Química Geral e Ciência dos Materiais
Materiais Cerâmicos, Poliméricos e Compósitos
Geralmente, problemas de engenharia podem ser atribuídos a seleções incorretas do material utilizado, dentre milhares que se encontram disponibilizados. Desta forma, torna-se imprescindível conhecer e entender as particularidades de cada material e suas limitações, bem como suas aplicações mais usuais. No âmbito da Ciência e Engenharia dos Materiais, os materiais sólidos estão agrupados, de forma conveniente e didática, em quatro categorias principais, a saber: metálicos, cerâmicos, poliméricos e compósitos. Essa classificação se baseia nas diferentes estruturas atômicas e composições químicas dos materiais que, a depender do teor, são direcionadas para as respectivas aplicações específicas. Os materiais cerâmicos são formados entre materiais metálicos e não metálicos; e a argila, o vidro, a porcelana, o azulejo e o cimento são considerados como materiais cerâmicos tradicionais. Os poliméricos referem-se à família dos plásticos e à borracha, em qual o polietileno (PE), polipropileno (PP), cloreto de polivinila (PVC), policarbonato (PC), poliestireno (PS), poliuretano (PU) e náilon são exemplos típicos e usuais. Por fim, os materiais compósitos são formados por dois ou mais materiais individuais, objetivando alcançar uma combinação de propriedades que não são exibidas por qualquer material isoladamente, a exemplo da fibra de vidro e de carbono. Quanto maior for o conhecimento do engenheiro com relação às diferentes características e relações estrutura-propriedade, bem como às técnicas de processamento dos materiais, mais capacitado e confiante estará para fazer escolhas acertadas na prática profissional, logrando êxito nos desafios intrigantes da engenharia.
São materiais inorgânicos e não metálicos originados a partir de elementos metálicos e não metálicos. Do ponto de vista histórico, a indústria da cerâmica é uma das mais antigas do mundo em decorrência da abundância do barro e da facilidade de extração e fabricação dele. Nas construções primitivas, a argila crua era deixada sob o sol para secagem e, em seguida, era misturada com palha, originando o Adobe. Posteriormente, surgiram os vidrados e vitrificados. Registros indicam que, no ano de 4000 A.C., os assírios já obtinham cerâmica vidrada semelhante aos azulejos, utilizados para o revestimento de paredes.
Tendo em vista a importância dos materiais cerâmicos, este estudo será dividido e explicado de acordo com os seguintes critérios: estrutura cristalina (imperfeições do retículo), propriedades e limitações e aplicações típicas (Figura 4.1)
Os tópicos elencados acima estão organizados de forma sequencial. A estrutura cristalina influenciará as propriedades que, por conseguinte, determinarão as aplicações apropriadas.
As cerâmicas são constituídas por, pelo menos, dois elementos; e, mais que isso, as suas estruturas cristalinas são mais complexas do que as estruturas dos metais. Na maioria das vezes, os materiais cerâmicos são compostos de óxidos (óxido de alumínio ou alumina - Al2O3), nitretos (nitreto de silício - Si3N4) e carbetos (carbeto de silício (SiC). E seus elementos constituintes, diferentemente dos materiais metálicos, apresentam variações, uma vez que o alumínio é um metal, o silício é um semimetal, ao passo que o carbono e o nitrogênio são ametais, constatando assim que os materiais cerâmicos são formados por elementos metálicos e não metálicos (Figura 4.2)
Outro aspecto em que as cerâmicas se distinguem dos materiais metálicos diz respeito ao tipo de ligação química. Esta, por sua vez, nos materiais cerâmicos, será dada a partir de uma gradação de escala, variando desde puramente iônica até totalmente covalente (i.e, escala de 0 - 100%). Algumas cerâmicas evidenciam o comportamento de ambos os tipos de ligação, em que o grau da natureza iônica dependerá da diferença de eletronegatividade dos átomos constituintes, conforme mostra a Figura 4.3.
