Materiais de Engenharia
Adriano dos Santos Nunes
Cristiano Rodrigo Quarantani
Rafael Juliano Fabro Salvador
Renato Fernandes de Moura
Samuel Gonçalves Carreira
Tiago Guissi Sanchez
Introdução
Os materiais são a base de trabalho de nossa sociedade. Transformá-los e utilizá-los
é função crucial em nosso desenvolvimento de vida, e também na segurança e bem-estar de
povos e nações. A produção, desenvolvimento e processamento destes absorvem alta
porcentagem dos empregos e contribuem com grande parcela do produto interno bruto dos
países.
Os materiais são tão importantes no ciclo ascensão e declínio do homem que
chegou a nomear períodos da civilização, como Idade da Pedra, Idade do Bronze e Idade
do Ferro. Podemos visualizar os materiais como que fluindo num vasto ciclo, um sistema
global de transformação regenerativa: matéria bruta, matéria prima, materiais de
engenharia, produto final. Após o uso, temos a formação de sucata.
Chegamos então a um novo aspecto importante no estudo e desenvolvimento dos
materiais: uso na energia e meio ambiente. O entrosamento dos materiais em seu estado
final com a natureza (recicláveis, biodegradáveis, tóxicos, etc) tem recebido cada vez mais
importância, e o consumo de energia em seus diferentes tipos (renováveis, limpas,
poluentes) afeta diretamente a viabilidade e os custos de produção e distribuição.
Cientes da importância evolutiva e sócio-econômica dos materiais, abordaremos
neste trabalho aspectos históricos e atuais dos materiais de engenharia.
1. Visão Histórica e Desenvolvimento
Como materiais, designamos substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis
em estruturas, máquinas, dispositivos, produtos, ou até mesmo em seres vivos.
Vamos começar abordando os materiais em 4 categorias principais: metálicos,
cerâmicos, poliméricos e compostos (com características conjugadas). Após isso, faremos
uma abordagem sucinta sobre outros tipos de materiais.
1.1 Materiais Metálicos
Materiais Metálicos normalmente são combinações de elementos metálicos.
Apresentam grande número de elétrons livres, que conferem a tais materiais condutividade
de calor e eletricidade excelente. São resistentes, porém deformáveis, sendo assim,
apropriados para aplicações estruturais.
Analisando a corrente do tempo, entre 5000 e 3000 a.C., o homem desenvolveu o
forno de alta temperatura e aprendeu a fundir os metais. Foram inventados então
ferramentas para dominar os animais e auxiliar na agricultura, como o arado e a carroça.
No início da era cristã, o homem conhecia 7 metais: ouro, cobre, prata, chumbo, estanho,
ferro e mercúrio. É interessante notar na Bíblia Sagrada o texto de Números 31:22, 23,
escrito por Moisés entre 1512 e 1473 a.C.: “Somente o ouro e a prata, o cobre, o ferro, o
estanho e o chumbo, tudo o que se processa com fogo, deveis passar pelo fogo, e tem de
ser limpo”.
Ainda no campo dos materiais e das crenças humanas, a busca da vida eterna levou
os taoístas∗ a experimentar a produção de pílulas de imortalidade pela alquimia. No
conceito taoísta, a vida resulta da combinação das forças opostas yin e yang (feminina e
masculina). Assim, fundindo chumbo (escuro, ou yin) com mercúrio (claro, ou yang), os
alquimistas estavam imitando o processo da natureza e pensavam que o produto seria uma
pílula de imortalidade.
Foco nos principais metais:
•
Cobre
O primeiro metal a ser utilizado parece ter sido o Cobre no estado nativo. O Cobre
quando martelado a frio, ou seja, na temperatura ambiente e sem nenhum tipo de
aquecimento, pode tornar-se duro e resistente. Esta característica parece ter sido utilizada
para aplicações do Cobre em instrumentos de caça e defesa, além de instrumento de
trabalho na conformação de outros materiais como a madeira e alguns minerais.
•
Bronze
Liga de estanho e cobre, há evidências de uso de cobre no ano 4500 a.C. na
Tailândia. Algumas centenas de anos depois, o cobre foi descoberto no Oriente médio.
Artefatos desta época mostram que ele era usado apenas com propósito decorativo, por não
haver muito estanho disponível. Aproximadamente no ano 2000 a.C., quando o estanho
passou a ser importado de regiões vizinhas, o bronze substitui o cobre na construção de
itens maiores, por ser mais resistente e menos quebradiço. Além disso, ele se mantinha
afiado. Ferramentas, armaduras e armas feitas de bronze também eram mais baratas e
duráveis. A idade do Bronze durou até meados de 1200 a.C.
