ENGENHARIA ELÉTRICA

DISCIPLINA MATERIAIS ELÉTRICOS – AULA 2

TIPOS DE MATERIAIS

PROFESSOR HERBERT SCHÄFER

Introdução

Olá!

Vamos conferir a 2ª aula de Materiais Elétricos hoje? Nesta aula você verá sobre:

Metais

Cerâmicas e Vidros

Polímeros e Compósitos

Materiais Magnéticos

Materiais Inteligentes e Nanoestruturados

Título Metais e Semicondutores

Provavelmente, nenhum material está mais associado à profissão da engenharia do que o metal, com o

predomínio das ligas baseadas no ferro, as ligas ferrosas e as ligas não ferrosas, que como o nome

prontamente indica, não possuem o ferro como seu componente principal.

Para saber um pouco mais sobre o que iremos estudar no decorrer desta aula!

SCHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo, Person Prentice Hall, 2008

cap. 11.

Processo de sinterização ou Metalurgia do pó.

Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=Ciorm67zdHo>.

Aço – Indústria Humana.

Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=z5VpDlGJDto>.

Agora que você já conferiu estas dicas para aprofundar seus conhecimentos, vamos voltar ao conteúdo

da aula!

Mais de 90% em peso dos materiais metálicos utilizados pela indústria são ligas ferrosas, e destes, os

aços para fins elétricos podem ser analisados como uma classe especial de aços de baixo carbono com

propriedades magnéticas específicas para sua aplicação na fabricação de:

Aços elétricos

Os aços elétricos interessam a dois segmentos econômicos, os quais o Brasil tem engenharia forte:

a) Siderurgia

b) Indústria da eletricidade

Atualmente, 1% do volume total de aços produzidos anualmente é utilizado por suas propriedades

magnéticas. Estes aços são materiais magneticamente macios e não conduzem corrente elétrica, mas

sim fluxo magnético, que circula no interior do material.

Isto se dá porque os aços elétricos possuem uma propriedade única, não disponível em outros metais,

polímeros e cerâmicas: sua capacidade de amplificar milhares de vezes um campo magnético aplicado.

É esta propriedade que viabiliza a existência da maioria das máquinas elétricas, tais como motores,

geradores e transformadores.

Confira a seguir uma dica de leitura sobre as propriedades magnéticas.

LANDGRAF, F. J. G. Propriedades Magnéticas de aços para fins elétricos. In: Ivani Bott; Paulo Rios;

Ronaldo Paranhos (Org.). Aços: perspectivas para os próximos 10 anos. 1. ed. Rio de Janeiro, 2002, v.,

p. 109-128.

Assim, os aços para fins elétricos podem ser analisados como uma classe especial de aços baixo carbono

com propriedades magnéticas específicas para sua aplicação na fabricação de núcleos de motores

elétricos, geradores, transformadores de potência, reatores para sistemas de iluminação, medidores de

energia e motores para compressores herméticos de geladeiras, freezers e ar-condicionado.

Os aços elétricos se diferenciam dos outros tipos de aços por possuírem silício em sua composição.

O aço com silício é uma liga de ferro e carbono contendo o silício como o principal elemento de liga.

O aço pode ser dividido em duas grandes famílias. Para conferir cada uma delas, clique nas imagens a

seguir:

Chapas de aço de grão orientado (GO) Nestas existe uma orientação cristalográfica paralela à superfície da chapa de aço, o que promove propriedades magnéticas excelentes em apenas uma direção. Para saber mais, leia o seguinte livro: LANDGRAF, F. J. G. Propriedades Magnéticas de aços para fins elétricos. In: Ivani Bott; Paulo Rios; Ronaldo Paranhos (Org.). Aços: perspectivas para os próximos 10 anos. 1. ed. Rio de Janeiro, 2002, v., p. 109-128.

Chapas de aço de grão não orientado (GNO) Nestas não existe uma orientação cristalográfica preferencial e são utilizadas para as demais aplicações. A família dos aços GNO possui três subdivisões para classificação dos aços elétricos. São elas: Aços ABNT 1006/1008 – aço com 0,06% de carbono, silício residual e baixas propriedades elétricas. Estes aços necessitam de tratamento térmico para descarbonetação (crescimento dos grãos e aplicação de revestimento superficial para que sejam obtidas propriedades elétricas satisfatórias para a aplicação), pelo usuário final; Aços semiprocessados – aço com carbono já abaixo de 0,005% e teor de silício usual de 0,5%. Estes aços também necessitam de tratamento térmico para crescimento de grãos e aplicação de revestimento superficial; Aços totalmente processados (aço Si) – aço usualmente com teor de carbono inferior a 0,004%, silício superior a 1,5%. Não necessitam de tratamento térmico na indústria, tendo em vista que já possuem excelentes propriedades elétricas em virtude do crescimento dos grãos obtido no processo de recozimento após laminação e pelo revestimento superficial característico.

A adição do silício ao ferro altera as propriedades elétricas, magnéticas e mecânicas do aço: a) aumenta

sua resistividade elétrica; b) diminuiu a anisotropia.

Isto é de grande interesse, pois, como estes materiais são utilizados em equipamentos em que um

campo magnético variável é aplicado em várias direções, com o aumento da resistividade elétrica, as

correntes de Foucault geradas pela variação com campo magnético no tempo diminuem, e com a

diminuição da anisotropia, o campo magnético pode ser aplicado em qualquer direção sem ocorrerem

grandes diferenças entre as direções.

Porém, a adição do silício diminui a indução do material, ou seja, o material satura em um menor valor,

além de deixar o material quebradiço, tornando-se um problema para atividades que exigem a laminação

do material. Dentre as aplicações práticas dos aços elétricos GNO, uma atenção especial está se voltando

para os motores elétricos.

Estudos da Federação das Indústrias do Estado de São Paulo (FIESP) mostram que o setor industrial é

responsável por 43% do consumo anual de energia no Brasil. Dentro desse setor, os motores são

responsáveis por aproximadamente 55% do consumo de energia elétrica.

Confira na imagem a seguir!

Consumo de energia elétrica no setor industrial (Fonte: Procobre)

Uma das principais características de um motor elétrico a indução é que o custo operacional é bem

superior ao custo de aquisição e pode ser de 25 a 150 vezes o custo de aquisição do motor, dependendo

do tempo de funcionamento, da potência, da tarifa de energia elétrica e do rendimento do motor.

Este é o principal motivo pelo qual o uso dos motores elétricos de alto rendimento (que possuem

eficiência energética maior independente da potência do motor) vem apresentando um incremento de

vendas.

O aumento do rendimento dos motores alto rendimento, em relação aos motores normais, varia com a

potência do motor e com o fabricante, não sendo, portanto, um valor constante.

A norma brasileira NBR 7094 estabelece os níveis mínimos de rendimento que devem ser alcançados

pelos motores designados como de alto rendimento.

Comparativo entre motor 4 polos padrão standard e um alto rendimento para diferentes potências (Fonte: Procobre).

O desenvolvimento de soluções de alto rendimento é um dos mais importantes focos de estudos

tecnológicos do ponto de vista de redução no consumo de energia elétrica e problemas ambientais.

Nesse contexto é que leis específicas vêm sendo aprovadas em vários países para obrigar a

comercialização de motores elétricos de alto rendimento.

No Brasil, através da Portaria Interministerial n. 553 de 08/12/2005, fica definido que a partir de

08/12/2009 todos os motores elétricos para aplicação industrial deverão atender aos valores mínimos da

linha alto rendimento (NBR 7094).

Além do Brasil, outros países já seguiram ou irão promover alterações nesse sentido.

O rendimento de um motor elétrico é consequência das perdas mecânicas (nos rolamentos,

acoplamentos etc.), das perdas no cobre (resistividade dos fios de cobre) e das perdas no ferro (núcleo

de lâminas de aço).

Dessas três fontes de queda do rendimento energético, as perdas no ferro são as que podem ser

reduzidas sem grandes alterações no projeto, muitas vezes apenas com a troca do tipo de chapa de aço

utilizada na fabricação de alguns componentes.

Com isso, de uma forma geral, essa medida governamental irá ocasionar um aumento no consumo de

aços elétricos siliciosos que promovem um aumento no rendimento elétrico de motores, tendo em vista a

sua maior permeabilidade, que é a medida do grau de magnetização do material em resposta a um

campo magnético, e menores perdas elétricas inerentes a sua composição química e microestrutura.

Perdas elétricas dos aços elétricos (Fonte: ArcelorMittal).

Para ampliar seus conhecimentos confira as dicas de leitura!

Callister. Ciência e Engenharia de Materiais. Editora LTC, 2002.

ArcelorMittal. Relatório de Sustentabilidade Aço Brasil, 2009. Recuperado em 07 de março de 2015.

Disponível em:

<http://www.acobrasil.org.br/site/portugues/sustentabilidade/downloads/Relatorio_2009.pdf>.