Conforme se observa, a diferença de eletronegatividade é maior para o CaF2 (união de um metal com um ametal — 89%), constituindo uma característica predominantemente iônica, o que evidencia que, para materiais cerâmicos cujas ligações químicas são majoritariamente iônicas, as estruturas cristalinas são formadas por íons eletricamente carregados de forma positiva e negativa. Os íons carregados positivamente são usualmente chamados de cátions , uma vez que doam seus elétrons de valência para os íons não metálicos; e os íons carregados negativamente, denominados ânions , recebem os elétrons provenientes dos elementos metálicos. Vale ressaltar que a espécie doadora de elétrons adquire carga positiva, ao passo que a espécie receptora de elétrons adquire carga negativa. Desta forma, dentre as características dos íons constituintes dos materiais cerâmicos cristalinos que influenciam a estrutura do cristal, podemos destacar:
Com relação à magnitude da carga elétrica, o cristal deve ser eletricamente neutro. Ou seja, todas as cargas dos cátions devem ser equilibradas de forma compatível com o número de cargas dos ânions, estando relacionados com a estabilidade energética do retículo cristalino, que consiste na adequação da estequiometria, na proporção da fórmula química (Figura 4.4).
Observa-se que cada íon de cálcio (cátion) tem uma carga 2+, e cada íon de flúor tem associada uma única carga negativa -1. Por conseguinte, devem existir duas vezes mais íons negativos (F-) do que positivos (Ca2+), o que culminará na fórmula química (CaF2), onde a carga total é igual a 0 .
Quanto ao tamanho do cátion e do ânion, verifica-se que os raio dos cátions são sempre menores que os de seus átomos de origem; e os raios dos ânions são sempre maiores que os de seus átomos de origem, uma vez que, ao receberem elétrons, aumenta a repulsão dos elétrons da camada de valência, sobrepondo-se à atração exercida pelo núcleo sobre esses mesmos elétrons (i.e, Carga nuclear efetiva - Zef ). Entretanto, quando se comparam os raios dos cátions e dos ânions, considerando-se espécies isoeletrônicas, é possível verificar que o raio dos ânions é maior em relação ao raio dos cátions. Cada cátion almeja ter tantos ânions como vizinhos mais próximos quanto possível. Analogamente, os ânions também preferem um número máximo de cátions como vizinhos mais próximos. Assim, estruturas cristalinas cerâmicas estáveis são formadas quando os ânions que envolvem um cátion estão todos em contato (Figura 4.5).
Dentre as estruturas que fazem parte do grupo dos cerâmicos, destacam-se a sílica e a grafita.
A sílica, mais simples, consiste no dióxido de silício (SiO2), cujos componentes são o silício e o oxigênio (os dois elementos mais abundantes na crosta terrestre). Com efeito, a maior parte dos solos, argilas, areia e rochas fazem parte da classificação de silicatos. Os vidros inorgânicos comuns que podem ser encontrados em janelas e recipientes são vidros à base de sílica aos quais foram adicionados outros óxidos, tais como: CaO (cal) e Na2O (óxido de sódio), cujos cátions atuam como aditivos, sendo incorporados na rede (Figura 4.6). Sob o ponto de vista prático, esses modificadores de rede reduzem o ponto de fusão e a viscosidade do vidro , facilitando sua conformação em temperaturas inferiores, isto é, diminuindo custos de processamento deste material.
A grafita, um outro polimorfo do carbono, é considerada muitas vezes um material cerâmico, cuja estrutura cristalina está mostrada na Figura 4.7.
Conforme se observa, a estrutura da grafita é composta por camadas de átomos de carbono em um arranjo hexagonal (i.e, prisma de base hexagonal), no qual cada átomo de carbono está ligado ao seu consecutivo mediante ligação do tipo covalente . Conectando o topo hexagonal com a base hexagonal, encontra-se as laterais desse prisma, onde as ligações são do tipo Van der Waals. Devido ao fato dessa ligação ser fraca, a clivagem (micromecanismo de fratura que ocorre pela separação dos planos cristalinos com baixo acúmulo de energia) interplanar acontece, isto é, essas laterais são facilmente rompidas, originando as excelentes propriedades lubrificantes da grafita (com aplicação no âmbito automotivo) . Além disso, quatro outras propriedades podem ser destacadas para a grafita: estabilidade química em temperaturas elevadas e em atmosferas não oxidantes, elevada condutividade térmica, alta resistência a choques térmicos e elevada adsorção de gases. Em razão destas propriedades, as seguintes aplicações são encontradas para a grafita: elemento de aquecimento para fornos, tubeiras de foguetes, materiais isolantes térmicos e dispositivos para purificação de ar.