•
Ferro
A Idade do ferro começa em 1000 a.C., quando o ferro começa a substituir o bronze
em vários lugares, para diferentes propósitos. O ferro é mais comum do que o estanho e o
cobre, mas raramente é encontrado no estado livre; Normalmente, é encontrado em
misturas com outros elementos e minérios. Para ser usado, precisa ser separado do minério.
Minério de ferro encontrado em montanhas é explorado e processado para uso, tanto em
sua forma original como na composição do aço.
Uma vez que a técnica de separação foi dominada (e havia fornos quente o
suficiente para derreter o ferro) o uso do ferro se tornou comum. Novamente, havia um
material mais resistente e menos quebradiço do que o usando anteriormente. A capacidade
de se manter afiado do ferro era muito maior do que a do bronze.
O ferro se mantém importante até hoje para a indústria, e é o componente principal
para a indústria do aço.
∗
Religião que começou como filosofia, no século II. Muito comum na China, Japão e Coréia.
•
Aço
Ligas de aço produzidas até o século XIV eram feitas por aquecer uma mistura de
carvão vegetal e minério de ferro numa forja. O desenvolvimento de técnicas para produzir
aço eram interessantes por este ser menos frágil e mais resistente à corrosão do que o ferro.
Em 1856, Henry Bessemer desenvolveu a fabricação do aço com teor de carbono
mais baixo, em seu estado líquido, inaugurando a idade do aço. Até então, o homem
obtinha ligas heterogêneas, por trabalhar com o ferro abaixo de seu ponto de fusão. Havia
heterogeneidade na distribuição de carbono e aprisionamento inevitável da escória. Com o
uso de alto-fornos, foi possível produzir aço em grande escala.
•
Alumínio
Metal cinza prateado, o alumínio tem um enorme número de usos e aplicações.
Algumas vantagens incluem o fato de que ele não se oxida, é mais leve do que o cobre (e
quase tão efetivo na transmissão elétrica), e é macio o suficiente para facilmente ser
moldado para quase todos os propósitos. Embora seja o metal dominante na composição da
Terra, o alumínio não foi descoberto antes de 1825, milhares de anos depois do cobre e
ferro. A razão primária para isso foi a dificuldade de extrair o metal do minério (no
alumínio moderno, bauxita). Charles Hall, americano de 22 anos, criou o que viria a ser o
meio mais efetivo de separar alumínio em 1886. Seu processo envolvia passar uma
corrente elétrica através do óxido de alumínio, resultando em 2 componentes separados de
puro alumínio e oxigênio.
Todos os materiais são compostos por átomos que se organizam em partes para
formar o todo. Essa organização (observada nas estruturas sólidas) pode ser ordenada
(cristalina) ou aleatória (amorfa). A ordem na formação molecular dos materiais procura
reduzir a energia livre por unidade de volume, ou seja, conserva a integridade das diversas
propriedades do material (elétrica, térmica, química e mecânica, por exemplo), além de
direcionar e definir as ligações atômicas e agrupar os átomos em pacotes moleculares com
o menor tamanho possível. A existência da estrutura cristalina resulta dos sólidos
cristalinos serem construídos a partir da repetição no espaço de uma estrutura elementar
paralelepipédica denominada célula unitária. Já a desordem na formação molecular
apresenta diferentes comportamentos nas propriedades dos materiais, pois suas moléculas
não seguem uma linha estrutural constante. Uma das características mais marcantes nas
estruturas moleculares atômicas é a redução na densidade (razão entre massa e volume) e a
principal forma sólida amorfa é a vítrea.
A formação dos cristais moleculares depende da valência e do tipo de ligação entre
os elementos químicos constituintes dos materiais, das condições ambientais de formação
(temperatura, pressão e intemperismo químico), isso faz com que um mesmo elemento se
cristalize em diferentes formas alotrópicas: diferentes sólidos com propriedades e
estruturas moleculares distintas, mas compostos pela mesma substância. Ex.: Um exemplo
clássico é o Carbono, que dependendo das condições pode se cristalizar sob centenas de
formas: do diamante à grafite, passando pelos fulerenos e pelas variantes da fibra de
carbono. Também há as substâncias orgânicas: dos açúcares às proteínas e ao DNA,
cristalizados em formas extremamente complexas (resultado do seu elevado peso
molecular e complexidade estrutural).
Outra característica variante da composição e condição de formação dos cristais são
suas formas regulares espaciais possíveis de serem deduzidas a partir dos comportamentos
atômicos e moleculares dos seus constituintes; o que permite a sua classificação em função
do número de parâmetros: os parâmetros de rede.
