Classificação de Materiais e suas Propriedades

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 11 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 estendese 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 11 ilustra lanças com pontas feitas de diversos materiais representando a alma das eras históricas da humanidade Figura 11 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 temse o modelo atômico de Rutherford que apresenta uma estrutura atômica divisível Com a evolução dos estudos temse 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 dáse 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 RutherfordBohr 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 ondapartícula e de Werner Heisenberg Teorias das Incertezas desenvolveuse um modelo atômico baseado nos conceitos propostos nos modelos anteriores todavia alinhado com as novas teorias Com isso desenvolvese 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 12 ilustra os principais modelos atômicos responsáveis pelas propriedades dos materiais e sua respectiva classificação Figura 12 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 confirmase 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 considerandose 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 realizase 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 nãometálicos 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 111 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 13 ilustra uma aplicação estrutural de materiais metálicos 6 Figura 13 Aplicação Estrutural de Material Metálico Torre Eiffel 112 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 nãometálicos A propriedades marcantes desses materiais são a baixa densidade e alta flexibilidade A Figura 14 ilustra uma aplicação em impressora 3D com uso de material polimérico na confecção do protótipo Figura 14 Aplicação de Material Polimérico em Impressão 3D 7 113 Materiais Cerâmicos Os materiais Cerâmicos são a combinação de materiais metálicos e não metálicos produzindo óxidos nitratos e carbetos Podese citar como principais propriedades dos materiais cerâmicos a elevada resistência a temperatura e a ambientes agressivos sob a ótica de corrosão São excelentes isolantes térmicos e elétricos A elevada dureza dos materiais cerâmicos resultam em fragilidade desses materiais A Figura 15 ilustra uma aplicação de material cerâmico Figura 15 Aplicação de Material Cerâmico Fusíveis do tipo Diazed 114 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 16 a seguir ilustra um componente eletrônico produzido a partir de material semicondutor 8 Figura 16 Componente eletrônico produzido a partir de Material Semicondutor 115 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 17 ilustra um componente de bicicleta produzido em material Compósito Figura 17 Componente de bicicleta produzido a partir de Material Compósito 12 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 18 ilustra o processamento de material metálico através de processo siderúrgico Figura 18 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 httpswwwyoutubecomwatchvIC81In72YI 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 httpswwwyoutubecomwatchv7NkdKIRwKUQ 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 httpswwwyoutubecomwatchvbKr91XoSuWA Acesso em 21 mar 2019 13 Seleção de Materiais A partir da classificação dos materiais em grupos com propriedades similares em função das respectivas estruturas atômicas podese 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 eou 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 divideos 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