O que torna um carro ou um avião fortes e fiáveis? A resposta está nos materiais utilizados na sua construção. A engenharia mecânica depende muito da seleção de materiais adequados, desde metais como o aço e o alumínio a cerâmicas e polímeros. Este artigo explora os principais materiais que constituem a espinha dorsal das maravilhas da engenharia, descrevendo em pormenor as suas propriedades e aplicações. Ao continuar a ler, ficará a saber por que razão são escolhidos materiais específicos para diferentes componentes mecânicos e como contribuem para o desempenho e segurança globais.
Os materiais, a energia e a informação são considerados os três pilares da indústria moderna, e o desenvolvimento da energia e da informação depende, em certa medida, do progresso dos materiais. De acordo com as estatísticas, um automóvel é composto por cerca de 30.000 peças, e estas peças são feitas de mais de 4.000 materiais diferentes.
Desde a conceção, seleção de materiais e fabrico de um automóvel até à sua utilização, manutenção e cuidados, os materiais estão envolvidos em todos os aspectos. Tomando os materiais dos automóveis modernos como exemplo, em termos de peso, o aço representa 55% a 60% do peso do automóvel, o ferro fundido representa 5% a 12%, os metais não ferrosos representam 6% a 10%, os plásticos representam 8% a 12%, a borracha representa 4%, o vidro representa 3% e outros materiais (tinta, vários líquidos, etc.) representam 6% a 12%. A figura 1 mostra a proporção de vários materiais utilizados no avião Boeing 767.
Os materiais de engenharia são a base material para a construção de máquinas. O desempenho das máquinas depende dos materiais utilizados. Existem milhares de materiais utilizados no fabrico de máquinas, e fazer a escolha certa entre tantos materiais não é fácil.
Os materiais de engenharia são diversos e amplamente utilizados. Em engenharia, os materiais são normalmente classificados de acordo com o método de classificação química, que pode ser dividido em materiais metálicos, materiais inorgânicos não metálicos (cerâmicos), materiais poliméricos orgânicos e materiais compósitos, como se mostra na Figura 2.
Os materiais metálicos são um termo geral para os metais e as suas ligas, incluindo metais ferrosos e metais não ferrosos, que representam 80% da utilização total. As características dos metais são determinadas pela natureza das ligações metálicas.
Os materiais metálicos têm boas propriedades mecânicas (elevada resistência, rigidez, plasticidade, tenacidade) e certas propriedades físicas e químicas (boa condutividade eléctrica e térmica, etc.) e boa trabalhabilidade. São baratos ou de preço moderado, amplamente utilizados como materiais estruturais, e alguns são utilizados como materiais funcionais, mas os recursos são limitados. Os materiais metálicos não podem trabalhar a temperaturas extremamente elevadas e em meios especiais.
De acordo com os elementos constituintes, os materiais metálicos podem ser divididos em metais ferrosos e metais não ferrosos. Os metais ferrosos incluem o ferro e as ligas à base de ferro, como o ferro puro, o aço-carbono, as ligas de aço, o ferro fundido e as ligas de ferro, coletivamente designados por materiais de aço. Os metais não ferrosos incluem outros metais para além do ferro e das suas ligas, sendo os mais utilizados o ouro, a prata, o alumínio e as ligas de alumínio, o cobre e as ligas de cobre, o titânio e as ligas de titânio, etc.
De acordo com as principais propriedades e utilizações, os materiais metálicos podem ser divididos em materiais estruturais metálicos e materiais funcionais metálicos. De acordo com a tecnologia de transformação, os materiais metálicos podem ser divididos em materiais metálicos fundidos, materiais metálicos deformados e materiais de metalurgia do pó. De acordo com a densidade, os materiais metálicos dividem-se em metais leves (densidade 4,5g/cm³).
Os materiais de aço podem ser divididos em ferro puro industrial, aço e ferro fundido. O ferro puro industrial é uma liga de ferro-carbono com um teor de carbono não superior a 0,02%. Embora o ferro puro industrial tenha boa plasticidade, a sua resistência é baixa e raramente é utilizado como material estrutural e material de aparência.