Abaixo segue uma tabela ilustrando os diferentes sistemas de cristalização por
parâmetros:
Sistema de
cristalização
Eixos
Ângulos entre os
eixos
Cúbico
a=b=c
α = β = γ = 90º
Tetragonal
a=b≠c
α = β = γ = 90º
Ortorrômbico
a≠b≠c
≠a
α = β = γ = 90º
Hexagonal
a=b≠c
α = β = 90º; γ =
120º
Romboédrico ou
Trigonal
a=b=c
α = β = γ ≠ 90º
Monoclínico
a≠b≠c
≠a
α = γ = 90º; β ≠
90º
Triclínico
a≠b≠c
≠a
α ≠ β ≠ γ (todos ≠
90º)
1.2 Materiais Cerâmicos
Combinações de metais com elementos não metálicos, os cerâmicos são muito
duros, porém frágeis. Os principais tipos são os óxidos, nitretos e carbetos, e pertencem a
este grupo os argilo-minerais, cimento e vidros. Há materiais cerâmicos
predominantemente iônicos até predominantemente covalentes. São tipicamente isolantes
térmicos e elétricos (ao contrário dos metais), e são mais resistentes a ambientes corrosivos
do que metais e polímeros.
O primeiro material a adquirir propriedades totalmente novas foi a argila, com o
processo de queima. Assim, o homem tornou possível a obtenção de potes, panelas e
outros utensílios cerâmicos, com enorme impacto na vida e hábitos do homem.
A argila é usualmente plástica após pulverizada e umedecida. Nesse estado ela é
conformada, e depois de seca se torna rígida. Após passar pelo processo de queima,
adquire alta dureza.
A invenção da cerâmica foi fundamental para o desenvolvimento de sociedades
agrárias. Para garantir a colheita e até mesmo a vida dos animais fora das estações mais
favoráveis, as tribos precisavam armazenar e proteger o excesso de alimentos. Com a
descoberta das propriedades da argila, a invenção de um forno específico e da roda de
oleiro, era possível construir potes especiais para tal armazenamento. Os primeiros indícios
do uso da cerâmica datam de 6500 a.C. Embora o uso fosse prático fosse o principal,
cerâmica decorativa logo passou a ser utilizada em rituais e como arte em algumas culturas
ao redor do planeta. Os exemplos mais impressionantes vêm de algumas culturas préColombianas na América do Sul e da dinastia Ming, na China (séc. XIV).
Os vidros tradicionais são misturas de óxidos, e também são classificados como
materiais cerâmicos. Por volta do ano 4000 a.C. já existiam vidros decorativos no Egito, e
em 1500 a.C. a produção de vidros já estava relativamente estabelecida.
Pequenas adições de íons de cobalto, cromo, cobre, manganês e ferro causam
grandes mudanças de cor. Por exemplo, a mistura de 0,15% de CoO confere ao vidro de
carbonato de sódio a cor azul escura.
Na segunda metade do século XIX houve um avanço importante no que se refere
aos vidros: o desenvolvimento de lentes modernas e instrumentos óticos. Hoje, vemos o
avanço com o uso de fibra de vidro para materiais reforçados e fibra ótica para a
transmissão de informações.
Os vidros inorgânicos são amorfos, tem propriedades isotrópicas, são transparentes
à luz visível, são isolantes térmicos e elétricos, podem ser formulados para absorver ou
transmitir determinados comprimentos de onda, e amolecem antes de fundir, permitindo
conformação por sopro.
•
Cerâmica Avançada
Cerâmicas avançadas já estão presentes em várias aplicações de ponta graças às
suas características incomparáveis: elas suportam temperaturas que fundiriam o aço e
resistem à maioria dos corrosivos químicos. Mas elas ainda têm um problema que impede
sua disseminação por praticamente todos os ramos industriais: elas são quebradiças.
A maioria das cerâmicas avançadas possui como um de seus componentes uma família de
compostos conhecida como óxidos de terras raras. Esses óxidos são adicionados às
cerâmicas para lhes dar maior dureza. O que os cientistas descobriram foi como os átomos
de terras raras se alojam no material cerâmico e como sua presença afeta a dureza da
cerâmica final.
Utilizando um microscópio eletrônico de última geração, os cientistas conseguiram
mapear cada átomo individual de terras raras presente em uma amostra de nitreto de silício
(Si3N4), uma cerâmica de altíssima resistência ao desbaste.
Embora sejam um dos materiais mais antigos conhecidos pela humanidade, as
cerâmicas de última geração nada têm a ver com aquelas utilizadas para se fazer jarros e
outros utensílios domésticos. As cerâmicas avançadas são produzidas a partir de pós de
complexos compostos químicos e sua produção exige um controle cuidadoso e preciso em
cada etapa da produção.
A possibilidade de um controle em nível atômico desses compostos poderá abrir
uma nova fronteira para a aplicação das cerâmicas avançadas. O nitreto de silício, por
exemplo, é um dos materiais mais promissores para a construção das novas gerações de
turbinas a gás.
