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MATERIAIS DE ENGENHARIA:
(METAIS, POLÍMEROS, CERÂMICOS, BIOMATERIAIS E COMPÓSITOS)
JOÃO PAULO P. NASCIMENTO
LUCIANA APOLINÁRIO DIAS
RIO DE JANEIRO ABRIL- 2011
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JOÃO PAULO P. NASCIMENTO
LUCIANA APOLINÁRIO DIAS
MATERIAIS DE ENGENHARIA:
(METAIS, POLÍMEROS, CERÂMICOS, BIOMATERIAIS E COMPÓSITOS)
Trabalho apresentado ao Professor
Márcio Marques da disciplina Resistência
de Materiais da turma PET 0601M, turno
da Manhã do curso de Engenharia de
Petróleo.
Centro Universitário Augusto Motta Rio de janeiro – ABRIL / 2011
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SUMÁRIO
1- INTRODUÇÃO 04
2- MATERIAIS DE ENGENHARIA 05
2.1– CONCEITO 05
3.i- METAIS 06
3.i.a- APLICAÇÕES 07
3.i.b- PROPRIEDADES FÍSICAS / QUÍMICAS DOS METAIS 08
3.i.c- OXIDAÇÃO 09
4. ii - POLÍMEROS 10
4. ii. a - APLICAÇÕES 12
4. ii. b - PROPRIEDADES FÍSICAS 15
4. ii. c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO E OXIDAÇÃO 15
5.1. iii. - CERÂMICA 17
5.1. iii. a - APLICAÇÕES DA CERÂMICA 17
5.2.iii. - CERÂMICAS AVANÇADAS 18
5. iii. b - DEGRADAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS 20
6. iv – BIOMATERIAIS 21
6. iv. a - APLICAÇÕES DE BIOMATERIAIS 22
6. iv. b - PROPRIEDADES FÍSICO/QUÍMICA DOS BIOMATERIAIS 22
6. iv. c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO 23
7. vi – COMPÓSITOS 24
7. vi. a - APLICAÇÃO DOS COMPÓSITOS 25
7. vi. b - PROPRIEDADES FISICO/QUÍMICA DOS COMPÓSITOS 25
7. vi. c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO E OXIDAÇÃO DOS MATERIAIS
COMPÓSITOS 27
8 – CONCLUSÃO 28
9 – BIBLIOGRAFIA 29
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Peças de metal 6
Tabela 1 – Evolução do número cumulativo de elementos químicos descobertos nos
últimos dois milênios. 9
Figura 2 – Materiais de polímeros 10
Figura 3 – Estrutura dos polímeros 10
Figura 4 – Materiais de polímeros 10
Figura 5- Estrutura ilustrada dos polímeros 10
Tabela 2 – Polímeros de adição 13,14
Tabela 3 – Copolímeros de Adição 14
Tabela 4 – Polímeros de Condensação 14
Tabela 5 – Copolímeros de Condensação 15
Figura 6 - Figura com vários tipos de ferramentas de corte 19
Figura 7 – Figura de pistões e camisas 19
Figura 8 – Figura de Turbina a gás. 19
Tabela 6 – Classificações dos Cerâmicos 20
Figura 9 – Biocerâmica 21
Figura 10 – Instrumentos odontológicos 21
Figura 11 - Fibra de carbono 24
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1- INTRODUÇÃO
Esse trabalho tem como objetivo transmitir os conhecimentos teóricos
fundamentados na Ciência dos materiais, gerando informações básicas sobre
a estrutura interna, propriedades e processamento de materiais. Ela tem
ainda como objetivo compreender a natureza dos materiais, estabelecendo
conceitos e teorias que permitam relacionar a estrutura dos materiais com
suas propriedades e comportamento.
A produção e transformação de materiais em bens acabados, constituem
umas das mais importantes atividades de uma economia moderna. Essas
etapas exigem que o responsável pela mesma tenha noção das estruturas
internas dos materiais, pois o conhecimento das mesmas, aos níveis
submicroscópicos, permite prever o comportamento do material em serviço,
possibilitando programar e controlar suas propriedades e características.
