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CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Professor Leandro Cardoso da Silva 2 1 CLASSIFICAÇÃO DE MATERIAIS Apresentação Os materiais utilizados em diversas aplicações técnicas são empregados em função das propriedades por eles exibidas. As propriedades dos materiais são decorrentes de sua composição química, tipo de ligações e consequente estrutura do material. Propriedades similares determinam uma classificação de materiais que facilitam o entendimento e aplicações destes. A seleção de materiais é parte estratégica no desenvolvimento de produtos e projetos da engenharia moderna, portanto, o completo entendimento dos fatores que determinam as propriedades dos materiais é fundamental na formação de futuros profissionais da área técnica. Há diversas classificações dos materiais atualmente utilizados nas mais distintas aplicações, porém a mais comum propõe a divisão dos materiais em cinco grandes grupos com propriedades distintas, a saber: Materiais Metálicos, Materiais Poliméricos, Materiais Cerâmicos, Materiais Semicondutores e Materiais Compósitos. Neste primeiro bloco são apresentadas as características de cada um dos grupos citados além das propriedades típicas de cada divisão. Para o pleno entendimento dos fatores que levam à classificação dos materiais é providenciado ainda uma revisão dos conceitos de atomística, especificamente no tocante aos modelos atômicos clássicos. 1.1. Tipos de Materiais: Estrutura e Propriedades A importância dos materiais para a civilização humana está intrinsicamente ligada a própria história da humanidade. Tamanha é a importância dos materiais que diversas eras da história são nomeadas em função dos principais materiais dos respectivos períodos. O domínio na extração ou produção de determinado material, seu 3 processamento e transformação em utensílio com uso definido por uma necessidade social da época conferiu a diversos grupos sociais, populações e nações os domínios político, econômico e bélico sobre outros grupos populacionais. Especificamente nesse aspecto, a importância dos materiais estende-se até os tempos atuais, ou seja, as nações mais poderosas da atualidade detêm o controle na extração, processamento e produção de artefatos relacionados a determinado material, o que lhes confere diversas vantagens competitivas sobre outras nações. A Figura 1.1 ilustra lanças com pontas feitas de diversos materiais representando a “alma” das eras históricas da humanidade. Figura 1.1: Pontas de Lanças de diversos materiais ilustrando a evolução dos materiais e das eras históricas A partir da determinação da importância dos materiais para a civilização humana, torna- se imprescindível o completo entendimento de todos os aspectos relacionados a esse tema, ou seja, a forma como a ciência moderna classifica os materiais, os tipos de materiais existentes e suas mais diversas aplicações. A correlação entre a classificação dos materiais, sua estrutura atômica e as diversas propriedades exibidas pelos respectivos materiais. A compreensão dos tipos de materiais e ligações atômicas está diretamente relacionada ao estudo da atomística onde nesse primeiro bloco são apresentados os diversos 4 modelos científicos produzidos por cientistas e pesquisadores ao longo da história com o objetivo de explicar fenômenos e propriedades exibidas por materiais dos mais diversos tipos. Para tanto, são apresentados os diversos modelos atômicos como o modelo de Dalton, também conhecido como modelo da “bola de bilhar”. Na sequência tem-se o modelo atômico de Rutherford que apresenta uma estrutura atômica divisível. Com a evolução dos estudos tem-se o modelo de Rutherford também conhecido como modelo “planetário” que está diretamente relacionado a trajetórias das partículas constituintes dos átomos. A evolução do modelo de Rutherford dá-se a través das pesquisas de Niels Bohr e seu modelo denominado modelo de Bohr, com trajetórias definidas por órbitas e a concepção de níveis de energia distintos entre as orbitas. Alguns pesquisadores denominam esse modelo coo de Rutherford-Bohr. Com relação aos modelos atômicos, somente na primeira metade do século XX com os estudos de Erwin Schrödinger fundamentado nas teorias de Louis De Broglie (dualidade onda-partícula) e de Werner Heisenberg (Teorias das Incertezas) desenvolveu-se