Esses gigantescos motores, projetados para movimentar usinas geradoras de energia
elétrica, deverão queimar combustível a temperaturas acima de 1.200° C, bem acima da
tolerância dos metais, inclusive das superligas metálicas de última geração, feitas à base de
níquel. Operando a essas temperaturas, as novas turbinas deverão atingir uma eficiência
termal muito superior às termelétricas atuais, emitindo uma quantidade de gases poluentes
muito menor.
Segundo Alexander Ziegler, "Para melhorar a dureza do nitreto de silício,
freqüentemente é necessário fabricar uma película em nanoescala nas bordas dos grânulos
da cerâmica, que se quebra quando a cerâmica começa a fraturar. Isso permite a formação
de pontes entre os grânulos que se espalham ao longo da fratura, tornando mais difícil que
ela se propague”.
Entender a natureza e as propriedades dessas películas intergranulares é crucial para
melhorar a dureza das cerâmicas. Entretanto, até agora, não se tinha maiores
conhecimentos sobre a composição química, a estrutura atômica e as características das
ligações dessas películas.
1.3 Materiais Poliméricos
Na verdade, os materiais poliméricos não são novos - eles têm sido usados desde a
Antiguidade. Contudo, nessa época, somente eram usados materiais poliméricos naturais,
que será por sua vez especificamente detalhado. A síntese artificial de materiais
poliméricos é um processo que requer tecnologia sofisticada, uma vez que envolve reações
químicas, ciência esta que começou somente a ser dominada a partir da segunda metade do
século XIX.
A partir dessa época começaram a surgir polímeros modificados a partir de
materiais naturais. Somente no início do século XX os processos de polimerização
começaram a ser viabilizados, permitindo a síntese plena de polímeros a partir de seus
meros. Tais processos estão sendo aperfeiçoados desde então, colaborando para a obtenção
de plásticos, borrachas e resinas cada vez mais sofisticados e baratos, graças a uma
engenharia molecular cada vez mais complexa, a nanotecnologia.
Para se ter uma idéia da idade dos polímeros e da sua utilidade até hoje basta
citarmos um exemplo: o verniz. Os chineses o descobriram cerca de 1000 a.C., e o produto
que fora extraído de uma árvore é consuetudinariamente usado até os dias atuais na forma
de revestimento impermeável em móveis conferindo a eles durabilidade.
Enfatizando sua utilidade, a Ford anunciou em agosto desse ano (2006) um projeto
de investigação do Instituto de Polímeros e Compósitos (ICP) da Universidade do Minho
(UM), um investimento milionário. O investimento ocorreu devido aos acidentes ocorridos
com o modelo EcoSport, veículo utilitário fabricado pela empresa. Após alcançar
determinada velocidade, um de seus componentes se deformava em conseqüência da
pressão aerodinâmica exercida, provocando assim o capotamento do veículo. Tal
componente se tratava de um polímero.
•
Polímeros Naturais
Os polímeros naturais são: a borracha; os polissacarídeos, como celulose, amido e
glicogênio; e as proteínas.
A borracha natural é um polímero de adição, ao passo que os polissacarídeos e as
proteínas são polímeros de condensação, obtidos, respectivamente, a partir de
monossacarídeos e aminoácidos.
A borracha natural é obtida da árvores Heveu brasilienses (seringueira) através de
incisão feita em seu caule, obtendo-se um líquido branco de aspecto leitoso, conhecido
atualmente por látex. As cadeias que constituem a borracha natural apresentam um arranjo
desordenado e, quando submetidas a uma tensão, podem ser espichadas, formando
estruturas com comprimento maior que o original.
•
Polímeros Sintéticos
Os polímeros sintéticos são sintetizados quimicamente, em geral, de produtos
derivados de petróleo. Em contrapartida aos polímeros naturais e naturais modificados, os
sintéticos são "injetados" como moléculas relativamente pequenas. Eles podem oferecer
uma infinidade de desenhos possíveis. São costurados para atender cada aplicação
requerida. O tamanho e composição química podem ser manipulados a fim de criar
propriedades para quase todas as funções dos fluidos.
Abaixo segue uma tabela com a classificação dos seu polímeros com seus
respectivos monômeros componentes e suas diversas aplicações no dia-a-dia. Nota-se a
versatilidade desses materiais, que são utilizados desde a indústria alimentícia, passando
pelos materiais isolantes e de proteção até a composição de materiais super resistentes e
reagentes utilizados em máquinas de usinagem e explosivos.
POLÍMERO
MONÔMERO(S)
APLICAÇÃO
Polietileno
etileno
baldes, sacos de lixo, sacos de embalagens
Polipropileno
propileno
cadeiras, poltronas, pára-choques de automóveis
PVC
cloreto de vinila
tubos para encanamentos hidráulicos
Isopor
estireno
isolante térmico
Orlon
acrilnitrilo
lã sintética, agasalhos, cobertores, tapetes.
