Aula_2_Sustentabilidade_e_Inovao_dos_Materiais_V2

Prévia do material em texto

02/07/2021
1
Sustentabilidade e Inovação dos 
Materiais - TCI0041 
Tipos de Materiais. Classificação e seleção dos 
materiais e suas aplicações. 
DOCENTE: BRUNA BORGES SOARES
17/06/2021
Classificação dos materiais
02/07/2021
2
• Normalmente compostos por elementos metálicos.
• Eles têm grande número de elétrons não localizados, isto é, estes elétrons que não
estão amarrados a átomos particulares.
Metais
• Muitas propriedades de metais são diretamente atribuíveis a estes elétrons.
• São extremamente bons condutores de eletricidade e de calor e não são
transparentes à luz visível: a superfície de um metal polido tem aparência lustrosa.
• Além disso, metais são bastante fortes, ainda deformáveis, que respondem pelo seu
extensivo uso em aplicações estruturais.
Metais
02/07/2021
3
Características Gerais - Materiais Metálicos
• Possuem brilho
• Boa condutividade térmica e elétrica
• Boa maleabilidade
• Ponto de fusão ~ 1000°C
• Dureza média – Resistência à penetração e deformação plástica permanente
• Boa tenacidade
• Em geral, resistência à corrosão é ruim
• Em geral, densidade alta
• São compostos entre elementos metálicos e não-metálicos. São os óxidos, nitratos.
• A larga faixa de materiais que caem dentro desta classificação inclui cerâmicas
que são compostos de minerais, de argilas, cimento e vidro.
• São tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e de calor, e são mais
resistentes a altas temperaturas e ambientes agressivos do que metais e
polímeros.
• Com relação ao comportamento mecânico, cerâmicas são duras mas muito
frágeis.
Cerâmicos
02/07/2021
4
Fornos cerâmicos
Forno popular de cerâmica
Características Gerais - Materiais cerâmicos
• Em geral opacos mas podem ser transparentes
• Bons isolantes térmicos e elétricos
• Frágeis
• Dureza elevada
• Ponto de fusão elevado
• Maleabilidade ruim
• Boa resistência à corrosão
• Densidade média
02/07/2021
5
• Incluem os materiais familiares plástico e borracha.
• Muitos deles são compostos orgânicos que são quimicamente baseados em carbono,
hidrogênio, e outros elementos não metálicos.
• Possuem estruturas moleculares muito grandes.
• Estes materiais têm tipicamente baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis.
• Os mais comuns são: Polietileno (PE), Náilon, Cloreto de Polivinila (PVC), Policarbonato (PC),
Poliestireno (OS), borracha, e silicone.
Polímeros
Características Gerais – Materiais poliméricos
• Em geral opacos mas podem ser transparentes
• Bons isolantes térmicos e elétricos
• Boa plasticidade e elasticidade
• Baixa dureza
• Baixo ponto de fusão
• Resistência à corrosão média
• Baixa densidade
02/07/2021
6
• É um material em cuja composição entram dois ou mais tipos de materiais diferentes.
Alguns exemplos são metais e polímeros, metais e cerâmicas ou polímeros e cerâmicas.
• A aplicação de materiais compósitos vai desde simples artigos utilizados no nosso dia a
dia até aplicações para indústrias de ponta como são o caso da indústria aeronáutica e
aeroespacial.
• Um compósito é projetado para exibir uma combinação das melhores características de
cada um dos materiais componentes que não é obtida por qualquer material isolado.
• Compósitos naturais: madeira e osso.
• Sintético: Fibra de vidro + polímero (epóxi ou poliéster).
Compósitos
Características Gerais – Materiais compósitos
• São materiais produzidos de modo a se obter uma otimização de propriedades
• Tem-se propriedades que não se consegue num único material, ou que seja
economicamente mais vantajoso
02/07/2021
7
Tipos Exemplos
Folha de flandres, aços 
galvanizados
Pneu, embalagem tetrapak, fibra 
de carbono, fibra de vidro, fio 
condutor de eletricidade com 
isolante
Mesma classe
Classes distintas
Os materiais que podem compor um material compósito podem ser classificados em dois
tipos: matriz e reforço.
O material matriz é o que confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços
vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas.
• Matriz Polimérica;
• Matriz Metálica;
• Matriz Cerâmica.