A estrutura cristalina das cerâmicas difere dos metais em alguns aspectos. Essa diferença, embora tenha o seu início a nível estrutural, será refletida nas propriedades mecânicas desses materiais. Cabe ao engenheiro, portanto, reconhecer e discernir cada material e sua respectiva aplicação.
A seguir, assinale a alternativa correta:
Como ocorre nos materiais metálicos, defeitos atômicos de natureza intersticial e de vacância podem ocorrer; entretanto, uma vez que os átomos existem como íons carregados no retículo cristalino, quando os defeitos são considerados, devem ser mantidas as condições de eletroneutralidade. Os defeitos influenciam, sobretudo, as
propriedades mecânicas dos materiais cerâmicos cristalinos
. Dentre as possíveis imperfeições, destacam-se os
defeitos pontuais atômicos e as impurezas
(Figura 4.8).
Os defeitos pontuais atômicos se classificam em:
Quando nenhum outro tipo de defeito estiver presente, o material será denominado estequiométrico. A estequiometria é definida como o estado para os compostos iônicos em que existe uma proporção exata entre cátions e ânions prevista pela formulação química. Adotando o exemplo do sal de cozinha onde o NaCl é estequiométrico se a proporção entre os íons Na+ e Cl- for exatamente 1:1 no retículo cristalino. Um composto cerâmico é considerado não estequiométrico quando não obedecer a essa razão exata. Isso pode ocorrer em alguns materiais cerâmicos, a exemplo do óxido de ferro (wustita, FeO), já que o ferro pode se apresentar como Fe2+ ou Fe3+.
Vocês já refletiram sobre a influência da temperatura na formação dos defeitos para os materiais cerâmicos? Para a dita influência, tem-se que:
Um aumento na temperatura provoca um aumento na energia cinética dos íons, que faz com que ocorra um aumento na vibração destes, no retículo cristalino. Logo, o número de ocorrências das migrações dos íons aumenta, originando vacâncias e átomos em outros interstícios.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Ainda no tocante à influência da temperatura para a formação dos defeitos, podemos tomar como exemplo os saltos quânticos em um átomo. Análogo ao que ocorre com os elétrons que saltam de camadas mais afastadas quando recebem energia de uma fonte externa (Postulado de Bohr), os íons presentes nos sólidos iônicos também podem absorver essa energia externa, propiciando deslocamentos no interior do retículo e, por conseguinte, aumentando o número de ocorrências dos defeitos pontuais.
Os materiais cerâmicos são amplamente utilizados no cotidiano desde a antiguidade. Assim como nos materiais metálicos, os defeitos estão presentes nos materiais cerâmicos, possuindo um papel relevante nas propriedades desse material. Cada defeito tem uma característica intrínseca associada.
A seguir, assinale a alternativa correta:
No âmbito prático, todos os materiais são submetidos a estímulos externos que desencadeiam algum gênero de resposta. Faz-se útil, portanto, entender o conceito de propriedade. Uma propriedade é uma característica de um material em termos da natureza e da magnitude da sua resposta a um estímulo específico que lhe foi imposto. Para os materiais sólidos cerâmicos, existem seis tipos principais de propriedades: térmicas, elétricas, mecânicas, ópticas, magnéticas e de deterioração. Contudo, conforme mostrado na Figura 4.10, o enfoque será direcionado para as propriedades térmicas, elétricas e, expressivamente, as mecânicas.
Com relação às propriedades térmicas e elétricas, os materiais cerâmicos são tipicamente isolantes quanto à passagem de calor e eletricidade, possuindo baixos valores de condutividade elétrica e térmica. No que concerne às propriedades mecânicas, no decorrer da história, os materiais cerâmicos ficaram limitados em termos de sua aplicabilidade em função da sua natureza frágil . A sua principal desvantagem consiste em uma disposição à fratura catastrófica de maneira frágil com pouca absorção de energia. A fragilidade consiste no oposto da tenacidade, uma vez que os materiais cerâmicos cristalinos e não cristalinos apresentam pouquíssimas deformações plásticas (ausência de ductilidade). Por outro lado, como as cerâmicas são muito rígidas devido à natureza das suas ligações químicas, estas possuem maiores módulos de elasticidade, quando comparados aos materiais metálicos, conforme mostrado no Quadro 4.1.