Os materiais estão intimamente ligados à existência e à evolução da espécie
humana. Dentre os materiais mais comuns, iremos citar: metais, cerâmicos,
polímeros, compósitos e biomateriais.
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2-MATERIAIS DE ENGENHARIA
2.1- CONCEITO
Segundo Morris Cohen, conceituado cientista de materiais, materiais são
substâncias com propriedades que as tornam úteis na construção de
máquinas, estruturas, dispositivos e produtos. Em outras palavras, os
materiais do universo que o homem utiliza para ―fazer coisas‖
Critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material:
As condições de operação do material;
As propriedades requeridas;
O tipo de degradação que sofrerá;
As limitações e restrições quanto ao uso;
Fatores econômicos.
A classificação tradicional de um material é geralmente baseada em sua estrutura atômica e química. São eles:
i. Metais;
ii. Polímeros;
iii. Cerâmicos;
iv. Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)
v. Compósitos.
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3.i- METAIS
Metal é genericamente, toda substância mineral que se apresenta em estado
sólido à temperatura ambiente — com a única exceção do mercúrio — e que
se caracteriza por brilho característico, opacidade, dureza, ductibilidade (que
permite que o material seja esticado em arames finos) e maleabilidade (que
possibilita sua redução a lâminas delgadas).
Figura 1
Incluem-se nessa definição tanto os metais propriamente ditos (ouro, prata,
ferro, etc.), como algumas ligas (bronze e latão, por exemplo). Outras
propriedades físicas que caracterizam o metal são sua elevada densidade,
boa fusibilidade e, principalmente, os altos coeficientes de condutividade
térmica e elétrica. Do ponto de vista químico, metal é todo elemento
eletropositivo, ou seja, aquele cujos átomos formam íons positivos em
solução. Os metais constituem cerca de 75% do sistema periódico dos
elementos. Possuem, em seu nível mais externo, denominado nível de
valência, no máximo três elétrons, excetuados o estanho e o chumbo (que
possuem quatro elétrons) e o bismuto e o antimônio (cinco elétrons).
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O metal é profundamente afetado pela presença de quantidades relativamente
pequenas de outros elementos. Exemplo disso é a liga denominada aço, cujas
importantes características se devem à pequena quantidade de carbono
(aproximadamente 0,5% desse elemento) adicionada ao ferro.
Apenas alguns metais, como o ouro, a prata, o cobre, a platina e o bismuto
ocorrem na natureza em sua forma elementar. Quase sempre os metais são
encontrados em forma de óxidos ou sulfetos, nos minerais que contêm
quantidades variáveis de impureza (ganga), como argila, granito e sílica, de que
os compostos metálicos devem ser separados.
3.i.a- APLICAÇÕES
Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada
em estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em relação ao
material inicial, o que visa, entre outras coisas, a reduzir os custos de
produção.
As indústrias automobilística, aeronáutica, naval, bélica e de construção civil
são as principais responsáveis pelo consumo de metal em grande escala. São
também representativos os setores de eletrônica e comunicações, cujo
consumo de metal, apesar de quantitativamente inferior, tem importância
capital para a economia contemporânea.
Podem ser aplicadas:
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.;
Materiais com memória de forma: próteses dentárias corretoras de mau
posicionamento;
Magnetos;
Catalisadores.
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3.i.b - PROPRIEDADES FÍSICAS / QUÍMICAS DOS METAIS
Os metais apresentam grande diversidade de propriedades físicas e
químicas, conforme a pressão, temperatura e outras variáveis. Diferentes
tipos de mecanismos e estruturas de cristalização, o que também lhe altera as
características.
Geralmente, os metais apresentam ordenação cristalina simples, com alto
nível de aglutinação atômica (o que implica alta densidade) e numerosos
elementos de simetria. No que se refere às combinações, apresentam forte
tendência a não formar compostos entre si, mas têm afinidade com elementos
não metálicos como o oxigênio e o enxofre, com os quais formam,
respectivamente, óxidos e sulfetos.
