Introdução à Ciência dos Materiais

Introdução

• Os materiais desempenham um papel fundamental em nossa cultura e influenciam diversos aspectos do cotidiano, como transporte, habitação, vestuário, comunicação e produção de alimentos.
• O desenvolvimento e progresso das sociedades estão intrinsecamente ligados à habilidade de seus membros em criar e manipular materiais para satisfazer suas necessidades.
• Civilizações antigas foram identificadas com base em seus níveis de desenvolvimento em relação aos materiais, como a Idade da Pedra, do Bronze e do Ferro.
• Inicialmente, os seres humanos tinham acesso a um número limitado de materiais naturais, como pedra, madeira, argila e peles.
• Ao longo do tempo, técnicas para produzir materiais com propriedades superiores foram descobertas, como cerâmicas e metais.
• As propriedades dos materiais podiam ser alteradas por meio de tratamentos térmicos e adição de outros componentes.
• Nesse ponto, a utilização dos materiais era um processo seletivo, envolvendo a escolha do material com as melhores características para uma determinada aplicação.
• Cientistas compreenderam as relações entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedades em tempos mais recentes.
• Esse conhecimento permitiu que as características dos materiais fossem moldadas de maneira significativa.
• Dezenas de milhares de materiais diferentes foram criados, atendendo às necessidades da sociedade moderna e complexa, incluindo metais, plásticos, vidros e fibras.
• O desenvolvimento de tecnologias confortáveis está fortemente ligado à disponibilidade de materiais adequados.
• Avanços na compreensão de um tipo de material levam frequentemente ao progresso de alguma tecnologia.
• A fabricação de automóveis exigiu o baixo custo do aço ou de outro material comparável.
• Dispositivos eletrônicos dependem de componentes feitos de materiais semicondutores.

Ciência e Engenharia de Materiais

• A disciplina Ciência e Engenharia de Materiais pode ser dividida em Ciência de Materiais e Engenharia de Materiais.
• A Ciência dos Materiais envolve a investigação das relações entre as estruturas e as propriedades dos materiais.
• A Engenharia de Materiais projeta ou "engenha" a estrutura de um material com base nas correlações estrutura-propriedade.
• O objetivo é obter um conjunto predeterminado de propriedades.
• Cientistas de materiais desenvolvem ou sintetizam novos materiais.
• Engenheiros de materiais criam novos produtos/sistemas usando materiais existentes ou desenvolvem técnicas de processamento.
• Estudantes de Engenharia de Materiais são treinados para serem cientistas e engenheiros de materiais.
• A estrutura de um material se refere ao arranjo dos seus constituintes internos.
• A estrutura subatômica envolve os elétrons nos átomos individuais e suas interações.
• Em nível atômico, a estrutura inclui a organização dos átomos/moléculas.
• O nível estrutural seguinte, contendo grandes grupos de átomos, é chamado de microscópico.
• Elementos estruturais visíveis a olho nu são chamados de macroscópicos.
• Propriedade é uma característica de um material em termos de sua resposta a um estímulo externo.
• Propriedades são definidas para serem independentes da forma e tamanho do material.
• As propriedades dos materiais podem ser agrupadas em seis categorias: mecânica, elétrica, térmica, magnética, óptica e de deterioração.
• Propriedades mecânicas relacionam a deformação com uma força aplicada, incluindo rigidez, resistência e tenacidade.
• Para propriedades elétricas, o estímulo é um campo elétrico, como condutividade elétrica e constante dielétrica.
• O comportamento térmico é representado pela capacidade calorífica e condutividade térmica.
• Propriedades magnéticas demonstram a resposta a um campo magnético.
• Para propriedades ópticas, o estímulo é radiação eletromagnética/luminosa; o índice de refração/refletividade são propriedades ópticas.
• Características de deterioração estão relacionadas à reatividade química dos materiais.
• Além da estrutura e das propriedades, o processamento e desempenho são componentes importantes em Ciência e Engenharia de Materiais.
• A estrutura de um material depende de como ele foi processado, e o desempenho é uma função de suas propriedades.
• A inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho é essencial.
• Os princípios de processamento-estrutura-propriedades-desempenho são ilustrados com discos de óxido de alumínio.
• As propriedades ópticas (transmitância da luz) variam entre transparente, translúcido e opaco.
• As amostras são feitas do mesmo material (óxido de alumínio), mas têm estruturas diferentes devido ao processamento.
• A amostra transparente é um monocristal, a translúcida é composta por muitos cristais pequenos e a opaca possui poros.
• As estruturas distintas afetam as propriedades de transmitância óptica, influenciando o desempenho final do material.

Por que Estudar a Ciência e a Engenharia de Materiais

• Muitos cientistas e engenheiros abordam problemas de projeto que exigem materiais, como engrenagens, estruturas de edifícios, refinarias e chips.
• Uma decisão comum é selecionar o material correto entre muitos disponíveis, baseando-se em critérios.
• As condições ditam as propriedades necessárias do material, geralmente exigindo compromissos.
• Um exemplo envolve a resistência mecânica e a ductilidade, onde alta resistência está associada a ductilidade limitada.
• A deterioração da propriedade é uma segunda seleção a ser considerada.
• A exposição a altas temperaturas/ambientes corrosivos podem reduzir a resistência mecânica.
• A consideração definitiva provavelmente estará relacionada com aspectos econômicos.
• É importante determinar quanto custará o produto, levando em conta que nem sempre um conjunto ideal de propriedades serão baratas.
• Os engenheiros devem estar familiarizados com as características, estrutura-propriedade e técnicas de processamento dos materiais.
• A capacidade e confiança para definir materiais com base nesses critérios é importante.