O aço elétrico é comercializado na forma de chapa com espessuras entre 0,27 a 0,9 mm e em bobinas de

10 toneladas, normalmente. Essas chapas são utilizadas na fabricação de lâminas do estator e rotor que

formam o núcleo magnético de um motor elétrico. As lâminas são manufaturadas através de processos

de estampagem (puncionamento) e depois são soldadas ou grampeadas para formação dos pacotes de

estator e rotor.

Devido ao encruamento causado na região do corte pelo processo de estampagem, para algumas

aplicações, há necessidade de um tratamento térmico de alívio de tensões.

Um estudo feito por Schoppa em 2000 faz uma análise da influência dos processos de fabricação nas

propriedades dos aços elétricos de grãos não orientados e relata que, geralmente, apenas os efeitos

negativos nas propriedades elétricas provenientes do processo de estampagem (encruamento dos grãos

na região do corte) podem ser reduzidos por um processo de recozimento apropriado.

Motor elétrico em corte.

Antes de prosseguir com o conteúdo da aula,

anote a indicação de leitura!

Shoppa. Influence of the manufacturing process on the

magnetic properties of non-oriented electrical steels. Journal

of Magnetism and Magnetic

Materials (volumes 215–216, 2 junho

de 2000, pp. 74–78)

Ligas não ferrosas

Antes de começar a estudar sobre as ligas não-ferrosas, você poderá conferir o livro chamado “Ciência

dos materiais” clicando no botão a seguir.

Ele poderá lhe ajudar no entendimento sobre as ligações não ferrosas.

SCHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Person

Prentice Hall, 2008. cap. 11.

Quando comparadas com os aços e ferros fundidos, as ligas onde o ferro não é o elemento majoritário

apresentam:

melhor resistência à corrosão

pior resistência mecânica

menor resistência a fluência a altas temperaturas

melhor comportamento a baixas temperaturas

Conheça agora alguns tipos de metais. Vá até o material online e clique no botão PDF para ver quais as

propriedades e para que são usados o Cobre, Alumínio, Níquel, Titânio e Zircônio, Magnésio, Zinco,

Chumbo, Metais Refratários e Preciosos!

Semicondutores

Os principais elementos semicondutores são o silício e o germânio. Porém a lista não se encerra com

eles: o selênio, o telureto, o óxido de cobre, o sufeto de chumbo bem como o carbeto de silício são

outros exemplos de materiais semicondutores.

Por definição semicondutores são um caso particular dos materiais isolantes, sendo a única diferença a

magnitude da banda proibida de energia. Se for menor ou até da ordem de 3eV é semicondutor,

enquanto que se for maior é um isolante.

À temperatura de 0 K, tanto o semicondutor como o próprio isolante serão ambos isolantes.

Eles não poderão conduzir corrente elétrica, pois em ambos os casos, as bandas de valência encontram-

se totalmente preenchidas.

Aumentando-se a temperatura, acima de 0 K de um material semicondutor, alguns poucos elétrons da

banda de valência adquirem energia térmica e poderão pular dos seus estados da banda de valência

para estados vazios da banda de condução.

Desta forma, passa a uma condição em que os elétrons, tanto da banda de valência (banda não mais

totalmente preenchida) como da banda de condução (apenas parcialmente preenchida), podem conduzir

corrente elétrica. A condutividade será, no entanto, bem reduzida, tendo em vista o número reduzido de

elétrons na banda de condução, bem como uma banda de valência ainda quase preenchida.

Nos semicondutores a condução de corrente elétrica é devida a duas causas:

a) uma que lhe é intrínseca

b) outra extrínseca

Entende-se por condutividade intrínseca aquela que o cristal apresenta quando é isento de impurezas ou

defeitos reticulares. Seu valor, porém, é desprezível face à condutividade extrínseca, provocada pela

adição de impurezas ao retículo cristalino.

O estudo dos semicondutores é relativamente simples para o caso do germânio ou do silício, nos quais a

condutividade é determinada por impurezas. Nos chamados condutores por excesso estequiométrico,

porém, a situação é diferente e alguns são utilizados porque suas propriedades foram evidenciadas na

prática. Para estes, a explicação de seu princípio de funcionamento ainda está longe de ser satisfatória.

Duas amostras de um mesmo material semicondutor, com graus de impurezas diferentes entre

porcentagens tão mínimas que nem possam ser detectadas por análise química convencional, podem

apresentar condutividades centenas de vezes diferentes entre si.

Por este motivo a tecnologia de semicondutores é muito crítica no que se refere à medida e ao controle

das concentrações de impurezas.

No processo de dopagem os semicondutores são produzidos a partir de materiais que, inicialmente,

possuem pureza extremamente elevada, contendo geralmente teores totais de impurezas da ordem de

10−7%, ou seja, para cada 109 átomos do material está presente, de maneira não proposital, um átomo

de impureza.

Técnicas de fabricação de semicondutores

O silício comercial é obtido a partir da sílica de alta pureza em fornos de arco elétrico reduzindo o óxido

com eletrodos de carbono a uma temperatura superior a 1.900 ºC (SiO2 + C → Si + CO2).

O silício produzido por este processo é denominado de silício metalúrgico e apresenta um grau de pureza

superior a 99%. Para a construção de dispositivos semicondutores é necessário um silício de maior

pureza, o silício ultra puro, que pode ser obtido por métodos físicos e químicos.

O Brasil é um país rico em minérios, e um dos mais abundantes é o minério do silício. Porém no país não

existem empresas especializadas no seu tratamento, como o seu crescimento e os processos de

preparação de lâminas de silício para a indústria de semicondutores.

A maior parte da tecnologia utilizada para a fabricação de semicondutores, se não toda ela, é de origem

estrangeira. Eles compram o minério de silício do Brasil e depois revendem os semicondutores prontos.

Estes materiais podem ser crescidos por diversas técnicas.

As técnicas mais famosas são a técnica de crescimento epitaxial por feixes moleculares (MBE) e a técnica

de crescimento epitaxial por metalorgânicos na fase gasosa (MOVPE).

Uma das grandes vantagens dos semicondutores é o fato de sua condutividade poder variar fortemente

com as condições externas.

Isto faz destes materiais excelentes detectores de luz, pressão e temperatura. Talvez o dispositivo

semicondutor mais famoso seja o transistor, pois é a base no mundo atual e pode ser encontrado dentro

de brinquedos, celulares, liquidificadores e computadores.

Técnicas de dopagem

A dopagem pode ser feita em quatro situações, a saber:

a) durante o crescimento do cristal

b) por liga

c) por difusão

d) por implantação iônica

Durante o crescimento do cristal o material de base sofre um aquecimento até transformar-se em massa

cristalina fundente, estado em que se efetua o acréscimo do material de dopagem. E durante esse

processo térmico, o cristal vai “crescendo”, posicionando-se os átomos da dopagem na cadeia cristalina

que se forma.

Cerâmicas e Vidros

Cerâmicas e vidros representam alguns dos materiais mais antigos e mais ambientalmente duráveis para

a engenharia e também alguns dos materiais mais avançados, quando em uso pela indústria aeroespacial

e eletrônica. De fato, as necessidades militares e espaciais de materiais refratários levaram ao

desenvolvimento de materiais capazes de suportar temperaturas superiores a 5.000 ºC.

Para aprofundar ainda mais seus conhecimentos confira as dicas!

Facas cerâmicas, saúde, educação etc.

Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=6tjyAZUOXEE

Fabricação de peças em cerâmica.

Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=hb5f9NLP35g

Cerâmicas

Hoje, a indústria cerâmica vai cedendo à tendência natural de ramificação especializada.

O progresso tem sido tão rápido que se torna difícil formular uma classificação completa e definitiva dos

numerosos ramos.

Apesar disso uma classificação provisória, amplamente aceita, enumera os materiais por tipos de

produtos, tal como os utilizados pela indústria.

A seguir e confira esta classificação.

Produtos de argila: Tijolos, telhas, tubos de esgoto e drenagem etc.

Porcelanas: Inclui desde utensílios domésticos, peças ornamentais, aparelhos sanitários, azulejos até porcelanas elétricas

para uso em alta e baixa voltagem, entre outros.

Vidro: Abrangendo os vidros planos, a garrafaria, vidros óticos e uma enorme variedade de outros tipos.

Refratários: Materiais de revestimento requeridos pela indústria metalúrgica e siderúrgica e em outras atividades, inclusive

a própria indústria cerâmica.

Esmalte: Revestimento fusível que protege os metais da corrosão. Muitos aparelhos eletroeletrônicos modernos requerem

partes porcelanizadas.

Abrasivos: Muitos produtos abrasivos são produzidos pela indústria cerâmica a temperaturas superiores a 2,000ºC. Rebolos

e esmeris além de pós-abrasivos são importantes exemplos destes materiais.

