APOSTILA TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

Prévia do material em texto

2015 
Maria Efigênia Ferreira 
IFMG – Conselheiro Lafaiete 
01/02/2015 
 
 
 
TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
1 
 
1-INTRODUÇÃO 
 
O homem sempre fez uso dos materiais para satisfazer suas necessidades. Os 
materiais estão intimamente ligados à evolução e desenvolvimento da espécie 
humana. As civilizações sempre utilizaram os materiais e a energia para 
melhorar o nível de vida do ser humano. Dentre os materiais mais utilizados 
estão o fero, aço, cobre, alumínio, madeira, cimento, pedra, vidro, plásticos, 
borracha, papel e outros. 
 
A produção e transformação dos materiais em produtos acabados constitui a 
principal atividade da economia moderna, visando economia e 
sustentabilidade. Para obtenção de um produto, seu processo de produção 
passa por várias etapas e envolve o emprego de diversos materiais, de acordo 
com os custos e, sobretudo, com as exigências técnicas do produto. O 
profissional responsável por esta etapa deve ter conhecimento da estrutura 
interna do material a níveis submicroscópicos, o que lhe possibilita prever o seu 
desempenho em trabalho, bem como, programar e modificar suas 
características e propriedades. 
 
Os materiais são analisados e desenvolvidos pela “Ciência e Engenharia dos 
Materiais” que tem como meta principal a geração e emprego dos conceitos 
relacionando composição química, arranjo atômico e desempenho dos 
materiais com suas propriedades e aplicações. 
 
 
1-1-MATERIAIS 
 
Define-se material como sendo tudo aquilo que empregamos na confecção de 
bens materiais tais como: habitações, veículos, máquinas e equipamentos, 
utensílios, vestuários e etc. 
 
 
1-2-CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 
2 
 
Os materiais sólidos são mais comumente agrupados em três classificações 
básicas: metais, cerâmicos e polímeros. Esta classificação se baseia na 
composição química e na estrutura atômica, os materiais, de um modo geral, 
se encaixam em um dos grupos, embora haja os intermediários. Existem ainda 
três outros grupos importantes para a engenharia: compósitos ou conjugados, 
semicondutores e os biomateriais. 
 
A maioria das classificações dos materiais surgiu numa época em que as 
propriedades mecânicas estavam em primeiro plano. Assim, a primeira 
associação de materiais é feita tendo-se em vista normalmente uma 
determinada propriedade mecânica ou estrutural: dureza, resistência, 
fragilidade, etc. Neste contexto, a classificação técnica dos materiais é: metais, 
cerâmicos, polímeros e compósitos. 
 
 
 
Figura 1-Classificação técnica dos materiais 
 
Dentro dessa ótica, J.W. Bullard 
(http://www.mse.uiuc.edu/info/mse182/t41.html), da 
Universidade de Illinois, EUA, apresenta as principais subclasses desta 
classificação. 
 
 
CLASSES SUBCLASSES 
 
Metais 
A. Ferro e aço; 
B. Ligas não-ferrosas e superligas (aplicações aeroespaciais) 
C. Compostos intermetálicos (materiais estruturais de alta 
temperatura) 
3 
 
 
 
Cerâmicas 
A. Cerâmicas estruturais (materiais estruturais de alta 
temperatura) 
B. Refratários (materiais resistentes à corrosão, isolantes 
térmicos) 
C. Cerâmica branca (porcelanas) 
D. Vidros 
E. Cerâmicas para aplicações elétricas (capacitores, isolantes, 
transdutores, etc.) 
F. Cerâmicas ligadas quimicamente (cimento e concreto) 
 
Polímeros 
A. Plásticos 
B. Cristais líquidos 
C. Adesivos 
 
Compósitos 
A. Compósitos particulados (pequenas partículas dispersas em 
um material diferente) 
B. Compósitos laminados (tacos de golfe, raquetes de tênis) 
C. Compósitos reforçados com fibras (fibra de vidro, fibra de 
carbono) 
Tabela 1-I: Principais subclasses de materiais (adaptado) 
 
 
Uma classificação moderna e muito interessante dos materiais é aquela onde 
eles são divididos em apenas dois grandes grupos: 
 
Materiais estruturais: que são todos os materiais para os quais as 
propriedades mecânicas têm um papel fundamental; e 
 
Materiais funcionais: que servem para cumprir um grupo de funções 
como, por exemplo, materiais ‘semicondutores’, materiais magnéticos, 
materiais condutores de eletricidade, luz, etc. 
 
 
1-3-MATERIAIS METÁLICOS: definição, propriedades e aplicações 
 
Os materiais metálicos são substâncias inorgânicas e são compostos 
normalmente por combinações de elementos metálicos, mas podem conter 
também, alguns elementos não metálicos, como carbono, nitrogênio e oxigênio. 
Alguns metais são encontrados na natureza de forma pura (substância 
simples), como por exemplo, ouro, prata, platina e outros. Eles possuem um 
grande número de elétrons não localizados, ou seja, estes não estão ligados a 
qualquer átomo em particular. Muitas propriedades dos metais são atribuídas 
4 
 
diretamente a estes elétrons. Os metais são muito resistentes e, ainda assim, 
deformáveis, o que é responsável pelo seu uso extenso em aplicações 
estruturais. 
 
Bullard (http://www.mse.uiuc.edu/info/mse182/t41.html) sintetizou as principais 
características, aplicações e exemplos dos materiais metálicos (adaptado): 
 
Características básicas: 
 
- átomos organizados numa estrutura repetitiva regular (cristal); 
- bastante resistente (propriedade mecânica); 
- denso; 
- maleável ou dúctil: alta plasticidade; 
- resistente à fratura: alta tenacidade; 
- excelente condutor de eletricidade e calor; 
- opaco à luz visível; 
- a superfície polida apresenta brilho metálico. 
 
 
Aplicações: 
 
- condução de eletricidade: fiação elétrica; 
- estruturas: construção civil, pontes, pavilhões industriais, etc.; 
- automóveis: corpo, chassis, molas, bloco do motor, etc.; 
- aeroplanos: componentes do motor, fuselagem, conjuntos de trem de pouso, 
etc.; 
- trens: trilhos, componentes do motor, corpo, rodas; 
- máquinas e ferramenta: brocas, martelos, chaves-de-fenda, lâminas de serra, 
etc.; 
5 
 
- materiais com memória de forma: próteses dentárias corretoras de mau 
posicionamento; 
- magnetos; 
- catalisadores. 
 
 
Exemplos de metais e ligas empregados frequentemente: 
 
Elementos metálicos ‘puros’: Cu, Zn, Al, etc.; 
Ligas: Cu-Sn (bronze), Cu-Zn (latão), Fe-C (aço), Pb-Sn (solda), NiTi (Nitinol); 
Compostos intermetálicos: WC (‘wídia’). 
 
 
 
Figura 2- Diversos materiais metálicos 
 
 
6 
 
Principais razões para a aplicação dos materiais metálicos 
 
 
Natureza da 
propriedade 
 
Exemplos 
Propriedades 
físicas 
 
 
Condutividade elétrica e térmica, refratariedade, cor, brilho, 
densidade; 
 
Propriedades 
mecânicas 
 
Resistência em alta e baixa temperatura, conformabilidade, 
tenacidade, ductilidade, dureza; 
 
Propriedades 
químicas 
 
Susceptibilidade à corrosão (aquosa e oxidação em alta 
temperatura); 
Formação de ligas com outros metais e soldagem; 
 
Conhecimento 
científico 
 
De como conformar, como tratar (conferir propriedades 
interessantes), etc.; 
Fatores de 
produção 
 
Abundância e oferta confiável de matérias primas; 
suprimento garantido; métodos extrativos conhecidos; e, 
processos de produção não-poluentes; 
Mercado confiável para "produtos metálicos" 
 
 
Fatores 
ambientais 
Durabilidade; 
Reciclabilidade do material; 
Degradação rápida e sem perigos; 
Produtos da decomposição conhecidos. 
Fatores de 
custo 
De produção da mercadoria metálica; 
De manutenção 
De reposição 
 
7 
 
 
Figura 3- Exemplos de aplicações dos metais 
 
1-4-MATERIAIS CERÂMICOS: definição, características e 
aplicações 
 
A palavra Cerâmica provém do grego Keramos que significa “coisa queimada” 
e, de acordo com esse povo a cerâmica é uma combinação perfeita do que os 
gregos consideravam os quatro elementos que constituíam o mundo – água, 
terra, fogo e ar. 
Tem-se conhecimento da utilização da pelos seres humanos desde tempos 
neolíticos, aproximadamente dez mil anos atrás, e, nos últimos tempos, a 
ciência têm desenvolvido cerâmicas altamente tecnológicas, com 
características diferenciadas – resistentes à altas temperaturas e pressões, 
com melhores propriedades mecânicas, característicaselétricas especiais e 
inertes à agentes químicos corrosivos. 
A maioria dos materiais cerâmicos é composta entre elementos metálicos e 
não-metálicos para os quais as ligações interatômicas são ou totalmente 
iônicas ou predominantemente iônicas, mas tendo algum caráter covalente, 
eles são frequentemente óxidos (SiO2 ), nitretos e carbetos (SiC). . Suas 
estruturas cristalinas são geralmente mais complexas do que aquelas de 
metais, uma vez que são formadas por, no mínimo, dois elementos. Estes 
materiais podem cristalinos, não cristalinos ou uma mistura de ambos. A 
grande variedade de materiais que se enquadra nesta classificação inclui 
8 
 
cerâmicos que são compostos por minerais argilosos, cimento e vidro. Estes 
materiais são tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e calor, e são 
mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos do que os metais 
e polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, os cerâmicos são 
duros, porém quebradiços. São menos densos que a maioria dos metais e 
suas ligas. 
As Cerâmicas compreendem todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, 
obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas. 
Uma grande vantagem na produção e utilização das cerâmicas é o fato de que 
os materiais usados na sua produção são abundantes e baratos. 
Composição química: combinação de elementos metálicos e não-metálicos 
(óxidos, carbetos e nitretos). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4- Tipos de materiais cerâmicos 
 
 
Classificação 
 
Os materiais cerâmicos podem ser classificados em materiais cerâmicos 
convencionais e materiais cerâmicos avançados. 
 