O tamanho, forma e disposição das partículas metálicas, especificado pela
metalografia, são fundamentais para o reconhecimento das propriedades
físicas que determinam a plasticidade, resistência à tração, dureza e outras
propriedades do material. Esses fatores podem ser alterados por tratamentos
térmicos (ciclos de aquecimento resfriamento controlados) ou mecânicos
(forjamento, trefilação, laminação, etc.).
São bons condutores elétricos:
São bons condutores de calor;
São maleáveis e dúcteis (podem ser laminados e estirados em fios);
Têm brilho (o chamado brilho metálico);
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3.i.c- OXIDAÇÃO
A maioria dos metais tende a se oxidar quanto expostos ao ar, especialmente
em ambientes úmidos. Entre os vários procedimentos empregados para evitar
ou retardar a corrosão, os mais comuns são a aplicação de pinturas
protetoras, a formação de ligas com outros elementos que reduzam ou
eliminem tal propensão e a conexão a pólos elétricos que impeçam a
ocorrência do fenômeno. É interessante o caso do alumínio, que, em
presença do oxigênio, forma uma delgada película de óxido que detém a
oxidação.
Tabela 1 - Evolução do número cumulativo de elementos químicos descobertos nos últimos dois milênios
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4. ii - POLÍMEROS
Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em
carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos. São constituídos de
moléculas muito grandes (macro-moléculas). Tipicamente, esses materiais
apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis. Materiais
poliméricos incluem plásticos e borrachas.
Figura 2 Figura 3
Figura 4 Figura 5
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Para entendermos melhor, vamos a uma definição: polímeros são materiais
inorgânicos ou orgânicos, de alto peso molecular. A sua estrutura molecular
consiste na repetição de pequenas unidades chamadas monômeros, sendo que
a união de vários monômeros dá origem a um polímero. Devido ao seu tamanho
avantajado, a molécula de um polímero é chamada macromolécula. A reação que
produz o polímero é denominada reação de polimerização. A molécula inicial
(monômero) vai sucessivamente se unindo a outras, dando o dímero, trímero,
tetrâmero, até chegar ao polímero. É interessante destacar que normalmente
esses monômeros são compostos covalentes.
Apesar das macromoléculas dos polímeros serem grandes, ainda são
pequenas demais para serem vistas, mesmo com um microscópio, porque as
moléculas são as menores porções de matéria. Mesmo não podendo ver as
moléculas de polímero individualmente, podemos ver os polímeros, porque
eles são constituídos por BILHÕES ou TRILHÕES destas moléculas juntas.
Os mais comuns e abundantes polímeros comercializados atualmente no
mundo são conhecidos como plásticos, mas é possivel notarmos facilmente
que os plasticos não são todos iguais. Um carrinho de brinquedo, um
saquinho de leite, uma borracha para apagar uma escrita a lápis ou até
mesmo o plástico da caixa de uma televisão possuem propriedades e
aspectos diferenciados.
Características dos plásticos mais comuns:
PEAD: Possuem aspecto incolor ou opaco, são utilizados na confecção de
tampas, vasilhas e frascos em geral.
PET: Possuem aspecto incolor transparente ou opaco, são utilizado em
fibras têxteis, frascos de refrigerantes e mantas de impermeabilização.
PVC: Possuem aspecto incolor ou transparente, são utilizados na confecção
de tubos rígidos ou flexíveis e na fabricação de cortinas.
PS: Possuem aspecto incolor e transparente e são utilizados na confecção
de artigos rígidos como vasilhas, brinquedos e na indústria eletrônica.
PP: Possuem aspecto incolor e opaco e são utilizados na indústria
automobilistica e na produção de garrafas e embalagens.
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4.ii.a- APLICAÇÕES
PC - Policarbonato:
Aplicações: Cd´s, garrafas, recipientes para filtros, componentes de
interiores de aviões, coberturas translúcidas, divisórias, vitrines, etc.
PU – Poliuretano
Aplicações: Esquadrias, chapas, revestimentos, molduras, filmes,
estofamento de automóveis, em móveis, isolamento térmico em roupas
impermeáveis, isolamento em refrigeradores industriais e domésticos,
polias e correias.