Cimento: Além do cimento natural e do cimento portland muitos outros produtos correlatos são resultado de processos de

cerâmica industrial.

Outra classificação, agora baseada nos aspectos técnicos dos elementos da sua transformação dividem a

cerâmica em três categorias distintas:

a) as cerâmicas cristalinas

b) os vidros

c) as vitrocerâmicas

As estruturas encontradas nos materiais cerâmicos são diferentes daquelas presentes nas outras classes

de materiais, porque os materiais cerâmicos são compostos inorgânicos contendo pelo menos dois – e

com muita frequência, mais – elementos químicos e produzidos a altas temperaturas a partir da

aplicações de processos físicos e químicos muitas vezes complexos.

Os materiais cerâmicos podem, em aplicações tecnológicas, ser usados em uma variedade de

morfologias:

a) monólitos

b) pós-finos

c) filmes finos ou espessos

d) fibras longas ou curtas

Cada um desses pode ser um monocristal ou ser policristalino, ou ainda pode ser amorfo, apresentando

uma ou várias fases (pela quantidade de componentes, o número de fase presentes é geralmente maior

do que o n° de fases encontrado em sistemas exclusivamente metálicos).

A característica comum a estes materiais é serem constituídos de elementos metálicos e elementos não

metálicos, ligados por ligações de caráter misto, iônico-covalente.

Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão e são geralmente isolantes elétricos, embora

possam existir materiais cerâmicos semicondutores, condutores e até mesmo supercondutores (estes

dois últimos, em faixas específicas de temperatura).

São comumente estáveis sob condições ambientais severas e geralmente duros e frágeis.

A resistência das cerâmicas é definida em termos da resistência à fratura, a qual pode ser definida como

a tensão necessária para quebrar as ligações atômicas. Nas cerâmicas o valor teórico é muito maior que

o medido experimentalmente e, portanto, normalmente as cerâmicas produzidas industrialmente

necessitam ser verificadas à procura de defeitos.

Veja agora alguns tipos de cerâmicas e quais são suas

matérias-primas, aplicações, propriedades e produtos.

Leia todos os elementos!

Veremos agora as três fases da cerâmica!

Fase Cristalina: Pode ser uma ou mais de uma, é o modo como os átomos, moléculas e íons se organizam dentro de um material de maneira fixa, regular e repetitiva. Ela é responsável pela estabilidade e pela densidade do material e está presente nos minerais naturais. Nos produtos cerâmicos, as reações ocorridas durante a queima destroem as estruturas cristalinas naturais e reagrupam essas estruturas, formando novas estruturas que são responsáveis pelo desempenho do produto. Fase Vítrea: Dá certas características e propriedades ao corpo cerâmico. Ela funciona mais ou menos como o cimento na construção civil: age como ligante das fases cristalinas sólidas, da mesma forma como o cimento une as pedras no concreto. Ela confere resistência mecânica à peça quando em temperatura ambiente. Promove também a translucidez (no caso da porcelana). E, finalmente, aumenta a tendência à deformação quando o produto é exposto a altas temperaturas. Isso é extremamente indesejável nos produtos refratários, ou seja, aqueles que precisam resistir a altas temperaturas, porque a fase vítrea se torna fluida abaixo de 1.000 ºC causando deformação no produto. Nas cerâmicas avançadas para ferramentas de corte, as fases vítreas causam a diminuição da dureza, que é uma propriedade fundamental para essa aplicação. Fase Porosa: É o espaço vazio entre os grãos sólidos, ou dentro dos grãos sólidos, que formam o material cerâmico. Essa fase pode ser aberta ou fechada. Ela é aberta quando deixa um caminho aberto até a superfície e permite a absorção de água, gases etc. Ela é fechada quando está fechada dentro de um grão ou cercada de grãos por todos os lados. O ar fica preso lá dentro e impede a passagem do calor. Isso torna o material cerâmico um isolante térmico.

Nos últimos quinze anos houve um grande avanço no desenvolvimento de materiais cerâmicos para

ferramentas. Esses materiais apresentam elevada dureza, resistência ao desgaste, à deformação plástica

e alta estabilidade química.

Atualmente, esses materiais representam cerca de 4 a 5% do material usado nas pontas das ferramentas

para o corte de metais. São usadas na indústria automobilística, principalmente para a usinagem em alta

velocidade de ferro fundido cinzento, na produção de tambores e discos de freio e volantes. São usadas

também para a usinagem em alta velocidade de superligas de ferro fundido especial e aços de alta

resistência.

No que diz respeito à indústria automobilística, os materiais cerâmicos têm sido alvo de grande interesse,

especialmente na construção de motores.

As vantagens são inegáveis:

Redução de volume e peso (25% menos pesado que um motor de metal)

Dispensa da refrigeração porque um motor cerâmico pode trabalhar a temperaturas de até 800 ºC

Apresenta melhor aproveitamento do combustível e maior eficiência do motor em termos de

potência etc.

Essas vantagens decorrentes das excelentes propriedades das cerâmicas avançadas abrem um amplo

campo de aplicações para a fabricação de blocos de motores, virabrequins, válvulas, pistões, cilindros,

cabeçotes, sistemas de exaustão, câmaras de pré-combustão, mancais, cabeças de pistões.

Todavia, parece que um dos problemas mais críticos a serem contornados é o controle da tolerância: nos

componentes dos motores, elas variam entre 10 e 300 mícrons.

As peças de cerâmica, por sua vez, apresentam alta dureza o que dificulta muito a usinagem. Para evitá-

la, é preciso produzir peças mais próximas das medidas finais, o que significa controlar estreitamente a

retração causada pela sinterização.

Outro problema da cerâmica avançada é a fragilidade.

Ao receber um choque, ela não se deforma como o metal. Pelo contrário, rompe-se de forma

catastrófica.

De qualquer modo, as pesquisas continuam e vários programas de testes com válvulas cerâmicas de

nitreto de silício (Si3N4), que são mais leves e mais resistentes que o aço. Estão demonstrando a alta

durabilidade que esse material pode alcançar.

Outra aplicação potencial em motores a gasolina é como rotor turbo-alimentador: a fábrica japonesa

Nissan introduziu, com sucesso, os rotores de nitreto de silício em um de seus modelos já no ano de

1985.

Anéis de vedação de bombas d’água feitos de carboneto de silício apresentam maior resistência ao

desgaste, a choques e à corrosão que os materiais de vedação convencionais. Atualmente, na Europa,

mais de um milhão desses anéis estão sendo usados.

Uma vez superadas as dificuldades atuais de processamento (baixa tenacidade e consequente baixa

resistência à fratura), os materiais cerâmicos abrem uma perspectiva muito interessante para se tornar

um dos mais usados na indústria mecânica, particularmente a automobilística, no século XXI.

Vidros

Antes de prosseguir seus estudos, confira este vídeo no Youtube.

Veja: Como se fabrica o vidro float.

Disponível em:https://www.youtube.com/watch?v=KiSYdFXPJgc

Nos últimos 20 anos o desenvolvimento da área de vidros tem sido especialmente marcado por sua

aplicação nos mais diferentes campos da indústria.

O vidro pode ser aplicado nas áreas que você conhecerá em cada um dos tópicos:

Vidros oftálmicos: Notadamente, os vidros fotocromáticos são excelentes exemplos do

desenvolvimento nesta área. Nele as características óticas do vidro variam, de forma reversível, às

diferentes situações de iluminação, indo de um estado “não ativo” (mais claro) a um nível “ativo” (mais

escuro) e vice-versa.

Vidros óticos destinados à proteção nuclear: Estes vidros destinam-se a bloquear a passagem de

radiações e utilizados em janelas das denominadas “hot cells” – câmaras de manipulação de material

radiativo. A grande maioria destes vidros possui chumbo na sua composição e para evitar a mudança de

coloração quando bombardeado com radiações beta e gama normalmente possui também óxido de cério

IV (CeO2) na sua composição.

Fibras de vidro: Utilizadas em um amplo espectro de aplicações, as fibras de vidro podem ser utilizadas

como isolante acústico, térmico (fiberglass), fibras de vidro têxteis tais como a “seda de vidro”, obtida

pela mistura das fibras com politetrafluoroetileno o que torna o tecido resistente ao calor, a produtos

químicos agressivos, elevada resistência mecânica e elétrica e sendo ainda não inflamável, e fibras de

vidro para reforço de plásticos. Existem ainda os compósitos vidro-vidro, (vidro reforçado com fibra de

vidro) de resistência próxima a do aço, mas de peso consideravelmente menor e de grande aplicação na

indústria aeronáutica.

Fibras óticas: Também uma espécie de fibra de vidro, as fibras óticas são capazes de propagar a luz. A

fibra ótica é basicamente uma fibra coaxial (casca e núcleo) fabricada com vidros de diferentes índices

de refração. Alta capacidade de transmissão, uso de pouco espaço e total insensibilidade à interferência

eletromagnética fazem com que as fibras óticas comerciais sejam ideais para as comunicações

modernas.