 
 
 
Figura 1: Materiais cerâmicos: um dos três grandes grupos de materiais utilizados em engenharia. 
9 
 
 
 Convencionais 
 
 Estruturais 
 Vidros 
 Louças 
 Cimentos 
 
Avançados 
 
 Eletrônicos 
 Ópticos 
 Biomateriais 
 
 
Características 
 
- Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços; 
- Frágeis e quebradiças; 
- Maior resistência ao calor que os metais e polímeros (refratários); 
- Isolantes térmicos e elétricos; 
- Maior resistência à corrosão que metais e polímeros; 
- Inércia química 
- São menos densas que a maioria dos metais e suas ligas; 
- Os materiais usados na produção das cerâmicas são abundantes e mais 
baratos; 
- A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica. 
 
Propriedades térmicas 
 
As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são: 
 capacidade calorífica (  ) 
10 
 
 coeficiente de expansão térmica (  ) 
 condutividade térmica (  ) 
 
Veja a seguir a tabela contendo dados de propriedades elétricas de materiais 
metálicos, cerâmicos e poliméricos. 
 
 
Material Capacidade 
calorífica 
(J/kg.K) 
Coeficiente linear 
de expansão 
térmica 
[(Co )-1 x 10-6 ] 
Condutividade 
térmica 
(W/m.K) 
Alumínio 900 23,6 247 
 
Cobre 386 16,5 398 
 
Alumina 
(Al2 O3 ) 
775 8,8 30,1 
Sílica 
(SiO2) 
740 0,5 2,0 
Vidro de cal de 
soda 
840 9,0 1,7 
Polietileno 
 
2100 60-220 0,38 
Poliestireno 
 
1360 50-85 0,13 
Tabela 1- Propriedades elétricas de material metálico, cerâmico e polimérico. 
 
Propriedades Elétricas 
As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. 
Podendo ser: 
- isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2) 
- semicondutores: SiC, B4C 
- supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11 
 
Propriedades mecânicas 
11 
 
Descreve a maneira como um material responde a aplicação de força, carga e 
impacto. 
Os materiais cerâmicos são: 
- Duros 
- Resistentes ao desgaste 
- Resistentes à corrosão 
- Frágeis (não sofrem deformação plástica) 
 
Aplicações 
Vidros 
São cerâmicas bem presentes no cotidiano. Aplicadas em recipientes, janelas, 
fibra de vidro representam aplicações típicas. Tratam-se de silicatos não-
cristalinos contendo outros óxidos, como CaO, Na2O, K2O e Al2O3, que 
influenciam as propriedades do vidro. 
Vidrocerâmicas 
Vidros, que são cerâmicas não cristalinas, podem ser transformados em 
compostos cristalinos, e, então, passam a ser chamados de vidrocerâmicas. 
Nesse processo, chamado de cristalização ou devitrificação, o vidro perde sua 
transparência e tensões podem ser introduzidas como um resultado de 
mudanças de volume que acompanham a transformação, fornecendo um 
produto material relativamente fraco. 
Citam-se como qualidades das vidrocerâmicas seu baixo coeficiente de 
expansão térmica, evitando o efeito de choque térmico presente nos vidros; 
resistências mecânicas e condutividades térmicas relativamente altas. Além 
disso, esses materiais são facilmente fabricados em larga escala com técnicas 
convencionais de conformação de vidro. 
Os usos mais comuns destes materiais são louças de forno-estufa e de mesa, 
principalmente por causa de sua excelente resistência ao choque térmico e sua 
alta condutividade térmica, além de serem também empregadas como 
isoladores e como substratos de placas de circuito impresso. 
 
Produtos à Base de Argila 
A argila é umas das matérias primas cerâmicas mais largamente empregadas. 
Trata-se de um ingrediente barato, encontrado abundantemente na natureza. 
12 
 
Quando misturadas nas apropriadas proporções, argila e água formam uma 
massa plástica que pode ser facilmente moldada. Após tratamento térmico, 
melhoram-se suas propriedades mecânicas, formando um sólido rígido. 
Utilizam-se cerâmicas à base de argila como produtos estruturais – tijolos, 
telhas, manilhas – e louças brancas – porcelana, olaria, louças de mesa, 
louças sanitárias. 
 
 
Figura 5- Moldes de cerâmica 
Refratários 
As cerâmicas de refratários são também muitos importantes no dia-a-dia e, 
portanto, produzidas em larga escala. Sua importância provém da capacidade 
desses materiais de suportar altas temperaturas sem fusão ou decomposição, 
serem ótimos isolantes térmicos e a capacidade de serem inertes quando 
expostos a ambientes químicos adversos. 
São utilizados como revestimentos de fornos para refino de metais, para 
fabricação de vidro, para tratamentos térmicos metalúrgicos e geração de 
potência. 
Porosidade é uma variável da microestrutura que deve ser controlada para 
produzir um tijolo refratário adequado. Resistência mecânica, capacidade de 
suportar carga, e resistência ao ataque pelos materiais corrosivos todas elas 
crescem com a redução da porosidade. Ao mesmo tempo, características de 
13 
 
isolamento térmico e resistência ao choque térmico são diminuídas com a 
redução da porosidade. 
Abrasivos 
Cerâmicas abrasivas são usadas como material de desgaste, moagem e corte 
de outros materiais, que devem ser mais macios. Portanto, o principal requisito 
para este grupo de materiais é a dureza ou resistência ao desgaste; em adição, 
um alto grau de tenacidade é essencial para assegurar que as partículas 
abrasivas não se fraturem facilmente. 
Os abrasivos cerâmicos mais comuns incluem carbeto de silício, carbeto de 
tungstênio (WC), óxido de alumínio e areia de sílica. 
Cimentos 
Os cimentos são caracterizados por formarem uma pasta que, 
subsequentemente, se cura e endurece, quando misturados com água. Os 
cimentos inorgânicos, muito conhecidos, são o cimento, o gesso e a cal. 
Estes materiais agem como uma cola, que liga quimicamente agregados 
particulados numa única estrutura coesa. A grande vantagem do cimento é o 
fato da ligação cimentícia se desenvolver à temperatura ambiente. 
Desses materiais, o cimento portland é, de longe, o mais consumido. O 
fenômeno de endurecimento se dá pela hidratação da cerâmica com as 
moléculas de água da pasta formada. Cimento portland é usado, 
principalmente, em argamassa e concreto para coagular numa massa coesa, 
agregados de partículas inertes (areia e cascalho). 
Cerâmicas Avançadas 
Este grupo é representado por novas cerâmicas desenvolvidas. Há a 
necessidade de se explorar novos materiais com propriedadeselétricas, 
magnéticas e óticas. Esses novos compostos cerâmicos têm sido estudados 
para serem utilizados em máquinas de combustão interna e turbinas, em 
placas de armadura, em embalagens eletrônicas, ferramentas de corte, 
geração de energia, entre outros. 
Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) 
Os MEMS são sistemas microprocessadores – utilizados como sensores de 
precisão, dispositivos de armazenamento de dados, entre outros – que 
possuem grandes quantidades de dispositivos mecânicos que estão integrados 
a grandes quantidades de elementos elétricos em um substrato de silício. 
Atualmente, ainda existem certas limitações quanto ao uso do silício nos 
MEMS, uma vez que o silício possui baixa tenacidade à fratura, temperatura de 
14 
 
amolecimento relativamente baixa (600°C) e é reativo na presença de água e 
oxigênio. Logo, objetiva-se desenvolver materiais cerâmicos com propriedades 
melhores que o silício nos quesitos apontados. Candidatos para serem os 
constituintes cerâmicos dos MEMS são as ligas de carbeto de silício e o nitreto 
de silício. 
Fibra Ótica 
É um exemplo legítimo da importância do desenvolvimento dos materiais 
cerâmicos avançados para a humanidade. A fibra ótica, que é feita de sílica 
extremamente pura, simplesmente, revolucionou as telecomunicações na 
última década, aumentando exponencialmente a velocidade de transmissão de 
dados. 
Considerações: Uma aplicação recente que retrata com fidelidade o potencial 
dos materiais cerâmicos é o uso dos mesmos na construção do ônibus espacial 
americano. A estrutura deste veículo é de alumínio, revestida por milhares de 
pastilhas cerâmicas. Estas dão proteção térmica ao ônibus durante a subida 
(1175 Co) por ocasião da reentrada do mesmo na atmosfera. 
 
 
Figura 6-Temperaturas na carcaça externa do ônibus espacial americano 
 
1-5- MATERIAIS POLIMÉRICOS: definição, características e 
aplicações 
 
A palavra polímeros vem do grego polumeres, que quer dizer “ter muitas 
partes”. 
 
15 
 
Os polímeros sempre fizeram parte do quotidiano humano. Desde os tempos 
mais remotos, o homem tem usado polímeros naturais como amido, celulose e 
seda, entre outros. Além disso, cerca de 18% do nosso organismo é constituído 
por proteínas, que são polímeros naturais. A partir da primeira metade do 
século XX, quando o Químico alemão Hermann Staudinger (1881-1963, 
pioneiro no estudo da química dos polímeros, ganhador do Prêmio Nobel da 
Química em 1953) descobriu o processo de polimerização, a síntese de 
polímeros deixou de ser apenas um fenômeno natural. Desde então, o estudo 
dos polímeros naturais e principalmente dos sintéticos desenvolveu-se rápida 
mente. Atualmente, os polímeros fazem parte do nosso cotidiano. É enorme a 
quantidade de bens que nos cercam, produzidos a partir de materiais 
poliméricos, uma vez que eles são utilizados em quase todas as áreas das 
atividades humanas, principalmente nas indústrias de automóvel, de 
embalagens, de revestimentos e de vestuário. Isto se deve também ao facto 
dos polímeros sintéticos conquistaram muitos espaços nos mercados através 
da substituição de outros materiais, como papel, madeira e metais. 
 
Os polímeros compreendem os materiais comuns de plástico e borracha. 
Muitos deles são compostos orgânicos que tem sua química baseada no “C” e 
no “H” e em outros elementos não metálicos (F,O,N etc...), eles possuem 
estruturas moleculares muito grandes (macromoléculas). 
As ligações entre “C” e “H” são do tipo covalente tendo o “C” valência 04. Entre 
as moléculas muitas ligações são do tipo de Van der Waals, ou seja, fracas. 
Os polímeros são moléculas muito grandes constituídas pela repetição de 
pequenas e simples unidades químicas, denominadas de ”MEROS”. 
 
• Monômero: 1 mero 
• Polímero: muitos meros 
Os polímeros podem ser classificados de acordo com o número de repetições: 
a) Dímero – quando há dois monômeros em cadeia (1 repetição). 
 
 
http://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2010/06/dimero.jpg
16 
 
b) Trímero quando há três monômeros em cadeia (2 repetições). 
 
 
c) Polímero – quando há n repetições de monômeros na cadeia. 
 
