Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Departamento de Engenharia Elétrica

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1 Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Departamento de Engenharia Elétrica 1 Agenda: O que é Ciência dos Materiais O que é Engenharia dos Materiais Perspectiva Histórica dos Materiais Evolução dos Materiais Como escolher um Material? Seleção dos materiais pelo Índice de Mérito Classificação dos Materiais Classificação pela estrutura atômica Metais Cerâmicas Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais Classificação pelas Propriedades Físicas Isolantes Semicondutores Condutores Classificação usual para Materiais Elétricos Condutores Dielétricos Semicondutores Magnéticos Materiais Avançados Desenvolvimentos futuros 2 1

2 A Ciência dos Materiais é um estudo científico de caráter interdisciplinar relativo ao estudo das propriedades dos materiais e a relação entre a sua estrutura em escalas atômicas ou moleculares com suas características macroscópicas, incorporando elementos da física e da química como as formas de caracterização e processamento. A Ciência dos Materiais investiga as relações existentes entre Estrutura Propriedades dos materiais Processamento Desempenho que fazem com que um determinado material tenha um certo comportamento. Estrutura Física Comportamento Processamento Propriedades Desempenho Química 2

3 A Engenharia de Materiais é um ramo da engenharia em que a interdisciplinaridade da física e da química são utilizadas no estudo das propriedades, na produção e na transformação dos materiais. A Engenharia dos Materiais estuda as propriedades dos materiais com o objetivo de definir: O desempenho de um determinado componente de um sistema O processo de fabricação do componente O custo e/ou a viabilidade econômica de usar um determinado material para produzir o componente em escala industrial. Propriedades dos Materiais Microestrutura Composição e Processo de Fabricação C I Ê N C I A E N G E N H A R I A 3

4 Início da Ciência dos Materiais: Idade da Pedra : 2,5 milhões de anos atrás Caracterizada pelo uso de materiais naturais: pedra, madeira, barro, peles etc. 2,5 milhões de anos: Paleolítico Ferramentas feitas com pedras cortantes naturais. Início do uso do fogo. Idade da Pedra 15 mil anos AC: Mesolítico Ferramentas feitas com pedras cortantes afiadas pelos seres humanos. 11 mil anos AC: Neolítico Início da agricultura e da domesticação de animais. Pedras para moer grãos. Cozimento dos alimentos. O pão. A Idade da Pedra terminou em aproximadamente 5000 anos AC, com a desenvolvimento do Bronze no Oriente Médio. O Bronze é uma liga (um metal feito de mais de um elemento químico) de Cobre + < 25% de Estanho + outros elementos. Pode ser deformado ou fundido em uma infinidade de formas Pode ter durezas diferentes, dependendo da composição da liga Apresenta baixa corrosão após a formação de um filme de óxido 4

5 A Era do Ferro iniciou-se a aproximadamente 3000 anos AC e continua até atualmente. Primeiros objetos de ferro: provavelmente metal proveniente de meteoritos (Índia e China). Apesar dos gregos terem dominado a fundição do ferro aproximadamente no ano 1000 AC, a Europa esqueceu o método de refino do ferro, que só foi redescoberto entre 1150 DC e 1350 DC. O uso do ferro e do aço mudou drasticamente a vida das pessoas em geral. A maioria dos autores considera que a época atual é de transição entre a Era do Ferro e a Era dos Novos Materiais: Novos tipos de materiais se tornaram disponíveis: polímeros semicondutores compósitos cerâmica avançada A Ciência conseguiu uma melhor compreensão das relações entre as estruturas, as propriedades, o processamento e o desempenho dos materiais. Está ocorrendo o projeto inteligente de NOVOS MATERIAIS. 5

6 Era Característica Exemplo Materiais naturais Materiais naturais trabalhados Materiais naturais sinterizados Uso dos materiais como eles se apresentam na natureza, sem modificações Os materiais naturais são modificados em seu formato. Os artefatos obtidos mantém as propriedades físicas do material natural com o qual foi fabricado. Os materiais naturais sofrem processos térmicos que mudam suas características. O artefato obtido tem propriedades físicas diferentes do material natural que lhe deu origem. Pedras e galhos de árvores Machado de pedra, mesa de madeira, cadeira de madeira, tábuas Cerâmica, Porcelana, Vidro, Cimento Era Característica Exemplo Metais O material natural sofre oxirredução (geralmente por processo térmicos) que o purificam. O material não se apresenta na natureza nesta forma. As propriedades físicas do material obtido são muito diferentes daquelas observadas em qualquer material natural. Cobre, ferro, alumínio, ouro, prata Moléculas sintéticas Materiais naturais sofrem processos químicos complexos, que rearranjam seus átomos na forma de cadeias moleculares não existentes na natureza. As propriedades físicas obtidas são inexistentes na natureza. Polímeros (borracha, plásticos); medicamentos 6

7 Era Característica Exemplo Cristais sintéticos FUTURO (?) Átomos sintéticos Materiais naturais sofrem processos químicos, térmicos e elétricos complexos, que rearranjam seus átomos na forma de cristais não existentes na natureza. As propriedades físicas obtidas são inexistentes na natureza (e surpreendentes!). Cristais sintéticos e naturais sofrem bombardeamento de prótons e nêutrons que modificam seus núcleos atômicos, criando isótopos estáveis. As propriedades físicas obtidas são inimagináveis! Semicondutores: silício, germânio, GaAs, InGaAsP, SiC? SEMICONDUTORES 7