Percebe-se uma diferença significativa com relação à rigidez ao comparar os materiais cerâmicos e metálicos. Na Figura 4.11 estão mostradas as curvas tensão versus deformação da alumina (material cerâmico) e do alumínio (material metálico). Uma vez que o módulo de elasticidade corresponde ao coeficiente angular da reta, verifica-se um comportamento elástico significativo com relação aos materiais cerâmicos.
A curva vermelha evidencia um comportamento tensão-deformação típico de um material cerâmico, cujo ensaio de tração apresentará um comportamento similar ao óxido de alumínio (Al2O3), praticamente sem deformação plástica e com um elevado valor de módulo de Young (módulo de elasticidade). Por outro lado, o comportamento do alumínio (Al) apresenta um valor baixo de módulo de elasticidade, porém uma grande ductilidade e tenacidade (oposto aos materiais cerâmicos).
Desde o antigo Egito (3000 a.C), a cerâmica já era utilizada, pois nas tumbas dos faraós arqueólogos encontraram vasos de cerâmica armazenando vinhos, óleos e perfumes para fins religiosos. A sua capacidade de armazenamento para cada fluido será compatível com a sua estrutura.
Com relação aos materiais cerâmicos, analise a alternativa correta.
Existe uma disparidade notável entre as características físicas dos materiais metálicos e a dos materiais cerâmicos e, com efeito, esses materiais são utilizados em diferentes tipos de aplicações de forma a se complementarem mutuamente. Callister (2008) apresenta uma taxonomia com relação às inúmeras aplicações possíveis para os materiais cerâmicos (Figura 4.12).
- Maior isolamento térmico.
- Dificultam a propagação de umidade.
- Porosidade alta.
- Cimento hidráulico.
- Maior resistência a compressão.
- Maior durabilidade.
- Maior impermeabilidade.
- Isolamento térmico.
- Originado da China.
- Variante da cerâmica.
- Silicatos não cristalizados (amorfos).
- Contém aditivos.
- Transparência óptica.
Na prática da engenharia, o engenheiro notará a abrangência da aplicação desses compostos, principalmente com referência aos nobres aparatos. Por exemplo, o motor de aeronaves especiais é feito de metais e materiais cerâmicos, enquanto o nariz dos ônibus espaciais americanos, como por exemplo o Discovery, são feitos de materiais cerâmicos.
É possível encontrar a cerâmica em casa, nas ruas, na indústria, nos carros e até mesmo no espaço. Percebe-se, assim, a diversificação e versatilidade para dito material. É papel do engenheiro reconhecê-lo, entendê-lo e aplicá-lo. No que concerne aos materiais cerâmicos e as suas aplicações do dia-a-dia, pode-se inferir que:
Assim como os materiais cerâmicos, os materiais poliméricos têm a sua utilização marcada desde a antiguidade. Os egípcios e os romanos, por exemplo, utilizavam resinas e graxas para vedar vasilhames. No entanto, apenas depois da Segunda Guerra Mundial o campo dos materiais foi revolucionado com o encabeçamento dos polímeros sintéticos. Os polímeros podem ser naturais ( celulose, proteínas, DNA, algodão, látex ) ou sintéticos ( fibras, borrachas, plásticos, adesivos ).
Para entendermos os polímeros, faz-se necessário inicialmente compreender a etimologia da palavra. A palavra “polímero” é originada do grego, cujo significado reside em “muitas partes” (poli: muitas, mero: partes).
Oportuno adotar a analogia dos "clipes" para explicar a formação de polímeros conforme mostrado na Figura 4.13.
Com efeito, polímero é uma molécula grande formada pela união de moléculas que se repetem, ligadas covalentemente. Quando há a presença de uma única unidade de repetição, isto é, apenas um tipo de “mero”, denomina-se um homopolímero. Em contrapartida, quando há dois tipos de “mero”, define-se copolímero (Figura 4.14).
O monômero mostrado na Figura 4.15 corresponde ao eteno ou ao etileno (C2H2) que pode se polimerizar formando o polietileno de baixa densidade (PEBD), um homopolímero, bem como também formar o polietileno-co-acetato de vinila (EVA), um copolímero.