Classificação 
Os polímeros podem dividir-se em termoplásticos, termorrígidos e elastômeros 
(borrachas). 
 
Termoplásticos: São os chamados plásticos, constituindo a maior parte dos 
polímeros comerciais. A principal característica desses polímeros é poder ser 
fundido diversas vezes. Dependendo do tipo do plástico, também podem se 
dissolver em vários solventes. Logo, a sua reciclagem é possível, constituindo 
uma característica bastante desejável nos dias de hoje. As propriedades 
mecânicas variam conforme o plástico: sob temperatura ambiente, podem ser 
maleáveis, rígidos ou mesmo frágeis. 
 
 
Termorrígidos: São rígidos e frágeis, sendo muito estáveis a variações de 
temperatura. O aquecimento do polímero acabado a altas temperaturas 
promove a decomposição do material antes de sua fusão. Logo, a sua 
reciclagem é complicada. Exemplos: resina epoxi, resina fenólica, resina 
poliéster 
 
Elastômeros (Borrachas): Classe intermediária entre os termoplásticos e os 
termorrígidos: apresentam alta elasticidade. Analogamente ao verificado para 
os termorrígidos o processo de reciclagem é complicado devido à incapacidade 
de fusão. 
http://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2010/06/trimero.jpg
http://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2010/06/polimero.jpg
17 
 
Propriedades 
• Baixa densidade 
• Baixo ponto de amolecimento e fusão. 
• Grande deformabilidade (termoplásticos) 
• Baixa resistência 
• Baixa dureza 
• Isolantes térmicos 
• Resistem bem a degradação por produtos inorgânicos e pouco a 
produtos orgânicos. 
Aplicações 
POLÍMERO APLICAÇÃO 
Poliestireno 
(esferovite) 
Copos, caixas (CDs, cassetes e outras) 
Polietileno Baldes, sacos de lixo, sacos de embalagens 
Polipropileno Cadeiras, poltronas, pára-choques de automóveis 
Poliamida 6-6 
(nylon 6-6) 
Fibras, cordas, roupas 
PVC 
(Policloreto de 
Vinilo) 
Tubos 
Plexiglas "Vidro 
plástico" Acrílicos 
 
Plástico transparente muito resistente usado em portas e 
janelas, lentes de óculos. 
Teflon Revestimento interno de panelas 
18 
 
Borracha natural Pneus, câmaras de ar, objetos de borracha 
Amido Alimentos, fabricação de etanol 
Celulose Papel, algodão, explosivos 
Baquelite 
(fórmica) 
 
Revestimento de móveis (fórmica), material eléctrico 
(tomadas e interruptores) 
 
Poliuretano Poliuretano Espumas rígidas e flexíveis; isolantes 
 
 
Figura 7- Material polimérico 
1-6- MATERIAIS COMPÓSITOS: definição, classificação e aplicação 
Muitas das nossas tecnologias modernas requerem materiais com 
combinações bem peculiares de propriedades que não podem ser atendidas 
por ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos, como as tecnologias 
indispensáveis em aplicações aeroespaciais, subaquáticas e de transporte. Por 
exemplo, os engenheiros da indústria aeronáutica estão cada vez mais 
buscando materiais estruturais que possuam baixas densidades, sejam fortes, 
rígidos e apresentem resistência à abrasão e ao impacto, e que ao mesmo 
tempo não sejam facilmente corroídos. Isto é uma combinação de 
características consideravelmente formidável. Principalmente na última década, 
a busca por materiais ecologicamente corretos tem desenvolvido materiais de 
19 
 
matrizes poliméricas com fibras naturais (vidro, carbono, boro, óxido de 
alumínio e carbeto de silício). 
Existem compósitos de diversos tipos, incluindo as ligas metálicas, as 
cerâmicas e os polímeros multifásicos. Por exemplo, os aços perlíticos 
possuem uma microestrutura que consiste em camadas alternadas de ferrita α 
(alfa) e cementita. A fase ferrita é mole e dúctil, enquanto a cementita é dura e 
muito frágil. As características mecânicas combinadas da perlita (que 
apresenta ductibilidade e resistência razoavelmente altas) são superiores 
àquelas de ambas as fasesconstituintes. Existe também uma variedade de 
compósitos que ocorre na natureza. Por exemplo, a madeira consiste em fibras 
de celulose resistentes e flexíveis, que são envolvidas e mantidas unidas por 
meio de um material mais rígido chamado de lignina. Também os ossos são 
um compósito constituído pela proteína forte, porém mole, conhecida por 
colágeno, juntamente com o duro e frágil material apatita. 
Um compósito consiste em um material multifásico feito artificialmente, em 
contraste com um material que ocorre naturalmente. Além disso, as fases 
constituintes devem ser quimicamente diferentes e devem estar separadas por 
uma interface distinta. Dessa forma, a maioria das ligas metálicas, além de 
muitos materiais cerâmicos, não se enquadra nessa definição, pois as múltiplas 
fases são formadas como consequência de fenômenos naturais. 
A síntese de materiais compósitos consiste em misturar compostos de 
naturezas distintas visando imprimir novas propriedades aos materiais. Por ser 
um material multifásico, um compósito exibe além das propriedades inerentes 
de cada constituinte, propriedades intermediárias decorrentes da formação de 
uma região interfacial. As fases dos compósitos são chamadas de matriz – que 
pode ser cerâmica, polimérica e metálica – e a fase dispersa – geralmente 
fibras ou partículas que servem como carga. 
A matriz geralmente é um material contínuo que envolve a fase dispersa. As 
propriedades do compósito é uma função de fatores como a geometria da fase 
dispersa (distribuição, orientação) e também da compatibilidade interfacial 
entre os constituintes da mistura. Ou seja, para que se forme um compósito é 
necessário que haja afinidade entre os materiais que serão unidos. Por isso, é 
muito importante conhecer as propriedades químicas e físicas dos diferentes 
materiais envolvidos; mais especificamente as propriedades das interfaces dos 
constituintes dos compósitos. 
Compósitos são materiais de moldagem estrutural, formados por uma fase 
contínua polimérica (matriz) e reforçada por uma fase descontínua (fibras), que 
se agregam físico-quimicamente. 
20 
 
 
Figura 8- Compósito estrural 
 
Classificação 
 Compósitos reforçados com partículas 
 Compósitos reforçados com fibras 
Compósitos reforçados com partículas 
Compósitos com partículas grandes e compósitos reforçados por dispersão 
são duas subclassificações de compósitos reforçados com partículas. A 
distinção entre essas classificações se baseia no mecanismo de reforço e 
aumento de resistência mecânica. O termo "grande" é usado para indicar que 
as interações partícula-matriz não podem ser tratadas em níveis atômicos ou 
moleculares; em vez disso, a mecânica do contínuo deve ser empregada. Para 
muitos destes compósitos, a fase particulada é mais dura e rígida do que a 
matriz. 
 Compósitos com partículas grandes 
Tipos comuns de compósitos de partículas grandes são materiais poliméricos 
aos quais foram adicionados enchimentos, que modificam e melhoram as 
21 
 
propriedades do material e substituem parte do volume do polímero por um 
material mais barato. Um exemplo são os pneus, que consistem em uma 
borracha vulcanizada com enchimento de “negro de fumo”. O negro de fumo 
consiste em partículas muito pequenas e essencialmente esféricas de carbono, 
produzidas pela combustão de gás natural ou óleo em meio a uma atmosfera 
com suprimento de ar controlado. 
Outro compósito com partículas grandes bastante comum é o concreto, que é 
um composto de cimento (matriz), e areia e brita (os particulados). Os dois 
tipos de concretos mais familiares são aqueles feitos de com cimento Portland 
e asfalto. 
Partículas podem ter uma boa variedade de geometrias, mas elas devem 
possuir aproximadamente a mesma dimensão em todas as direções e ser 
pequenas e igualmente distribuídas através de toda a matriz. Além disso, a 
fração de volume das duas fases influencia o comportamento, as propriedades 
mecânicas são melhoradas com o aumento do teor de particulados. 
Os cermetos são exemplos de compósitos cerâmica-metal. Estes compósitos 
são utilizados extensivamente como ferramentas de corte de aços duros. A 
tenacidade é melhorada pela sua inclusão na matriz do metal dúctil, que isola 
as partículas de cerâmica entre si e previne a propagação de trincas. As fases, 
tanto matriz quanto particulada são bastante refratárias, para suportar as altas 
temperaturas geradas pela ação de corte sobre materiais que são 
extremamente duros. 
O cermeto mais comum é o carbeto cimentado, composto por uma cerâmica 
refratária à base de carbeto, tal como ocarbeto de tungstênio (WC) ou o 
carbeto de titânio (TiC), envolvidos em uma matriz de um metal, tal como o 
cobalto ou o níquel. 
 Compósitos reforçados por dispersão 
Metais e ligas metálicas podem ter suas propriedades mecânicas melhoradas 
pela uniforme dispersão de finas partículas de um material muito duro e inerte. 
A fase dispersa pode ser metálica o não-metálica; os materiais à base de 
óxidos são usados com frequência. O mecanismo de endurecimento envolve 
interações entre as partículas e discordâncias dentro da matriz. O efeito de 
fortalecimento por dispersão não é tão pronunciado quando no endurecimento 
por precipitação; entretanto, o aumento da resistência é mantido a elevadas 
temperaturas e por prolongados períodos de tempo porque as partículas 
dispersas nesses compósitos não reagem com a fase matriz. Exemplo, ligas de 
níquel com adição de óxido de tório (ThO2 ). 
22 
 
Compósitos reforçados com fibras 
Aos compósitos cuja fase dispersa está na forma de uma fibra tem-se dado 
maior relevância atualmente. Os compósitos reforçados com fibra conferem 
alta resistência mecânica e rigidez. Compósitos reforçados com fibra com alta 
resistência mecânica e módulo de elasticidade têm sido produzidos utilizando-
se materiais de fibra e de matriz de baixas densidades. A resistência mecânica 
e outras propriedades de compósitos reforçados por fibra podem ser 
influenciadas pelo comprimento da fibra, nesse caso, eles podem ser 
subclassificados de acordo com o comprimento da fibra, pelo arranjo ou 
orientação das fibras, bem como sua concentração e a distribuição. 
A fase matriz de compósitos poliméricos com fibras pode ser feita a partir de 
metais, cerâmicas e polímeros. Em geral os metais e os polímeros são 
utilizados como materiais de matriz, pois é desejável alguma ductilidade; no 
caso dos compósitos com matriz cerâmica, o componente de reforço é 
adicionado para melhorar a tenacidade à fratura. 
 