um modelo atômico baseado nos conceitos propostos nos modelos anteriores, todavia alinhado com as novas teorias. Com isso, desenvolve-se um modelo que propõe regiões de máxima probabilidade de existência do elétron ao invés de trajetórias bem definidas do elétron. São lançadas as bases da denominada Mecânica Quântica e entendimento desse modelo fundamenta a correlação das ligações químicas dos elementos e ligas com as propriedades exibidas pelos referidos materiais. A Figura 1.2 ilustra os principais modelos atômicos responsáveis pelas propriedades dos materiais e sua respectiva classificação. Figura 1.2: Evolução dos Modelos atômicos Com a descrição dos diversos modelos atômicos até o início do século XX havia uma tênue percepção da correlação direta entre as diversas propriedades exibidas pelos 5 materiais e sua estrutura atômica. Esta relação confirma-se a partir do desenvolvimento do modelo de orbitais atômicos (Modelo de Schrödinger), onde os materiais passam a ser classificados em grandes grupos (Metálicos, Poliméricos e Cerâmicos em um primeiro momento), considerando-se o tipo de ligação entre os átomos e moléculas desses materiais e as características comuns entre materiais de um mesmo grupo. Atualmente os materiais são divididos em cinco grandes grupos, a saber: Materiais Metálicos Materiais Poliméricos Materiais Cerâmicos Materiais Semicondutores Materiais Compósitos Nesse primeiro bloco de conteúdos do tema realiza-se a apresentação dos diversos tipos de materiais atualmente empregados nas mais diversas aplicações da engenharia contemporânea. Dessa forma são descritos os materiais metálicos, poliméricos, cerâmicos, não-metálicos, semicondutores e compósitos. Cada uma dessas classes de materiais tem características próprias que se traduzem nas propriedades exibidas por esses materiais e estão diretamente relacionadas a sua composição e estrutura atômica. 1.1.1 Materiais Metálicos Os materiais classificados como metálicos podem ser puros ou a combinação de vários elementos metálicos. As propriedades características dos materiais metálicos são função dos elétrons, vários não localizados, ou seja, não ligados a qualquer átomo em particular. Os materiais metálicos possuem boa condutibilidade (térmica e de eletricidade), sendo não transparentes a luz visível. Com relação as propriedades mecânicas possuem elevada resistência mecânica e boa ductilidade o que lhes garante aplicações de caráter estrutural. A Figura 1.3 ilustra uma aplicação estrutural de materiais metálicos. 6 Figura 1.3: Aplicação Estrutural de Material Metálico (Torre Eiffel) 1.1.2 Materiais Poliméricos Tem como característica predominante a existência de grandes estruturas moleculares. Alguns polímeros são compostos orgânicos baseados em Carbono e Hidrogênio e outros são elementos não-metálicos. A propriedades marcantes desses materiais são a baixa densidade e alta flexibilidade. A Figura 1.4 ilustra uma aplicação em impressora 3D com uso de material polimérico na confecção do protótipo. Figura 1.4: Aplicação de Material Polimérico em Impressão 3D 7 1.1.3 Materiais Cerâmicos Os materiais Cerâmicos são a combinação de materiais metálicos e não metálicos produzindo óxidos, nitratos e carbetos. Pode-se citar como principais propriedades dos materiais cerâmicos a elevada resistência a temperatura e a ambientes agressivos sob a ótica de corrosão. São excelentesisolantes térmicos e elétricos. A elevada dureza dos materiais cerâmicos resultam em fragilidade desses materiais. A Figura 1.5, ilustra uma aplicação de material cerâmico. Figura 1.5: Aplicação de Material Cerâmico. Fusíveis do tipo Diazed 1.1.4 Materiais Semicondutores Os Semicondutores são materiais que apresentam propriedades elétricas intermediárias entre os condutores elétricos e os isolantes. São extremamente sensíveis a presença de impurezas em sua composição. Os materiais Semicondutores são a base da eletrônica contemporânea sendo largamente empregados na produção de componentes eletrônicos como diodos, transistores, circuitos integrados e chips. A Figura 1.6, a seguir, ilustra um componente eletrônico produzido a partir de material semicondutor. 