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Tipos de Materiais CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Profa. Dra. Estefânia Viano da Silva e-mail: estefania.silva@facunicamps.edu.br AS CIVILIZAÇÕES O desenvolvimento das sociedades foi tão ligado aos materiais, que as civilizações antigas foram designadas por sua capacidade de manipular e produzir materiais, a fim de satisfazer às suas necessidades. HISTÓRIA Idade da Pedra; Idade do Cobre; Idade do Bronze; Idade do Ferro. Corresponde ao período em que o homem usava ferramentas criadas a partir de pedras para cortar carnes e plantas. IDADE DA PEDRA HISTÓRIA O cobre gerou algum impacto no mundo antigo, pois produzia boas armas e armaduras razoáveis, mas ainda era muito macio para produzir ferramentas de corte úteis. Conseqüentemente, a metalurgia do cobre não substituiu a manufatura de armas e ferramentas de pedra, que ainda produziam lâminas superiores. Idade do Cobre HISTÓRIA HISTÓRIA Período da civilização onde ocorreu o desenvolvimento da metalurgia dos bronzes, ligas de Cu com vários outros elementos, incluindo o Al, Si e Ni. Os bronzes possuem maior dureza do que o Cu, bem como boa resistência à oxidação. Foram largamente empregados na produção de ferramentas, armas e objetos de arte. Idade do Bronze HISTÓRIA HISTÓRIA O Fe não substituiu o bronze imediatamente, devido à sua metalurgia complexa, além de ser raramente encontrado em sua forma elementar. Posteriormente as ligas ferrosas tornaram- se as mais utilizadas entre os metais, pela abundância de minério de Fe e sua extrema versatilidade. Idade do Ferro HISTÓRIA 2 Ciência dos Materiais – Investigação das relações entre composição/estrutura e propriedades dos materiais. O que são materiais? Uma parte da matéria no universo; São as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas, dispositivos ou produtos consumíveis. 2 “ Se desejarmos realçar a parcela da Ciência dos Materiais neste espectro, devemos agir no sentido de entender a natureza dos materiais, estabelecendo teorias ou descrições que relacionem a estrutura com a composição, propriedades e comportamento. A Engenharia de Materiais, por seu turno, sintetizará e empregará, tanto os conhecimentos fundamentais quanto os empíricos, no sentido de desenvolver, preparar, modificar e aplicar os materiais que atendam às exigências.” Estrutura de um material se refere, em geral, ao arranjo dos seus componentes internos. A estrutura subatômica envolve os elétrons no interior dos átomos individuais e as interações com os seus núcleos. Em nível atômico, a estrutura engloba a organização dos átomos ou das moléculas umas em relação às outras. Ciência dos Materiais Propriedade. Consiste em uma peculiaridade de um dado material em termos do tipo e da intensidade da sua resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. Virtualmente todas as propriedades dos materiais sólidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes: • 1 – Mecânica; • 2 – Elétrica; • 3 – Térmica; Ciência dos Materiais • 4 - Magnética; • 5 – Óptica; • 6 – Deteriorativa. 2 •Engenharia dos Materiais – Projeto, desenvolvimento e/ou aperfeiçoamento de técnicas de processamento de materiais (= técnicas de fabricação de materiais), com base nas relações entre composição/estrutura e propriedades, visando um desempenho desejado. – ...e também: • Desenvolvimento de formas de produção de materiais socialmente desejáveis a custo socialmente aceitável. DEFINIÇÕES 3 • Ciência e Engenharia dos Materiais são campos intimamente interligados e interdisciplinares. • São campos tão intimamente relacionados que existem autores que os definem como uma única área do conhecimento : – “Ciência e Engenharia dos Materiais é a área da atividade humana associada com a geração e a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento de materiais às suas propriedades e usos.” Morris Cohen, MIT (in Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia, Hemus, 1997, cap. 1) Objetivos: – Desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas aplicações ou visando melhorias no desempenho em aplicações