PVC - Policloreto de vinila ou cloreto de polivinila
Aplicações: Telhas translúcidas, portas sanfonadas, divisórias,
persianas, perfis, tubos e conexões para água, esgoto e ventilação,
esquadrias, molduras para teto e parede.
PS - Poliestireno
Aplicações: Grades de ar condicionado, gaiútas de barcos (imitação de
vidro), peças de máquinas e de automóveis, fabricação de gavetas de
geladeira, brinquedos, isolante térmico, matéria prima do isopor.
PP - Polipropileno
Aplicações: brinquedos, recipientes para alimentos, remédios, produtos
químicos, carcaças para eletrodomésticos, fibras, sacarias (ráfia), filmes
orientados, tubos para cargas de canetas esferográficas, carpetes,
seringas de injeção, material hospitalar esterilizável, autopeças (pára-
choques, pedais, carcaças de baterias, lanternas, ventoinhas,
ventiladores, peças diversas no habitáculo), peças para máquinas de
lavar.
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Polietileno Tereftalato (PET)
Aplicações: Embalagens para bebidas, refrigerantes, água mineral,
alimentos, produtos de limpeza, condimentos; reciclado, presta-se a
inúmeras finalidades: tecidos, fios, sacarias, vassouras.
Plexiglas
É conhecido como vidro plástico.
Polímeros termoendureciveis (termofixos, ou de condensaçao)
Baquelite: usada em tomadas, telefones antigos e no embutimento de
amostras metalográficas.
Poliéster: usado em carrocerias, caixas d'água, piscinas, dentre outros,
na forma de plástico reforçado (fiberglass).
Elastômeros (borrachas)
Poliisopreno - borracha semelhante à natural.
Estireno-butadieno (Buna S) – é amplamente usado nos pneus do
carro em que pode ser misturado com borracha natural. Aplicações:
pneus, câmaras de ar, vedações, mangueiras de borracha.
POLÍMEROS DE ADIÇÃO
POLÍMERO MONÔMERO(S) APLICAÇÃO
Polietileno etileno baldes, sacos de lixo, sacos de
embalagens
Polipropileno propileno cadeiras, poltronas, pára-choques
de automóveis
PVC cloreto de vinila
vinila
tubos para encanamentos hidráulicos
para
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Isopor estireno isolante térmico
Orlon acrilnitrilo lã sintética, agasalhos, cobertores,
tapetes.
Plexiglas "Vidro plástico" Acrílicos
metilacrilato de metila
plástico transparente muito resistente usado em portas e
janelas, lentes de óculos.
Teflon tetrafluoretileno revestimento interno de panelas
Borracha fria isobuteno
pneus, câmaras de ar e objetos de borracha em geral
Borracha natural natural
isopreno
Neopreno ou duopreno
cloropreno
Buna 1,3-butadieno
butadieno
Tabela 2 – Polímeros de adição
COPOLÍMEROS DE ADIÇÃO
Buna-N ou perbuna 1,3-butadieno
acrilnitrilo pneus, câmaras de ar e objetos de borracha em
geral Buna-S 1,3-butadieno
estireno
Tabela 3 – Copolímeros de Adição.
POLÍMEROS DE CONDENSAÇÃO
POLÍMERO MONÔMERO APLICAÇÃO
Amido a glicose alimentos, fabricação de
etanol
Celulose b glicose papel, algodão,
explosivos
Tabela 4 – Polímeros de Condensação.
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COPOLÍMEROS DE CONDENSAÇÃO
POLÍMERO MONÔMERO APLICAÇÃO
Náilon 1,6-diaminoexano
ácido adípico
rodas dentadas de engrenagens, peças de
maquinaria em geral, tecidos, cordas, escovas
Terilene ou
dacron
Etilenoglicol
ácido tereftálico
tecidos em geral (tergal)
Baquelite
(fórmica)
aldeído fórmico
fenol comum
revestimento de móveis (fórmica), material
elétrico (tomada e interruptores)
Poliuretano
poliéster ou poliéter
isocianato de p.
fenileno
colchões e travesseiros (poliuretano
esponjoso), isolante térmico e acústico,
poliuretano rígido das rodas dos carrinhos de
supermercados
Tabela 5 – Copolímeros de Condensação.