Funções da fase matriz 
 Ligar as fibras entre si e agir como o meio pelo qual uma tensão 
localizada é transmitida e distribuída às fibras, contudo, sua resistência 
mecânica à aplicação de cargas é extremamente baixa. Além disso, 
espera-se de um material matricial que este seja dúctil. 
 A segunda função da matriz é proteger as fibras individuais em relação 
aos danos superficiais como um resultado da abrasão mecânica ou 
reações químicas com o ambiente, isto para impedir a introdução de 
falhas (defeitos) superficiais capazes de formar trincas, que podem 
conduzir a falhas, mesmo sob baixos níveis de tensão de tração. 
Compósitos com matriz de polímero (PMC – Polymer – 
Matrix Composites) 
Estes materiais consistem em uma resina polimérica como matriz e fibras 
como meio de reforço. Esses materiais são usados em amplas diversidade 
de aplicações dos compósitos, bem com em maiores quantidades, em vista 
de suas propriedades em temperatura ambiente, de sua facilidade de 
aplicação e de seu custo. 
Exemplos: 
23 
 
 Fibra de vidro utilizada para fabricação de: carcaça de meios de 
transporte automotivos e marítimos, tubulações, recipientes para 
armazenamento e pisos industriais. 
 Fibra de carbono: O carbono é um material de fibra de alto 
desempenho e o reforço mais comumente utilizado em compósitos 
avançados com matriz polimérica. Utilizadaem equipamentos 
esportivos e de recreação ( varas de pescar, tacos de golfe), em 
carcaças de motores a jato enroladas com filamentos, em vasos de 
pressão e componentes estruturais de aeronaves, tanto militares 
como comerciais, com asa fixas e em helicópteros (por exemplo, 
como componentes da asa, da fuselagem, do estabilizados e da pá 
do leme). 
 
Figura 9- Fibra de carbono 
 
Figura 10- Aplicação da fibra de carbono em veículos 
24 
 
 
 Fibras de aramida (Kevlar e Nomex) utilizadas em produtos 
balísticos (coletes à prova de balas), artigos esportivos, pneus, 
cordas, carcaças de mísseis, vasos pressão, em freios automotivos, 
revestimentos de embreagens e gaxetas. 
 
Características 
 
Leveza e facilidade de transporte 
 
Devido ao peso específico das resinas e das fibras de reforço, os produtos 
fabricados a partir dos compósitos apresentam um baixo peso específico. 
Devido a esta e a outras propriedades características dos materiais compósitos 
é que eles são amplamente utilizados nos setores de aeronáutica, naval, 
automobilístico e outros. 
 
Resistência química 
 
Os compósitos apresentam excepcional inércia química, o que permite sua 
utilização em uma ampla gama de ambientes agressivos quimicamente. 
 
Resistência às Intempéries 
 
Umidade, vento, sol, oscilações térmicas tem baixa ação prejudicial sobre os 
compósitos. E quando características não usuais são requeridas, aditivos como 
protetores de UV, resinas especiais são amplamente utilizáveis. 
 
Flexibilidade Arquitetônica 
 
Os compósitos tem uma grande vantagem sobre outros materiais estruturais, 
pois moldes com formas complexas são facilmente adaptáveis aos processos 
em utilização. Curvas, formas diferenciadas, detalhes arquitetônicos das 
empresas de materiais compósitos. 
 
Durabilidade 
 
O compósito, devido à sua composição e ao crosslinking (cura) do polímero 
formado durante o processo de moldagem, apresenta como característica uma 
alta durabilidade. 
25 
 
 
Fácil Manutenção 
 
Os compósitos além de sua longevidade tradicional, apresentam fácil e simples 
técnicas de reparo e manutenção 
 
Resistência Mecânica 
 
Devido às suas características e à variedade de combinações que podem ser 
realizadas entre as resinas e os materiais de reforço, os compósitos 
apresentam uma excelente resistência mecânica que possibilita a sua 
utilização em aplicações no setor de aeronáutica, naval, automobilístico e 
outras. 
 
Feito sob medida 
 
Compósitos são sinônimos de produtos feitos sob medida, isto é, um produto 
fabricado na medida certa e exata necessidade de engenharia. 
 
1-7- MATERIAIS SEMICONDUTORES: definição, classificação e 
aplicação 
 
Assim como existem materiais condutores (cobre, alumínio, ouro, prata) e 
materiais isolantes (borracha, vidro), Alguns materiais apresentam 
propriedades de condução elétrica intermediária entre aquelas inerentes aos 
isolantes e aos condutores, ou seja, em determinada situação são isolantes e 
em outra são condutores. Além disso, as características elétricas destes 
materiais são extremamente sensíveis à presença de minúsculas 
concentrações de átomos de impurezas, concentrações que podem ser 
controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas. Tais materiais são 
denominados de semicondutores. Os semicondutores tornaram possível o 
advento dos circuitos integrados, que revolucionaram totalmente as indústrias 
de produtos eletrônicos e de computadores (para não mencionar as nossas 
vidas) ao longo das últimas décadas. 
 
Os materiais semicondutores mais simples são constituídos de átomos de um 
único elemento químico com quatro elétrons na camada de valência, ou seja, 
átomos tetravalentes. 
26 
 
Em química se aprende que, em condições normais, os átomos que possuem 
04 elétrons na última camada de valência não são estáveis. 
Os semicondutores se enquadram nesse grupo, mas por causa da forma como 
se agrupam seus átomos (cada átomo fica equidistante em relação a quatro 
outros átomos, ou seja, uma estrutura cristalina) eles conseguem alcançar a 
estabilidade fazendo quatro ligações químicas covalentes, conseguindo 08 
elétrons na última camada, e por consequência ficam estáveis quimicamente. 
Mas qual são as características dos semicondutores que os tornam tão 
importantes para a eletrônica? 
Os semicondutores formam Bandas de Energia, com as seguintes 
características: 
 
São formadas bandas, separadas por Lacunas. A última banda é chamada 
de Banda de Condução (BC). Logo abaixo existe a Banda de Valência (BV), e 
em baixo as outras camadas. Na temperatura 0K, a banda de condução vai 
estar totalmente vazia, e a banda de valência totalmente preenchida (Na 
imagem acima a temperatura está mais elevada). 
Quando o material é aquecido, alguns elétrons saem da banda de valência e 
passam para a banda de condução. Isso somente é possível devido 
ao ganho de energia no elétron, pois para passar a uma banda superior, deve 
ter energia suficiente (representado por ΔE). 
Conclusão parcial: Sob a temperatura 0K os semicondutores possuem a 
camada de valência totalmente preenchida e um ΔE relativamente baixo (entre 
o ΔE dos condutores e dos isolantes), o que possibilita controlar a 
condutividade deles variando a temperatura, pois a energia elétrica nada mais 
é do que o movimento dos elétrons. Para que um elemento seja um bom 
condutor, ele precisa ter muitos elétrons livres. 
 
http://www.infoescola.com/quimica/atomo/
http://www.infoescola.com/quimica/camada-de-valencia/
http://www.infoescola.com/fisica/semicondutores/
http://www.infoescola.com/quimica/estrutura-cristalina/
http://www.infoescola.com/fisica/semicondutores/
http://www.infoescola.com/fisica/semicondutores/
27 
 
Dois átomos, tetravalentes, bastante utilizados em materiais semicondutores 
são o germânio (Ge) e silício (Si). 
 
 
Figura 11- Átomo de silício e átomo de germânio 
 
Os átomos tendem a se arranjar formando uma estrutura ou rede cristalina com 
átomos vizinhos compartilhando seus elétrons de valência. 
 
 
 
Figura 12- Arranjo de 02 átomos de silício 
 
28 
 
 
Figura13- Rede Cristalina do silício 
 
 
Representação plana de 
uma rede cristalina de 
átomos tetravalentes. 
 
29 
 
 
Figura 14- Representações da rede cristalina do silício. 
 
PROCESSO DE OBTENÇÃO DOS SEMICONDUTORES: 
DOPAGEM 
Dopagem é o nome do processo utilizado para constituir os semicondutores por 
meio da adição ao Si de quantidades bem reduzidas de impurezas. 
A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos 
na estrutura cristalina de uma substância. 
 
Em um cristal semicondutor a dopagem é geralmente realizada para alterar 
suas propriedades elétricas. 
 
Existem dois tipos de materiais semicondutores, tipo N e tipo P, que dependem 
do tipo de impureza introduzida na rede. 
 
 SEMICONDUTOR DO TIPO N 
Inserem-se na estrutura cristalina, átomos contendo excesso de um elétron de 
valência em relação aos átomos da rede. 
Representação 
tridimensional de uma rede 
cristalina de átomos 
tetravalentes. 
30 
 
 
Figura 15- Um átomo de fósforo na rede do silício. 
 
Inserindo vários átomos de impurezas: 
 
Figura 16- Vários átomos de fósforo na rede do silício 
Com a inserção de vários átomos de impurezas, os elétrons livres passam a 
transitar livremente pelo material, tornando um material isolante (rede cristalina) 
em material com certo nível de condutividade. 
31 
 
Figura 17- Movimento de elétrons livres no material. 
 
 SEMICONDUTOR DO TIPO P 
Inserem-se na estrutura cristalina, átomos com a deficiência de um elétron em 
relação aos átomos da rede. 
 
Figura 18- Átomos de impureza na rede do silício. 
 
 
 
Verifica-se a ausência do segundo elétron que comporia o par necessário à 
formação de uma das ligações com o átomo de índio. Essa ausência de elétron 
de ligação é denominada de lacuna. 
 
32 
 
A existência de lacunaspermite que haja um mecanismo de condução distinto 
do tipo N. Quando a dopagem produz lacunas no semicondutor, um elétron 
proveniente de uma ligação covalente só poderá transitar para um ponto do 
cristal onde haja uma lacuna disponível. 
 
 
 
 
 
 
Figura 19- Movimento de elétrons e lacunas. 
 
 
 
INFLUÊNCIA TÉRMICA 
 
Quando a temperatura de um material semicondutor aumenta, sua 
condutividade também aumenta, devido a liberação de elétrons nas camadas 
de valência, que formam um par elétron/lacuna 
 
 
O movimento de 
elétrons de valência 
ocorre do polo 
negativo para o polo 
positivo. 
 