02/07/2021
8
Os materiais reforços são os que realçam propriedades mecânicas, electromagnéticas ou
químicas do material compósito como um todo. São exemplos desses materiais:
• Fibras Orgânicas (nylon, poliéster)
• Fibra de vidro;
• Fibra de carbono;
• Fibra de titânio;
• Fibras cerâmicas;
• Fibras de alumina;
• Fibras de quartzo;
• Fibras metálicas.
• São sólidos cristalinos que possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas
apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes. Os elementos semicondutores podem ser
tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica.
• Seu emprego é importante na fabricação de
componentes eletrônicos tais como diodos,
transístores e outros de diversos graus de
complexidade tecnológica, microprocessadores, e
nanocircuitos usados em nanotecnologia.
• O elemento semicondutor é primordial na
indústria eletrônica e confecção de seus
componentes.
Semicondutores
02/07/2021
9
• São empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para a substituição de
partes do corpo doentes ou danificadas. Os materiais metálicos, cerâmicos, polímeros, compósitos e
semicondutores podem ser usados como biomateriais.
Biomateriais
• As propriedades são as características obtidas para um material em função do tipo e da
intensidade da resposta a um estímulo específico que lhe é imposto.
• Geralmente, as definições das propriedades dos materiais são feitas independentes do seu tamanho
e forma.
• O princípio que os engenheiros devem ter é que “as propriedades de um material originam-se na
sua estrutura interna”.
São atributos dos materiais
Propriedades dos materiais
02/07/2021
10
DOS MATERIAIS
PROPRIEDADES
• A estrutura interna de um material é a forma como estão arranjados os átomos e o modo como
estes se associam em cristais, moléculas e microestrutura.
• A estrutura interna (ou atômica), inclui todos os átomos e seus arranjos, que compõem os alicerces
da matéria.
• A determinação e/ou conhecimento das propriedades para a seleção dos materiais para uma
determinada aplicação;
Propriedades dos materiais
02/07/2021
11
• O material manterá suas propriedades indefinidamente, desde que não haja mudança na sua
estrutura interna.
• Portanto, ao se escolher um material para uma determinada aplicação, devem-se levar em conta
suas propriedades, às quais ditam o seu comportamento.
• De forma geral, as principais propriedades dos materiais sólidos podem ser agrupadas em seis
categorias diferentes: mecânicas, elétricas, térmicas, magnéticas, ótica e deterioravas.
• Para cada uma existe um tipo característico de estímulo capaz de provocar diferentes respostas.
Propriedades dos materiais
• Propriedades elétricas: o estímulo é o campo elétrico;
• Propriedades mecânicas: relacionam a deformação com uma carga ou força
aplicada;
• Propriedades térmicas: o comportamento é obtido como resposta a ação do
calor;
• Propriedades magnéticas: demonstram a resposta de um material à aplicação de
um campo magnético;
• Propriedades óticas: o estímulo é a radiação eletromagnética ou a luminosa;
• As características deterioravas indicam a reatividade química dos materiais.
Propriedades dos materiais
02/07/2021
12
•  Propriedades mecânicas
• Estas propriedades aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica.
• Elas relacionam a deformação com uma carga ou força aplicada;
• Ou seja, determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou
resistir aos esforços que lhe são aplicados.
•  Propriedades mecânicas
• Dentre as propriedades desse grupo, a mais importante é a resistência mecânica, a qual
permite ao material ser capaz de resistir à ação de esforços como a tração e a compressão.
• Ela está ligada às forças internas de atração existentes entre as partículasque compõem o
material.
Fig 1 – Ensaio de resistência mecânica à compressão
02/07/2021
13
• A elasticidade é a capacidade que o material deve ter de se deformar, quando submetido a
um esforço, e de voltar à forma original quando o esforço termina.
Im
a
g
e
m
: 
A
n
g
e
la
 S
e
v
in
g
 /
 C
re
a
ti
v
e
 C
o
m
m
o
n
s
 A
tt
ri
b
u
ti
o
n
 2
.0
 
G
e
n
e
ri
c
Im
a
g
e
m
: 
A
n
g
e
la
 S
e
v
in
g
/ 
C
re
a
ti
v
e
 C
o
m
m
o
n
s
 
A
tt
ri
b
u
ti
o
n
 2
.0
 G
e
n
e
ri
c
•  Propriedades térmicas
• Determinam o comportamento do material quando submetido a variações de temperatura/
aplicação de calor, que podem ocorrer tanto na sua fabricação quanto na utilização do
material.