O aço é uma liga de ferro-carbono com um teor de carbono de 0,02% a 2,11%, contendo também pequenas quantidades de elementos de impureza como o fósforo e o enxofre. Existem muitos tipos de aço, que podem ser divididos em aço-carbono e aço-liga de acordo com a composição química, e são amplamente utilizados em vários domínios. O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono com um teor de carbono de 2,11% a 4,0%.
O ferro fundido é um importante material de engenharia com uma longa história de utilização. Tem um baixo ponto de fusão, bom desempenho de fundição, maquinabilidade, resistência ao desgaste e amortecimento de vibrações, processo de produção simples e baixo custo. Pode ser utilizado para fabricar várias peças com estruturas e formas complexas. Os materiais comuns de ferro fundido incluem ferro fundido cinzento, ferro fundido maleável e ferro fundido dúctil.
O aço-carbono pode ser dividido em aço normal, aço de alta qualidade e aço de alta qualidade de acordo com a qualidade; de acordo com a utilização, pode ser dividido em aço estrutural, aço para ferramentas e aço de desempenho especial; de acordo com o teor de carbono, pode ser dividido em aço de baixo carbono (teor de carbono inferior a 0,25%), aço de médio carbono (teor de carbono de 0,25% a 0,6%) e aço de alto carbono (teor de carbono superior a 0,6%).
O aço de baixo carbono tem baixa resistência, elevada plasticidade, elevada tenacidade e boa trabalhabilidade e soldabilidade, sendo adequado para o fabrico de peças e componentes com formas complexas e que requerem soldadura; o aço de médio carbono tem uma certa resistência, plasticidade e tenacidade moderada, com boas propriedades mecânicas globais após o tratamento térmico, sendo sobretudo utilizado para o fabrico de peças mecânicas que requerem resistência e tenacidade, como engrenagens e rolamentos; o aço de alto carbono tem elevada resistência e dureza, boa resistência ao desgaste, baixa plasticidade e tenacidade, sendo sobretudo utilizado para o fabrico de ferramentas, ferramentas de corte, molas e peças resistentes ao desgaste.
O aço ligado é um aço à base de aço-carbono com a adição de um ou vários elementos de liga, com propriedades mecânicas mais abrangentes e certas propriedades físicas e químicas especiais. Os elementos de liga podem melhorar o desempenho e a processabilidade do aço, sendo os mais utilizados o silício, o manganês, o crómio, o níquel, o alumínio, o tungsténio, o titânio, o boro, etc. Por exemplo, o crómio pode aumentar a resistência ao desgaste, a dureza e a resistência a altas temperaturas do aço.
O aço de liga pode ser dividido em aço de baixa liga (teor total inferior a 5%), aço de liga média (teor total de 5% a 10%) e aço de alta liga (teor total superior a 10%) de acordo com o teor total de elementos de liga; de acordo com os tipos de elementos de liga, pode ser dividido em aço ao crómio, aço ao níquel, aço ao manganês, aço ao silício, aço ao crómio-níquel, aço ao manganês-silício, etc.; de acordo com a utilização, pode ser dividido em aço de liga estrutural, aço de liga para ferramentas, aço de liga especial (como o aço inoxidável, aço resistente ao calor, aço resistente ao desgaste, etc.).De acordo com a sua utilização, pode ser dividido em ligas de aço para construção, ligas de aço para ferramentas e ligas de aço especiais (como o aço inoxidável, o aço resistente ao calor, o aço resistente ao desgaste, etc.).
A liga de alumínio é uma liga composta por alumínio como base e pela adição de outros elementos de liga (cobre, silício, magnésio, zinco, manganês, níquel, etc.). A liga de alumínio é leve, forte, com um valor de resistência específico próximo ou superior ao do aço, tem uma excelente condutividade eléctrica, condutividade térmica e resistência à corrosão, é fácil de processar, resistente ao impacto e pode ser anodizada em várias cores.
As ligas de alumínio são normalmente divididas em ligas de alumínio forjado e ligas de alumínio fundido. As ligas de alumínio forjado, também conhecidas como ligas de alumínio processadas sob pressão, têm uma boa plasticidade e podem ser transformadas em produtos como chapas, barras, tubos e perfis através de laminagem, extrusão, estiramento, forjamento e outros métodos de processamento a frio e a quente. São excelentes materiais ligeiros. Dividem-se ainda em ligas de alumínio à prova de ferrugem, ligas de alumínio duro e ligas de alumínio superduro.
