Aula 1 MCM Revac_Aula Inaugural_SN_2020_2

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Prof. Me. Silvestre S. Neto
Disciplina: ERV - 004
Materiais de Construção Mecânica
Ensino Superior de Tecnologia em Refrigeração,
Ventilação e Ar Condicionado - REVAC
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OBJETIVOS e EMENTA DA DISCIPLINA (VER-004)
Objetivos:
Preparar o tecnólogo para as atividades profissionais nas áreas de
Controle de Qualidade, Tratamentos Térmicos, Pesquisa e
Desenvolvimento de Projetos de Produtos, Especificações e Métodos nas
Áreas de Mecânica/Metalurgia. Desenvolver competências com relação a
empregabilidade das ligas referentes aos projetos de equipamentos ou
peças em geral quanto as suas propriedades e composição química.
Ementa:
Classificação dos materiais. Propriedades dos materiais. Materiais
usados em construções mecânicas. Estrutura dos Materiais. Cristalizações
dos metais. Deformação dos metais. Constituição das ligas metálicas.
Sistemas Isomorfos e Sistemas Eutéticos. Constituição das ligas não
ferrosas. Estudo das propriedades mecânicas dos materiais: tração,
dureza, dobramento, impacto etc.
BIBLIOGRAFIA (ERV-004)
BIBLIOGRAFIA BÁSICA:
CALISTER, W. D. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais,
2ª edição. LTC, 2006.
CHIAVERINI, V. Estrutura e Propriedades dos Materiais. Volumes I, II, e
III, 2ªedição. ABM, 2000.
SOUSA, S.A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, 5ª edição.
Edgard Blucher, 2006.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR:
ASKLAND, D.R. Ciência e Engenharia de Materiais. 1ºed. São Paulo:
Cingage Learning. 2008.
CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma
introdução. 7.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.
CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO
Em que:
LE = Lista de Exercícios (DILUÍDA NO SEMESTRE/FORMS)
ATP = Atividades Programadas (Conforme Compensações – 04)
SMO = Síntese de Microcospia Ótica (em Grupo)
SMG = Seminários – Ensaios (em Grupo)
TR = Tarefa de Recuperação Paralela e Contínua (Individual)
OBS: LE e ATP (Individuais)
MÉDIA FINAL = (0.25*LE+0.25*ATP+0.25*SMO+0.25*SMG)≥ 6,0
MÉDIA FINAL < 6,0 TR
MÉDIA FINAL (EXAME) = [(0.25*LE+0.25*ATP+0.25*SMO+0.25*SMG) + TR] / 2 ≥ 6,0
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Link para material de apoio:
https://tinyurl.com/MCM-Prof-Silvestre
DATAS DE ATIVIDADES
DATAS
LE – 04 (Diluídas/c/ Teoria – Lançadas no
Teams e realizadas em aula)
ATPs – 12/9, 03/10, 31/10 e 28/11/20
SMO – SÍNTESE/GRUPO (30/11/2020)
SMG – SEMINÁRIO/GRUPO (07/12/2020)
TR – Recuperação/ Contínua (21/12/2020)
AM ou PI
Não 
Ocorrerão
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MCM
Baseada em
CEM
Tópicos Abordados
 História dos Materiais?
 O que é Ciência e Engenharia de 
Materiais?
 Por que estudar Ciência e Engenharia 
de Materiais?
 Quais são as classificações atuais?
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INTRODUÇÃO
Qual a importância dos materiais?
A importância dos materiais na vida dos homens foi
tanta que as ‘eras’ são divididas por materiais
característicos da época:
 Idade da Pedra (~milhões a.C)
 Idade do Bronze (~3.500 a.C.)
 Idade do Ferro (~1.000 a.C.)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
INTRODUÇÃO
PERSPECTIVA HISTÓRICA
INTRODUÇÃO
Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um número 
limitado de materiais naturais: pedra, madeira, argila, peles.