conhecidas. – Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas. – Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicações. DEFINIÇÕES • Material : Vidro • Aplicação : telas para tablets e smartphones • Exigências de desempenho : - Resistência a impacto - Resistência a riscos - Transparência - Sensibilidade ao toque - Custo • Um exemplo de desenvolvimento de materiais conhecidos visando melhoria de desempenho é o trabalho que vem sendo feito pelos fabricantes de vidro para telas de dispositivos eletrônicos tais como smartphones e tablets – constantemente vêm sendo apresentados ao mercado vidros mais finos e resistentes ( = melhoria de desempenho), com custos compatíveis. –O material é o mesmo (ou seja, não é um novo material que foi desenvolvido), mas o desempenho foi melhorado por meio de uma evolução no processamento. Exemplo: Desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas aplicações ou visando melhorias no desempenho em aplicações conhecidas • Aplicação : embalagens de bebidas, atualmente bebidas carbonatadas (cerveja e refrigerantes, por exemplo) • Exigências de desempenho da embalagem : – Não-tóxica, nem reativa, quando em contato com o líquido contido – Relativamente resistente mecanicamente – Custo baixo – Impermeabilidade a gases (barreira à passagem de CO2) – É desejável que seja leve – É desejável que seja transparente – É desejável que possa ser decorada (colorida, estampada...) – É desejável que seja reciclável Exemplo: Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas 6 • Historicamente, os primeiros materiais não naturais empregados para embalagens comerciais de bebidas foram cerâmicos : – Potes / ânforas cerâmicas e garrafas para vinho... e para água mineral ! Exemplos de garrafas de vinho utilizadas entre 1600 e 1800 A mais antiga embalagem de água mineral encontrada até hoje (200 anos) Ânforas utilizadas para transporte de vinho (desde a era do Bronze!) • Para cerveja: primeiro embalagens cerâmicas, depois latas de aço e de alumínio. Embalagens de vidro são muito boas no quesito “impermeabilidade a gases”... Atividades de fabricação de cerveja (modelo de madeira – Egito Antigo) note as embalagens cerâmicas de cerveja... 8 • Mais recentemente embalagens poliméricas foram introduzidas no mercado de refrigerantes. • Esse é um caso de aplicação conhecida há séculos para a qual foram desenvolvidos materiais clássicos de todos os tipos : cerâmicos, metálicos e poliméricos. • Todos os materiais tem seus prós e contras... – Embalagens com todos esses materiais podem ser produzidas de forma a não serem tóxicas nem reagir com a bebida (...as metálicas necessitam de um recobrimento interno...) – Todos são recicláveis – Todos podem ser produzidos atualmente com custo baixo – Todos tem boa resistência → mas o vidro pode quebrar... – Vidros e polímeros podem ser transparentes → mas os metais não... – Vidros e metais são excelentes barreiras ao CO2 → mas polímeros não... (e por isso o tempo de prateleira de refrigerantes é muito menor, pois bebidas carbonatadas embaladas em polímeros “perdem o gás” em alguns meses...) Desempenho 5 ...uma representação esquemática da inter- relação entre os diferentes aspectos da Ciência e da Engenharia dos Materiais... Composição/ Estrutura Síntese / Processamento Propriedades • Visaessencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais. • É um empreendimento com propósitos que alcançam desde o micromundo dos átomos e dos elétrons até o gigantesco macromundo material com funções e serviços que apóiem o homem na busca das soluções para os problemas da sociedade. CIÊNCIA DOS MATERIAIS • Composição é um conceito de Química que tem significados similares mas ligeiramente diferentes, caso se refira a uma substância pura ou a uma mistura. • A composição química de uma substância pura corresponde às quantidades relativas dos elementos que constituem essa substância, podendo ser expressa por meio da fórmula química da substância. Exemplos: – O sal de cozinha, que é composto por sódio e cloro, numa relação de um átomo de sódio para cada átomo de cloro. É representado pela fórmula química NaCl. – A água, que é composta por hidrogênio e oxigênio, numa