Plexiglas "Vidro plástico" metilacrilato de
Acrílicos
metila
plástico transparente muito resistente usado em
portas e janelas, lentes de óculos.
Teflon
tetrafluoretileno
revestimento interno de panelas
Borracha fria
isobuteno
Borracha natural
isopreno
Neopreno ou duopreno
cloropreno
Buna
1,3-butadieno
Buna-N ou perbuna
1,3-butadieno
acrilnitrilo
Buna-S
1,3-butadieno
estireno
pneus, câmaras de ar e objetos de borracha em
geral
Amido
a glicose
alimentos, fabricação de etanol
Celulose
b glicose
papel, algodão, explosivos
Náilon
1,6-diaminoexano
ácido adípico
rodas dentadas de engrenagens, peças de
maquinaria em geral, tecidos, cordas, escovas
Terilene ou dacron
Etilenoglicol
ácido tereftálico
tecidos em geral (tergal)
Baquelite
(fórmica)
aldeído fórmico
fenol comum
revestimento de móveis (fórmica), material
elétrico (tomada e interruptores)
Poliuretano
poliéster ou poliéter
isocianato de p.
fenileno
colchões e travesseiros (poliuretano esponjoso),
isolante térmico e acústico, poliuretano rígido das
rodas dos carrinhos de supermercados
pneus, câmaras de ar e objetos de borracha em
geral
1.4 Materiais Compósitos
Materiais compósitos são projetados para conjugar as características desejáveis de
dois ou mais materiais. Exemplo disso é a fibra de vidro em matriz polimérica. A fibra de
vidro confere resistência mecânica, enquanto matriz polimérica é responsável pela
flexibilidade. A madeira é um material composto natural (composto de polímeros), e o
concreto é um compósito comum (composto de cerâmicos).
Compósitos são materiais de moldagem estrutural, formados por uma fase contínua
polimérica (matriz) e reforçada por uma fase descontínua (fibras) que se agregam físicoquimicamente após um processo de crosslinking polimérico (cura). Normalmente a fase
descontínua é formada por fibra de vidro, aramida ou de carbono dependendo da aplicação
final.
A fase polimérica é geralmente composta por uma resina termofixa do tipo poliéster
insaturada (ortoftálica, tereftálica, isoftálica ou bisfenólica), dissolvida em solvente reativo
como estireno ou ainda uma resina éster vinílica ou epóxi. Resinas especiais como as
fenólicas, de poliuretano e de silicone são utilizadas em aplicações especiais.
Na moldagem destas duas fases ocorre um crosslinking polimérico através de um processo
de cura, que acopla as duas fases proporcionando ao material final propriedades especiais
que definem sua moderna e ampla aplicabilidade. Leveza, flexibilidade, durabilidade,
resistência, adaptabilidade são algumas das propriedades que garantem aos compósitos o
título de produto do futuro. Engenheiros, técnicos, procuram cada vez mais os compósitos
como solução para seus projetos de engenharia. Estados Unidos, Japão, Canadá, Europa e
Brasil, têm no compósito um mercado em franca expansão.
Abaixo, colocamos algumas características dos compósitos, com uma breve
descrição:
• Leveza e facilidade de transporte
Devido ao peso específico das resinas e das fibras de reforço, os produtos fabricados a
partir dos compósitos apresentam um baixo peso específico. Devido a esta e a outras
propriedades características dos materiais compósitos é que eles são amplamente utilizados
nos setores de aeronáutica, naval, automobilístico e outros.
•
Resistência química
Os compósitos apresentam excepcional inércia química, o que permite sua
utilização em uma ampla gama de ambientes agressivos quimicamente. Além disso,
aditivos especiais e resinas específicas estão à disposição dos técnicos para solucionar
aplicações que requeiram propriedades além das usuais.
•
Resistência às Intempéries
Umidade, vento, sol, oscilações térmicas tem baixa ação prejudicial sobre os
compósitos. E quando características não usuais são requeridas, aditivos como protetores
de UV, agentes anti-dust, resinas especiais são amplamente utilizáveis.
•
Flexibilidade Arquitetônica
Os compósitos têm uma grande vantagem sobre outros materiais estruturais, pois
moldes com formas complexas são facilmente adaptáveis aos processos em utilização.
Curvas, formas diferenciadas, detalhes arquitetônicos das empresas de materiais
compósitos.
•
Durabilidade
O compósito, devido à sua composição e ao crosslinking polimérico formado
durante o processo de moldagem, apresenta como característica uma alta durabilidade.
•
Fácil Manutenção
Os compósitos além de sua longevidade tradicional, apresentam fácil e simples
técnicas de reparo e manutenção.