Qual a importância dos materiais para 
o avanço da humanidade?
INTRODUÇÃO
• O desenvolvimento de novas tecnologias que está 
associado ao acesso a materiais adequados;
• Grandes avanços tecnológicos estão sempre 
associados a descoberta de novos materiais!
Pagani: carro de fibra de carbono.
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INTRODUÇÃO
O transistor foi inventado nos Laboratórios da Beel Telephone em 1947. 
 Ciência dos materiais: Estudo da relação entre 
as estruturas e propriedades dos materiais;
 Engenharia de materiais: Criação de novos 
produtos ou desenvolvimento de técnicas de 
processamento de materiais com base na 
relação de estrutura-propriedade.
 Propriedade?
 Estrutura?
Todo material exposto a um estímulo externo exerce
uma resposta. Uma “propriedade” consiste na resposta 
a uma estímulo específico.
 As principais propriedades dos sólidos podem ser 
agrupadas em:
◦ Mecânicas (deformação, dureza, resistência);
◦ Elétricas (condutividade, resistividade);
◦Térmicas (capacidade calorífica, coeficiente de 
dilatação);
◦ Magnéticas (indução magnética);
◦ Ópticas (opacidade, refletividade, índice de refração);
◦ Reatividade Química (corrosão, oxidação, desgaste).
Propriedades dos materiais?
Do que depende as propriedades 
dos materiais?
Bloco de um motor de 4 
cilindros de alumínio.
É o arranjo dos componentes internos do 
material em estudo.
Do que depende as propriedades 
dos materiais?
• Estrutura
• Composição
Natureza química dos materiais.
 Estrutura pode (e deve) ser analisada em 
diferentes ESCALAS:
◦ Subatômica (elétrons no interior dos 
átomos)
◦ Atômica (átomos ou moléculas)
◦ Microscópica (microestrutura)
◦ Macroscópica (macroestrutura)
Estrutura dos Materiais
Escala e Estrutura
Bloco de motor em 
liga de alumínio.
Segundo a distribuição espacial dos átomos, moléculas 
ou íons, os sólidos podem ser classificados em:
Estrutura dos Materiais
 Cristalinos: Compostos por 
átomos, moléculas ou íons 
arranjados de uma forma 
periódica em três dimensões. 
 Exemplos: Materiais 
metálicos (Fe, Al, Zn e Bi) e 
Cerâmicos (Al2O3, SiO2).
As estruturas atômicas do diamante e do grafite, respectivamente.
Estrutura dos Materiais
 Cristalino:
 Amorfos: Compostos por 
átomos, moléculas ou íons que 
apresentam ordenação
aleatória e de curto alcance.
 Exemplos: Vidros e Polímeros.
Segundo a distribuição espacial dos átomos, moléculas 
ou íons, os sólidos podem ser classificados em:
Estrutura dos Materiais
Processamento: 
 A estrutura do material irá 
depender do processamento;
 Conjunto de técnicas para 
obtenção de materiais com formas 
e propriedades específicas.
Do que depende a estrutura 
dos materiais?
Formação de Cristais e Amorfos
Para a formação de um vidro é necessário um resfriamento 
rápido em um líquido que impede a cristalização.
Sólidos Cristalinos e Amorfos
a) Cristalinos: Ordem de 
curto e longo alcance.
b) Amorfos: Apenas 
ordem de curto alcance.
Exemplo: Sílica (SiO2)
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Outros Materiais Amorfos
Vidro Metálico: 
É possível fabricar vidros metálicos de zircônio, titânio, níquel e cobre a partir do 
estado líquido por resfriamento ultra-rápido: -106 C/s.
 Possui propriedades do vidro e do metal;
 Sua estrutura atômica é aleatória e desordenada, 
diferente da estrutura cristalina dos metais - permite ao 
material ser altamente maleável e resistente à corrosão.