As ligas de alumínio fundido têm um bom desempenho de fundição e certas propriedades mecânicas, mas pouca plasticidade e não podem ser submetidas a processamento plástico. São maioritariamente produzidas utilizando métodos de fundição em areia, fundição de metal e fundição de investimento para produzir peças fundidas com formas complexas, peso leve e determinados requisitos de resistência à corrosão e ao calor. Estão ainda divididas em ligas de alumínio-silício, alumínio-cobre, alumínio-magnésio e alumínio-zinco, de acordo com os principais elementos de liga.
Os produtos comuns de liga de alumínio incluem perfis de liga de alumínio, painéis decorativos de liga de alumínio, folha de alumínio, películas compostas de alumínio-plástico e películas aluminizadas a vácuo.
As ligas de cobre são ligas compostas de cobre como material de base com uma certa quantidade de outros elementos de liga (zinco, estanho, alumínio, silício, níquel, etc.). São classificadas por composição química em latão, bronze e cobre branco; e por métodos de processamento em ligas de cobre forjadas e ligas de cobre fundidas.
O latão (liga Cu-Zn) é uma liga de cobre com zinco como principal elemento de liga. O latão tem uma aparência bonita com uma cor dourada nobre, forte condutividade eléctrica e térmica, boa resistência à corrosão, propriedades mecânicas e trabalhabilidade. É fácil de cortar, polir e soldar, e pode ser transformado em folhas, tiras, tubos, barras e perfis. É utilizado como componentes condutores térmicos e eléctricos, peças estruturais resistentes à corrosão, componentes elásticos, componentes de refrigeração, componentes de refrigeração, etc. peças de estampagempeças de repuxo profundo, ferragens de uso diário e materiais decorativos.
O bronze é um termo geral para outras ligas à base de cobre, com exceção do latão e do cobre branco. Os elementos de liga comuns incluem o estanho, o alumínio, o silício, o manganês, o crómio, etc. O bronze divide-se em bronze comum e bronze especial.
O bronze comum utiliza o estanho como principal elemento de liga, com um teor de estanho de 5% a 20%, também conhecido como bronze de estanho (liga Cu-Sn). Tem uma cor cinzento-azulada e uma forte resistência à corrosão. Divide-se ainda em bronze de estanho forjado e bronze de estanho fundido.
O bronze de estanho forjado tem um teor de estanho inferior a 6% a 7%, com boas propriedades mecânicas e trabalhabilidade, resistência ao desgaste, e pode ser transformado em várias especificações de folhas, tiras, tubos e varetas.
O bronze de estanho fundido tem um teor de estanho de 10% a 14%, é relativamente duro, tem boa capacidade de fundição e pode ser utilizado para produzir peças fundidas com formas complexas e contornos nítidos. O bronze especial refere-se geralmente ao bronze que não contém estanho, como o bronze de alumínio, o bronze de berílio, o bronze de manganésio, etc. A maioria dos bronzes especiais tem propriedades mecânicas, resistência ao desgaste e resistência à corrosão mais elevadas do que o bronze normal.
O cobre branco (liga Cu-Ni) é uma liga de cobre com níquel como principal elemento de liga. Tem uma cor branca, é relativamente macio e tem boa resistência à corrosão. À medida que o teor de níquel nas ligas de cobre aumenta, a força, a dureza, a elasticidade e a resistência à corrosão do cobre branco também aumentam. O cobre branco inclui o cobre branco comum e o cobre branco especial.
O cobre branco normal é uma liga composta apenas por cobre e níquel. O cobre branco especial é uma liga de cobre e níquel com a adição de outros elementos de liga como o zinco, o alumínio, o manganês, etc., como o cobre branco de zinco, o cobre branco de alumínio, o cobre branco de manganês, etc. Industrialmente, o cobre branco divide-se em cobre branco estrutural e cobre branco elétrico.