Vitrocerâmicas e vidros porosos: As vitrocerâmicas são produzidas através de tratamentos térmicos

especiais de vidros contendo composições distintas, que permitem a formação de uma dispersão

uniforme de cristais no vidro resultante. Estes tratamentos permitem obter vidros com propriedades

superiores aos dos vidros que lhe deram origem, apresentando grande resistência ao impacto, baixa

reatividade química, baixos coeficientes de expansão térmica além de uma gama de propriedade óticas

que vão desde a transparência, passando pelo opaco e indo até o branco, como resultado do

espalhamento da luz pelos cristais do vidro. Vidros porosos puderam ser obtidos a partir de processos de

sinterização ou lixiviação, que permitiram a criação de reticulados de poros abertos e membranas

capilares. Tais materiais, semelhantes a “esponjas de vidro” têm sido pesquisados para a estocagem e

transporte, com segurança, de fluídos tóxicos, devido a sua elevada resistência a agentes químicos

agressivos.

Agora que você conferiu algumas aplicações do vidro, chegou a hora de aprofundar seus conhecimentos.

Dê uma lida nos materiais indicados!

SCHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Person Prentice Hall, 2008.

Cap. 12.

CHIANG, Y. M.; BIRNIE, D. P.; KINGERY, W. D. Physical Ceramics: principles for ceramic

science and engineering. John Wiley & Sons: New York, 1997.

VAN VLACK, L. H. Propriedades dos Materiais Cerâmicos. Editora Edgard Blücher Ltda. e

EDUSP: São Paulo, 1973.

KINGERY, W. D., BOWEN, H. K., UHLMANN, D. R. Introduction to Ceramics. 2nd Edition.

John Wiley & Sons: New York, 1976.

Polímeros e Compósitos

Além do vídeo do professor, assista também estes três vídeos do Youtube.

Química: o que são os polímeros.

Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=ENKnCkSc6TM>.

Materiais Compósitos.

Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=wN7oRgJZAxI>.

Novo Material GLARE - Alumínio mais Fibra de Vidro no Avião Airbus A380.

Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=6HCQdbyThCw>.

A importância dos compósitos em engenharia deriva do fato de que ao combinar-se dois ou mais

materiais diferentes, pode-se obter um material compósito cujas propriedades são superiores, ou

melhores, em alguns aspectos, às propriedades de cada um dos componentes.

Polímeros são materiais compostos por macromoléculas. Essas macromoléculas são cadeias compostas

pela repetição de uma unidade básica, chamada mero. Daí o nome:

poli (muitos) + mero. Os meros estão dispostos um após o outro, como pérolas num colar.

Os materiais poliméricos, apesar de abrangerem diversos materiais classificados como naturais,

envolvem ainda aqueles de natureza sintética e artificial. Grande parte desses últimos tiveram sua

utilização viabilizada a partir da década de 1920, com os avanços da química orgânica.

A principal característica que diferencia os materiais poliméricos dos outros tipos de

materiais está relacionada à presença de cadeias moleculares de grande extensão

constituídas principalmente por carbono.

O arranjo dos átomos da cadeia molecular pode levar a mesma a ser caracterizada como linear,

ramificada ou tridimensional. O tipo de arranjo da cadeia controla as propriedades do material

polimérico.

Devido à natureza das ligações atômicas envolvidas (intramoleculares ligações covalentes e

intermoleculares, ligações secundárias), a maioria dos polímeros não conduz eletricidade e calor.

Além disso, em função do arranjo atômico de seus átomos, os materiais poliméricos exibem, em geral,

baixa densidade e baixa estabilidade térmica.

Tal conjunto de características permite que os mesmos sejam frequentemente utilizados como isolantes

elétrico ou térmico ou na confecção de produtos onde o peso reduzido é importante. Por sua vez os

materiais compósitos são formados por dois ou mais materiais, produzindo propriedades muitas vezes

mais interessantes do que um único material.

Concreto e fibra de vidro com resina de poliéster são típicos exemplos de materiais compósitos. Com os

materiais compósitos é possível obter produtos com diferentes propriedades, como: leveza, ductilidade,

materiais resistentes às altas temperaturas, materiais duros e resistentes ao choque, cortes e a

propagação de trincas.

Os compósitos mais utilizados no mercado atualmente são os formados por uma matriz termorrígida

como uma resina epóxi por exemplo, e fibras para seu reforço.

A fibra é incorporada a matriz geralmente com o propósito de torná-la mais resistente.

Nestes materiais a resistência mecânica do material será fortemente dependente da ligação entre a

matriz e a fibra sendo esta uma propriedade difícil de prever teoricamente. Pode-se até estimar algumas

propriedades como:

Densidade

Módulos de elasticidade

Condutividade térmica e elétrica, porém estas deverão ser comprovadas laboratorialmente

A resistência neste tipo de compósito será fortemente da relação entre o comprimento da fibra e seu

diâmetro (L/d) e da relação entre a orientação da fibra e o esforço que o material sofre.

Portanto, estes são parâmetros importantes para a construção de um compósito dependendo da

aplicação na qual ele será utilizado.

A principal utilização de materiais deste tipo será aplicações que requerem pouco peso e alta resistência

como na aeronáutica, materiais esportivos, automobilismo etc.

Diferentes tipos de matrizes

Existem basicamente quatro tipos de materiais compósitos poliméricos:

compósitos de matriz polimérica

compósitos de matriz cerâmica

compósitos de matriz metálica

Compósitos de matriz polimérica

Um compósito polimérico nada mais é do que um material formado por polímeros ou por um polímero e

outra classe de material. Um compósito polimérico é normalmente formado por uma matriz e um reforço.

O material da matriz irá transmitir os esforços mecânicos aos reforços (mantendo-os em posição e

contribuindo com certa ductilidade) enquanto eles irão suportar os esforços no compósito (materiais de

alta rigidez e resistência no geral).

Existem basicamente seis tipos de matrizes poliméricas, confira:

Matrizes elastoméricas: Utiliza partículas coloidais como reforço de polímeros elastoméricos. Ex.: os pneus de automóveis combinam vários materiais mas são essencialmente constituídos por uma matriz de borrachas natural e sintética reticuladas com enxofre e contêm aço ou nylon como materiais de reforço.

Matrizes termoendurecíveis: Utiliza fibras, tais como o vidro, o kevlar, a fibra de carbono ou polietileno como material de reforço; e resinas (por exemplo: resina epóxi, de fenol-formaldeído e de ureia-formaldeído) na forma de reagentes ou pré-polímeros que são depois colocadas em um molde e curadas. Ex.: baquelite, caixas e partes de materiais elétricos, interruptores, aquecedores e revestimento de mobiliários (fórmica).

Matrizes termoplásticas: Matriz: poliamidas, polipropileno, policarbonato e reforço: fibras de vidro e de carbono. Utilizadas na indústria automobilística (tubos e painéis), na indústria elétrica e eletrônica (invólucros de equipanentos) e na fabricação de máquina e ferramentas (rodas dentadas, caixas de rolamentos, rotores e pás de ventiladores).

Matrizes cerâmicas: Matriz de cerâmica e reforços (adicionados antes da sinterização) de fibras de vidro, carbono ou carboneto de silício (SiC). São leves, rígidos e resistentes. Utilizado na indústria aeronáutica (turbinas) e militar (mísseis) onde são capazes de suportar temperaturas de até 3.000 ºC, artigos desportivos e em carrocerias de automóveis de autodesempenho.

Matrizes metálicas: Matriz de ligas metálicas leves (a base de alumínio, magnésio ou titânio) e reforço cerâmico (alumina Al2O3, carboneto de silício SiC, fibras de SiC, grafite e alumina e filamentos de SiC ou boro). Os compósitos de matriz de alumínio destinam-se sobretudo a aplicações no setor industrial dos transportes (fabricação de discos de freio) e os de matriz de titânio na área da aviação militar e aeroespacial.

Nanocompósitos: Materiais reforçados com menos de 5% de partículas nanométricas (silicatos com estruturas lamelares, nanotubos de carbono ou nanopartículas de argila). Estes compósitos podem ser transparentes porque as dimensões das partículas são extremamente pequenas. Normalmente apresentam problemas de adesão e, portanto, são hidrofóbicos.

Atualmente, existem mais de mil tipos de plásticos (polímeros) diferentes que se utilizam para os mais

variados fins, como para a produção de fibras e novos materiais para a indústria têxtil, para a construção

de materiais de construção civil com melhores desempenhos e menores custos que os materiais

tradicionais, para a indústria dos transportes, da qual se destaca a indústria automóvel, na indústria

farmacêutica, para a produção de embalagens, eletrodomésticos, etc.