4.ii.b - PROPRIEDADES FÍSICAS
As propriedades físicas dos plásticos são geralmente semelhantes. São em
geral "leves", com pesos específicos variando entre 0,9 e 1,6 (comparados a
2,5 do vidro). O peso específico dos materiais transparentes, normalmente, é
a metade daquele do vidro.
São em geral combustíveis, tem baixa condutividade térmica, um coeficiente
de expansão térmica elevada e elevado calor específico. Entretanto, em
relação aos plásticos, a generalização é impossível. É freqüente nos
surpreenderem suas propriedades, que são intrínsecas à sua utilidade.
Significativamente, quase todos os plásticos têm um estado natural
translúcido, mas, no uso corrente, apenas uns poucos funcionam como
substitutos para o vidro.
4.ii.c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO E OXIDAÇÃO
Degradação do polímero é uma mudança nas propriedades - resistência à tração
cor, forma, etc - de um polímero ou de produtos baseados em polímeros sob a
influência de um ou mais fatores ambientais, como calor , luz ou químicos , como
ácidos , álcalis e alguns sais. Estas alterações são geralmente indesejáveis,
P á g i n a | 1 6
como rachaduras e desintegração química de produtos ou, mais raramente,
desejável, como na biodegradação , ou deliberadamente reduzindo o peso
molecular de um polímero para a reciclagem . As mudanças nas propriedades
são freqüentemente chamadas de "envelhecimento".
Em um produto acabado, tal mudança deve ser prevenida ou atrasada. A
degradação pode ser útil para a reciclagem / reutilização dos resíduos de polímeros
para evitar ou reduzir a poluição ambiental.
Os polímeros são suscetíveis ao ataque de atmosfera de oxigênio, especialmente
em temperaturas elevadas encontrados durante processamento de forma. Muitos
métodos de processo, tais como extrusão e moldagem por injeção, envolve
bombear polímero fundido em ferramentas, e as altas temperaturas necessárias
para a fusão pode resultar na oxidação salvo se forem tomadas precauções. Por
exemplo, um antebraço muleta de repente agarrou e o usuário ficou gravemente
ferido na queda resultante. A muleta teve fratura em uma de polipropileno inserir
dentro do tubo de alumínio do aparelho, e espectroscopia de infra-vermelho do
material mostrou que tinha oxidado, possível como resultado da moldagem
pobres.
A oxidação é geralmente relativamente fáceis de detectar, devido à forte
absorção pelo grupo carbonílico no espectro de poliolefinas. polipropileno tem
um espectro relativamente simples, com poucos picos na posição carbonila
(como o polietileno ). Oxidação tende a começar no carbono terciário átomos
porque a radicais livres formados aqui são mais estáveis e duradouras,
tornando-as mais suscetíveis ao ataque de oxigênio. O grupo carbonila pode
ser ainda oxidado para quebrar a cadeia, o que enfraquece o material,
diminuindo seu peso molecular, e as rachaduras começam a crescer nas
regiões afetadas.
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5.1. iii. - CERÂMICA
Os materiais cerâmicos são normalmente combinações de metais com
elementos não metálicos. Os principais tipos são: óxidos, nitretos e
carbonetos. A esse grupo de materiais também pertencem os argilo-minerais,
o cimento e os vidros. Do ponto de vista de ligações químicas, eles podem ser
desde predominantemente iônicos até predominantemente covalentes. Eles
são tipicamente isolantes térmicos e elétricos. São também mais resistentes à
altas temperaturas e a ambientes corrosivos que os metais e polímeros. Eles
são muito duros, porém frágeis.
Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão. São geralmente
isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos
semicondutoras, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois
últimos, em faixas específicas de temperatura).
São comumente estáveis sob condições ambientais severas.Os principais
materiais cerâmicos são:
Materiais Cerâmicos Tradicionais: cerâmicas estruturais, louças,
refratários (provenientes de matérias primas argilosas).
Vidros e Vitro-Cerâmicas.
Abrasivos.
Cimentos.
Cerâmicas ―Avançadas‖: aplicações eletro-eletrônicas, térmicas,
mecânicas, ópticas, químicas, bio-médicas.