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Componentes Essenciais de CM
A relação de interdependência entre processamento, 
estrutura, propriedades e desempenho.
Amostras de óxido de alumínio (Al2O3) processadas por 
diferentes rotas. 
Exemplo de Processamento-Estrutura-
Propriedade-Desempenho
Monocristal
(transparente)
Policristal
denso
(translúcido)
Policristal
poroso
(opaco)
Efeito da Microestrutura nas
Propriedades do Material
Exemplo: Alumina porosa e não-porosa
COMO ESCOLHER ???
Quantos materiais diferentes 
existem?
Entre 40.000 e 80.000, 
composiçãos diferentes 
de materiais!
Como definir qual o melhor material 
para um determinado fim? 
Com que roupa eu vou?
Diferenças entre os 
materiais que 
cobrem os 
smartphones
influenciam no preço, 
peso e até na 
recepção de sinal.
 Propriedades requeridas para tal 
aplicação;
 Condições de operação;
 O tipo de degradação que o material 
sofrerá em serviço;
 Econômica: Qual o custo do produto 
acabado??? 
Quais os critérios deve-se adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
 Em primeiro lugar, deve-se caracterizar quais 
as condições de operação que será 
submetido o referido material e levantar as 
propriedades requeridas para tal aplicação!
Quais os critérios deve-se adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
Refratário de uma forno submetido à altas temperaturas.
 A segunda consideração na escolha do material 
refere-se ao levantamento sobre o tipode
degradação que o material sofrerá em serviço;
 Por exemplo, elevadas temperaturas e 
ambientes corrosivos diminuem 
consideravelmente a resistência mecânica.
Quais os critérios deve-se adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
Refratário corroído na abóbada do forno.
 Em raras ocasiões um material reúne uma 
combinação ideal de propriedades, ou seja, 
muitas vezes é necessário abrir mão de uma em 
benefício da outra;
 Exemplo: Elementos de um motor: resistência 
à altas temperatura e ductilidade;
Geralmente um material de alta resistência
apresenta ductilidade limitada. 
Quais os critérios deve-se adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
Peças de um motor automotivo. O uso da 
cerâmica ainda é restrito devido a fragilidade
e ao alto custo destes materiais.
 Finalmente, a consideração talvez mais 
definitiva é provavelmente a econômica: 
Qual o custo do produto acabado??? 
Um material pode reunir um conjunto 
ideal de propriedades, porém com custo 
muito elevado. 
Quais os critérios deve-se adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)
• Grande exigência 
tecnológica
• Utilização dos materiais
nos limites
• Produtos não
diferenciados
• Utilização de materiais 
abaixo dos limites
 A classificação tradicional dos 
materiais sólidos é geralmente baseada na 
composição e ligações químicas.
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 Metais
 Cerâmicos
 Polímeros
 Compósitos
Os materiais sólidos foram agrupados em:
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Classificação
Tradicional
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 2
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0
3
 B
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Metals
Ceramic 
combination 
with a metal
Associated with 
polymers
Semiconductor 
materials
Metais
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Os Metais na Tabela Periódica
Metais
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 São geralmente uma combinação
de elementos metálicos (tais
como ferro, alumínio, cobre,
titânio, ouro e níquel) e, também
elementos não-metálicos
(carbono, nitrogênio e oxigênio) em
quantidades pequenas (liga Fe-C);
 Os materiais metálicos possuem 
normalmente uma estrutura 
cristalina na qual os átomos estão 
arranjados de maneira ordenada;
 São relativamente densos em 
comparação às cerâmicas e aos 
polímeros.
Metais
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 São mecanicamente rígidos e 
resistentes, dúcteis (isto é, são 
capazes de grandes quantidades 
de deformação) e são resistentes 
à fratura;
 São bons condutores de calor e 
de eletricidade;
 Não são transparentes à luzVIS;
Têm aparência brilhosa quando
polidos;
 Alguns metais (ex.: Fe, Co e Ni) 
possuem propriedades
magnéticas.