•
Resistência Mecânica
Devido às suas características e à variedade de combinações que podem ser
realizadas entre as resinas e os materiais de reforço, os compósitos apresentam uma
excelente resistência mecânica que possibilita a sua utilização em aplicações no setor de
aeronáutica, naval, automobilístico e outras.
•
Feito sob medida
Compósitos são sinônimos de produtos feitos sob medida. Decidir pela utilização
de um compósito é ter à sua disposição a possibilidade de resolver seus problemas de
engenharia com um produto feito sob medida, isto é, um produto fabricado na medida certa
e exata de sua necessidade.
1.5 Novos Materiais
A necessidade de novas aplicações e utilização de propriedades mais específicas, a
escassez ou limitações na obtenção, transformação e produção de matérias-primas
tradicionais, fatores relacionados à degradação ambiental e à utilização de fontes
energéticas não renováveis levaram o desenvolvimento da Engenharia de Materiais a um
novo horizonte: não bastava somente alterar ou melhorar os materiais existentes, mas sim
criar novos que atendessem as novas utilizações exigidas pela ciência. Da medicina à
tecnologia de informações, a utilização dos novos materiais está mais presente nas novas
gerações dos produtos fabricados e a tendência será aplicá-los com maior freqüência no
que ainda está para ser estudado e produzido.
1.5.1 – Biomateriais
Biomaterial é definido como todo material utilizado para substituir - no todo ou em
parte - sistemas biológicos. Assim, podemos ter biomateriais metálicos, cerâmicos,
poliméricos, compósitos ou biorecobrimentos e para uma dada aplicação costuma haver
mais de um material e/ou processo de fabricação disponível. Dada às especificidades que
esses materiais apresentam, a tendência é que eles sejam considerados, hoje, uma classe
especial de materiais.
O desenvolvimento de biomateriais mostra-se fundamentalmente importante, no
sentido que desse desenvolvimento prescreve-se uma melhoria no nível de vida das
pessoas, representada por um aumento na expectativa de vida, na saúde em geral e no bem
estar da população. Dessa forma, observa-se nos últimos anos um enorme esforço no
intuito de se produzir novos dispositivos.
Uma pesquisa divulgada nos Estados Unidos (1994) mostra que mais de cinco
milhões de implantes são requeridos anualmente nos Estados Unidos e mais de três
milhões são requeridos anualmente na Europa. Estima-se que o mercado mundial
associado à biomateriais envolva aproximadamente 35 bilhões de dólares anuais. Além
disso, tal mercado apresenta uma taxa de crescimento de 11% ao ano, que demonstra o
grande interesse e necessidade por este tipo de produto.
O caso brasileiro mostra-se muito mais dramático devido ao nível baixo de saúde
da maioria dos brasileiros, representado pelos altos índices de mortalidade infantil e baixa
expectativa de vida, em comparação a países do primeiro mundo. Além da necessidade de
melhoria da saúde geral dos brasileiros, grande parte dos biomateriais usados no Brasil é
importada e acaba por gerar gastos elevados por parte da Previdência Social. Desta forma,
observa-se uma enorme necessidade de desenvolvimento científico e tecnológico brasileiro
na área de biomateriais como forma de atender às necessidades de melhoria da saúde geral.
Dada a multiplicidade de assuntos que devem ser abordados quando da
investigação científica, é comum uma equipe de trabalho nesta área constar de
profissionais de áreas bastante distintas como engenharia de materiais, médicos e
odontólogos, biólogos, etc.
1.5.2 – Semicondutores
Semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre
condutores e isolantes. Seus componentes isolantes para terem sua alta resistividade
reduzida e controlada ao acrescidos de diminutas quantidades de átomos “impuros” num
processo chamado dopagem.
Grosso modo, as diferenças entre condutores e isolantes estão na energia dos seus
elétrons. Nos materiais condutores há elétrons livres em uma quantidade suficiente para
formarem correntes elétricas através de um estímulo eletromagnético sem a necessidade de
grandes temperaturas que liberte mais elétrons no interior da estrutura molecular. O mesmo
não acontece com os materiais isolantes: seus elétrons estão muito presos na estrutura do
material e mesmo com grande temperatura atuando sobre o material, a mesma não seria
suficiente para libertar uma parcela de elétrons necessária ao surgimento de corrente
elétrica. Um semicondutor é considerado isolante, exceto pela impureza constituinte do
material que faz a energia necessária para libertar alguns elétrons ser menor. Essa
necessidade de se trabalhar com variações de temperatura faz com que a resistividade dos
semicondutores diminua com o aumento da agitação molecular do material.