5.1. iii. a - APLICAÇÕES DA CERÂMICA
Elétricas:
Sensores de temperatura (NTC, PTC);
Ferroelétricos (capacitores, piezoelétricos);
Varistores (resistores não lineares);
Dielétricos (isolantes).
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Térmicas:
o As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:
– Capacidade calorífica (⇑);
– Coeficiente de expansão térmica (⇓); – Condutividade térmica.
Químicas:
Sensores de gases e vapores;
o sensores de gases:
– Principais materiais: ZrO2(O2) , ZnO, SnO2, Fe2O3 (H2O).
– Alarme de vazamento de gases venenosos e hidrocarbonetos;
– Sensor de oxigênio em veículos automotores;
– Sensor de oxigênio na fabricação do aço.
Magnéticas;
Ópticas;
Biológicas:
Próteses e implantes.
– Principais materiais: Al2O3 (bio-inerte) e hidroxiapatita (bio-ativa).
– Ossos artificiais, dentes e juntas.
5.2.iii. - CERÂMICAS AVANÇADAS
Cerâmica avançada é uma cerâmica produzida com técnicas diferenciadas. É
também denominada técnica, especial ou fina.
Principais vantagens das cerâmicas avançadas:
Resistem a maiores temperaturas (refratariedade);
Maior resistência ao desgaste e à corrosão;
Menor perda por fricção (atrito – resistência aos metais);
Menor peso devido à menor densidade;
Alta dureza (exceto o BN);
Alta condutividade elétrica;
Elevada condutividade térmica;
Resistência a sais (estabilidade química).
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FERRAMENTAS DE CORTE
Figura 6 - Figura com vários tipos de ferramentas de corte.
Figura 8 – Figura de Turbina a gás
Figura 7 – Figura de pistões e camisas .
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS BASEADA NA APLICAÇÃO
Tabela 6 – Classificações dos Cerâmicos.
5.iii.b DEGRADAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS
• Podemos pensar nos materiais cerâmicos como materiais estáveis em relação à
maior parte dos mecanismos de corrosão que acabaram de ser discutidos.
• Na maioria dos meios, esses materiais são altamente resistentes à corrosão.
• Em altas temperaturas, a corrosão desses materiais se dá através de processos de
formação de fases vítreas e de dissolução.
Ex.: corrosão de refratários usados em fornos de fusão de vidro
(formação de fases vítreas).
• A corrosão por dissolução em meios ácidos específicos (HF, por exemplo) ou em
meios alcalinos é favorecida, principalmente com o aumento da temperatura do
sistema.
• Na temperatura ambiente, o processo de degradação de vidros não tratados pode
se iniciar com gotas d’água que se condensam na superfície deles
(esse fenômeno é conhecido como intemperismo)
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6.iv – BIOMATERIAIS
Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em
seres humanos.
Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser
compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição).
Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como
biomateriais.
o Biocerâmicas: materiais que interagem com os tecidos vivos.
- As biocerâmicas são utilizadas como materiais estruturais, em função da
elevada carga de compressão que podem resistir, com um baixo desgaste
superficial, em próteses para o corpo humano, tanto na medicina como na
odontologia.
Figura 9 – Biocerâmica. Figura 10 – Instrumentos odontológicos
6.iv.a- APLICAÇÕES
Vidros bioativos: ligação óssea, cirurgia reconstrutiva;
P á g i n a | 2 2
Vidro-cerâmicas bioativas: ligação óssea, cirurgia reconstrutiva;
Alumina de alta densidade: Implantes odontológicos e ortopédicos;
Alumina monocristalina: Implantes odontológicos e ortopédicos;
Zircônia: Implantes odontológicos e ortopédicos.
6.iv.b - PROPRIEDADES FÍSICO/QUÍMICA DOS BIOMATERIAIS
Os critérios para a seleção do material a ser utilizado deve também levar em
consideração as propriedades físicas, químicas e mecânicas do material.