A massa molar é um conceito-chave para os polímeros, de modo que, quanto maior for a cadeia polimérica, maior será a massa molar e, consequentemente, maior o tamanho do polímero, que influenciará diretamente as propriedades reológicas (viscosidade, densidade) e físicas (ponto de fusão) deste material.
Com relação aos materiais poliméricos, seu estudo envolverá os seguintes itens (Figura 4.15):
Cada pilar explanado acima está encadeado de maneira lógica, isto é, a estrutura molecular definirá se o polímero é termoplástico ou termorrígido e, em seguida, definirá as suas propriedades e aplicações.
Apesar de a massa molecular influenciaras propriedades físicas, as características físicas dos materiais poliméricos dependem também das diferenças presentes nas estruturas das cadeias moleculares, podendo estas se apresentar de três maneiras distintas, a saber, cadeias lineares, ramificadas e ligações cruzadas, conforme mostrado na Figura 4.16.
O alinhamento das cadeias proporciona uma cristalinidade para as cadeias poliméricas (compactação de cadeias moleculares para produzir um arranjo atômico ordenado). Em contrapartida, as regiões amorfas são regiões desordenadas. É improvável que um polímero possa apresentar 100% de cristalinidade. A Figura 4.17 mostra a identificação das regiões amorfa e cristalina, em uma estrutura polimérica.
Caso optássemos por encher dois copos iguais, um com um polímero de cadeia linear (A) e o outro com um polímero de cadeia ramificada (B), mais massa de polímero seria depositada em um dos copos.
No copo A, contendo o polímero linear, caberia maior massa de polímero, pois as cadeias se empilhariam umas sobre as outras; ao passo que, no copo B, isso não seria possível, pois espaços vazios seriam formados devido à dificuldade de empilhar as cadeias ramificadas. Assim, o copo A teria uma maior densidade (relação massa/volume) do que o copo B; portanto, o polímero A é o PEAD (polietileno de alta densidade) enquanto que o B seria o PEBD (polietileno de baixa densidade).
A indústria utiliza, cada vez mais, polímeros e biopolímeros. Os polímeros, em geral, são sintetizados a partir do petróleo. Os biopolímeros são provenientes de microrganismos, como, por exemplo, as cianobactérias e as microalgas marinhas. Com relação aos materiais poliméricos e suas estruturas, analise a alternativa correta.
A diferença existente entre termoplásticos e termofixos reside no fato de que respondem de forma diferente às forças mecânicas, em altas temperaturas, por conta da estrutura molecular. Os termoplásticos são polímeros lineares ou, contendo poucas ramificações, amolecem quando são aquecidos e endurecem quando são submetidos ao resfriamento, portanto são reversíveis. Em contrapartida, os polímeros termofixos são polímeros em rede com pontos de amarração, ligações cruzadas covalentes entre as cadeias. Assim, eles se tornam permanentemente rígidos durante sua formação e não amolecem sob aquecimento. O Quadro 4.2 expõe as diferenças entre os termoplásticos e os termofixos.
Do ponto de vista econômico e ambiental, em razão dos termoplásticos serem amolecidos quando aquecidos, estes podem ser recicláveis.
As propriedades dos polímeros são especificadas de maneira análoga à dos metais, ou seja, são determinadas por intermédio de parâmetros obtidos por ensaios típicos de tração, a saber, módulo de elasticidade, limite de escoamento e limite de resistência à tração. No entanto, em contraste aos metais, devido à gama de materiais poliméricos, estes apresentam comportamentos tensão-deformação de três tipos: (A) frágil, (B) plástico e (C) elastômero. No que tange às características dos polímeros, em sua maioria, são sensíveis à temperatura e à natureza química do ambiente (presença de H2O, O2 — ambientes corrosivos — e solventes orgânicos). Na Figura 4.19, estão mostrados os comportamentos referentes à tensão-deformação, (A), (B) e (C).