Metais
• Condução de eletricidade: fiação elétrica, conectores, etc;
• Estruturas: construção civil, pontes, pavilhões industriais, etc;
• Automóveis: corpo, chassis, molas, bloco do motor, etc.;
• Aeroplanos: componentes do motor, fuselagem, etc.;
• Trens: trilhos, componentes do motor, corpo, rodas;
• Máquinas e ferramentas: brocas, martelos, chaves-de-fenda, 
lâminas de serra, etc.;
Aplicações dos Metais
Ferros e Aços
Ligas não-ferrosas
e Ligas Leves (Al, Ti, etc)
Aplicações 
Aeroespaciais
Aplicações em
Indústrias em Geral
Aplicações dos Metais
Aplicações dos Metais
Motor a jato
 Feito essencialmente de 
ligas metálicas;
 Por ex.: superligas de 
níquel resistentes à altas 
temperaturas, com 
elevada resistência 
mecânica e química.
 Aplicações de Alta Tecnologia
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Vidros e 
Cerâmicos
Os Cerâmicos na Tabela Periódica
Os materiais cerâmicos são constituídos de metais e 
não-metais.
Vidros e 
Cerâmicos
O grafite e o 
diamante são 
considerados 
cerâmicas!
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 São geralmente uma combinação
de elementos metálicos e não-
metálicos com exceção do 
carbono;
 Óxidos, nitretos e carbetos (por
exemplo: alumina Al2O3, sílica SiO2, 
carbeto de silício, SiC) ou
materiais tradicionais (compostos 
por minerais argilosos);
 Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são rígidas
e resistentes (comparáveis aos
metais);
 São tipicamente duras porém
frágeis (ausência de ductilidade);
Vidros e 
Cerâmicos
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 São geralmente isolantes de 
calor e eletricidade (baixa
condutividade térmica e elétrica);
 São mais resistentes à altas
temperaturas e a ambientes
corrosivos do que metais e 
polímeros;
 Possuem estrutura cristalina, 
amorfa (vítrea) ou 
parcialmente cristalino 
(vitrocerâmicos – cristais em 
uma matriz vítrea);
 Podem ser transparentes, 
translúcidas ou opacas;
Vidros e 
Cerâmicos
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 Podem ser transparentes, 
translúcidas ou opacas;
 Em geral são leves;
 Algumas cerâmicas a base de 
óxidos (por exemplo, Fe3O4) 
exibem comportamento
magnético.
Vidros e 
Cerâmicos
Aplicações das Cerâmicas
• Cerâmicas Tradicionais: materiais de revestimento, tijolos, 
blocos, telhas, louças, materiais refratários, pigmentos, abrasivos, 
vidro, cimento e cal; 
• Cerâmicas Avançadas: palhetas de turbinas, indústria 
aeroespacial, ferramentas de corte de alta velocidade, implantes 
ósseos e dentários, materiais de alta resistência à abrasão, 
refratários especiais, etc.
 Cubo de sílica de isolamento 
térmico: o interior do cubo 
está a 1250ºC e pode ser 
manuseado sem proteção;
 Usada no isolamento térmico 
do Space Shuttle (ônibus 
espacial).
Aplicações das Cerâmicas
•Tória (óxido de tório)
• É o material cerâmico
mais estável e o de mais
alto ponto de fusão
(3315°C), aplicado em
reatores nucleares.
 Aplicações de Alta Tecnologia
 Azulejos feitos a partir de 10% 
fibras de sílica de alta pureza 
(99,8%) e 90% de espaço vazio;
 Densidade = 0,144 g/cm3;
 Temp ~ 1260°C.
silica tiles
(400-1260ºC)
reinf C-C 
(1650ºC)
Cerca de 20.000 azulejos 
cerâmicos de sílica para o 
isolamento de superfície 
externa do ônibus espacial.
