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,

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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;

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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;

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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.

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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.

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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.