Os principais componentes de “impureza” na produção dos semicondutores são o
silício (Si) e o germânio (Ge). A tabela abaixo resume e ilustra as diferenças nas
características elétricas entre um material condutor (cobre) e um material isolante (silício):
Propriedade
Tipo de material
Densiade de portadores de carga (m-3)
Resistividade (Ω x m)
Coeficiente de resistividade de temperatura (K-1)
Cobre
Metal
9 x 1028
2 x 10-8
4 x 10-3
Silício
Semicondutor
1 x 1016
3 x 103
-70 x 10-3
1.5.3 – Materiais Avançados
Nos anos 1970, paralelamente aos materiais tradicionais, apareceram os novos
materiais: compostos complexos, seguidos pelos nanomateriais (estruturas artificiais em
escala molecular). Confiabilidade, longevidade, precisão, leveza - as vantagens são
inúmeras. Os nanomateriais estão presentes em praticamente todas as áreas industriais:
espacial, aeronáutica (no novo Airbus A 380 – o maior e mais moderno avião de
passageiros do mundo, por exemplo), automobilística, medicina (microcâmeras de alta
precisão que auxiliam médicos durante consultas e cirurgias), construção elétrica e
eletrônica, instrumentos musicais (processadores de ondas sonoras que procuram adequar o
instrumentista ao estilo musical e ao instrumento utilizado na busca pela sonoridade
perfeita). Se a corrida para a miniaturização promete uma nova revolução, a reciclagem
desses novos materiais é hoje insuficiente em razão de seu custo e pelo número e
complexidade dos compostos. Ela abre, assim, um enorme mercado: laboratórios e
escritórios recrutam engenheiros-pesquisadores graduados de grandes instituições de
ensino e pesquisa dedicadas principalmente aos materiais ou titulares de um doutorado em
ciência física, física dos sólidos ou ciência dos materiais. A França, os Estados Unidos, do
Japão e da Alemanha figuram no topo do grupo de exploração dos nanossistemas e
investem nas pesquisas, procurando atrair estudantes de alto nível. O campo da
biomimética também se mostra interessante à engenharia na mais diversas áreas, como
hidro e aerodinâmica, acústica, radares e química.
O Brasil ainda está muito debilitado no estudo desta área, pois faltam
investimentos nas universidades que lecionam as disciplinas e cursos voltados à área de
Materiais, não somente na estrutura física de laboratórios, mas também na qualidade de
formação dos professores e pesquisadores responsáveis por transmitirem e incentivarem as
pesquisas. Isso gera um atraso tecnológico ao nosso país e obriga as empresas que
necessitam de especialistas e tecnólogos para desenvolver seus produtos a importarem e
pagarem altos valores ao acesso dos avanços tecnológicos e estudos no setor da
nanotecnologia.
2. Materiais Tradicionais × Materiais Avançados
As transições da pedra para o bronze, e do bronze para o ferro foram
revolucionárias pelo seu impacto, mas foram relativamente lentas em termos de escala de
tempo. As mudanças na inovação e na aplicação dos materiais ocorridas nos últimos 500
anos ocorreram em intervalos de tempo que foram revolucionárias ao invés de
evolucionárias.
Outro ponto a ser destacado é que velho ou novo nem sempre tem relação direta
com tradicional ou avançado. Por exemplo, um aço maraging, contendo um total de cerca
de 30% em vários elementos de liga e que após sofisticados tratamentos termomecânicos,
apresenta um limite de escoamento acima de 3GPa, é um material muito avançado, embora
as ligas de ferro tenham mais de 5 milênios de história. Por outro lado, a simples
combinação de dois ou três compostos exóticos raramente leva a um material avançado.
Aliás, o material é classificado como avançado ou não através do grau de
conhecimento científico utilizado, lembrando também que esse nível de conhecimento
empregado influi diretamente no preço do material fabricado.
Quanto às classificações a respeito do nível científico empregado no processo
produtivo dos materiais podemos citar quatro:
•
•
•
•
Materiais naturais;
Materiais desenvolvidos empiricamente;
Materiais desenvolvidos com auxílio qualitativo;
Materiais projetados.
Perceba que nos matérias há pouco conhecimento científico empregado, uma vez
que os materiais são diretamente extraídos da natureza e em seguida comercializados. Em
contrapartida os materiais projetados são quase que exclusivamente fabricados a partir de
conhecimentos científicas, e cujas propriedades podem ser quantitativamente previstos.
3. Preço dos Materiais e dos Produtos Acabados
Como foi dito no tópico acima, o nível de conhecimento empregado no processo
produtivo influi diretamente no seu preço, ou seja, deve haver bastante análise no momento
de se escolher os materiais necessários para um determinado produto, para que tanto sua
qualidade e preço estejam adequados e ao alcance do consumidor.