As lacunas em um 
semicondutor dopado 
se comportam como 
cargas positivas que 
podem transitar em 
um cristal submetido a 
uma tensão externa 
aplicada. 
O movimento das 
lacunas ocorre em 
sentido contrário ao 
movimento dos 
elétrons. 
33 
 
CONSIDERAÇÕES 
 
Analisando as propriedades de materiais semicondutores, nota-se que o 
número de elétrons ou lacunas em um semicondutor, cresce com o aumento do 
número de átomos de impurezas introduzidas no cristal. 
 
Com o aumento do número de portadores de carga, aumenta-se a 
condutividade elétrica do material. Dessa forma, torna-se possível alterar de 
forma controlada a condutividade elétrica de um semicondutor, efetuando-se a 
dosagem adequada da quantidade de dopagem do cristal durante a etapa de 
fabricação. 
 
 
Características 
 
- Os elementos semicondutores são tetravalentes (fazem 04 ligações 
covalentes) 
 
- Em condições normais se comportam como isolantes (silício, que possui alta 
resistividade). 
 
- São materiais cujas características elétricas são extremamente sensíveis à 
presença de minúsculas concentrações de átomos de impureza. 
 
 
 
Aplicações 
 
 
Essa característica de controle externo de condutividade possibilita o uso de 
cristais semicondutores como matéria prima na fabricação de componentes 
eletrônicos, como diodos, transistores e circuitos integrados. 
Inicia-se agora o estudo das junções desses materiais tipo N e tipo P na busca 
de componentes eletrônicos com comportamentos distintos. 
 
 
1-7- BIOMATERIAIS: definição, classificação e aplicação 
 
Biomateriais são materiais que podem ser implantados no interior do corpo 
humano para substituir ou reparar partes doentes ou danificadas. Podem ser 
34 
 
de origem natural ou sintético. Esses materiais não devem produzir substâncias 
tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo, isto é não devem 
causar reações biológicas adversas. Todos os materiais – metálicos, 
cerâmicos, compósitos e poliméricos podem ser usados como biomateriais. 
São materiais capazes de interagir com o corpo humano. A bioengenharia e o 
ramo da ciência que desenvolve os biomateriais. 
A bioengenharia tecidual é um campo multidisciplinar que envolve a aplicação 
de princípios e métodos da engenharia e das ciências da saúde para assistir e 
acelerar a regeneração e o reparo de tecidos defeituosos ou danificados 
(TABATA, 2009). 
 
 
a- Biomateriais metálicos 
 
Aplicações 
- Substituição de ossos 
- Reparação de ossos 
- Placas metálicas para fraturas, etc. 
- Implantes dentários, enchimento e pinos 
- Parafusos e grampos 
- Partes de outros dispositivos 
- Corações artificiais – bombas 
- Marca-passos 
- Cateteres 
- Extensores (stents) 
 
 
Figura 20- Reconstituição do fêmur 
 
 
 
35 
 
 
Figura 21 – Exemplos de utilização do biomateriais metálicos 
 
Metais usados na medicina 
Aços inoxidáveis principalmente os austeníticos do tipo 316L 
 Ligas Co-Cr-Mo, Co-Ni-Cr-Mo 
Metais nobres - Au, Ag, Pt, Pd, Ir 
Mercúrio – Amálgama dentário 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 22- Amálgama dentário 
 
Amálgamas - é toda liga 
metálica em que um dos 
metais envolvidos está 
 em estado líquido, 
geralmente o mercúrio 
 
Metais formadores das 
amálgamas - mercúrio, prata 
e estanho 
 
 
36 
 
 
Figura 23- Pinos metálicos 
 
 
 
 
Figura 24- Implantes ortopédicos 
 
 
 
 
 
 
Figura 25- Implantes de joelho e placas faciais. 
37 
 
b- Biomateriais cerâmicos 
 
As cerâmicas podem ser tanto sintéticas quanto naturais e são utilizadas em 
substituição ao tecido ósseo. 
As principais cerâmicas disponíveis comercialmente e utilizadas para 
reparação e substituição do tecido ósseo são a Hidroxiapatita 
(Ca10(PO4)6(OH)2) e o b-Tricálcio fosfato (Ca3(PO4)2), a alumina e a zircônia 
 
Vantagens 
-são estruturalmente semelhantes ao componente inorgânico do osso; 
-são biocompatíveis, osteocondutivas e, 
-não possuem proteínas em sua composição 
-menor risco de rejeição pelo organismo 
-possuem um alto tempo de degradação in vivo, permitindo a remodelação 
óssea no sítio do implante. 
 
Limitações 
- baixa rigidez estrutural, de forma que não podem ser utilizadas em regiões de 
grande esforço mecânico, e 
-sua natureza porosa, o que aumenta o risco de fraturas. 
 
Aplicações 
- ortopedia e odontologia no reparo de defeitos ósseos, 
- manutenção do rebordo alveolar e 
- implantes ortopédicos e dentários 
38 
 
 
Figura 26- Biomateriais cerâmicos 
 
c- Biomateriais poliméricos 
 
Os polímeros utilizados como biomateriais podem ser de origem natural ou 
sintética, e sua principal característica é a biodegradabilidade. Os polímeros 
sintéticos são geralmente degradados por hidrólise simples, enquanto os 
polímeros naturais são principalmente degradados enzimaticamente (TABATA, 
2009). 
 
Vantagens 
 
- fácil processamento, 
- origem ilimitada, 
- não sofrem degradação mediada por células, 
- são biodegradáveis e biocompatíveis, 
- a baixa densidade, 
- a alta resistência à corrosão e 
- baixa reatividade 
 
Desvantagens 
- possuem baixa resistência mecânica, 
39 
 
- sofrem redução de tamanho ao longo do tempo, 
- a interação célula-polímero é questionável, 
- possuem superfície hidrofóbica e 
- existe a possibilidade de reação tóxica local pela liberação de produtos ácidos 
 
Aplicações 
- os polietilenos de peso molecular muito alto (PMMA) são utilizados para a 
reposição de articulação, de válvulas cardíacas e de marcapassos. 
 
- desenvolvimento de moldes (“scaffolds”) tridimensionais para confecção de 
cartilagens, ligamentos, meniscos e discos intervertebrais, 
- indicados na ortopedia e como dispositivos implantados para liberação de 
fármacos. 
 
 
Figura 27- Implantes de material polimérico 
40 
 
 
Figura 28- Prótese de silicone 
 
Figura 29 
 
 
 
41 
 
 
Figura 30- Fotografia de diferentes componentes acetabulares metálicos (não cimentados) e 
diferentes superfícies protéticas. (A): cabeça metálica/ Polietileno, (B): Cabeça 
cerâmica/cerâmica, (C); Cabeça metálica/metálica. 
 
 
 
Desenvolvimento atual 
 
 
Para solucionar as desvantagens das cerâmicas e polímeros, novos estudos 
têm sido realizados no intuito de desenvolver biomateriais sintéticos híbridos ou 
compósitos, que possuam as vantagens das cerâmicas e polímeros, porém 
com melhores taxas de reabsorção após a implantação e melhor resistência 
mecânica (WAN; NACAMULI; LONGAKER, 2006). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
42 
 
 
1-9- A competição entre os materiais e os casos mais difíceis 
Materiais de diferentes classes (ou, mesmo, da mesma classe) competem 
entre si nas diferentes aplicações que lhes podemos dar em utensílios, 
mecanismos, habitações, móveis, meios de transporte, etc. 
Fora dessa região de franca competição, há duas áreas, em campos opostos, 
onde existem dificuldades em se aplicar materiais; elas são: (i) a região das 
aplicações sem materiais sucedâneos e, como, por exemplo, o uso tungstênio 
em filamentos de lâmpadas incandescentes 
(ii) a das aplicações ainda sem materiais ‘ideais’ ou eficientes, como, por 
exemplo, a utilização do vidro em janelas blindadas. 
 
Figura 31-Aplicação dos diversos materiais em um veículo 
 
 
 
 
 
43 
 
2- PRODUÇÃO DOS MATERIAIS 
 
2-1- PRODUÇÃO DOS MATERIAIS METÁLICOS 
Os metais são obtidos a partir dos minérios, que consistem em uma massa 
polimineral de onde se pode extrair economicamente um ou mais metais. Os 
minérios compõem as rochas e são extraídos a partir delas. A atividade de 
extração dos minérios é realizada pelas mineradoras e pode ser a céu aberto 
ou subterrânea. O minério possui 02 constituintes: parte útil e ganga, sendo 
que a parte útil ou interessante é a parte economicamente visada e a ganga 
constitui o estéril, a parte descartável no processamento industrial. Após sua 
extração, é necessário adequá-los para o consumo, seja sua granulometria ou 
seja desassociá-los de outros minerais, que não têm interesse ou são 
indesejáveis para o processo industrial a que se destinam. Para isto se utiliza 
do processo denominado Beneficiamento de Minérios, que consiste de várias 
operações aplicadas aos bens minerais, visando modificar a granulometria, a 
concentração relativa das espécies minerais presentes ou a sua forma, sem 
contudo modificar a identidade química ou física dos minerais. As operações de 
beneficiamento são: fragmentação, peneiramento, classificação, 
desaguamento, secagem e disposição de rejeitos. 
 
 
44 
 
Fluxograma de rotas para fabricação de produtos metálicos. 
Os fenômenos metalúrgicos estão indicados pelos quadros em tom cinza. 
 
 
45 
 
Após o beneficiamento, os minérios são submetidos a processos metalúrgicos 
adequados para a separação da ganga e obtenção do metal. Estes processos 
são: Pirometalúrgico, Hidrometalúrgico, Eletrometalúrgico e Biometalúrgico. 
 
2-1-2- PROCESSO HIDROMETALÚRGICO 
Consiste na dissolução do minério em algum tipo de solvente, seja para tratar o 
minério, seja para extrair dele o metal desejado. 
Os processos hidrometalúrgicos ou processos úmidos de extração são, 
particularmente, úteis quando o minério a ser reduzido tem baixo teor de metal 
a ser extraído. 
O solvente pode ser reciclado e recuperado para uso posterior. Esse solvente é 
dissolvido em grandes quantidades de água. 
O processo envolve grandes volumes do minério, portanto, o uso de grandes 
tanques e unidades custosas. 
Metais obtidos por este processo: Alumínio, estanho, cobre. 
 