 Superfície atinge 
temperaturas superiores à 
1000oC;
 Calor é criado pelo 
atrito com a atmosfera durante 
a reentrada da órbita;
Aplicações das Cerâmicas
Os azulejos do Space Shuttle que suportam 
temperaturas superficiais de 1260 C.
Polímeros
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Os Polímeros na tabela periódica
Polímeros
São compostos orgânicos baseados em carbono, 
hidrogênio e outros elementos não-metálicos (como
O, N e Si).
 São geralmente compostos
orgânicos baseados em carbono, 
hidrogênio e outros elementos não-
metálicos (como O, N e Si);
 Materiais poliméricos incluem
plásticos e borrachas;
 Constituídos de cadeias moleculares
muito grandes (macromoléculas), na
maioria amorfos ou semicristalinos;
 Alguns polímeros comuns e 
familiares são: polietileno (PE), o 
náilon, o cloreto de polivinila (PVC), 
o policarbonato (PC), o poliestireno
(PS) e a borracha de silicone.
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Polímeros
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 Apresentam baixa densidade;
 Não são rígidos e resistentes
como os outros materiais;
 Muitos são extremamente
dúcteis e flexíveis;
 São relativamente inertes
quimicamente e não reativos em
diversos ambientes;
 Maior desvantagem dos 
polímeros é sua tendência em
amolecer ou decompor em
temperaturas moderadas;
 Possuem baixa condutividade
elétrica e são não-magnéticos.
Polímeros
Poliestireno (PS) é
encontrado nas caixas 
que embalam 
sanduíches. 
Trata-se de um bom 
isolante térmico!
Nas escovas de dentes, as
cerdas são feitas de nylon,
e o cabo, de polietileno.
Aplicações dos Polímeros
• Nas fraldas, os polímeros estão 
também presentes, o polietileno; 
• Poliacrilato de sódio (flocgel): 
polímero super-absorvente utilizado 
na forma de pequenos cristais;
• Material com grande capacidade 
de retenção de água: 800vezes o 
seu peso em água!
Aplicações dos Polímeros
•As placas de circuitos integrados utilizam o 
termofixos para satisfazer as rigorosas exigências de 
resistência mecânica, estabilidade dimensional em 
“altas” temperaturas.
Polímeros de ligação cruzada
Termofixos: As ligações primárias formadas entre as cadeias de 
polímeros fazem com que o polímero fique mais firme.
Aplicações dos Polímeros
• KEVLAR (fibra sintética de aramida): 
construção de colete, escudo balístico e tanque de 
combustível dos carros de fórmula 1são compostos 
deste material, afim de evitar que objetos pontudos 
perfurem os tanques no momento da colisão.
Aplicações dos Polímeros
Colete Balístico: Quando o colete é atingido, as fibras do tecido 
absorvem e dissipam a energia do impacto, diminuindo sua 
velocidade, minimizando a ação da bala.
Detalhamento do colete balístico:
Exemplos:
Fibra de Vidro com polímero:
Capacetes
Fibra de Carbono com polímero:
Aviões
Carros
Compósitos
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 Materiais compósitos são constituídos
por dois ou mais materiais individuais;
 São “projetados” para apresentarem a 
combinação das melhores
características de cada material 
constituinte.
• Madeira: fibra de celulose resistentes 
e flexíveis envolvidas por uma matriz 
mais rígida chamada lignina;
• Ossos: proteína forte mas mole 
(colágeno) + mineral duro frágil 
(apatita).
Compósitos
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 Materiais multifásicos;
 Compatíveis quimicamente;
 Propriedades mecânicas
complementares;
 Propriedades finais do compósito 
função das propriedades dos 
constituintes.
Naturais:
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 Constituição: um elemento 
de reforço envolvido por uma 
matriz de resina ligante;
 Os componentes podem ser 
identificados fisicamente por 
uma interface bem definida 
entre eles;
 Podem ser de vários tipos, 
fibrosos (fibras envolvidas por 
uma matriz) ou particulados
(partículas em uma matriz).