O processamento dos polímeros e dos compósitos poliméricos é a etapa final que vai dar o formato

desejado dos mais diversos materiais.

É nesta fase onde ocorre a adição de produtos que vão garantir maior resistência, coloração, e outras

propriedades aos materiais, esses aditivos podem ser: plastificantes que aumentam a processabilidade

dos plásticos e garantem uma maior enformabilidade e menor fragilidade do produto acabado.

Métodos de fabricação dos compósitos

Dos diferentes métodos de fabricação dois são os mais utilizados pela indústria.

Processamento dos compósitos reforçados com fibras (pultrusão)

A pultrusão é um método de produção contínuo, mecanizado, para a produção de compósitos de seção

uniforme, em resina epóxi estervinílica ou fenólica reforçada com fibra de vidro e que apresenta um

desempenho superior aos materiais convencionais.

A pultrusão serve para:

Para a produção de formatos de seção reta constante (barras tubos vigas);

• Mechas ou cabos de fibras são impregnados com uma resina termofixa, sendo então estirados

através de um molde de aço aquecido;

• Passa na sequência em um molde de cura aquecido que confere a peça sua forma final;

• Matrizes usuais: poliésteres, ésteres vinílicos, resinas epóxi;

• Fibras usuais: de vidro, carbono, aramida.

Antes de conferir o outro tipo de processamento, clique nos números da imagem para apreender mais

sobre o funcionamento da pultrusão:

1. Fios em Fibra-de-Vidro: Responsáveis pela resistência longitudinal dos perfis.

2. Manta em Fibra-de-Vidro: Disponível em diversas

gramaturas, a manta é responsável pela resistência transversal dos perfis.

3. Tanque de Resina: Local onde é feita a impregnação

dos fios e mantas em fibra-de-vidro.

4. Véu

5. Ferramenta de Pultrusão: Onde ocorre a cura da resina, o perfil toma sua forma e se torna rígido.

6. Puxadores: Perfil Pultrudado

Processamento dos compósitos reforçados com fibras (Prepeg)

O Prepreg é um processo mais utilizado para estruturas (fibras contínuas pré-impregnadas com resina

polimérica parcialmente curadas em espessuras de 0,08mm a 0,25 mm e larguras de 2,5 mm a 1525

mm).

Esse material é enviado ao fabricante em forma de fita. Essa fita molda e cura por completo o produto

sem a necessidade de adicionar qualquer resina adicional apenas com calor e pressão. O Prepeg

apresenta um teor de resina de 35 a 4 % em vol. termofixa ou termoplástica e deve ser mantido a 0 ºC,

pois a cura prossegue à temperatura ambiente.

Após a remoção do papel de suporte usualmente são utilizadas várias camadas, colocadas, em geral,

com as fibras cruzadas para ter-se a mesma resistência nos dois sentidos:

Para encerrar esta parte da aula sobre polímeros e compósitos, confira os capítulos 13 e 14 do livro

indicado!

SCHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Person

Prentice Hall, 2008. cap. 13 e cap. 14.

Materiais Magnéticos

Magnetismo é um fenômeno físico associado à atração de certos materiais.

Alguns materiais são inerentemente magnéticos, isto é, podem gerar um campo magnético sem a

presença de uma corrente elétrica macroscópica.

Para entender um pouco mais, confira o vídeo sobre Magnetismo.

Entendendo o Magnetismo – Discovery Channel. Disponível em:

<https://www.youtube.com/watch?v=GKG52DKdIog>.

Sabe-se que a circulação de corrente elétrica em um condutor, por exemplo, em uma bobina, cria um

campo magnético no espaço interior, bem como no exterior envolvente a essa bobina.

O magnetismo tem uma natureza dipolar, coexistindo sempre dois polos ou centros magnéticos em um

campo magnético, separados por uma certa distância entre si.

Agora, veja os dois vídeos do Youtube!

2/6 Magnetismo e movimento de elétrons. Disponível em:

<https://www.youtube.com/watch?v=axud8v0ThqU>.

Telecurso 2000 Ensaios de Materiais 20 Partículas magnéticas. Disponível em:

<https://www.youtube.com/watch?v=14ZyMT_xH1o>.

Os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos são utilizados por possuírem uma característica única, em

relação a outros metais, polímeros ou cerâmicas: a sua capacidade de amplificar um campo magnético

externamente aplicado.

É essa propriedade que viabiliza a existência da maioria das máquinas elétricas:

motores, geradores e transformadores.

Os fabricantes de motores gostariam de trabalhar com a maior indução magnética possível, pois daí

resultariam enorme economia de material e a possibilidade de redução substancial de dimensões e,

potencialmente, mais baratos.

No entanto, duas condicionantes impõem-se: a existência de uma saturação magnética e a intensidade

de corrente elétrica necessária para levar o material até ao nível de indução magnética desejada.

O ciclo histerético deve ser estreito para que o material se magnetize facilmente e tenha uma elevada

permeabilidade magnética. Uma elevada indução de saturação é também uma propriedade importante

dos materiais magnéticos macios para a maior parte das aplicações.

A utilização dos materiais magnéticos macios está condicionada pelas propriedades particulares de cada

material. Nas aplicações de corrente contínua são fundamentais: induções de saturação e campos

coercivos elevados; enquanto que nas aplicações de corrente alternada, em geral, é necessário uma alta

permeabilidade e baixas perdas, quer por histerese, quer por correntes de Foucault.

Na área das comunicações empregam-se materiais de permeabilidade constante e elevada, inicial e

máxima, juntamente com um baixo campo coercivo. A parte constante da permeabilidade encontra-se no

início da curva de magnetização. Qualquer não linearidade é prejudicial, provocando distorções nos

sinais.

Os materiais com ciclo histerético retangular são utilizados em amplificadores magnéticos e em circuitos

retificadores mecânicos, em memórias magnéticas etc. Finalmente, em engenharia de máquinas elétricas

utilizam-se materiais de alta permeabilidade, elevada indução e baixas perdas, principalmente de

histerese.

O ferro, caracterizado por uma baixa resistividade e uma alta permeabilidade para valores elevados de

indução, é útil em aplicações de corrente contínua, que requerem elevadas induções quando sujeitas a

baixos campos magnéticos. De entre as várias aplicações, estas integram a carcaça e peças polares de

máquinas elétricas, rotores de geradores elétricos e embreagens eletromagnéticas.

Já as ligas de Ferro-silício com menos de 0,5% de silício são empregadas em pequenos motores elétricos

de baixo custo e nas partes dos circuitos magnéticos em que uma elevada permeabilidade em baixas

induções é mais importante que baixas perdas.

As proporções de silício compreendida entre 1% e 2,5%, destinam-se a motores e geradores de

rendimento médio, transformadores baratos e, em geral, para aquelas aplicações em que um preço

reduzido interessa mais que um bom rendimento.

As ligas compreendidas entre 2,5% e 3% de Si, além de se utilizarem na construção de motores e

geradores em que um bom rendimento é essencial, destinam-se também ao fabrico de pequenos e

médios transformadores.

E as ligas de elevado conteúdo de Si (de 3% a 4,5%) utilizam-se em transformadores de potência que

operem a frequências industriais e em certas partes dos alternadores e de outras máquinas elétricas, em

que baixas perdas e um elevado rendimento assumem uma grande importância.

Já as ligas de Ferro-níquel caracterizam-se por possuírem altas permeabilidades iniciais para baixas

induções, sendo largamente utilizadas no campo das telecomunicações. São utilizadas em

transformadores especiais, transformadores de instrumentação, bobinas para filtros, cabos submarinos e

numa grande variedade de peças especiais como relés de ação rápida e armaduras de instrumentos de

medida.

As ligas Permalloy com ciclo de histerese retangular apresentam uma característica biestável, essencial

em retificadores por contato mecânico, geradores magnéticos de impulsos, amplificadores e memórias

magnéticas.

As permeabilidades magnéticas do ferro comercialmente puro e das ligas ferro-silício são relativamente

pequenas em campos fracos.

Uma pequena permeabilidade inicial não é particularmente importante em aplicações como, por exemplo,

nos núcleos de transformadores de potência, uma vez que estes equipamentos funcionam com altas

magnetizações.

Porém, em equipamentos de comunicações de alta sensibilidade para detecção e transmissão de sinais

fracos, usam-se, geralmente, ligas níquel-ferro, que possuem permeabilidades muito altas em campos

fracos.

Estas ligas são particularmente aplicadas em máquinas de baixa potência ou em aparelhos de controle de

temperatura ou de transformação de sinal. São úteis quando se pretende uma combinação de pequenas

dimensões, peso e baixa potência, tais como pequenos motores de baixa potência.