A curva “A” mostra um comportamento tensão-deformação de um polímero frágil, no qual ele fratura enquanto se deforma elasticamente. A curva “B”, correspondente ao plástico, mostra um comportamento semelhante ao de muitos materiais metálicos, isto é, possui uma deformação inicial elástica, seguida por escoamento e uma região de deformação plástica. A curva “C” mostra um comportamento totalmente elástico, típico das borrachas, correspondente às classes de polímeros denominadas elastômeros. Ademais, no intuito de melhorar ou modificar as propriedades dos polímeros, alguns aditivos podem ser adicionados no processo, dentre eles: cargas (melhorar propriedades mecânicas), estabilizantes (reduzir a degradação resultante da exposição à luz), corantes (pigmentos que não se dissolvem para conferir cor e opacidade) e, por fim, retardantes de chamas (interferem no processo de combustão, diminuindo a inflamabilidade do material, já que a maioria dos polímeros é inflamável).
Uma alternativa muito empregada atualmente para aumentar a resistência e dureza da borracha é o processo de vulcanização. Esta é uma prática comum nas grandes empresas que produzem pneus e foi descoberta por Charles Goodyear, nos Estados Unidos. Realiza-se o processo por intermédio de uma reação química com o enxofre, em uma temperatura elevada, formando ligações cruzadas.
Confira o artigo desenvolvido por pesquisadores da UFRJ Aspectos históricos da vulcanização.
Acesso em: 27 jan. 2020.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Uma maneira de categorizar os polímeros é conforme a sua aplicação final. Os polímeros incluem, a saber: plásticos, elastômeros, adesivos, filmes e espumas.
As nomenclaturas "termoplástico" e "termofixo" são muito utilizadas na prática do engenheiro. Propriedades distintas provém desses dois materiais. As garrafas PET, por exemplo, se configuram como um destes, ao passo que a resina epóxi se configura como o outro. Acerca desses conceitos, analise a alternativa correta:
Os polímeros consistem em uma categoria de materiais que possuem inúmeras aplicações e propriedades. O carro de hoje em dia, diferentemente dos primeiros carros fabricados, é consistido majoritariamente de plástico em suas estruturas internas e externas. Acerca desses conceitos, analise a alternativa correta:
No mundo contemporâneo, diversas aplicações tecnológicas demandam materiais com combinações incomuns de propriedades que não poderiam ser alcançadas por materiais monolíticos, poliméricos, cerâmicos e metálicos. Uma solução encontrada para esta questão, partindo do conhecimento preexistente dos outros materiais, foi a incorporação de outros componentes nesses materiais, mesclando-os. Neste contexto, surgem os materiais compósitos, que serão estudados, conforme definido a seguir (Figura 4.20):
Assim como nos polímeros, cada pilar explanado acima está encadeado de maneira lógica, isto é, a estrutura molecular definirá se o compósito é um nanocompósito e que, em seguida, definirá as suas propriedades e aplicações.
Em contraste com os materiais monolíticos, os compósitos contêm uma microestrutura não uniforme, complexa, descontínua e multifásica, uma vez que esses materiais são formados por uma mistura de dois ou mais materiais diferentes. O compósito pode ser considerado, mediante o princípio da ação combinada , como um material multifásico, feito artificialmente , que exibe uma proporção desejada de ambas as fases constituintes. Com relação à sua estrutura, os materiais compósitos são constituídos por duas fases; uma matriz, a qual é contínua e envolve a outra fase, denominada de fase dispersa. A fase dispersa, por sua vez, vai variar de geometria (ora sendo com uma forma, ora com outro tamanho, ora com uma diferente orientação), o que influenciará sobremaneira nas propriedades do compósito final. A Figura 4.21 mostra as fases de um material compósito, em que a fase matriz está representada pela cor azul, e a fase dispersa, pela cor laranja.
O objetivo da fase matriz consiste em transferir as tensões para as demais, protegendo as fases do ambiente. Por outro lado, o objetivo da fase dispersa é o de melhorar as propriedades da matriz. Um exemplo típico de um compósito é a demanda de um material com a flexibilidade e o peso de um polímero, mas que necessite da dureza de um material cerâmico. Os compósitos são classificados de acordo com o tipo da matriz, conforme elenca a Figura 4.22.
Ainda sobre a estrutura, os compósitos também podem ser classificados pelo tipo de reforço, isto é, se são reforçados com partículas, com fibras ou estrutural. Dentro destas duas primeiras classificações (reforçado com partículas e com fibras), existem subclassificações importantes, conforme mostrado na Figura 4.23.
Cada tipo de compósito ilustrado acima será designado para um setor industrial distinto, uma vez que terá propriedades particulares.