relação de dois átomos de hidrogênio para cada átomo de oxigênio. É representada pela fórmula química H2O. COMPOSIÇÃO • Composição é um conceito de Química que tem significados similares mas ligeiramente diferentes, caso se refira a uma substância pura ou a uma mistura. • A composição química de uma mistura corresponde às quantidades relativas das substâncias (que são chamadas de componentes) que a constituem. Em outras palavras, a composição química de uma mistura é definida por meio da concentração de cada componente. Exemplo: – O soro fisiológico é uma mistura (uma solução) de água e NaCl contendo 0,9% em massa de NaCl – em outras palavras, 100g dessa mistura contém 0,9g de NaCl e 99,1g de água. – ATENÇÃO: Existem também diferentes formas de se expressar a composição de uma mistura – por exemplo, a composição de uma mistura pode ser expressa em frações mássicas (como o caso do exemplo acima), molares, volumétricas, ... COMPOSIÇÃO • ...em resumo: – O termo “estrutura”, quando relacionado a um material, se refere normalmente ao arranjo interno de seus “constituintes” – quem são esses constituintes, depende da ESCALA na qual estamos analisando o material. – As escalas podem variar desde dimensões atômicas (Å = 10-10 m) até dimensões de milímetros ou metros. ESTRUTURA 1 4 Escala (m) Unidade Estrutura <10-9 Å Atômica 10-9 a 10-6 nm Nano 10-6 a 10-3 µm Micro ≥ 10-3 mm, m, ... Macro Escala Atômica Escala “Nano” Escala “Micro” Escala “Macro” Estrutura Multi-Escala (multiscale) 1 6 • O termo Propriedade pode ser definido como sendo o tipo e a magnitude da resposta de um material a um estímulo específico. Principais Propriedades do Estado Sólido Mecânicas Elétricas Térmicas Magnéticas Ópticas Estabilidade (temporal, dimensional, ambiental) PROPRIEDADES 1 7 • Processamento pode ser definido como sendo o conjunto de técnicas empregadas para obtenção de materiais com formas e propriedades específicas. – Exemplo: óxido de alumínio (Al2O3) pode ser processado por diferentes métodos, resultando em materiais com distintas propriedades (por exemplo: distintas propriedades ópticas). Policristal denso (translúcido) Monocristal (transparente) Policristal poroso (opaco) PROCESSAMENTO 1 8 Dispositivos Ópticos (uso em tecnologia de laser) ...em smartphones Óxido de alumínio (Al2O3) monocristalino TRANSPARENTE RESISTENTE 1 9 Lâmpada de vapor de sódio Óxido de alumínio (Al2O3) policristalino e sem poros TRANSLÚCIDO RESISTENTE AO VAPOR DE SÓDIO 2 0 Óxido de alumínio (Al2O3) policristalino e poroso ISOLANTE ELÉTRICO RESISTENTE Vela de Ignição ...as primeiras velas eram de porcelana... 2 1 • Desempenho pode ser definido como sendo o conjunto de respostas do material às múltiplas solicitações às quais ele é submetido durante o seu uso. • O termo inglês “performance” pode incluir também alguns aspectos econômicos, como por exemplo o custo de produção (custo esse que pode ser entendido em termos simplesmente financeiros ou então considerando parâmetros ambientais, tais como consumo de matérias- primas, de energia, de água, emissão de CO2 , ...) . DESEMPENHO (“Performance”) Propriedades, Desempenho e Custo: Composição: Processamento: Estrutura de nano a macro: ANÁLISE DOS MATERIAIS Propriedades, Desempenho e Custo: Quais as propriedades dos materiais utilizados e quanto custa? Composição: Processamento: Estrutura de nano a macro: ANÁLISE DOS MATERIAIS Propriedades, Desempenho e Custo: Quais as propriedades dos materiais utilizados e quanto custa? Composição: Que tipos de ligas metálicas e não-metálicas irei utilizar? Processamento: Estrutura de nano a macro: ANÁLISE DOS MATERIAIS Propriedades, Desempenho e Custo: Quais as propriedades dos materiais utilizados e quanto custa? Composição: Que tipos de ligas metálicas e não-metálicas irei utilizar? Processamento: O material será produzido de que forma? Estrutura de nano a macro: ANÁLISE DOS MATERIAIS Propriedades, Desempenho e Custo: Quais as propriedades dos materiais utilizados e quanto custa? Composição: Que tipos de ligas metálicas e não-metálicas irei utilizar? Processamento: • O material será produzido de que forma? Estrutura de nano a macro: Que tipo