 
Figura 32- Planta do Processo Hidrometalúrgico 
 
46 
 
2-1-3- PROCESSO ELETROMETALÚRGICO 
Os processos eletrometalúrgicos são Utilizados na extração e no refino de 
metais não ferrosos toda vez que os processos pirometalúrgicos mostram-se 
pouco eficientes e, particularmente onde a energia elétrica é abundante. 
O processo consiste na dissolução do metal numa cuba eletrolítica (ou célula 
eletrolítica) contendo um condutor Iônico denominado “eletrólito”. O metal se 
dissolve sob a forma de íons metálicos e é, então, submetido a um campo 
elétrico aplicado através de dois eletrodos imersos no eletrólito. Nestas 
condições os íons positivos (cátions) são atraídos para o eletrodo negativo 
(cátodo) onde captam elétrons e se depositam sob a forma de átomos neutros 
(metálicos). 
 
Figura 33- Cuba Eletrolítica 
 
2-1-4- PROCESSO BIOMETALÚRGICO 
São mais recentes. Atualmente, se encontram em ascensão não somente no 
tratamento de sucata eletrônica, mas em diversos processos industriais. A 
biolixiviação é um processo utilizado para recuperação de metais a partir de 
sulfetos metálicos, que são os principais minerais portadores de metais 
47 
 
preciosos, através do uso de bactérias em reações assistidas. A extração de 
metais como Co, Mo, Ni, Pb é viável, mas apenas o cobre e o ouro são 
produzidos industrialmente em proporções significativas. 
 
2-1-5- PROCESSOS PIROMETALÚRGICOS 
Compostos metálicos tendem a diminuir sua estabilidade química com o 
aumento da temperatura. Este fato explica, em parte, porque a maioria dos 
processos de extração e refino é efetuada em altas temperaturas, muitas vezes 
envolvendo a fusão ou a ebulição de produtos e reagentes. 
Os Processos Pirometalúrgicos são processos de extração realizados em 
temperaturas muito acima da temperatura ambiente (com exceção da 
eletrólise). 
Os equipamentos utilizados para os processos são os fornos ou reatores, nos 
quais o calor necessário é obtido por meio de uma combustão (ou outra reação 
exotérmica). Os fornos utilizam combustíveis, tais como, carvão, coque, gás 
natural e outros. 
Esta rota inclui processos térmicos como: Secagem, Calcinação, Destilação, 
Pirólise, Fundição e Incineração. 
A grande vantagem da rota pirometalúrgica é aceitar os materiais ou resíduos 
praticamente sem qualquer pré-processamento. Por outro lado, esta rota 
normalmente está associada com alto consumo energético e a grande 
possibilidade de geração de gases poluentes durantes os processos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
48 
 
2-2- PRODUÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS 
 
Fluxograma da rota de produção das cerâmicas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Extração da matéria 
prima (argila, caulim, 
talco, carbonatos) 
Armazenamento e 
estocagem 
Preparação do material 
cerâmico 
Secagem e esmaltação 
Queima 
Conformação 
49 
 
 
2-2-1- PRODUÇÃO DO VIDRO 
Vidro é produzido por aquecimento das matérias primas até uma temperatura 
elevada acima da qual ocorre a fusão. A maioria dos vidros comerciais é de 
uma variedade de sílica-sodacálcia. 
 
 
Figura 35 – Produção do vidro. 
 
CONFORMAÇÃO DO VIDRO 
São usados quatro diferentes métodos de conformação para fabricar produtos 
de vidro: prensagem, sopro, estiramento e conformação de fibra. 
 
Na prensagem, a peça de vidro é conformada por aplicação de pressão num 
molde de ferro fundido revestido com grafita. Essa técnica é usada é usada na 
fabricação de peças de parede relativamente grossa tais como pratos e tigelas. 
 
50 
 
Na conformação por sopro a peça é inserida dentro de um molde de 
acabamento ou de sopro e forçada a conformar-se aos contornos do molde 
pela pressão criada por um sopro de ar. 
 
 
Figura 36 – Conformação por sopro artesanal. 
 
 
Figura 37- processo industrial de conformação por sopro. 
51 
 
O estiramento é usado para formar peças longas de vidro tais como chapa, 
vidro, tubo e fibras, que têm uma seção reta constante. 
Após a conformação, a peça obtida será submetida aos tratamentos térmicos 
de recozimento e têmpera. O primeiro é realizado para eliminar tensões 
residuais internas enquanto que o segundo, para conferir resistência mecânica 
à peça tratada. 
 
O vidro temperado é utilizado em aplicações que requerem resistência 
mecânica elevada; estas incluem portas grandes, para-brisas de automóveis e 
lentes de óculos. 
 
2-2-2- PRODUÇÃO DOS MATERIAIS ARGILOSOS 
Argilas são aluminossilicatos, sendo compostas de alumina (Al2O3) e sílica 
(SiO2), que contém água quimicamente combinada e impurezas. Entre estas 
as mais comuns são compostos (usualmente óxidos) de bário, cálcio, sódio, 
potássio e ferro, e também alguma matéria orgânica. 
Duas características essenciais da argila merecem destaque: possuem 
hidroplasticidade, ou seja, tornam-se plásticos quando água é adicionada; 
além disso, argila se funde ao longo de uma faixa de temperatura, essa 
característica está em função da composição da argila e é imprescindível para 
manter a forma da cerâmica durante o processo chamado queima, no qual não 
ocorre fusão do material devido a essa propriedade. 
 
Técnicas de Fabricação 
O material minerado tem que passar por operação de moagem na qual o 
tamanho da partícula é reduzido; isto é realizado por peneiramento ou 
classificação granulométrica para fornecer produto pulverizado de acordo com 
tamanho de partículas desejado. Os pós devem ser integralmente misturados 
com água e outros ingredientes para dar características de escoamento que 
sejam compatíveis com a técnicade conformação empregada. A peça 
conformada deve ter suficiente resistência mecânica para permanecer intacta 
durante as operações de transporte, secagem e queima. 
 
Conformação 
52 
 
Destacam-se duas técnicas de conformação: a conformação hidroplástica 
(extrusão) e a fundição em suspensão. 
 
Figura 38 – Conformação por extrusão 
 
 
Figura 39 – Conformação por pressão. 
http://www.engenhariacivil.com/tijolos-papel
http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-624432507-projeto-prensa-tijolo-ecologico-envio-gratis--_JM&ei=A8X4VKfeOc_IsQTyroLICw&psig=AFQjCNE-sy0kheDz0HNUCGdy_jRb5DuaXA&ust=1425675792213785
53 
 
 
 
 
Figura 40- Produto argiloso 
Após a conformação a peça obtida será submetida à secagem e recozimento. 
 
Secagem 
A secagem é realizada de maneira lenta para eliminar a água da peça. 
Cozimento 
Após a secagem, um corpo é usualmente cozido em altas temperaturas (entre 
900°C e 1400°C), sendo que a temperatura de queima depende da 
composição e das propriedades desejadas. 
 
Prensagem de Pós 
Outro importante método de conformação cerâmica é a prensagem de pó. 
Consiste em compactar (pressão) uma massa em pó – usualmente contendo 
uma pequena quantidade de água ou outro ligante – até uma forma desejada. 
Posteriormente, é aplicada uma fonte de calor para vitrificação do material 
prensado. 
Essa técnica é empregada para fabricar peças tanto de argila quanto de não-
argila, incluindo cerâmicas eletrônicas e magnéticas, bem como alguns tipos de 
tijolos refratários. 
http://www.engenhariacivil.com/tijolos-papel
54 
 
2-3- PROCESSO DE PRODUÇÃO DOS POLÍMEROS: 
Polimerização 
Os polímeros são formados através de sucessivas reações entre os 
monômeros correspondentes (não necessariamente da mesma espécie 
química – copolímeros), ou através da policondensação (reação entre dois 
monômeros diferentes cujos produtos são o polímero desejado e outro 
composto – água ou amônia, em geral). 
Para a produção de polímeros de vinilas (como o PVC), o método de 
polimerização mais utilizado é através de emulsificação em água: em um 
tanque com água (até mesmo na temperatura ambiente) são adicionados os 
monômeros do polímero a ser formado, e um surfactante (sabão ou detergente 
– para dissolver os monômeros, pois são hidrofóbicos). 
O surfactante forma miscelas (que solubilizam os monômeros) na fase aquosa 
e, com a adição de algum iniciador de radicais livres (como o peróxido de 
benzoíla) que também migra para essas miscelas, a polimerização é iniciada. 
 
Figura 41 – Etapas da polimerização 
 
 
 
Figura 42- Conformação de um polímero 
http://www.infoescola.com/quimica/reacao-de-polimerizacao/
http://www.infoescola.com/quimica/especie-quimica/
http://www.infoescola.com/quimica/especie-quimica/
http://www.infoescola.com/quimica/polimeros/
http://www.infoescola.com/compostos-quimicos/amonia/
http://www.infoescola.com/bioquimica/radicais-livres/
http://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2010/06/polimerizacao.jpg
55 
 
3- ESTRUTURAS CRISTALINAS 
 
3-1- Por que estudar as estrutura de sólidos cristalinos? 
As propriedades de alguns materiais estão diretamente relacionadas as suas 
estruturas cristalinas. Por exemplo, magnésio e berílio puros sem deformação, 
tendo a estrutura cristalina hexagonal compacta são muito quebradiços (isto 
é, fraturam a menores níveis de deformação) do que metais puros e sem 
deformação, como o ouro e a prata de estrutura cristalina cúbica de face 
centrada. 
Além disso, existem diferenças significativas nas propriedades apresentadas 
por materiais cristalinos e não-cristalinos que possuem a mesma composição. 
Por exemplo, cerâmicas e polímeros não cristalinos são normalmente 
opticamente transparentes: os mesmos materiais em forma cristalina (ou 
semicristalina) tendem a ser opacos ou, na melhor das hipóteses, translúcidos. 
 
 
3-2- INTRODUÇÃO 
A estrutura dos materiais sólidos é resultado da natureza de suas ligações 
químicas, a qual define a distribuição espacial de seus átomos, íons ou 
moléculas. Os materiais sólidos podem ser cristalinos ou não-cristalinos 
(amorfos) de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons se 
colocam em relação a seus vizinhos. A grande maioria dos materiais 
comumente utilizados em engenharia, particularmente os metálicos, exibe um 
arranjo geométrico de seus átomos bem definido, constituindo uma estrutura 
cristalina. Um material cristalino, independente do tipo de ligação encontrada 
no mesmo, apresenta um agrupamento ordenado de seus átomos, íons ou 
moléculas, que se repete nas três dimensões. Nesses sólidos cristalinos, essa 
distribuição é muito bem ordenada, exibindo simetria e posições bem definidas 
no espaço. Em estruturas cristalinas, o arranjo de uma posição em relação a 
outra posição qualquer deve ser igual ao arranjo observado em torno de 
qualquer outra posição do sólido, ou seja, qualquer posição em uma estrutura 
cristalina caracteriza-se por apresentar vizinhança semelhante. 
 