Os compósitos também podem ser classificados pelo tipo de reforço, com destaque para os compósitos reforçados com partículas, mais especificamente por dispersão , denominados nanocompósitos . Os nanocompósitos são materiais híbridos em que pelo menos um dos componentes tem dimensões nanométricas (partículas pequenas com diâmetros entre 10 nm e 100 nm). Diferentemente dos compósitos reforçados com partículas grandes, as interações partícula-matriz ocorrem, para os nanocompósitos, em nível atômico ou molecular. Em função disso, a deformação plástica fica restrita de modo tal que os limites de escoamento e de resistência à tração, assim como a dureza, são melhorados. As pequenas partículas (nanométricas) dificultam os movimentos das discordâncias (i.e, funcionam como barreiras). Do ponto de vista histórico, conforme estudos realizados por Peixoto (2012), o primeiro produto comercializado a partir de nanocompósito de polímero/argila foi uma peça aplicada em motores de automóveis . Com a utilização de nanocompósitos, foi possível reduzir 25% do peso do produto. O Quadro 4.3 mostra algumas propriedades de um nanocompósito com a matriz polimérica e com carga de argila, comparando-as com as de um compósito e do Nylon 6 puro.
Ao comparar as propriedades, observa-se que os nanocompósitos apresentam vantagens promissoras.
Desde quando foram descobertos, em 1991, os nanotubos de carbono (NTCs) têm sido alvo de investigações. Devido às propriedades mecânicas, elétricas e térmicas, os NTCs transformaram-se em potenciais candidatos para a preparação de nanocompósitos poliméricos em aplicações biotecnológicas (imobilização de proteínas e enzimas úteis para biosensores e bioreatores), aplicações para o armazenamento de hidrogênio (energia limpa), entre outros. Leia sobre a tecnologia dos nanotubos de carbono no artigo Tecnologia dos nanotubos de carbono: tendências e perspectivas de uma área multidisciplinar disponível em:
Ademais, os compósitos reforçados com fibra de carbono, que serão explanados no próximo tópico, são aplicados em equipamentos esportivos que requerem alta tecnologia, como, por exemplo, as bicicletas, os tacos de golfe, os esquis e os snowboards .
O Quadro 4.4 mostra os tipos de compósitos e suas respectivas características e áreas de aplicação
Dentre os compósitos mencionados, um destaque merece ser dado aos reforçados com fibras. A fase fibra pode ser classificada em três categorias: whiskers, arames e fibras. Whiskers são os mais dispendiosos e as fibras, as mais utilizadas. Além dos reforçados com fibras de carbono e fibra de vidro, vale ressaltar o compósito polimérico reforçado com fibra aramida chamado Kevlar (nome comercial) . O Kevlar é conhecido pela sua tenacidade, resistência ao impacto, resistência à falha e estabilidade a temperaturas elevadas (Figura 4.24). Em decorrência dessas características, este material é utilizado para blindagem balística, pneus, raquetes de tênis e capas de smartphone. Esse composto foi descoberto por acaso e atualmente é patenteado pela DuPont.
O kevlar é um polímero que foi descoberto por acaso por Stephanie Kwolek, em 1965, lançado posteriormente em 1962 pela empresa Dupont. Com relação à aplicação nos aviões, o kevlar é usado para forrar e proteger o compartimento do motor. Desse modo, se porventura a turbina vier a explodir, o impacto e o inconveniente será atenuado. Já como coletes a prova de bala para o exército americano, sua baixa densidade é uma característica ímpar para dita aplicação.
Os compósitos, sem dúvida, revolucionaram a área de materiais, fornecendo soluções diversas para a engenharia. Acerca desses conceitos, analise a alternativa correta:
Os compósitos, sem dúvida, revolucionaram a área de materiais, fornecendo soluções diversas para a engenharia a partir do princípio da ação combinada, que promove a melhora das propriedades de dois ou mais materiais conjugados. Acerca desses conceitos, analise a alternativa correta:
Os compósitos estão em toda parte: na raquete de tênis, no kit para esquiar, na construção civil, nos aviões, nos robôs, no carro, entre outras aplicações. O princípio da ação combinada propicia benefícios expressivos para esses materiais. No tocante às aplicações dos materiais compósitos, analise as seguintes alternativas e, a seguir, assinale a correta:
Nome do livro : Materiais de Engenharia
Autores : PADILHA, Angelo Fernando.