de tratamento térmico será aplicado? ANÁLISE DOS MATERIAIS Classificação dos Materiais Tradicionalmente os materiais podem ser classificados em 3 grupos básicos... Este esquema é baseado principalmente na constituição química e estrutura atômica. Cerâmicas Elementos não metálicos Ligações iônicas ou predominantemente iônicas. + Cerâmicas Com relação ao comportamento mecânico, cerâmicas são duras mas muito frágeis, não apresentam ductibiliade. São normalmente óxidos, nitretos e carbetos. O N C SiO2, Al2O3 Fe4N, Si3N4 WC, SiC Cerâmicas Características Gerais dos Cerâmicos • Ponto de fusão elevado (Al2O3 2072°C) SiO2 1600 oC C 3527oC Características Gerais dos Cerâmicos • Em geral são opacos mas podem ser transparentes • Dureza elevada • Boa resistência à corrosão • Em geral são isolantes elétricos • Isolantes térmicos • Boa resistência ao desgaste • Frágeis (baixa resistência ao impacto) • Maleabilidade ruim Materiais Cerâmicos Tipos • Cerâmica Tradicional • Cerâmica Avançada Exemplos • Tijolo, azulejo, porcelana, vidro, cimento, telhas, tijolos refratários. • Diamante, óxido de zircônio, óxido de alumínio, carboneto de silício, fibras ópticas. Metais Ligação metálica Os elétrons não estão ligados a átomos particulares + Metais Características Gerais dos Metais • Não são transparentes à luz visível • Boa condutividade térmica e elétrica • Boa maleabilidade • Boa ductibilidade • Boa tenacidade • Em geral, resistência à corrosão é ruim • Brilho (quando polidos) • Ponto de fusão ~ 1000oC Gálio Tfusão 29,77 °C Mércurio Tfusão -38,9 °C Materiais Metálicos Tipos • Metais leves • Metais de baixo ponto de fusão • Metais nobres • Metais refratários • Metais resistentes à corrosão Exemplos • Alumínio, Titânio, Magnésio • Chumbo, Estanho, Zinco • Ouro, Prata, Platina • Tungstênio, Molibdênio • Cobre, Latão, Bronze, Níquel Aplicações Polímeros Incluem a família do plástico e da borracha. Possuem estruturas moleculares muito grandes. Polímeros Ligação Covalente + Polímeros Elementos não metálicos Hidrogênio Características Gerais dos Polímeros • Em geral opacos mas podem ser transparentes • Bons isolantes térmicos e elétricos •Boa elasticidade • Baixa dureza • Baixo ponto de fusão (Polietileno 135oC, Nylon 265oC) • Resistência à corrosão média • Baixa densidade Materiais Poliméricos Tipos • Naturais • Sintéticos Exemplos • Latex, pele, DNA, glicose, celulose, lignina, unha, chifre, cabelo, algodão, seda, proteína. • Acrílico, isopor, PVC, Policarbonato, Náilon, PET Importância da reciclagem... Os Compósitos e os Materiais Avançados São subclasses Compósitos Tecnologias modernas exigem materiais com combinações incomuns de propriedades que não podem ser atendidas pelos materiais convencionais isoladamente. Exemplos: Materiais com baixa densidade mas fortes e rígidos. Materiais resistentes à abrasão e ao impacto e que não corroam. O que são Compósitos??? Material multifásico, obtido da combinação de materiais diferentes a fim de atingir propriedades que os componentes individuais não atingem. Para que serve um Compósito??? Um compósito é projetado para exibir uma combinação das melhores características de cada um dos materiais constituintes de modo a se obter uma otimização das propriedades. Compósitos Naturais Madeira Fibra de celulose (polímero) Lignina (polímero) Osso Colágeno (polímero) Hidroxiapatita (cerâmica) Flexíveis e resistentes Resina mais rígida que mantém as fibras unidas Compósitos Sintéticos Fibra de vidro Fibras de vidro (cerâmico) Resina epóxi ou poliéster (polímero) Resistentes e rígidas, mas frágeis Dúctil e flexível, mas pouco resistente. Compósitos Sintéticos Concreto Armado Aço (metal) Concreto (cerâmica) Boa resistência à tração e aos cisalhamento Baixa resistência à tração Comportamento frágil Compósitos Sintéticos Compósitos plásticos reforçados por fibra de carbono Fibra de carbono (cerâmica) Resina epóxi ou poliéster (polímeros termofixos) Compósitos Sintéticos Compósitos carbono-carbono Fibra de carbono Matriz de carbono Grande resistência mecânica e a fluência alta tenacidade baixa expansão térmica e ótima condutividade térmica. Compósitos Sintéticos Cermets WC (cerâmica) Co ou Ni (metais) Dureza Tenacidade Compósitos Sintéticos Embalagem Tetra Pak Compósitos Sintéticos Folha de Flandres FeSn2 Materiais Avançados Materiais Avançados São materiais tradicionais cujas propriedades foram melhoradas, ou então materiais de alto desempenho recentemente desenvolvidas. São materiais utilizados para a fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princípios sofiscados. Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos eletrônicos , computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido (LED, OLED, LCD), indústria aeroespacial, etc. Materiais Avançados Os materiais avançados podem ser de metais, cerâmicas e polímeros. Em geral são de alto custo. São eles: • Semicondutores • Biomateriais Materiais Avançados Alto desempenho Baixo peso e alta resistência Resistência à altas temperaturas Desenvolvimento de materiais que sejam menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem reciclados ou regenerados. • Semicondutores Propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes Revolução nas indústrias de eletrônica e computadores Muito semelhantes aos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse da cerâmica. Ex: Si, Ge, GaAs (Arsenieto de gálio), GaN (Nitreto de gálio), CdTe (Telureto de cádmio). InP • Biomateriais • Uso em implantes de partes em seres humanos. • Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição). • Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais. Tipos bioinertes/ biotoleráveis biorreabsorvíveis bioativos aço inoxidáveis Ti e suas ligas Al2O3, ZrO2, Si3N4 β-fosfato tricálcico Poli(ácido láctico) (PLA) Poli(ácido glicólico) (PGA) hidroxiapatita biovidro vitro-cerâmica Aplicações Odontologia Ortopedia Cirurgia cardiovascular Oftalmologia Cirurgia plástica Farmacêutica Odontologia 275.000/ano (EUA) ODONTOLOGIA implantes dentais 21.300/ano (USA) Ortopedia 30.000/ano (Brasil) 90.000/ano (USA) próteses de quadril Ortopedia Ganchos para Correção de escoliose Cage Cervical Prótese de disco - PEUAPM hidrogel PEUAPM Prótese de disco - PEUAPM PEUAPM Liga Co-Cr PEUAPM Materiais: •liga de Co-Cr (ASTM F 75) + revestimento de Ti puro ou HA •liga de Co-Cr (ISO 5832/4 + PEUAPM (ASTM 648) prótese de cotovelo total material para preenchimento - xenógeno/heterólogo material para preenchimento - aloplástico HA Al2O3 42.000/ano (EUA) Cardiovascular pericárdio bovino válvula confeccionada com pericárdio bovino Cardiovascular Reconstrução Da Geometria Do Ventrículo Esquerdo Com Prótese Semi-rígida De Pericárdio Bovino Oftalmologia prótese ocular lente intraocular lente de contato Lentes de contato Implantes intraorbitários Lentes intraoculares Gelatinosas de hidrogel: polihidroxietilmetacrilato (poliHEMA) Gelatinosas elásticas: silicone e flúor-polímeros, com superfície tratada Rígidas: polimetilmetacrilato Vidro Hidroxiapatita Polietileno poroso Biocerâmicas Encaixe entre implante e prótese: pinos de titânio Membrana: PMMA ou silicones e hidrogéis Estabilidade: polipropileno Banda Gástrica Ajustável Consiste numa prótese de silicone com material inflável (como uma câmara de pneu) colocada na porção superior do estômago formando um anel de constrição que pode ser ajustado externamente. Gastroenterologia Balão Intragástrico consiste de balão de silicone, preenchido por uma solução liquida, colocado através de endoscopia no interior do estômago, pode permanecer por 4 a 6 meses, causando sensação de saciedade mais precoce Gastroenterologia Cirurgia: Dr. Pedro Velasco Dias Prótese: Dra. Bernadete P. Pinho (BA) Reabilitação Bucomaxilofacial Cranioplastia http://www.lorenzsurgical.com/spanish/images/mesh_skull.jpg 01. Gel de Silicone com diferentes graus de viscosidade; 02. Solução Salina pré- cheios ou infláveis. 03.Elastômero de Silicone (silicone sólido) moldados ou pré-cheios. Os tipos de material para preenchimento das próteses de mama mais utilizados no Brasil são: Cirurgia Plástica • Contratura capsular • Ruptura da Prótese Problemas: Cirurgia Plástica Próteses com superfície lisa apresentam maior propensão para encapsulamento e retração.
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