3-3-ESTRUTURAS CRISTALINAS DOS MATERIAIS SÓLIDOS 
. 
56 
 
CONCEITOS FUNDAMENTAIS 
 
Material cristalino: é aquele em que seus átomos estão posicionados em um 
arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas; isto é, 
existe ordem de longo alcance, de tal modo que quando ocorre solidificação os 
átomos se posicionam em um padrão tridimensional repetitivo, no qual cada 
átomo está ligado aos seus vizinhos mais próximos, formando uma rede 
cristalina. 
Todos os metais, muitos materiais cerâmicos e certos polímeros formam 
estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação. 
 
Estruturas cristalinas são arranjos regulares, tridimensionais, de átomos no 
espaço, ou seja, a forma pela qual os átomos, íons ou moléculas do material 
estão espacialmente distribuídos. 
O conceito de estrutura cristalina está relacionado à organização dos átomos 
de forma 
A regularidade com que os átomos se agregam nos sólidos decorre de 
condições geométricas impostas pelos átomos envolvidos, pelo tipo de ligação 
atômica e pela compacidade. 
 
As estruturas cristalinas estão presentes em diversos materiais, em que os 
átomos distribuídos dentro de sua estrutura formam uma rede 
chamada retículo cristalino. 
Rede cristalina (Retículo): são os átomos distribuídos dentro de sua estrutura 
cristalina. 
. 
Figura 43-Rede cristalina do cloreto de sódio 
http://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2010/01/NaCl-Ionengitter1.png
57 
 
Uma célula unitária é definida como a menor porção do cristal que ainda 
conserva as propriedades originais do mesmo. 
 
Figura 44- Representação de uma célula unitária CS: (a) posições dos átomos; (b) arranjo 
atômico;(c) átomos no interior da célula unitária. 
 
Arranjos Cristalinos são arranjos atômicos que se repetem nas três 
dimensões 
Algumas vezes, os cristais controlam a forma externa (Ex: superfície plana das 
pedras preciosas e quartzo (SiO2), superfície hexagonal dos flocos de neve.) 
Ao descrever estruturas cristalinas, os átomos (ou íons) são considerados 
como se fossem esferas sólidas que possuem diâmetros bem definidos, 
conhecido como modelo de esfera rígida atômica, no qual as esferas que 
representam os átomos vizinhos mais próximos que se tocam entre si. 
 
Figura 45- Cristalização do NaCl, em destaque o cristal de NaCl 
58 
 
CRISTAL => originado da formação da Célula unitária - cubo básico que se 
repete em todos os outros cubos de NaCl. 
 
EXEMPLO DE DIVISÃO NO ESPAÇO 
SISTEMAS CRISTALINOS 
Qualquer empacotamento atômico deve estar num dos 7 tipos de cristais 
abaixo: 
 Cúbicos 
 Tetragonal 
 Ortorrômbico 
 Monoclínico 
 Triclínico 
 Hexagonais 
 Romboédricos 
Os sistemas cristalinos: 
– Estão associados com o modo pelo qual o espaço pode ser 
dividido em volumes iguais pela interseção de superfíciesplanas. 
– Compõe todas as possíveis geometrias de divisão do espaço por 
superfícies planas contínuas. 
 
 
59 
 
 
Figura 46- Reticulados cristalinos 
 
 SISTEMAS CRISTALINOS EIXOS ÂNGULOS ENTRE OS EIXOS 
Cúbico a=b=c α=β=γ=90o 
Hexagonal a=b#c α=β=90o γ=120o 
Tetragonal a=b#c α=β=γ=90o 
Trigonal a=b=c α=β=γ#90o 
Ortorrômbico a#b#c α=β=γ=90o 
Monoclínico a#b#c α=γ=90o#β 
Triclínico a#b#c α#β#γ#90o 
 
ESTRUTURAS CRISTALINAS MAIS COMUNS DOS METAIS 
- cúbica simples - cs 
- cúbica de faces centradas - cfc 
- cúbica de corpo centrado – ccc 
- hexagonal compacta - hc 
 
60 
 
3-3-1- ESTRUTURAS CÚBICAS 
 
CÚBICA SIMPLES 
 Hipotética para metais puros; 
 Um átomo em cada vértice do cubo; 
 Três arestas iguais e eixos perpendiculares; 
 Posições equivalentes em cada célula (a célula unitária é uma síntese 
da estrutura de todo o material); 
 
Figura 48- Estrura cúbica simples 
Da figura observa-se que em cada célula unitária há apenas o equivalente a 
01 átomo (1/8 de cada átomo da figura cai dentro da célula), resultando 
num fator de empacotamento atômico (FEA) baixo. 
 
Figura 49- Vista da face do cubo contendo nos vértices nos seus vértices 
Volume 1 átomo = 4/3 π r3 
 
Volume da célula unitária = a3 
 
61 
 
Fator de empacotamento = volume de 1 átomo 
 volume da célula unitária 
FECS = 4¶r3/3 = 0,52 
 (2r)3 
52% =>apenas 52% do espaço está ocupado => explica o porque dos metais 
não se cristalizarem neste arranjo. 
 
ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO (ccc) 
 Um átomo em cada vértice do cubo e um no centro. 
 Todos os átomos são geometricamente equivalentes. 
 Dois átomos por célula unitária (1 no centro e 8 x 1/8 nos vértices). 
 Cada átomo possui 8 vizinhos quer esteja no centro do cubo ou no 
vértice (NC =8). 
 
Figura 50- Estrutura cúbica de corpo centrado 
 
Figura 51- Cubo contendo um átomo no vértice e um no centro 
62 
 
Da figura, se observa que há um átomo no centro e o equivalente a 8 x 1/8 em 
cada vértice, resultando em dois átomos por célula unitária, cujo fator de 
empacotamento atômico (FEA) é dado por: 
Fator de empacotamento = volume de 1 átomo 
 volume da célula unitária 
 
 
 
 
 
FC ou FEA = Índice de ocupação volumétrica: 0,68 
 
CARACTERÍSTICAS 
• Os metais que apresentam estrutura cristalina do tipo ccc, são mais 
duros e menos maleáveis que os metais com estruturas compactas, 
como as estruturas cfc e hc. 
 
• Quando o metal é deformado por aquecimento, por exemplo, os planos 
de átomos podem escorregar uns sobre os outros, e isto é mais difícil 
nas estruturas ccc. 
 
• O endurecimento dos metais, que envolvem a introdução de impurezas 
ou defeitos em suas camadas cristalinas, são mecanismos que 
bloqueiam o escorregamento. 
 
EXEMPLOS DE METAIS COM ESTRUTURA CCC 
 
 Cr, V, Mo, Na, W, 
 Fe-a (até 912ºC e de 1394ºC a 1538ºC) 
 Tungstênio 
3
4
162 222
r
a
raa


3
3
)
3
.4
(
3
.4
.2
r
r
V
V
FC
Cubo
átomos


63 
 
ESTRUTURAS CÚBICA FACE CENTRADA (CFC) 
 
 Um átomo em cada vértice da célula unitária, um no centro de cada face 
e nenhum no centro. 
 4 átomos por célula: 8 x 1/8 nos vértices e 6 metades no centro de cada 
face. 
 O número de coordenação no cfc é 12. 
 
 
Figura 52- Estrutura cúbica de face centrada 
 
 
Da figura abaixo, se observa 8 x 1/8 de átomos dos vértices e seis metades 
átomo de cada face do cubo, resultando em 04 átomos na célula e um fator de 
empacotamento atômico (FEA) mais elevado. 
 
 
 
64 
 
 
Figura 53- Cubo contendo 1/8 de átomos nos vértices e metade em cada face. 
 
 
 
 
 
 
 
FEA = Índice de ocupação volumétrica: 0,74 
 
OBSERVAÇÃO: Os metais se cristalizam mais CFC que a estrutura CCC 
 
EXEMPLOS DE METAIS QUE SE CRISTALIZAM NA ESTRUTURA CFC 
 Cu, Al, Pb, Ag, Ni, NaCl, Au, Fe-g (de 912ºC à 1394ºC) 
 
OBSERVAÇÕES FINAIS 
 fator de empacotamento é independente do tamanho do átomo se 
apenas um tipo de átomo está presente; 
 nas estruturas com 2 ou mais átomos, os tamanhos relativos afetam o 
fator de empacotamento. 
ra
raa
.2.2
).4( 222


74,0
).2.2(
3
.4
.4
3
3

r
r
V
V
FC
Cubo
átomos

Átomos por célula unitária = 4 
65 
 
• a estrutura cfc possui o maior fator de empacotamento possível para um 
metal puro => estrutura cúbica de empacotamento fechado. 
 
3-3-2- ESTRUTURAS HEXAGONAIS 
HEXAGONAL SIMPLES (hs) 
CARACTERÍSTICAS: 
• Não possuem posições internas equivalentes aos vértices; 
• Baixo empacotamento atômico - metais não se cristalizam nesta 
estrutura; 
• Compostos com mais de um tipo de átomo podem possuir esta 
configuração. 
 
Figura 54- Estruturas hexagonais simples 
 
ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA (hc) 
 
CARACTERÍSTICAS 
 mais densa que a hexagonal simples => maior fator de empacotamento 
 cada átomo de uma dada camada está abaixo ou acima dos interstícios 
entre três átomos das camadas adjacentes. Ex: Zinco 
66 
 
 
Figura 55- Estrutura hexagonal compacta. 
 
 
Figura 55- Distribuição dos átomos na estrutura hexagonal compacta. 
 
 
 Cada átomo tangencia 12 
átomos (NC=12): 
3 na camada acima, 
3 na camada abaixo e 
6 no seu plano 
 
 
 fator de empacotamento => 
0,74 
 
67 
 
CONCLUSÃO: 
 As estruturas cfc e hc são as estruturas mais compactas que a estrutura 
ccc. 
 
 Fator de empacotamento das estruturas cfc e hc é 0,74 enquanto que a 
estrutura ccc é de 0,68. 
 