Abaixo segue uma tabela mostrando a relação preço-quilo de alguns produtos
acabados:
PRODUTO
CUSTO
Casas
1
Navios
5
Automóveis
10
Bicicletas
15-25
Eletrodomésticos
40-100
Calçados esportivos 15-60
Aeronave civil
1000
Satélites
15000
Podemos, a partir dessa tabela, inferir duas conclusões dicotômicas no que se diz
respeito à preocupação com custos. Por exemplo, o setor de construção civil deve ter uma
demasiada atenção aos custos, uma vez que a escolha de materiais mais caros pode
aumentar o preço das casas e conseqüentemente deixa a empresa numa desvantagem
competitiva. Já na construção de satélites a preocupação com custos está em segundo
plano, pois o que se deseja acima de tudo é qualidade.
A tabela seguinte mostra o preço por tonelada de alguns matérias usados tanto na
construção civil como nos satélites:
MATERIAL
Diamante industrial de alta qualidade
Platina
Ouro
Titânio
Alumínio
Aço inoxidável
Vidro
Borracha sintética
Borracha natural
Polietileno
PVC
Fibra de vidro
Fibra de carbono
Vigas de concreto reforçado
Cimento
PREÇO (US$/t)
500.000.000
16.500.000
14.500.000
8.300
2.400
2.700
750
1.400
870
1.100
1.000
1.500
45.000
330
70
4. Energia e Materiais
O Brasil é hoje um dos maiores recicladores de alumínio do mundo, através da
coleta e tratamento das latinhas usadas pelas empresas de bebidas. Isso ocorre porque o
país percebeu que a demanda, a produção e o preço dos materiais estão estritamente
relacionados com o consumo de energia, que chega a ser de 15 a 25% de toda energia
primária utilizada nas economias industrializadas.
Quase todos os metais ocorrem na natureza combinados com outros elementos
químicos, e a sua extração e purificação, assim como todo o seu processamento, exige
grandes quantidades de energia. A produção de metais consome aproximadamente 10% da
produção total de energia, com destaque para ferro, alumínio, cobre, titânio e zinco que
consomem em seus respectivos processos produtivos mais de 80% da energia total relatada
anteriormente. Uma grande parcela dos custos de produção dos metais no seu estado
primário está relacionada diretamente aos gastos com energia.
A reciclagem é uma importante e barata ferramenta no processamento dos metais,
principalmente. Uma vez que o material já está processado, o gasto com sua reciclagem
chega a ser apenas 15% do valor energético consumido quando o mesmo ainda se encontra
em suas fontes primárias. Além da economia energética, a redução na extração de novas
matérias-primas na produção de metais primários diminui consideravelmente os impactos
ambientais causados por rejeitos de lavras e processamento de minerais metálicos.
Abaixo seguem duas tabelas, sendo a primeira relacionando o material ao seu
consumo de energia e a segunda é sobre a redução do consumo energético na reciclagem
de alguns metais:
Material
Aço bruto
Ferro fundido
Alumínio
Bronze
Cobre
Chumbo
Cimento
Concreto reforçado
Cerâmica tradicional
Vidro plano
Fibra de vidro
Polipropileno
Poliestireno
Polietileno
Policloreto de vinila
Papel
Energia consumida (GJ/t)
9,8-47
58-360
83-330
97
72-118
28-54
4,5-8,1
8,3-14,4
3,4-6,0
14-20
43-64
108-113
96-140
80-120
67-92
59
Material
Alumínio
Aço e ferro
Cobre
Borracha
Chumbo
Papel
Zinco
Economia de energia (% comparada ao
consumo no processamento primário)
92
65
85
71
65
64
60
Por conclusão, é também importante salientar o desperdício de energia em todo o
mundo, pois a substituição de materiais que consomem grandes quantidades de energia em
sua produção por outros de maior facilidade de obtenção e de baixo consumo energético no
seu processamento é uma solução prática e eficaz no curto prazo de tempo. Ex.: Substituir
o ferro e o aço por alumínio e polímeros na indústria automotiva reduz os valores
agregados aos veículos em função dos materiais utilizados em sua fabricação e também o
consumo de combustíveis fósseis pelos motores.
5. Referências bibliográficas
http://www.abmaco.org.br/compositos.cfm - acesso em 02/11/2006
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010160050119 –
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http://www.gorni.eng.br/ - acesso em 05-06/11/2006
http://www.metalmat.ufrj.br – acesso em 05-06/11/2006
http://pt.wikipedia.org/ - acesso em 05-06/11/2006
Halliday, D.; Resnick, R.; Walker, J. Fundamentos de Física - volume 3,
eletromagnetismo. Rio de Janeiro: LTC, 2003.
Padilha, A. F. Materiais de engenharia – microestrutura, propriedades. São Paulo: Hemus,
1997.
Sid Meier´s Civilization III – Copyright © 1997, 1998 by Firaxis Games, Inc.
Watchtower bible and tract society of New York, inc. Tradução do Novo Mundo das
Escrituras Sagradas. Cesário Lange, SP: Sociedade Torre de Vigia de Bíblias e Tratados,
1992.