Confira algumas ligas a seguir:

Ferro-cobalto: Utilizam-se nas partes dos circuitos magnéticos onde se devem produzir induções

elevadas em presença de campos fracos. Produzem-se em finas lâminas, tais como as utilizadas no

fabrico de diafragmas dos telefones ou em circuitos de corrente alternada. A liga Permendur

apresenta, de entre as ligas comerciais, o valor mais elevado de indução de saturação, cerca de 2.4

T. Esta propriedade torna-a muito atrativa para a aplicação em motores e transformadores, nos

quais o tamanho do núcleo deve ser minimizado e as peças eletromagnéticas devem suportar o

máximo fluxo possível. Usa-se em transformadores de alta frequência e em motores para o setor

aeroespacial, geradores, transformadores-retificadores. O compromisso entre performance

magnética e força mecânica pode ser ajustado consoante o tratamento a quente.

Metais amorfos: Os vidros metálicos têm ciclos histeréticos muito estreitos e, por conseguinte,

perdas de energia por histerese muito baixas. Esta propriedade tem permitido o desenvolvimento

de núcleos de transformadores de potência, em multicamada, com vidros metálicos, para os quais

as perdas no núcleo são 70% das de núcleos de ferro-silício convencionais. Vários trabalhos de

investigação e desenvolvimento têm vindo a ser efetuados no sentido da aplicação destes materiais

em transformadores de potência, reduzindo ainda mais as perdas. Os vidros metálicos tiveram um

impacto particularmente significativo em duas áreas: altas frequências e aplicações eletrônicas.

Alguns dos fatores que contribuíram para o sucesso foram o baixo custo e a relativamente alta

resistividade. Entre as aplicações destes materiais podem referir-se núcleos de transformadores

com baixas perdas de energia, sensores magnéticos e cabeças de gravação.

Tipos de materiais magnéticos

Os campos magnéticos estáticos são produzidos por correntes elétricas estacionárias ou por meio de

magnetos. Quando as cargas se movem com velocidade constante é gerado um campo magnético

constante.

Esse fluxo de corrente pode ser constituído por correntes de magnetização, como as correntes no interior

de um ímã permanente, correntes de feixes eletrônicos, como nas válvulas eletrônicas, ou correntes de

condução, como as correntes em fios condutores.

Quando um campo magnético é aplicado a um conjunto de átomos, vários tipos de comportamentos são

observados, representando os vários tipos de magnetismo.

Veja os tipos de magnetismo a seguir

Diamagnetismo: Sob ação de um campo magnético exterior, os átomos de um material sofrem

ligeiras perturbações nos elétrons em órbita que originam pequenos dipólos magnéticos nos

átomos, os quais se opõem ao campo aplicado. Esta interação produz um efeito magnético negativo

conhecido como diamagnetismo.

Paramagnetismo: Resulta do alinhamento dos dipolos magnéticos individuais de átomos ou

moléculas em um campo aplicado. Os materiais que têm uma pequena susceptibilidade magnética

positiva na presença de um campo magnético são designados por paramagnéticos. O efeito

paramagnético nos materiais desaparece quando se remove o campo magnético aplicado.

Ferromagnetismo: Nos tipos anteriores de magnetismo a magnetização apenas permanece

enquanto se mantiver o campo. No ferromagnetismo, quando o campo aplicado é removido, o

material conserva grande parte da magnetização. Certos materiais metálicos possuem um momento

magnético permanente na ausência de um campo externo e manifestam altas e permanentes

magnetizações. Estas são as características distintivas do ferromagnetismo. Nos materiais

ferromagnéticos, os dipolos desemparelhados alinham-se facilmente com o campo magnético

imposto. Altas magnetizações são obtidas, mesmo para campos magnéticos fracos.

Antiferromagnetismo: Na presença de um campo magnético os dipolos magnéticos dos átomos

dos materiais antiferromagnéticos alinham-se em sentidos opostos, pelo que a magnetização global

é nula. Os elementos manganês e cromio, no estado sólido e à temperatura ambiente, são

antiferromagnéticos.

Ferrimagnetismo: Um tipo de magnetismo presente em alguns materiais cerâmicos, em que os

diferentes íons têm momentos magnéticos com valores diferentes e quando alinhados por um

campo magnético de um modo anti-paralelo originam um campo magnético global. Os materiais

ferrimagnéticos, mais conhecidos por ferrites, podem proporcionar altas amplificações do campo

imposto.

Devido às cada vez maiores exigências da engenharia elétrica e eletrônica novas ligas foram

desenvolvidas em função da aplicação e novas misturas de elementos estão a ser testadas de modo a

melhorar o desempenho dos dispositivos.

A produção de materiais magnéticos nas áreas em que atua a engenharia elétrica está quase sempre

relacionada com o desejo de aumentar a autoindução de uma bobina, ou de proporcionar um melhor

acoplamento magnético de duas ou mais bobinas.

Um dos requisitos essenciais a cumprir prende-se com a obtenção de uma indução remanescente e um

campo coercivo o mais baixo possível. A permeabilidade deve ser alta, e a indução de saturação

também.

Em outras palavras, o ciclo histerético deve ser alto e estreito para reduzir as perdas por histerese ao

mínimo. Para um engenheiro de telecomunicações, perdas elevadas significam produção de harmônicos

indesejados. Em máquinas elétricas que operam a frequências iguais às da rede significam aquecimento

do núcleo.

Em aplicações como, por exemplo, nos núcleos de transformadores de potência, a permeabilidade inicial

não assume grande relevância visto que são sujeitos a grandes magnetizações. Por sua vez, em

equipamentos de comunicações de alta sensibilidade, necessita de permeabilidades muito mais altas em

campos fracos.

Os tipos de materiais magnéticos que vamos estudar são os de base ferrosa, os amorfos e os para ímãs

permanentes.

Para conhecer cada um deles, acesse a rota online e confira o conteúdo que tem no botão de PDF.

Materiais amorfos

Os metais amorfos pertencem a uma classe de materiais metálicos, que se distingue por sua estrutura

não cristalina, ao contrário dos metais e ligas comuns. Se por um lado, os átomos nos metais e ligas

comuns, quando resfriados a partir do estado líquido, constituem uma rede cristalina ordenada, por

outro, os átomos nos metais amorfos organizam-se de forma aleatória, sendo, por isso, também

conhecidos por vidros metálicos.

Estes materiais consistem na junção de ferro, níquel e/ou cobalto juntamente com um ou mais destes

elementos: fósforo, silício, boro e por vezes carbono. Os vidros metálicos obtêm-se a partir de um

processo de solidificação rápida, no qual o vidro metálico fundido é resfriado rapidamente (cerca de

106⁰C/s), daí a não formação de uma rede cristalina, e resulta como produto final uma película fina ou

filme sobre a superfície fria de um molde rotativo revestido de cobre.

Os materiais assim produzidos contêm grandes deformações internas, o que resulta em altas

coercividades e baixas permeabilidades. Estas deformações podem ser atenuadas ao recozer o material a

temperaturas intermédias sem levar à recristalização.

Os materiais amorfos possuem características que fazem deles materiais promissores no que toca à

conquista de novos campos de aplicação. Destacam-se a enorme resistência, muito duros mas com

alguma flexibilidade, e muito resistentes à corrosão.

Os vidros metálicos são magneticamente muito macios e podem, portanto, ser magnetizados e

desmagnetizados facilmente. Os vidros metálicos têm ciclos histeréticos muito estreitos e como

consequência baixas perdas por histerese. Esta propriedade possibilitou o desenvolvimento de núcleos de

transformadores de potência, em multicamada, com vidros metálicos, para os quais as perdas no núcleo

são 70% das de núcleo de ferro-silício convencionais.

O mercado preferencial destes tipos de materiais abrange as aplicações de baixa corrente e pequenos

aparelhos em que os transformadores operem com densidades de fluxo moderados, onde podem

competir com as ligas de ferro-níquel. Os vidros metálicos podem ser utilizados em larga escala para em

sensores magnéticos e transdutores magnetostritivos.

Graças às suas propriedades metalúrgicas únicas, os vidros metálicos continuam a suscitar bastante

interesse ao nível da investigação científica.

Materiais para ímãs permanentes

Um material magnético permanente é um meio passivo usado para gerar um campo magnético. Ou seja,

não é necessária a passagem de uma corrente elétrica em uma bobina ou solenoide para manter o

campo.

Os materiais de ímãs permanentes são incorporados em um aparelho com um único objetivo: o de

aumentar o fluxo magnético. A energia necessária para manter o campo magnético é previamente

armazenada.

Quando um material é excitado por um campo magnético aplicado e, seguidamente, é removido esse

mesmo campo, o material retém energia.

No ciclo histerético, essa energia está relacionada com a indução remanescente e com o campo coercivo.

Quanto maiores estes, maior será, em princípio, aquela. A energia associada a um ímã permanente está

diretamente relacionada com a dimensão do seu ciclo histerético.

A característica principal de um material magnético permanente é a de continuar a exercer

influência magnética depois de ter sido submetido a um campo magnético, isto é, no

material permanece um magnetismo residual apreciável.