8 O número de materiais disponíveis para a Engenharia cresceu muito nas últimas décadas Tendência: proliferarem cada vez mais Drivers para o desenvolvimento de Novos Materiais Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza Modificação de materiais naturais Combinação de materiais conhecidos para a formação de novos materiais Quantos materiais diferentes existem? Poliuretano (denominado pela sigla PU) 8

9 Quantos materiais diferentes existem? COMO ESCOLHER?? Vidro Plástico Papel resinado Cerâmica Madeira Metal Depende Tempo de vida ou Durabilidade Aparência Finalidade: Natureza do líquido a ser contido no copo (ex.:suco de laranja não pode ser armazenado em recipientes de alguns metais porquê remove componentes da liga) Temperatura do líquido (ex: café quente em um copo plástico, ou em um copo metálico) Impacto ambiental (reciclável) CUSTO 9

10 1. Verificar as condições de operação que será submetido o material 2. Levantar as propriedades requeridas para tal aplicação 3. Listar alguns materiais possíveis para serem adotados nesta aplicação 4. Verificar limitações e restrições quanto ao uso destes materiais 5. Levantamento do tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. Exemplo: elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica de muitos materiais. 10

11 6. Finalmente, a consideração mais importante é, provavelmente, a econômica: Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo! Foto: Mondial de l Automobile 2012 Paris ELMM Foto: Mondial de l Automobile 2012 Paris ELMM 11

12 PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono Foto: Mondial de l Automobile 2012 Paris ELMM Ex. Resistência à tração: Material Aço-liga Ti Al PRFC (alta resist.) (AA7074) Resistência à tração (MPa) PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono 12

13 Seleção dos materiais pelo índice de mérito Ex. Resistência/peso: Material Aço-liga Ti Al PRFC (alta resist.) (AA7074) PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono Seleção dos materiais pelo índice de mérito Ex. Custo/kg [US$]: Material Aço-liga Ti Al PRFC (alta resist.) (AA7074) 0, PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono 13

14 INFLUÊNCIA DO TIPO DE INDÚSTRIA NA ESCOLHA DOS MATERIAIS INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA Fotos: Mondial de l Automobile 2012 Paris ELMM INFLUÊNCIA DO TIPO DE INDÚSTRIA NA ESCOLHA DOS MATERIAIS INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA Grande exigência tecnológica Utilização dos materiais nos limites Produtos não diferenciados Utilização de materiais abaixo dos limites SELEÇÃO CUIDADOSA (FATOR CUSTO SECUNDÁRIO) SELEÇÃO CUIDADOSA (FATOR CUSTO PRIMORDIAL) 14

15 Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades. Muitas vezes é necessário reduzir a exigência de uma propriedade, em benefício de outra. Exemplo: resistência e ductilidade Geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades. A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada em: estrutura atômica propriedades físicas 15

16 Metais Cerâmicas Classificação tradicional Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais (Materiais Biocompatíveis) Metais Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos (ligas). Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade Não são transparentes à luz visível Têm aparência brilhante quando polidos Geralmente são resistentes e deformáveis São muito utilizados para aplicações estruturais Recicláveis 16

17 Cerâmicas Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos ALUMINA metálicos e não-metálicos. Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos Fabricados por sinterização a alta temperatura São geralmente isolantes de calor e isolantes elétricos São mais resistentes à altas temperaturas e a ambientes severos que metais e polímeros Com relação às propriedades mecânicas, as cerâmicas são duras, porém frágeis Em geral são leves 17

18 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 18

19 Compósitos Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si. Os compósitos são desenhados para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte Muitos dos recentes desenvolvimento em materiais envolvem materiais compósitos Um exemplo classico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero Semicondutores InP Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas intermediárias entre metais e isolantes As características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material (para formar as junções p-n) Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram as indústrias de eletrônica e computadores Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe,... 19

20 InP InP 20

21 Biomateriais Biomateriais são empregados na fabricação de componentes destinados a implantes 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. 21

22 Qual material é o melhor condutor de eletricidade? Obs.: na temperatura de 25ºC 22

23 Materiais Condutores: São materiais que permitem a passagem de corrente elétrica Exemplos: Alumínio, Bronze, Cobre, Estanho etc. Materiais Dielétricos ou Isolantes: São materiais capazes de prover a separação entre diferentes elementos condutores apresentando grande oposição a passagem de corrente elétrica em seu interior. Exemplos: Borracha, Porcelana, PVC, Papel etc. Materiais Semicondutores: São materiais que possuem condutividade intermediária entre a dos condutores e isolantes. Exemplos: Germânio, Silício, GaAs. Materiais Magnéticos: São materiais que interagem com grande intensidade com campos magnéticos. Exemplos: Aço Silício, Alnico, Ferrite de Bário. 23

24 São materiais utilizados em aplicações de tecnologia de ponta Materiais utilizados na fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princípios sofisticados Exemplos: equipamentos eletrônicos (VCRs, CD players, DVD, BlueRay), computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido, indústria aeroespacial, etc. São geralmente materiais tradicionais cujas propriedades são otimizadas Há também materiais novos de alto desempenho. Materiais que apresentem: Alto desempenho Baixo peso Excelentes características mecânicas Manutenção das características físicas ao longo do tempo Resistência às altas temperaturas Produção menos danosa ao meio ambiente Mais fáceis de serem reciclados ou regenerados Descarte seguro na natureza 24

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