Materiais em Engenharia Biomédica Introdução PDF

Materiais em Engenharia Biomédica Introdução 41943 2024/2025 Tiago Galvão Ciência vs. Engenharia dos Materiais Ciência dos Materiais: investiga relação entre estrutura e propriedades dos materiais, de modo a obter novos materiais ou melhorar as pro...

Materiais em Engenharia Biomédica Introdução 41943 2024/2025 Tiago Galvão Ciência vs. Engenharia dos Materiais Ciência dos Materiais: investiga relação entre estrutura e propriedades dos materiais, de modo a obter novos materiais ou melhorar as propriedades de materiais existentes. Engenharia dos Materiais: Aplica os princípios da ciência de materiais para projetar, processar e fabricar materiais com propriedades específicas, a uma escala e com desempenho para a sua aplicação como um produto real. MEB 24/25 2  Ciência vs. Engenharia dos Materiais Processamento Estrutura Propriedades Desempenho 1.Processamento: técnicas usadas para modificar ou manipular um material, como fundição, moldagem, ou tratamento térmico. 2.Estrutura: Dependendo do processamento, os átomos ou moléculas podem organizar-se de maneira diferente. 3.Propriedades: A estrutura vai determinar as propriedades físicas e mecânicas do material. 4.Desempenho: As propriedades vão definir o comportamento do material durante a sua aplicação. MEB 24/25 3  Estrutura Aumento Arranjo dos componentes internos de um material dependendo da de escala escala Sub-atómica: forças que mantêm os átomos estáveis e a distribuição dos eletrões em torno do núcleo. Atómica: organização dos átomos ou moléculas dentro de um material. Microscópica (aglomerado de átomos): observação direta com microscópios (por ex., grãos em metais, defeitos em superfícies). Macroscópica: elementos estruturais vistos a olho nu. MEB 24/25 4  Propriedades Mecânicas: deformação com uma carga ou força aplicada; Exemplos: módulo de elasticidade (rigidez), e resistência à fratura. Elétricas: o estímulo é um campo elétrico aplicado; Exemplos: condutividade elétrica e constante dielétrica. Térmicas: alterações de temperatura ou gradientes de temperatura num material; Exemplos: expansão térmica e capacidade calorífica. MEB 24/25 5  Propriedades Magnéticas: resposta à aplicação de um campo magnético; Exemplos: susceptibilidade magnética e magnetização. Ópticas: radiação eletromagnética ou luz; Exemplos: índice de refração e refletividade. Características de deterioração: reatividade química dos materiais; Exemplo: resistência à corrosão dos metais. MEB 24/25 6  Exemplo de processamento-estrutura- propriedades-desempenho Três espécimes de discos finos colocados sobre um texto impresso. Todos os espécimes são do mesmo material, óxido de alumínio, mas usando técnicas de processamento diferentes. Esquerda: cristal único - elevado grau de perfeição que lhe confere a sua transparência Centro: numerosos e muito pequenos cristais individuais todos interligados; as fronteiras dos cristais dispersam uma parte da luz refletida da página impressa, o que torna o material translúcido. Direita: grande número de poros (espaços vazios), que dispersam ainda mais a luz, sendo o material opaco. MEB 24/25 7  Classificação de Materiais Metais Cerâmicos Polímeros Compósitos: compostos por dois ou mais materiais das categorias anteriores. MEB 24/25 8  𝑚 Densidade (massa volúmica): quociente entre massa de um objeto e volume ocupado 𝜌= 𝑣 MEB 24/25 9  Um material rígido (ou “stiff”) é aquele que, quando sujeito a uma força, não se deforma facilmente. Está relacionado com o módulo de elasticidade ou módulo de Young, que mede a relação entre a tensão (força aplicada) e a deformação (mudança na forma ou tamanho) de um material. Por exemplo, os metais são mais rígidos do que os polímeros, porque resistem muito mais à deformação MEB 24/25 10 quando se aplica uma força. A resistência à tração (“tensile strength”) é a capacidade de um material suportar forças de tração, ou seja, forças que tentam esticar o material. É a quantidade máxima de tensão que um material pode suportar antes de romper ou falhar. MEB 24/25 11  A resistência à fratura, também conhecida como tenacidade à fratura (“fracture toughness“), é a capacidade de um material resistir à propagação de fissuras, quando submetido a tensões, mesmo quando já possui pequenas fissuras ou imperfeições. No fundo, é a capacidade dos materiais de impedir a propagação de fissuras, e é importante para prever a durabilidade do material. Metais ou ligas metálicas, conseguem suportar mais carga antes de falhar completamente, mesmo quando já apresentam danos iniciais. Cerâmicos ou vidro, têm uma resistência à fratura baixa, ou seja, assim que uma fissura começa a formar-se, ela propaga-se rapidamente, levando à fratura do material. 12  A condutividade elétrica é a capacidade de um material permitir a passagem de corrente elétrica através dele. Materiais condutores: Materiais com alta condutividade elétrica, como os metais (por exemplo, cobre ou prata), permitem que a corrente elétrica flua facilmente. Materiais isolantes: Materiais com baixa condutividade elétrica, como a borracha, o vidro ou a cerâmica, dificultam o movimento dos eletrões. MEB 24/25 13  Materiais avançados Materiais usados em aplicações de elevada tecnologia (high tech): Semicondutores: materiais que apresentam propriedades elétricas intermédias entre condutores elétricos (metais e ligas metálicas) e não condutores ou isoladores (polímeros, cerâmicos). As suas propriedades elétricas podem ser ajustadas pela adição de impurezas, um processo chamado dopagem. Aplicações: circuitos eletrónicos integrados (computadores,...) – controle preciso do fluxo de corrente elétrica. MEB 24/25 14  Materiais avançados Materiais usados em aplicações de elevada tecnologia (high tech): Biomateriais: materiais usados em componentes implantados no corpo humano para substituição/reconstrução de partes danificadas. Não produzem substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos humanos. Todas as classes de materiais podem ser usadas como biomateriais. Aplicações: substituições de articulações (por exemplo, anca, joelho) e válvulas cardíacas, enxertos vasculares (vasos sanguíneos), dispositivos de fixação de fraturas, restaurações dentárias e geração de novos tecidos de Adapted from 3D Printing today órgãos. MEB 24/25 15  Materiais avançados Materiais usados em aplicações de elevada tecnologia (high tech): Materiais do futuro: Auto-reparação (self-healing) Grafeno -materiais inteligentes, -materiais com capacidade de desenhados à responder a mudanças nanoescala; no ambiente circundante de forma pré- determinada. https://www.extremetech.com/ MEB 24/25 16 B.S.H. Cho et al., Adv. Mater. 18 (2006) 997-1000.  Bibliografia Materials Science and Engineering, W.D. Callister Jr., 7th Ed., John Wiley & Sons, Inc. MEB 23/24 17