Além disso, é importante que o magnetismo residual não desapareça com facilidade quando o ímã é

submetido a um campo magnético oposto.

Os ímãs permanentes são duros, quebradiços e possuem menores resistências à tração e à flexão que os

materiais magnéticos macios.

Vamos conferir agora os tipos de ímãs que podemos encontrar?

Clique nos botões para conhecê-los!

Alnico: O cobalto não foi incluído nas primeiras ligas Al-Ni-Fe, mas rapidamente foi descoberto que o Co

aumenta a magnetização de saturação. Uma pequena percentagem de cobre é adicionada à maioria das

composições Al-Ni-Fe-Co, sendo usada em conjunção com o Co porque acelera o processo de

precipitação.

É também comum adicionar à volta de 5% a 8% de titânio, embora reduza um pouco a remanescência,

pois aumenta bastante a coercividade. Alnico 8 é a mais popular das composições Al-Ni-Fe-Co-Ti. As ligas

de alnico (Alumínio-Níquel-CObalto) são classificadas de 1 a 9, representando a ordem cronológica do

seu desenvolvimento comercial.

Os ímãs de alnico são fabricados através de processos de fundição. Podem ser utilizados em ambientes

com temperaturas entre 500 e 550⁰C e têm uma boa resistência à corrosão. Uma característica marcante

deste material é a alta indução remanescente em oposição à baixa coercividade e, por este motivo, é

recomendado em aplicações onde sejam necessárias desmagnetizações temporárias.

Campos coercivos baixos significa que são, portanto, com alguma facilidade desmagnetizados. As ligas

alnico são atualmente os materiais magnéticos duros com maior importância comercial.

Samário-Cobalto: Estas ligas foram desenvolvidas com o objetivo de se obterem ímãs permanentes de

elevada coercividade que operassem a elevadas temperaturas. Dos elementos terras raras, aqueles cujos

momentos magnéticos melhor combinam com o Co é, sem dúvida, o samário. Os ímãs samário-cobalto

possuem excelentes coercividades, mas o elevado custo do samário e do cobalto fazem desta família de

materiais os mais caros.

Possuem razoável resistência à corrosão e não necessitam de revestimentos particulares. Por se tratarem

de materiais extremamente frágeis devem ter cuidados especiais no seu manuseio. As ligas SmCo5 são

obtidas a partir de partículas muito pequenas e, durante a prensagem, são alinhadas num campo

magnético.

Ligas Neodímio-Ferro-Boro: Os ímãs neodímio-ferro-boro são também conhecidos como “super

ímãs”, sendo o material magnético mais moderno. Esta composição sofre, durante o processo de

fabricação, a compactação de ligas pulverizadas e que, posteriormente, são sinterizadas.

Os valores do produto energético e da coercividade são os mais elevados de todos os materiais

magnéticos, e a indução remanescente apresenta um valor relativamente alto. Possuem as melhores

características de todos os ímãs existentes e uma incrível relação indução/peso, pelo que são altamente

competitivos em termos de custos.

Estes materiais são altamente susceptíveis à corrosão e devem possuir revestimento. Com os materiais

magnéticos duros Nd-Fe-B é possível obter produtos de energia muito elevados. Em geral, este grupo

oferece os mais elevados valores de produto energético e, mais recentemente, o melhor valor de fluxo

por unidade monetária.

O grande senão deste material reside nas características térmicas. A temperatura normal de

funcionamento é menor que as temperaturas de funcionamento das máquinas elétricas, assim como a

temperatura de Curie que é igualmente baixa, entre 300 a 320⁰C.

Ferrites

O termo “ferrite”, palavra do latim para designar o ferro, tem diferentes significados consoante a área.

Para os metalurgistas significa ferro puro, para os geologistas é um grupo de minerais com base no óxido

de ferro, para um engenheiro eletrotécnico é também um grupo de minerais com base no óxido de ferro,

mas com a particularidade de possuir propriedades magnéticas e elétricas peculiares e relevantes.

As ferrites são materiais cerâmicos magnéticos que se obtêm misturando óxido de ferro (Fe2O3) com

outros óxidos e carbonetos, na forma de pó. Os pós são depois prensados e sinterizados a altas

temperaturas. As magnetizações que se obtêm nas ferrites são elevadas, o que lhes confere interesse

comercial, mas as saturações magnéticas não são tão altas como as dos materiais ferromagnéticos.

A estrutura de domínios e as curvas de histerese das ferrites são análogas às dos materiais

ferromagnéticos. Tal como no caso destes últimos materiais, há também ferrites duras e macias. Tal

como já é sabido, esta classificação atende às suas propriedades magnéticas: as macias não

permanecem magnetizadas significativamente, enquanto que a magnetização nas ferrites duras se

considera permanente.

A fabricação de ferrites em escala industrial é feita pelo método convencional de mistura de óxidos que,

apesar de ser um método relativamente econômico, não permite o controle da homogeneidade e pureza,

principalmente por utilizar processos de mistura e moagem.

As ferrites apresentam um comportamento ferrimagnético. Como consequência direta, a indução máxima

das ferrites é substancialmente mais baixa quando comparada com a dos materiais ferromagnéticos.

A sua resistência mecânica é também baixa, o que impede a sua utilização em equipamentos de potência

onde a força mecânica aplicada é considerável.

As ferrites macias são materiais magnéticos importantes porque, além de terem propriedades magnéticas

úteis, são isoladores, tendo elevadas resistividades elétricas. Uma elevada resistividade elétrica é

importante nas aplicações magnéticas que operam a altas frequências, porque, se o material for

condutor, as perdas por correntes de Foucault serão muito grandes a altas frequências.

As correntes de turbilhão são provocadas por gradientes de tensão induzidos e, portanto, quanto maior a

frequência for, maior o incremento das correntes. As ferrites macias são amplamente empregadas em

aplicações de altas frequências que necessitem de elevada permeabilidade, baixa coercividade e boas

induções de saturação.

Uma das classificações possíveis para as ferrites macias baseia-se na gama de frequências em que

podem operar: para frequências de rádio até 500 MHz designam-se “ferrites não microondas”, e “ferrites

microondas” para frequências desde 100 MHZ até 500 GHz.

Chegamos ao final deste tema da aula 2, e não podemos deixar de passar estas dicas para que você

aprofunde mais seus conhecimentos:

SCHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Person Prentice Hall, 2008. cap.

18.

CHIKAZUMI, S. Physics of Ferromagnetism. Oxford Press: Nova Iorque, 1997.

COFINAS, S.; GYPARIS, I. K. Advances In Magnetic Materials and Their Impact On Electric Machine

Design, Journal Of Materials Processing Technology. Volume 181, Number 1-3 (2006).

FILARDO, J. V. Perdas Magnéticas (s/d).

JILES, Recent Advances and Future Directions In Magnetic Materials, Acta Materialia, Volume 51,

Number 19 (2003).

MOSES, A. J. Electrical Steels: Past, Present and Future Developments. IEEE Proceedings,

Volume 137, Number 5 (1990).

SEARS, F. W. Electricidade e Magnetismo. Estados Unidos da América, 1964.

Materiais Inteligentes e Nanoestruturados

A nanotecnologia trata, basicamente, da transformação controlada da matéria ao nível da Nano-Escala,

para exploração de novas propriedades com aplicações tecnológicas, recorrendo sobretudo a metrologia

e instrumentação, que envolvem dimensões e tolerâncias inferiores ao comprimento de onda da luz

visível.

O uso da nanotecnologia tem aplicações em quase todas as áreas da indústria:

Química e Ambiente: nanoanálise, nanossomas, catálise

Energia: armazenamento de hidrogênio, transporte de energia, supercondutividade

Medicina e Biotecnologias: nanotransportadores de fármacos, nanobiotecnologia

Segurança: biosensores, criptografia, ciência forense

Instrumentação: ultramicroscopia, lasers

Computação e Robótica: armazenamento de dados, computação quântica, nanomáquinas

Eletrônica e optoeletrônica: dispositivos quânticos, spintrônica, cristais fotônicos, fibras óticas

Materiais: nanocompósitos, materiais inteligentes

Quando em escala molecular os movimentos das partículas e efeitos de volume originam novos efeitos

ou alterações do habitual comportamento das propriedades físicas (óticas, eletrônicas, magnéticas, ente

outras).

Agora que você já tem uma noção do que iremos estudar neste tema, assista aos 5 vídeos a seguir!

Aula de Química – Nanotecnologia o que é isso? Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=deoYinazSuw>.

Matéria de Capa – Nanotecnologia. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=myr_nMOFOiw>. Do micro ao nano-mundo – Documentário (2009). Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=4J2nVloDN1M>.

Brasil investe em nanotecnologia para impulsionar economia. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=9epbvgLnjdk>. Nanotecnologia no Brasil – Despoluição de Rios. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=VoZnCoE5ILw>.