Classificação dos Materiais

• Os materiais são agrupados em três categorias básicas: metais, cerâmicas e polímeros.
• O esquema é baseado na composição química e na estrutura atômica, com a maioria dos materiais se encaixando em um grupo distinto.
• Além disso, há compósitos, que são combinações de dois ou mais materiais diferentes.
• Existem também materiais avançados para aplicações de alta tecnologia, como semicondutores, biomateriais, materiais inteligentes e nanoengenheirados.

Metais

• Metais consistem em elementos metálicos e não metálicos.
• Os metais apresentam átomos organizados de forma ordenada e são relativamente densos.
• Em termos de propriedade mecânica são rígidos, resistentes, dúcteis e resistentes à fratura.
• Metais possuem muitos elétrons livres, atribuindo propriedades únicas.
• São bons condutores de eletricidade e calor, não são transparentes e refletem a luz.
• Alguns metais possuem propriedades magnéticas interessantes.

Cerâmicas

• Cerâmicas são compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos.
• Na maioria dos casos são óxidos, nitretos e carbetos.
• Alguns incluem óxido de alumínio, dióxido de silício, carbeto de silício e nitreto de silício.
• Cerâmicas tradicionais são compostas por minerais argilosos, cimento e vidro.
• São rígidos e resistentes com valores comparáveis aos dos metais, duras, frágeis e suscetíveis à fratura.
• Novas cerâmicas estão sendo criadas para obter uma melhor resistência à fratura.
• São isolantes de calor, eletricidade e resistentes a temperaturas elevadas e ambientes agressivos.
• Cerâmicas podem ser transparentes, translúcidas ou opacas e alguns óxidos exibem comportamento magnético.

Polímeros

• Polímeros incluem materiais plásticos e de borracha.
• Muitos são compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos.
• Apresentam estruturas de cadeias grandes de átomos.
• Tipicamente possuem baixas massas específicas comparadas aos materiais metálicos e cerâmicos.
• Em virtude da reduzida densidade, rigidez e resistência mecânica.
• Muitos polímeros são dúcteis e flexíveis e quimicamente inertes.
• A maior desvantagem dos polímeros é a tendência a amolecer ou decompor no calor.

Compósitos

• Compósitos são formados com dois ou mais materiais individuais.
• O objetivo é obter uma combinação de propriedades que não é exibida por nenhum material isolado.
• Muitos tipos diferentes de compósitos são obtidos através de combinações de metais, cerâmicas e polímeros.
• A madeira e o osso são compósitos de ocorrência natural, contudo são sintéticas.
• Um composto como fibra de vidro, possui pequenas fibras de vidro colocadas dentro do material polimérico e o polímero é mais flexível.
• O composto de fibra de vidro resultante é relativamente rígido, resistente, flexível com baixa massa específica.
• Outro material tecnologicamente importante é o compósito de polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC).
• Os materiais são mais rígidos e resistentes que os materiais reforçados com fibra de vidro.

Materiais Avançados

• Utilizados em aplicações de alta tecnologia incluindo equipamentos, computadores, espaçonaves e aeronaves.
• Materiais ou produtos que operam usando princípios intrincados ou sofisticados.
• Materiais tradicionais, cujas propriedades foram aprimoradas e materiais de alto desempenho foram desenvolvidos.
• Podem pertencer a todos os tipos de materiais, sendo em geral de alto custo.
• Materiais incluem os semicondutores, os biomateriais e os materiais inteligentes e materiais nanoengenheirados.

Necessidades de Materiais Modernos

• Apesar dos progressos das tecnologias, ainda existem um grande número de desafios relacionados com o desenvolvimento de materiais.
• Isso inclui o desenvolvimento de cada vez mais materiais sofisticados, bem como uma análise dos impactos ambientais que causam a sua produção.
• Embora a energia nuclear seja favorável, ela envolve diversos materiais como combustíveis.
• Inclui estruturas de contenção e instalações de rejeitos radioativos.
• Quantidade significativa de energia se encontra envolvida na área de transportes.
• É necessário criar novos materiais estruturais que sejam potentes e leves para aumentar a eficiência dos combustíveis.
• Comprovada para converter a energia solar em energia elétrica.
• As células solares empregam alguns materiais razoavelmente complexos.

Resumo Ciência e Engenharia de Materiais

• As seis propriedades dos materiais determinam as aplicações: mecânica, elétrica, térmica, magnética, óptica e deterioração.
• O aspecto da ciência de materiais é o estudo das relações que as estruturas e as propriedades dos materiais possuem.
• Os elementos estruturais incluem elementos subatômicos, atômicos, microscópicos e macroscópicos.
• Quatro elementos a serem considerados em relação ao projeto, produção e à utilização dos materiais: processamento, estrutura, propriedades e desempenho.
• As propriedades dos materiais dependem de como ele foi processado.
• São três critérios importantes para selecionar os materiais para qualquer aplicação: condições em serviço, deterioração das propriedades e custo.