Resistência: aplicações que requerem alta resistência incluem enxertos
de veia aorta, válvulas cardíacas, balões de angioplastia e implantes
odontológicos e ortopédicos. Alguns desses dispositivos requerem
propriedades bastante específicas;
Módulo: (elasticidade, torsão ou flexão) os módulos de torsão e de flexão
são de interesse para materiais como cateteres, que podem sofrer torque e
fazer percursos tortuosos dentro dos vasos. Muitos elastômeros devem ter
capacidade de se alongar com baixa carga, logo, devem ter baixo módulo
de torsão, flexão ou elasticidade;
Fadiga: os dispositivos que devem suportar esforços cíclicos sem permitir
propagação de trinca são em sua maioria feitos de poliuretano, poliésteres
e metais em geral. Esses dispositivos funcionam em sua maioria como
implantes ortopédicos, odontológicos e cardiovasculares;
Rugosidade: em aplicações onde é desejado baixo atrito, como em
implantes de juntas ortopédicas, utilizam-se materiais com acabamentos
espelhados. Quando se deseja uma integração tecido-implante, como em
implantes endoósseos, é desejada uma alta rugosidade;
P á g i n a | 2 3
Taxa de permeação: dispositivos tais como lentes de contato requerem
uma alta taxa de permeação de gases. Geralmente a permeação decresce
com a cristalinidade do material. Os hidrogels são permeáveis a água e são
muito utilizados como liberadores de drogas;
Absorção de água: alguns materiais sofrem mudanças dramáticas em
sua resistência a tração, à fadiga, à fluência, em seu módulo de
elasticidade, torsão ou flexão quando ligeiramente umedecidos. A
degradação também é afetada pela absorção de água: materiais
hidrofílicos tendem a se degradar do interior para a superfície enquanto
materiais hidrofóbicos tendem a ter primeiramente suas superfícies
degradadas;
6.iv.c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO
Os processos de degração estão dividos em:
Mecânicos: desgaste e erosão, fissuras superficiais, propagação de fracturas.
Físico-Químico: absorção de água, lipídios, dissolução.
Eletroquímicos: corrosão.
P á g i n a | 2 4
7.vi - COMPÓSITOS
Materais compósitos são aqueles que possuem pelo menos dois
componentes ou duas fases, com propriedades físicas e químicas nitidamente
distintas, em sua composição. Separadamente os constituintes do compósito
mantém suas características, porém quando misturados eles formam um
composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles.
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. A titulo de curiosidade já
antigas civilizações utilizavam compósitos(palha+barro) na produção de
tijolos.
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.
Os materiais reforços são os que realçam propriedades mecânicas,
electromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo.
Pode ainda surgir uma sinergia entre material matriz e materiais reforços
que resulte, no material compósito final, em propriedades não existentes
nos materiais originais.
Figura 11 - Fibra de carbono.
P á g i n a | 2 5
7. vi. a - APLICAÇÃO DOS COMPÓSITOS
Capacete(Kevlar) de protecção individual de algumas forças militares.
Colete à prova de bala(Kevlar).
O betão armado(cimento e aço).
Bicicletas(carbono).
Alguns barcos de lazer(Fibra de vidro ou carbono).
Pranchas de Surf e windsurf.
Pás dos helicópteros.
Canas de Pesca (Grafite ou carbono ou fibra de vidro).
Raquetes de ténis.
Etc.