ISBN -10: 8528904423
ISBN -13: 978-8528904420
Comentário : O livro aborda didaticamente os assuntos a respeito dos principais materiais utilizados na engenharia, dando ênfase, sempre que possível, aos aspectos da microestrutura e as suas relações com as propriedades dos materiais.
Nome : Telecurso 2000 - O plástico
Ano : 2000
Comentário : O vídeo aborda o histórico do plástico, a estrutura química, além das características de fabricação e as suas respectivas aplicações. Para saber mais sobre o filme, acesse o link disponível em:
Nome : Telecurso 2000 - Materiais Cerâmicos
Ano: 2000
Comentário: O vídeo aborda conceitos relevantes sobre os materiais cerâmicos, com ênfase nas suas propriedades mecânicas. Neste vídeo você aprenderá um pouco mais sobre o porquê de os materiais cerâmicos serem tão utilizados na construção civil.
Para saber mais sobre o filme, acesse o link disponível em:
Por fim, nesta unidade logramos aprender um pouco da trajetória histórica dos materiais cerâmicos, poliméricos e compósitos, bem como as relações entre as suas microestruturas e as propriedades mecânicas. Este binômio microestrutura-propriedades está diretamente vinculado ao tipo de aplicação a que será designado o material em análise. Inicialmente, com relação aos materiais cerâmicos, vimos que estes são compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos, sendo na maioria das vezes óxidos, nitretos e carbetos, a exemplo dos tijolos, porcelanas e vidros. Com relação aos materiais poliméricos, estes são macromoléculas formadas pela união de meros, podendo ser homopolímeros (um único mero) ou copolímero (mais de um). Os plásticos, filmes, elastômeros e adesivos são exemplos de classes de polímeros (podendo ser termoplásticos ou termorrígidos). Finalmente, os materiais compósitos são formados por dois ou mais materiais individuais (multifásico), tendo uma fase dispersa e outra matriz. O concreto, a fibra de aramida Kevlar, a fibra de vidro e de carbono com matriz polimérica são exemplos de materiais compósitos.
BETTELHEIM, F.; BROWN, W. H.; CAMPBELL, M. K.; FARREL, S. O. I ntrodução à química geral . São Paulo: Cengage Learning, 2012.
CALLISTER J. R.; WILLIAM, D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais : Uma Introdução. 7 Edição. Rio de Janeiro: LTC editora, 2008.
DA COSTA, H. M. et al . Aspectos históricos da vulcanização. Polímeros: ciência e tecnologia , v. 13, n. 2, p. 125-129, 2003.
HERBST, M. H.; MACÊDO, M. L. F.; ROCCO, A. M. Tecnologia dos nanotubos de carbono: tendências e perspectivas de uma área multidisciplinar. Química Nova , v. 27, n. 6, p. 986-992, 2004.
OLIVEIRA, M.; GOMES, F. Polímeros: O que são, suas aplicações e as áreas de formações técnicas e acadêmicas. VII Semana de polímeros. Anais ... UFRJ, Rio de Janeiro. 2013. Disponível em: http://www.ima.ufrj.br/wp-content/uploads/2013/11/30-10.15-Pol%C3%ADmeros-o-que-s%C3%A3o.pdf . Acesso em: 04 jan. 2020.
PEIXOTO, L. S. Preparação de compósitos e nanocompósitos poliméricos in situ . Tese (Doutorado em Engenharia Química). 2012. 234f. Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa em Engenharia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2012. Disponível em: http://portal.peq.coppe.ufrj.br/index.php/producao-academica/teses-de-doutorado/2012/98-preparacao-de-compositos-e-nacocompositos-polimericos-in-situ/file . Acesso em: 27 jan. 2020.
RODRIGUES, D. S. et al. Uso de Materiais Cerâmicos para Blindagem e Selagem Térmica de Motores Foguete a Propelente Sólido. VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica - CONEM. Anais ... São Luís. 2012. Disponível em http://www.topus.eesc.usp.br/wp-content/uploads/2016/06/uso-de-materiais.pdf . Acesso em: 05 jan. 2020.