcteis e flexíveis 
(plásticos ) , o que torna possível de serem 
facilmente conformados em formas 
complexas. 
• Uma desvantagem notável dos polímeros é a 
sua tendência a amolecer e/ou se decompor 
em temperaturas relativamente baixas, o que 
em algumas aplicações, limita o seu uso.
• Os polímeros, dada sua estrutura complexa, 
são tipicamente isolantes a passagem de 
corrente elétrica ( baixíssima condutividade 
elétrica ). 
Não apresentam comportamento magnético.
• Materiais Avançados:
Os materiais utilizados em aplicações de alta 
tecnologia ( high tech ), tais como equipamentos 
eletrônicos , computadores, sistemas de fibras 
ópticas, lasers, armazenamento de informações,aeronaves, satélites, equipamentos militares, etc , 
são conhecidos como materiais avançados .
Podem ser materiais tradicionais que tiveram 
suas propriedades aprimoradas ou materiais de 
elevado desempenho desenvolvidos 
recentemente. 
São materiais que apresentam em geral custo 
muito elevado.
• São considerados Materiais Avançados :
• Semicondutores
• Compósitos
• Biomateriais
• Materiais Inteligentes
• Nanomateriais
• Semicondutores:
• Os chamados materiais semicondutores
possuem propriedades elétricas que são 
intermediárias entre aquelas exibidas pelos 
materiais condutores : metais e ligas metálicas 
e 
materiais isolantes :cerâmicas e polímeros . 
• Os materiais semicondutores possibilitaram o 
desenvolvimento de vários componentes 
presentes na eletrônica moderna, bem como os 
chamados circuitos integrados, os quais 
revolucionaram a indústria ao longo das três 
últimas décadas.
As características elétricas 
destes materiais são sensíveis 
a mínima presença de átomos 
de impurezas . 
Componentes semicondutores
• Compósitos:
• Um compósito é um material composto por 
dois ou mais materiais individuais, os quais se 
enquadram nos materiais comentados 
anteriormente: Metais, Cerâmicas e 
Polímeros. 
• O objetivo do projeto de um compósito é 
conseguir uma combinação de propriedades 
que não é encontrada em qualquer material 
isolado, bem como incorporar as melhores 
características de cada um dos materiais 
componentes. 
• Um grande número de materiais compósitos é
obtido por diferentes combinações de metais,
cerâmicas e polímeros.
• Um dos materiais compósitos mais comum e
familiar é aquele conhecido como “compósito de
fibra de vidro“ ( fiber glass ), onde pequenas fibras
feitas de vidro são encerradas dentro de um
material polimérico ( normalmente uma resina
epoxy ou uma resina de poliéster ).
• As fibras de vidro são rígidas porém frágeis,
enquanto que o material polimérico é flexível.
Assim, o material compósito resultante é
relativamente rígido, resistente e flexível.
Fibra de Vidro
• Outro compósito tecnologicamente 
importante é aquele composto de um 
polímero reforçado com fibras de carbono , 
conhecido como PRFC. 
Fibra de Carbono
• Neste material compósito, as fibras de 
carbono são colocadas no interior de um 
polímero, resultando num material mais rígido 
e mais resistente do que os compósitos 
reforçados com fibras de vidro, porém de 
custo bem mais elevado.
• Biomateriais:
• Os biomateriais são utilizados em componentes 
implantados no corpo humano, para a 
substituição de partes do corpo doentes ou 
danificadas. 
Biomateriais
Estes materiais não podem produzir substancias 
tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos 
que formam as diversas partes do corpo, não 
devendo produzir reações adversas. 
• Metais, cerâmicas e polímeros podem ser 
utilizados como biomateriais, desde que reúnam 
características de não toxidade e compatibilidade
com as estruturas biológicas que formam os 
tecidos do corpo humano.
Biomateriais
• Materiais Inteligentes:
• Os materiais inteligentes formam um grupo de 
materiais de última geração, que estão sendo 
atualmente desenvolvidos e que terão 
influência significativa em diversas 
tecnologias.
• Dizer que o material é inteligente, significa 
dizer que este material é capaz de sentir 
mudanças nos seus ambientes e desta forma 
responder a estas mudanças segundo 
maneiras predeterminadas.
A troca iônica que ocorre no 
eletrólito polimérico faz com 
que as camadas de polímero
( polipirrol ) se movimentem 
em direções proporcionais a 
polaridade definida pelos íons 
( sentido da corrente )
Esquema de funcionamento de um músculo artificial baseado em plásticos 
inteligentes.
Aplicações de plásticos inteligentes em dispositivos onde o estímulo de uma 
corrente elétrica seja respondido com um movimento mecânico, da mesma forma 
como nos músculos de animais
Materiais Inteligentes 
polipirrol
• Os componentes de um material classificado 
como inteligente, incluem algum tipo de 
sensor, para detectar o sinal de entrada, e 
algum tipo de atuador, que executa uma 
função de resposta e adaptação. 
• Os atuadores podem provocar mudanças de 
forma, de posição, de frequência ou mesmo 
de características mecânicas em resposta a 
mudanças na temperatura, nos campos 
elétricos e / ou campos magnéticos.
• As cerâmicas piezoelétricas se expandem e se 
contraem em resposta à aplicação de um 
campo elétrico (aplicação de uma diferença de 
potencial) . 
De maneira inversa, estas cerâmicas geram 
um campo elétrico (diferença de potencial) 
quando suas dimensões são alteradas . 
• Nanomateriais:
• Um novo conjunto de materiais tem surgido recentemente, 
apresentando propriedades muito interessantes e 
prometendo uma grande revolução tecnológica. 
São os nanomateriais.
• Nanomateriais:
O termo “nano” significa que as dimensões das 
estruturas associadas a esses materiais é da 
ordem de nanômetro ( 10-9 m )
• Estes materiais podem ser formados por 
qualquer um dos materiais já vistos , tais 
como os metais , cerâmicas, polímeros e 
compósitos. 
• Nesta nova classe de materiais, os 
nanomateriais não são diferenciados com 
base nas suas propriedades físico químicas, 
mas sim pelo seu tamanho extremamente 
reduzido .
• ( 10-9 m )
nanomateriais
nanorobótica
( 10-9 m )
• Nanomateriais –Algumas Aplicações
• Cosméticos e protetores solares : nanopartículas de TiO2 e ZnO são 
atualmente utilizados em protetores solares , por serem transparentes a 
luz visível e por refletirem a radiação UV.
• Nanomateriais –Algumas Aplicações
Compósitos : Utilização de nanopartículas e nanotubos, melhorando as 
propriedades mecânicas, ópticas, elétricas e magnéticas destes materiais.
nanotubos
• Nanomateriais –Algumas Aplicações
• Materiais de revestimento de superfícies: Aumento da resistência 
mecânica, oferecendo maior proteção contra ação de agentes externos. 
Como exemplo: revestimento de pisos com nanopartículas de Prata , que 
tem ação bactericida ou nanopartículas de TiO2, que apresenta ação 
repelente a água.
• Ferramentas industriais: Ferramentas mais resistentes , utilizando 
nanocristais de carbeto de Tungstênio, carbeto de Tântalo e Titânio.