Materiais - Algumas generalidades I-10

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Materiais - Algumas generalidades I-10

Cerâmicas

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Cerâmica é o nome genérico que se dá a materiais preparados, sob altas temperaturas, a partir de compostos inorgânicos como silicatos e óxidos metálicos. Nesse conceito, materiais como vidro e cimento podem ser incluídos, mas às vezes são considerados grupos à parte pela sua importância prática.

Em geral, as estruturas são complexas e, em vários casos, são usadas misturas de diferentes compostos. Exemplo de uma composição típica para vidro: 70-74% de sílica (SiO₂), 12-16% de óxido de sódio (Na₂O), 5-11% de óxido de cálcio (CaO), 1-3% de óxido de magnésio (MgO) e 1-3% de óxido de alumínio (Al₂O₃).

Materiais cerâmicos são extensivamente usados em construção civil (tijolos, telhas, etc) e em utensílios domésticos. No aspecto técnico da Engenharia, pode-se citar algumas propriedades que são determinantes para o uso dos mesmos:

• Dureza alta: rebolos para retíficas, ferramentas de carboneto de tungstênio.

• Elétricas e eletrônicas: isolantes para linhas de transmissão, substratos para semicondutores, etc.

• Estabilidade dimensional e baixa expansão térmica: paletas de turbinas.

• Ponto de fusão elevado: revestimentos de fornos e similares.

• Porosidade: alguns materiais cerâmicos são particularmente adequados para diversos tipos de filtros.

Isso é apenas uma pequena amostra. Na realidade, a evolução dos materiais cerâmicos tem sido considerável e há diversas outras propriedades e aplicações que fogem do escopo deste tópico.

Elastômeros e polímeros

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Plásticos e borrachas são designações comuns para materiais deste grupo. Polímeros são obtidos a partir de moléculas simples de compostos orgânicos (monômeros) que se agrupam em longas cadeias.

Exemplo: na parte esquerda da Figura 01, há uma molécula do monômero etileno (C₂H₄). Na parte direita, o agrupamento dessas moléculas forma o polietileno.

Na prática, o número de repetições da molécula do monômero no polímero é elevado, podendo chegar a dezenas de milhares.

Geometricamente, as cadeias dos polímeros e suas ligações podem formar estruturas paralelas, emaranhadas, entrelaçadas. Isso depende da composição e do processo de fabricação.

Fig 01

Em geral, os polímeros são classificados em três grupos principais:

• Termoplásticos: as cadeias não são entrelaçadas e o aquecimento reduz as forças de coesão. Isso significa que podem ser reaquecidos e novamente moldados. Exemplos: poliamida (nylon), poliestireno, polietileno.

• Termoestáveis ou termorrígidos: alterações químicas ocorrem durante o processo de moldagem, que provocam ligações entrelaçadas entre cadeias, formando estruturas rígidas. Não são amolecidos por reaquecimento. Exemplos: baquelita, epóxi.

• Elastômeros: são (em geral) termoestáveis que apresentam elevado grau de elasticidade. As cadeias de moléculas são emaranhadas, com tendência ao alinhamento se submetidas à tração, mas retornando à forma original se liberadas.

As cadeias dos polímeros podem conter mais de um tipo de monômero. São os chamados copolímeros. Fisicamente, os monômeros podem se distribuir de forma aleatória ou alternada na cadeia. Também podem formar blocos como se fossem polímeros distintos ligados entre si e outros arranjos.

Um sólido cristalino tem sua estrutura atômica regular e ordenada, ao contrário do amorfo, que tem seus átomos distribuídos de forma aleatória. Em conseqüência, a fusão de um material cristalino ocorre a uma temperatura bem definida e a de um amorfo, em uma faixa de temperatura. A maioria dos polímeros tem uma estrutura semicristalina, ou seja, é formada por cristais e partes amorfas. Portanto, o comportamento da fusão de um polímero depende do seu grau de cristalização.

A maior parte dos polímeros são macios e flexíveis em temperatura ambiente. Se resfriados abaixo de determinada temperatura, tornam-se duros e quebradiços como vidro. Essa é denominada temperatura de transição vítrea (T_g). Alguns polímeros, entretanto, apresentam rigidez e dureza em temperatura ambiente.

Polímeros são, na linguagem do dia-a-dia, chamados de plásticos (ou borrachas no caso de elastômeros) devido à ampla faixa de deformação plástica que a maioria apresenta. Mas isso não é válido para todos. Há uma variedade de propriedades mecânicas entre os diversos tipos. Em relação aos materiais tradicionais como metais, cerâmicas e madeiras, os polímeros são mais adequados para muitas aplicações. É claro que os motivos dependem de cada caso, mas alguns podem ser citados: menor custo, resistência química, baixa massa específica, aspecto e acabamento superficial, etc.

Estruturas cristalinas

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Conforme já mencionado, a distribuição geométrica dos átomos de um sólido cristalino é regular e ordenada. Na realidade, essa distribuição é uma repetição de arranjos ou células iguais.

Supõe-se, por exemplo, que o material está no estado líquido e é resfriado até a solidificação.

Nesse processo, células individuais agrupam-se de forma alinhada em uma estrutura tridimensional para formar cristais. O crescimento de vários cristais no mesmo meio pode eventualmente formar grãos com limites bem definidos.

Fig 01

Há vários tipos de arranjos cristalinos, mas aqui são dados apenas os mais comuns para os metais segundo Figura 01:

(a) estrutura cúbica de face centrada.

(b) estrutura hexagonal fechada.

(c) estrutura cúbica de corpo centrado.

Num mesmo cristal, todas as células se alinham na mesma orientação. Em (d) da mesma figura, exemplo em corte da disposição de células de uma estrutura hexagonal.

Materiais fibrosos e laminados

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Este grupo abrabge aqueles formados por dois ou mais materiais diferentes, sem reações químicas ou misturas entre eles. As propriedades resultantes são em geral decorrentes da interação mecânica na estrutura formada.

Um exemplo comum: o concreto é obtido através da ação da água sobre um aglutinante (cimento) misturado com agregados como pedra e areia. A resistência à compressão é boa, mas é pouco resistente à tração e, por conseqüência, à flexão. A adição de barras ou arames de aço (ferragens) proporciona a necessária resistência à tração e à flexão do conjunto, permitindo o uso nos mais diversos elementos estruturais de construções (colunas, vigas, lajes, etc). É denominado concreto armado e as fibras são as ferragens. A madeira é exemplo de um material fibroso natural.

Fibras de vidro e de carbono são resistentes e flexíveis. Na forma de malhas embebidas com polímeros (em geral termoestáveis), produzem estruturas leves e resistentes, aplicáveis onde esses aspectos são fundamentais, como construção aeronáutica e outros.

Laminados também têm importantes usos. Exemplo: as fibras da madeira são alinhadas na mesma direção. Assim, as propriedades mecânicas variam com a direção. Compensados são formados por placas de madeira coladas com direções de fibras perpendiculares entre placas adjacentes. O resultado é um conjunto com mais uniformidade de resistência mecânica.

Topo | Última revisão ou atualização: Set/2009