 
3-4- ESTRUTURA DAS CERÂMICAS 
Uma vez que as cerâmicas são compostas por pelo menos dois elementos, as 
suas estruturas são em geral mais complexas do que as dos metais; 
 
 
Figura 56- Exemplo de estrutura cerâmica. 
 
As cerâmicas formam estruturas cristalinas compostas por íons eletricamente 
carregados, em vez de átomos e duas características dos íons influenciam a 
estrutura dos cristal: 
 O cristal deve ser eletricamente neutro. 
 
 Envolve os raios iônicos dos cátions e ânions. 
68 
 
EXEMPLOS DE ESTRUTURAS DAS CERÃMICAS 
 
 
Figura 56- estrutura CFC do cloreto de sódio. 
 
 
Figura 57- Estrutura CCC do cloreto de césio. 
 
3-5- MICROESTUTRURA DOS POLÍMEROS 
Os polímeros podem se apresentar com microestruras semi-cristalinas ou 
amorfas. 
NC – 6 
Estrutura CFC dos ânions. 
Com um cátion situado no 
centro do cubo e outro localizado 
no centro de cada uma das 12 
arestas 
 
NC – 8 
Os ânions estão localizados 
em cada vértices de um cubo, 
enquanto que o centro do 
cubo contém um único cátion. 
 
69 
 
 
 
Figura 57- Microestrutura dos polímeros. 
 
 
Figura 58- Estrutura ortorrômbica do polietileno. 
 
70 
 
3-5- POLIMORFISMO 
 
Quando o mesmo elemento ou composto químico apresenta diferentes formas 
cristalinas de acordo com as condições de pressão e temperatura, esse 
fenômeno é chamado polimorfismo. 
Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças 
na densidade e mudanças de outras propriedades físicas. 
 
Como exemplo, tem-se o Ferro (Fe), que pode apresentar as estruturas CFC 
(cristalina cúbica de faces centradas) e CCC (cristalina cúbica de corpo 
centrado), aspecto que deve ser considerado em sua utilização, como em 
processos metalúrgicos. 
 
 
Figura 59- Polimorfismo do ferro. 
 
O carbono também é um exemplo de elemento polimórfico, presente no 
diamante, que é uma estrutura extremamente dura, e também no grafite, que é 
quebradiço. 
71 
 
 
Figura 59- Polimorfismo do carbono. 
 
O titânio também apresenta formas alotrópicas ou polimorfismo (mudança de 
fase) deacordo com a temperatura. 
 
Figura 59- polimorfismo do titânio. 
 
CONCLUSÃO: 
Diz-se que metais como o ferro, sofrem transformações alotrópicas de fase no 
estado sólido. 
72 
 
3-6-MATERIAIS MONICRISTALINOS E POLICRISTALINOS 
 
MONOCRISTALINOS: 
• Constituídos por um único cristal em toda a extensão do material, 
sem interrupções. 
• Todas as células unitárias se ligam da mesma maneira e possuem a 
mesma direção. 
 
Figura 59- Material monocristalino. 
 
POLICRISTALINOS 
Constituído de vários cristais ou grãos, cada um deles com diferentes 
orientações espaciais, separados pelos contornos de grão. 
. 
Figura 60- Grãos e contorno de grão. 
Os contornos de grão são 
regiões separando cristais de 
diferentes orientações em um 
material policristalino 
 
73 
 
ANISOTROPIA 
 
Algumas propriedades físicas dependem da direção cristalográfica na qual as 
medições são tomadas. 
Direcionalidade das propriedades é conhecida com anisotropia. 
 
Isotropia – propriedades medidas são independentes da direção. 
 
Materiais policristalinos – magnitude da propriedade medida representa uma 
média dos valores direcionais; ou seja, a medida de propriedade depende da 
direção cristalográfica 
 
Material possui textura - materiais policristalinos que possuem uma 
orientação cristalográfica preferencial 
 
4- DEFEITOS CRISTALINOS 
 
4-1- Por que estudar imperfeições ou defeitos cristalinos? 
 
As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela 
presença de imperfeições, consequentemente é importante ter conhecimento 
sobre os tipos de imperfeições que existem e sobre os papéis que elas 
representam ao afeter o comportamento dos materiais. Por exemplo, as 
propriedades mecânicas de metais puros experimentam alterações 
significativas quando estes são ligados (isto é, quando átomos de impurezas 
são adicionados) – a prata de lei (92,5% prata e 7,5% cobre) é muito mais dura 
e resistente do que a prata pura. Os dispositivos microeletrônicos de circuitos 
integrados encontrados em computadores, calculadores e utensílios 
domésticos funcionam devido a concentrações rigorosamente controladas de 
impurezas específicas que são incorporadas em regiões pequenas e 
localizadas de materiais semicondutores. 
 
74 
 
4-2- INTRODUÇÃO 
 
Defeito cristalino é uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular 
dos átomos em um cristal. Na realidade, os cristais nunca são perfeitos e 
contêm vários tipos de imperfeições e defeitos, que afetam muitas das suas 
propriedades físicas e mecânicas, o que, por sua vez, alteram propriedades de 
engenharia importantes, tais como a plasticidade (a frio) das ligas, a 
condutividade eletrônica dos semicondutores (condutividade dos 
semicondutores depende das impurezas presentes) a cor e luminescência de 
muitos cristais se devem as impurezas ou imperfeições, assim como a corrosão 
dos metais. 
 
Os defeitos são importantes, mesmo em concentrações muito pequenas, por- 
que podem causar uma mudança significativa nas propriedades de um 
material. 
 
Por exemplo, sem a presença de defeitos: 
 
 os dispositivos eletrônicos do estado sólido não existiriam; 
 os metais seriam muito mais resistentes; 
 os cerâmicos seriam muito mais tenazes; 
 os cristais não teriam nenhuma cor. 
As imperfeições nas redes cristalinas são classificadas de acordo com a sua 
geometria ou dimensionalidade do defeito (forma). 
 
Podem envolver uma irregularidade: 
 
 na posição dos átomos, 
 
 no tipo de átomos. 
 
 
O tipo e o número de defeitos dependem: 
 
 do material, 
 do meio ambiente, e 
 das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. 
 
 
4-3-TIPOS DE DEFEITOS 
 
Os tipos de defeitos podem ser definidos como: 
 
75 
 
 Defeitos pontuais: irregularidades que se estendem sobre somente 
alguns átomos (defeitos adimensionais - dimensão zero), podendo ser 
lacunas, intersticiais ou substitucionais; 
 
 Defeitos lineares: irregularidades que se estendem através de uma 
única fileira de átomos (unidimensionais), podendo ser discordâncias em 
hélice ou discordâncias em cunha; 
 
 Defeitos planares: irregularidades que se estendem através de um 
plano de átomos (bidimensionais, que incluem as superfícies exteriores 
e os limites de grão interiores), podendo ser contornos de pequeno 
ângulo, contornos de grão, interface precipitado – matriz 
 
 Defeitos volumétricos: defeitos macroscópicos tridimensionais se 
estendem sobre o conjunto dos átomos na estrutura ou no volume. 
Como exemplos destes defeitos podem-se citar os poros, as fendas, os 
precipitados e as inclusões. 
. 
Além desta classificação, os defeitos podem ser divididos nas seguintes 
categorias: 
 Intrínsecos: defeitos decorrentes das leis físicas; 
 
 Extrínsecos: defeitos presentes devido ao meio ambiente e/ou as 
condições de processamento. 
Sendo que a maioria dos defeitos em materiais são defeitos extrínsecos. 
 
4-4- DEFEITOS PONTUAIS 
 
Em um cristal apenas uma pequena fração dos sítios atômicos é imperfeita. 
(menos de 1 em 1 milhão). Apesar de poucos, eles influenciam muito nas 
propriedades dos materiais (nem sempre de forma negativa). Devido à agitação 
térmica, os átomos de um cristal real estão sempre vibrando. Quanto maior a 
energia térmica (ou temperatura), maior será a chance de átomos sair de suas 
posições, deixando um vazio em seu lugar. Por outro lado, dentro da rede 
cristalina existem inúmeros interstícios, espaços vazios entre os átomos, nos 
quais é possível alojar outros átomos. Finalmente, é praticamente impossível 
obter um material infinitamente puro. Sempre haverá impurezas presentes na 
rede cristalina. 
76 
 
Os defeitos pontuais são: 
 Auto-intersticiais, 
 Lacunas ou vacâncias e 
 Substitucional - intersticial 
Auto-intersticiais: Consiste em um átomo da própria rede que ocupa um 
interstício, um pequeno espaço que sob circunstâncias ordinárias não é 
ocupado na sua estrutura cristalina. Os defeitos auto-intersticiais causam uma 
grande distorção do reticulado cristalino a sua volta. 
 
 
Figura 61- Defeito auto-intersticial 
 
Lacunas (“vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do reticulado 
cristalino. Podem ser formadas durante a solidificação do cristal ou como 
resultado do deslocamento dos átomos de suas posições normais (vibrações 
atômicas). As lacunas podem mover-se por troca de posição com os átomos 
vizinhos. A presença de um vazio significa que as ligações atômicas na 
vizinhança do defeito não foram satisfeitas. As lacunas são essenciais em 
processo de difusão. A quantidade de lacunas aumenta com a temperatura. 
Podem-se projetar materiais com propriedades “pré-estabelecidas” através da 
criação e/ou controle desses defeitos. 
 
Figura 62- Lacunas 
77 
 
Impurezas nos metais (substitucional – intersticial): É impossível existir um 
metal consistindo de um só tipo de átomo (metal puro). As técnicas de refino 
atualmente disponíveis permitem obter metais com um grau de pureza no 
máximo de 99,99%. Defeitos pontuais devidos à presença de impurezas são 
encontrados em soluções sólidas. No caso de defeitos substitucionais, os 
átomos de impurezas tomam o lugar dos átomos hospedeiros ou os 
substituem, exemplo: cobre e níquel. 
 
 
Figura 63– Impurezas intersticial e substitucional 
 
Para soluções sólidas intersticiais, os átomos de impureza preenchem os 
espaços vazios ou interstícios que existem entre os átomos hospedeiros, 
exemplo: ferro e carbono. 
 
 
Figura 64– Impureza intersticial 
 
78 
 
4-4- DEFEITOS LINEARES 
 
Também chamados de discordâncias são defeitos lineares ou unidimensionais 
em torno do qual alguns átomos estão desalinhados. As discordâncias estão 
associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e 
supersaturação de defeitos pontuais). Os defeitos lineares são associados 
principalmente à deformação mecânica. A presença