Tipos de estruturas na Nano Escala

Fulerenos

O carbono permite obter estruturas em todas as dimensões: diamante a 3D, grafite como um

empilhamento de camadas 2D; nanotubos a 1D; fulerenos a 0D.

Usando lasers pulsados acoplados a técnicas de feixes moleculares (Smalley at Rice Univ.) é possível por

vaporização laser da grafite produzir um feixe misto de átomos de carbono e hélio acelerados

supersonicamente, os quais conduzem à produção de agregados de carbono por condensação via

expansão isentrópica.

A análise destes agregados é feita por espectrometria de massa após ionização e revela a presença

maioritária do fulereno C60 que é particularmente estável devido à sua simetria do tipo bola de futebol.

O sólido formado pela rede cúbica destas bolas (fulerite) é isolante mas se dopado com átomos alcalinos,

estes fornecem elétrons à banda vazia de energia mais baixa da fulerite, podendo esta tornar-se

condutora se for suficiente o grau de ocupação eletrônica.

A baixa temperatura é mesmo possível encontrar dopagens adequadas a que a fulerite se torne

supercondutora.

Nanotubos

Um nanotubo de carbono de parede simples (SWNT) é uma única molécula formada de vários átomos de

carbono em rede hexagonal curvada na forma de tubo cilíndrico e tampada nas duas extremidades por

dois hemi-C60. Existem também nanotubos de parede múltipla (MWNT) e a sua produção é mais

simples, mas as suas aplicações em eletrônica não são tão atraentes como os SWNTs.

O diâmetro dos NTs pode varir entre 2 a 25 nm e o seu comprimento ir até vários microns. A baixa

densidade dos SWNT devido a serem ocos (1g/cm3) e grande área superficial (10 m2/g) fazem deles

excelentes catalisadores, componentes de materiais nanocompósitos, elementos de eletrônica molecular,

sistemas de armazenamento moleculares e “templates” para formação de outras nanoestruturas.

O módulo de Young (resistência à deformação) dos nanotubos, medido através dos de modos de

vibração é 5 vezes superior ao aço, sendo eles ainda extremamente elásticos.

Os NTs mesmo sem dopagem podem ser condutores ou semicondutores, consoante o ângulo de

enrolamento da folha de grafeno. A grafite é contudo um semi-metal.

A diferença reside em que os eletróns livres no SWNT estão confinados no nanocilindro, movendo-se

livremente a 1D transversalmente ao longo do tubo em vez de a 2D como na grafite.

A condição periódica imposta à função de onda por este confinamento conduz a que apenas um certo nº

de comprimentos de onda possa ser inserido ao longo do tubo, e a que a energia eletrônica seja

quantificada. Esta quantificação depende do raio do NT e do seu ângulo de enrolamento.

Para SWNTs as sub-bandas estão bem espaçadas, o que suprime excitações térmicas à temperatura

ambiente; no tipo metálico, apenas 2 sub-bandas cruzam o nível de Fermi, e como cada sub-banda pode

suportar um quantum de condutância, é de esperar que o SWNT metálico tenha uma condutância de

2G0.

A espectroscopia STM tem corroborado todas estas previsões de verdadeiros fios quânticos.

Contudo a baixas temperaturas, o comportamento eletrônico ajusta-se melhor a pontos quânticos, dado

que apesar de serem cerca de 104 vezes mais compridos que largos, possuem um comprimento finito;

então, as condições de fronteira em ambas as extremidades impõem um limite ao nº de comprimentos

de onda permitidos na direção longitudinal, garantindo-se assim um movimento completamente

quantificado.

Um SWNT é assim a baixa temperatura um ponto quântico, podendo usar-se

para tunelamento a um eletrón e para tunelamento ressonante através dos

orbitais moleculares.

Como conduzem o calor tão bem como o diamante e as ligações entre átomos são mais fortes que em

qualquer metal, eles podem transportar elevadas correntes elétricas sem derreterem e assim são

excelentes emissores eletrônicos mesmo quando submetidos a baixas diferenças de potenciais.

Spintrônica

O momento magnético de spin pode ser manipulado através de campos magnéticos externos e portanto

pode desenvolver-se uma nova geração de estruturas baseadas no fluxo conjunto de spin e carga

eléctrica, que podem efetuar funções adicionais aos dispositivos eletrônicos.

Nanoestruturas ferromagnéticas deixam em geral de possuir vários domínios de Weiss apresentando

apenas uma direção de magnetização.

Filmes ferromagnéticos ultrafinos (< 2 nm) apresentam magnetizações no plano e não perpendiculares;

os eletróns que podem passar através do filme são apenas os que possuírem spins alinhados com os do

filme; o filme apresenta-se como um analisador de spin ou polarizador.

Então, para uma corrente incidente 100% polarizada, o filme poderá ser condutor ou isolador, consoante

o ângulo definido pela direção de magnetização e pela direção de polarização.

Se dois filmes destes forem separados por um filme metálico não magnético, a resistência elétrica

através deste filme aumenta se os dois filmes magnéticos tiverem direções de magnetização opostas e

diminui se as direções de magnetização forem paralelas (spin valve).

Na presença de um campo magnético, a variação da resistividade elétrica do sistema com o campo

aplicado designa-se por magnetoresistência (MR) e mede-se pela % de variação da resistividade inicial

(na ausência de campo).

Enquanto o cobre tem MR de aproximadamente 1% quando dentro de um campo magnético de alta

intensidade (105 gauss) o sistema anterior tem tipicamente MR de aproximadamente 25% a 50 gauss.

Para efeito de comparação o campo magnético terrestre é de aproximadamente 0,7 gauss.

Outro efeito em nanoestruturas magnéticas 2D é o “spin-polarized tunneling”, sendo o sistema de 3

camadas designado por “magnetic tunneling junctions” (MTJs).

Este tem 2 camadas ferromagnéticas (uma dura e outra macia) separadas por um filme isolante ultrafino

(que atua como barreira de tunelamento); ao aplicar-se uma ddp, os eletróns efetuam tunelamento com

uma probabilidade proporcional à densidade de estados disponíveis no nível de Fermi na camada

aceitadora, de modo que quando os momentos das 2 camadas ferromagnéticas estão alinhados

paralelamente haverá uma menor impedância do que quando estão antiparalelos.

Materiais Inteligentes

Os materiais inteligentes são aqueles que apresentam uma mudança de suas propriedades em resposta a

ações externas, tais como campos térmicos/luminosos, campos magnéticos, campos elétricos ou ainda

deformação mecânica (esforço mecânico).

Confira alguns exemplos em cada tópico:

Ligas com memória de forma

Ligas que sofrem deformação quando submetidas

a passagem de corrente elétrica.

Magnetoconstrição

Respondem com elongação a um campo

magnético, como o Terfenol-D, por exemplo.

Magnetorheological

Fluidos que aumentam a viscosidade em resposta

a um campo magnético.

Electrorheological

Fluidos que aumentam a viscosidade em resposta

a um campo elétrico.

Electrostrictive

Elongação em resposta a um campo elétrico (Ex.:

ceramic PMN-PT).

Materiais Piezelétricos (PZT e PVDF)

Desenvolvem um potencial elétrico, quando sujeitos a uma força ou se deformam quando sujeitos a um

potencial elétrico.

Confira agora alguns exemplos de aplicações:

Supressão de ruídos e de vibrações

(ENGENHARIA AEROESPACIAL):

Monitoramento de estruturas (Manutenção

Preditiva):

Esquis inteligentes (CONTROLE):

Músculos inteligentes (BIOENGENHARIA):

Viagem Fantástica pelo Corpo Humano – micro robôs (em busca da Cura)

Documentário COMPLETO.

Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=wuK-a4r93qA

O Poder dos Nanotubos de Carbono

Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=-A0hn0PypmI

Estamos chegando ao final do tema 5 da aula 2, e para finalizar, confira as dicas para ampliar seus

conhecimentos.

SILVA, Maria Manuela. Materiais Inteligentes: os materiais do futuro.

Disponível em: <http://www.ecum.uminho.pt/uploads/Correio%20do%20Minho_28-03-2013.pdf>.

Texto pesquisado: materiais inteligentes.

Disponível em: <http://www.inovacaotecnologica.com.br/pesquisar.php?keyword=materiais%20inteligentes>.

Vida sintética: gel pulsante "ouve", "fala" e anda.

Disponível em: <http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=vida-sintetica-gel-pulsante-ouve-fala-

anda&id=010160130110>.

Materiais inteligentes imitam capacidade biológica de autorregulação.

Disponível em: <http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=materiais-inteligentes-capacidade-biologica-

autorregulacao&id=010165120723#.VPwfQPnF8rU>.

Materiais funcionais reagem a eletricidade, magnetismo e compressão.

Disponível em: <http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=materiais-

funcionais&id=010160110427#.VPwfXvnF8rU>.