8 Figura 1.6: Componente eletrônico produzido a partir de Material Semicondutor 1.1.5 Materiais Compósitos São materiais constituídos por mais de um material desenvolvidos com o objetivo de apresentar as melhores características de cada um dos materiais constituintes. Por conta da combinação e materiais as propriedades dos materiais compósitos são anisotrópicas. A Figura 1.7, ilustra um componente de bicicleta produzido em material Compósito. Figura 1.7: Componente de bicicleta produzido a partir de Material Compósito 1.2. Processamento dos Materiais Nesse primeiro bloco também são apresentados os diversos tipos de processamento ao qual os materiais são submetidos visando sua posterior utilização nas mais diversas 9 aplicações. É fundamental compreender que o comportamento exibido pelos materiais durante seu processamento é fruto de sua composição química além da estrutura atômica de ligação entre os átomos componentes do material. A Figura 1.8, ilustra o processamento de material metálico através de processo siderúrgico. Figura 1.8: Processamento de Material Metálico A introdução de energia, muitas vezes na forma de trabalho, nos materiais durante seu processamento resultará em mudanças de determinadas propriedades originais do material. Tais mudanças em determinadas situações são esperadas para a obtenção de propriedades específicas de determinados materiais que servirão a aplicações específicas ou desenvolvimento de produtos onde tais propriedades são fundamentais. Aço O Aço é um dos materiais mais utilizados no mundo e seu processamento é oriundo do Ferro (Fe) com uma porcentagem de Carbono (C). Manipulando quimicamente outros elementos ao Aço, podemos obter resultados positivos na concepção da liga de Aço, como dureza, elasticidade, durabilidade etc. Para saber mais sobre o Aço, recomendamos o seguinte vídeo: Como é feito o aço. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=IC-81In72YI>. Acesso em: 21 mar. 2019. 10 Polímeros A família dos polímeros é das mais utilizadas no mercado de produtos em geral e suas soluções são diversas, como produção de garrafas PET, vasilhames, brinquedos etc. Existe uma grande variedade de processos envolvidos na fabricação de produtos advindos de polímeros. Os mais utilizados são extrusão, injeção, rotomoldagem, sopro e vacuum forming, ou termoformagem. Para saber mais sobre Polímeros, recomendamos o seguinte vídeo: Processos de fabricação Termoplásticos. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=7NkdKIRwKUQ>. Acesso em: 21 mar. 2019. Compósitos Atualmente muito utilizado para aplicações estruturais, os compósitos têm por definição serem a mistura de dois ou mais produtos para obtenção e melhoria de desempenho nas propriedades mecânicas, químicas e físicas do material de interesse para a aplicação na concepção de produtos. Para saber mais sobre Compósitos, recomendamos o seguinte vídeo: Processo RTM Light "The best case" em Português Fiberglass. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=bKr91XoSuWA>. Acesso em: 21 mar. 2019. 1.3. Seleção de Materiais A partir da classificação dos materiais em grupos com propriedades similares em função das respectivas estruturas atômicas, pode-se definir critérios técnicos para desenvolvimento de novos materiais em função dos objetivos de aplicação propostos para o referido material. A partir dessa análise da relação entre materiais e as propriedades exibidas surge o conceito da Ciência dos Materiais. 11 A seleção do material mais adequado para determinada aplicação é fator estratégico no desenvolvimento de projeto e/ou produtos e, portanto, deve ser baseado em critérios técnicos, ou seja, diretamente relacionados as propriedades exibidas por determinados materiais. Conclusão Os materiais são classificados em função das propriedades exibidas sendo estas decorrentes da composição química e tipo de ligação interatômica. A classificação atual de materiais divide-os em cinco grandes grupos a saber: Metálicos, Poliméricos, Cerâmicos, Semicondutores e Compósitos. A seleção adequada de materiais é fator estratégico na competitividade das organizações globalizadas, todavia deve ser considerada em qualquer situação que se demanda análise técnica do componente ou projeto em desenvolvimento Os tipos de ligações químicas que constituem os diversos tipos de materiais serão tratados no bloco 2 desse conteúdo. Referências Bibliográficas CALLISTER Jr., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2018. SHACKELFORD, J. F. Ciências dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson, 2011.