Compósitos
Fibra de carbono
Fibras de alumina 
incorporadas em uma 
matriz de alumina 
sinterizada.
Compósitos
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Fibra de carbono
Sintetizados:
 Exemplo: Compósito
de matriz polimérica com 
fibra de vidro;
 As fibras de vidro são
resistentes e rígidas
(porém frágeis), enquanto
o polímero é dúctil;
 Dessa forma, o 
compósito resultante é 
relativamente rígido,
resistente, flexível e 
dúctil;
 Além disso, possui baixa
densidade.
Fibra de vidro
Compósitos
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 Exemplo: Compósito de fibras
de carbono em matriz polimérica;
 Estes materiais são mais rígidos e
resistentes do que com fibras de 
vidro, no entanto, são mais caros. 
Compósitos
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
São usados em aeronaves, equipamentos esportivos (bicicletas, tacos de 
golfe, raquetes de tênis, esquis, pranchas de snowboard) e etc.
Aplicações dos Compósitos
Aumento de materiais compósitos no percentual de peso total de aeronaves 
de 1970-2013.
Aplicações dos Compósitos
 Materiais semicondutores
apresentam propriedades elétricas
que são intermediárias entre 
condutores e isolantes;
 As características elétricas são
extremamente sensíveis à presença
de pequenas quantidades de
impurezas, cuja concentração pode
ser controlada em pequenas regiões
do material para transmitir e 
controlar uma corrente elétrica;
 Os semicondutores tornaram
possível o advento do circuito
integrado que revolucionou as 
indústrias de eletrônica.
 Exemplos: Si, Ge, GaAs, GaN, etc.
InP
Semicondutores
MATERIAIS AVANÇADOS
Imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) de um dispositivo 
microeletrônico construído a partir de filmes finos semicondutores 
conectados e isolados.
• Dispositivos com alta 
integração (por exemplo, 
processadores) 
possuem diversos filmes 
finos para a formação
de transistores, diodos, 
capacitores e linhas 
de conexão e filmes 
de isolação entre 
linhas.
MATERIAIS AVANÇADOS
MATERIAIS AVANÇADOS
Aplicações dos Semicondutores
Empregado na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, 
transistores, microprocessadores, e nanocircuitos. 
 Biomateriais são empregados
em componentes para
implantes em seres humanos
como próteses ósseas e 
dentárias;
 Esses materiais não devem
produzir substâncias tóxicas, 
devem ser compatíveis com o 
tecido humano (isto é, não deve
causar rejeição) e bioativos;
 Metais, cerâmicos, 
compósitos e polímeros podem
ser usados como biomateriais.
MATERIAIS AVANÇADOS
Biomateriais
MATERIAIS AVANÇADOS
Biomateriais
Biomateriais
O osso humano contém 
um cerâmico que 
preenche 43% do seu 
peso – hidroxiapatita
(Ca10(HPO4)6(OH)2)
Alguns implantes ósseos 
são revestidos com 
hidroxiapatita para 
melhorar a aderência.
Aplicações dos Biomateriais
Aplicações dos Biomateriais
Biomateriais
Curativo (hidrogéis) e lentes de contato.
Válvula cardíaca artificial–poliuretano. 
Prótese de articulações de quadril. Biovidros (SiO2, Na2O, CaO e P2O5).
 Feito de poliuretano e titânio, o primeiro coração 
artificial brasileiro.
Aplicações dos Biomateriais
Biomateriais
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE 
MATERIAIS MODERNOS
 Alto desempenho;
 Baixo peso;
Busca por materiais que apresentem além de:
Principalmente:
 Sejam menos danosos ao meio ambiente
e mais fáceis de serem reciclados ou
regenerados;
 Impacto ambiental menos adverso.