• À medida que um sólido absorve energia, na forma de calor, sua temperatura varia, assim
também como suas dimensões.
• Os principais tipos de energia térmica em um sólido ocorrem devido a energia vibracional dos
átomos e a energia cinética dos elétrons livres.
02/07/2021
14
• Algumas dessas propriedades são assim definidas:
• Ponto de fusão se refere à temperatura que o material passa do estado sólido para o estado
líquido.
• Ponto de ebulição é a temperatura em que o material passa do estado líquido para o estado
gasoso.
• Calor específico representa a capacidade calorífica por unidade de massa.
• Capacidade calorífica é a propriedade que serve como indicativo da habilidade de um
material absorver calor da sua vizinhança externa. Esta característica depende muito pouco
da estrutura e da microestrutura do material.
• Expansão térmica é característica da maioria dos materiais sólidos, os quais se aumentam suas
dimensões quando submetidos a um aquecimento, ou contraídos, quando esfriados.
• Condutividade térmica é a propriedade que permite o fenômeno segundo o qual o calor é
transmitido do ponto de maior temperatura para o de menor temperatura.
02/07/2021
15
•  Propriedades elétricas
• Uma das características mais importantes de um material sólido é a facilidade com que ele
transmite corrente elétrica.
• Em 1820 já era possível produzir e detectar correntes elétricas, medir as diferenças de
potencial e a resistência elétrica dos resistores.
• Em 1827 Georg Simon Ohm formulou a Lei que relaciona a tensão, a corrente e a resistência
elétrica (V, I e R).
• Os materiais sólidos exibem uma variada faixa de condutividades elétricas. Inclusive, uma das
formas de se classificar estes materiais é de acordo com a facilidade como eles conduzem
corrente elétrica, a qual existem três grupos principais: condutores (metais); semicondutores
(diodos e transistores) e isolantes (borracha).
A resistividade (r) é a 
resistência que o material 
oferece passagem da corrente 
elétrica e está presente em 
materiais mau condutores de 
eletricidade.
O inverso da resistividade é a 
condutividade elétrica (s), a 
qual é usada para especificar 
a natureza elétrica do 
material.
02/07/2021
16
• A temperatura exerce efeitos opostos na condutividade elétrica dos diferentes materiais.
• Um aumento da temperatura causa:
• Diminuição da condutividade elétrica nos Materiais metálicos;
• Aumento da condutividade elétrica nos semicondutores e isolantes.
• Outras propriedades elétricas que merecem destaque são a supercondutividade, a
termoeletricidade e o comportamento dielétrico.
•  Propriedades magnéticas
• As propriedades magnéticas correspondem ao comportamento do material sob a ação de um
campo eletromagnético externo.
• O magnetismo é um fenômeno segundo o qual os materiais impõem uma força ou influência
atrativa ou repulsiva sobre outros materiais.
02/07/2021
17
•  Propriedades ópticas
• Por propriedade ótica subtende-se a resposta de um material a exposição à luz visível.
• A luz visível ocupa uma região muito estreita do espectro de radiações eletromagnéticas, com
comprimentos de onda que vão de 0,4 mm a 0,7 mm.
• Quando a luz segue de um meio para o outro, parte da radiação luminosa é transmitida
através do meio, parte é absorvida e parte é refletida.
• Os materiais capazes de transmitir a luz com absorção e reflexão relativamente pequenas são
denominados transparentes (T >> A+R).
• Os materiais que são impenetráveis à transmissão da luz visível são conhecidos como opacos
(T << A+R).
• Os materiais translúcidos são aqueles através dos quais a luz é transmitida de uma maneira
difusa, ou seja, a luz dispersa no interior do material , num grau em que os objetos não são
claramente distinguíveis quando observados através de uma amostra desse material (T
pequenos).
02/07/2021
18
• São aquelas que se manifestam quando o material entra em contato com outros materiais, com
o ambiente ou ainda, devido ao efeito da temperatura.
• Elas se apresentam sob a forma de presença ou ausência de resistência à corrosão, aos
ácidos e a soluções salinas.
• A "resistência à corrosão" e "resistência à oxidação" são, portanto, características de grande
importância, em vista da influência que o meio externo (gasoso, líquido ou mesmo sólido) e que
a temperatura exercem sobre o material, provocando diversos tipos de ataque corrosivo e
oxidante, muitos dos quais são de caráter irregular e de determinação relativamente difícil.
Propriedades Químicas