7.vi.b - PROPRIEDADES FISICO/QUÍMICA DOS COMPÓSITOS
a) Teor de fibra: Um alto teor de fibras confere maior resistência pós-fissuração e
menor dimensão das fissuras, desde que as fibras possam absorver as cargas
adicionais causadas pela fissura;
b) Módulo de elasticidade da fibra: Um alto valor do módulo de elasticidade
causaria um efeito similar ao teor de fibra, mas, na prática, quanto maior o módulo
maior a probabilidade de haver o arrancamento das fibras;
c) Aderência entre a fibra e a matriz: As características de resistência, deformação
e padrões de ruptura de uma grande variedade de compósitos cimentados
reforçados com fibras dependem fundamentalmente da aderência fibra/matriz. Uma
alta aderência entre a fibra e a matriz reduz o tamanho das fissuras e amplia sua
distribuição pelo compósito;
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d) Resistência da fibra: Aumentando a resistência das fibras aumenta também a
ductilidade do compósito, assumindo que não ocorre o rompimento das ligações de
aderência. A resistência da fibra dependerá, na prática, das características pós-
fissuração desejadas, bem como do teor de fibra e das propriedades de aderência
fibra-matriz;
e) Deformabilidade da fibra: A ductilidade pode ser aumentada com a utilização de
fibras que apresentem alta deformação de ruptura. Isto se deve ao fato de
compósitos com fibras de elevado grau de deformabilidade consumirem energia sob
a forma de alongamento da fibra;
f) Compatibilidade entre a fibra e a matriz: A compatibilidade química e física
entre as fibras e a matriz é muito importante. A curto prazo, as fibras que absorvem
água podem causar excessiva perda de trabalhabilidade do concreto. Além disso, as
fibras que absorvem água sofrem variação de volume, e a aderência fibra/matriz é
compro-metida. A longo prazo, alguns tipos de fibras poliméricas não possuem
estabilidade química frente à presença de álcalis, como ocorre nos materiais à base
de cimento Portland. Nesses casos, a deterioração com rápida perda das
propriedades da fibra e do compósito pode ser significativa.
g) Comprimento da fibra: Quanto menor for o comprimento das fibras, maior será a
possibilidade de elas serem arrancadas. Para uma dada tensão de cisalhamento
superficial aplicada à fibra, esta será melhor utilizada se o seu comprimento for
suficientemente capaz de permitir que a tensão cisalhante desenvolva uma tensão
de tração igual a sua resistência à tração. Na verdade, não basta raciocinar tão-
somente em cima do comprimento da fibra. Há de se levar em conta o seu diâmetro.
Pois depende também dele a capacidade da fibra em desenvolver as resistências ao
cisalhamento e à tração.
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7. vi. c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO E OXIDAÇÃO DOS MATERIAIS COMPÓSITOS
A matriz de um material compósito exerce total influência em suas
propriedades, pois determina a resistência do compósito à maioria dos
processos degradativos que causam, eventualmente, a falha da
estrutura, incluindo os danos de impacto, a delaminação, a absorção
de água, ataque químico, resistência à corrosão e resistência à
oxidação. Além de exercer influência nas propriedades do compósito, a
matriz contribui para uma maior ou menor facilidade de conformação
na fabricação do material compósito e influência no custo final do
produto.
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8 - CONCLUSÃO
Concluimos que um material para ser aplicado em engenharia, necessita
apresentar dados sobre suas caracteríticas básicas e também sobre a
maneira com que o mesmo foi processado até seu momento final.
A natureza e comportamento dos materiais estão ligados aos tipos de
átomos envolvidos e aos arranjos dos mesmos. Eles podem ser constituídos
por um ou mais tipos de elementos químicos.
As características do material será determinada conforme o arranjo dos
seus elementos espaço.
Os materiais foram, são e continuarão a ser fundamentais para o
desenvolvimento da nossa civilização. Podemos definir material, de uma
maneira geral, como qualquer substância que pode ser usada em
aplicações práticas.
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9 – BIBLIOGRAFIA
Cerâmico:
Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A2mica
Acesso em: 26 Abril 2011.
Compósitos:
Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Comp%C3%B3sito
Acesso em: 26 Abril 2011.
Engenharia de materiais:
Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Engenharia_de_materiais
Acesso em: 26 Abril 2011.
MELVIN KRANZBERG e CYRIL STANLEY SMITH; Materiais na história e na
sociedade. Em: Ciência e engenharia de materiais: sua evolução, prática e
perspectivas. Morris Cohen ( Editor), J. R. Gonçalves da Silva ( Tradutor ),
UFSCar, São Carlos, 1988.
Metal:
Disponível em http://desciclopedia.org/wiki/Metal
Acesso em: 26 Abril 2011.
Polímeros.
Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Pol%C3%ADmeros
Acesso em: 26 Abril 2011.
PADILHA, Ângelo Fernando. Materiais de Engenharia - Microestrutura e
Propriedades. Curitiba – PR: Hemus AS, 2000.