As cerâmicas são materiais poliméricos inorgânicos fabricados a partir de compostos naturais ou sintéticos em pó, através de moldagem e sinterização a alta temperatura em materiais sólidos policristalinos. Apresentam excelentes propriedades físicas e químicas (resistência à corrosão, propriedades ópticas, eléctricas, térmicas, de isolamento, etc.) e uma excelente resistência a altas temperaturas, com uma vasta gama de fontes de matérias-primas. São utilizados principalmente em aplicações especiais (cerâmicas especiais) e no uso quotidiano (cerâmicas tradicionais). No entanto, são frágeis, difíceis de processar e têm pouca fiabilidade.
As cerâmicas podem ser classificadas, segundo a sua utilização, em cerâmicas comuns, cerâmicas especiais e cerâmicas metálicas.
As cerâmicas comuns são feitas de argila, feldspato e quartzo como matérias-primas e sinterizadas. As vantagens são a dureza, a não oxidação, a não ferrugem, a resistência a altas temperaturas, a boa formabilidade e o baixo custo.
As desvantagens são a baixa resistência, e o isolamento e a resistência a altas temperaturas não são tão bons como os de outras cerâmicas. São amplamente utilizados em vários produtos cerâmicos de uso diário, isoladores eléctricos de porcelana, recipientes resistentes a ácidos e álcalis, condutas de torres de reação e peças de guia de máquinas têxteis.
As cerâmicas especiais incluem as cerâmicas de alumina, as cerâmicas de carboneto de silício, as cerâmicas de carboneto de silício e as cerâmicas de nitreto de boro.
As cerâmicas de alumina (composição: Al₂O₃ como a principal fase cristalina, com uma pequena quantidade de SiO₂) têm as vantagens de alta dureza, resistência a altas temperaturas (resistência à oxidação, alta resistência à fluência), resistência à corrosão e boas propriedades de isolamento; as desvantagens são alta fragilidade e baixa resistência ao choque térmico. São utilizados para fabricar peças resistentes ao desgaste, tais como rolamentos, velas de ignição para motores de combustão interna, cones de nariz de foguetões e mísseis, bocais de fibra sintética e várias ferramentas de corte.
As cerâmicas de nitreto de silício (componente principal: Si₃N₄) são preparadas por dois métodos: sinterização por prensagem a quente e sinterização por reação. As caraterísticas de desempenho são alta dureza, baixo coeficiente de atrito, excelente resistência ao desgaste, alta resistência à fluência, baixo coeficiente de expansão térmica e o melhor desempenho térmico. Têm boa estabilidade química (exceto para o ácido fluorídrico) e excelentes propriedades de isolamento.
Podem ser utilizados em produtos cerâmicos de alta precisão, resistentes ao desgaste, a altas temperaturas, resistentes à corrosão e com formas complexas, tais como cadinhos, peças isolantes, rolamentos de alta temperatura, pás de rotor de turbina a gás, e podem também ser utilizados para fabricar tubos de proteção de termopares, anéis de vedação para bombas petroquímicas (vedantes dinâmicos) e ferramentas de corte.
As cerâmicas de carboneto de silício (componente principal: SiC) são preparadas por sinterização por reação e sinterização por pressão a quente. Têm resistência a altas temperaturas, boa condutividade térmica, resistência à radiação de elementos radioactivos, boa estabilidade térmica, resistência à fluência e resistência à corrosão. São utilizados em materiais estruturais de alta temperatura, tais como bicos de foguetões, rolamentos de alta temperatura, permutadores de calor e materiais de revestimento de combustível nuclear.
A estrutura cristalina das cerâmicas de nitreto de boro (componente principal: BN) é hexagonal, semelhante à grafite, e é designada por "grafite branca". Tem características como resistência ao calor, condutividade térmica, estabilidade térmica e boa resistência ao choque térmico, e pode ser utilizada em barras de controlo que absorvem neutrões térmicos em reactores nucleares.
A composição do cermet é constituída por óxidos ou carbonetos metálicos com uma quantidade adequada de pó metálico (Al2O3, ZnO, TiC, WC, etc. + Co, Ni, Cr, Fe, Mo, etc.). O seu método de preparação é a metalurgia do pó (processo: fabrico do pó → prensagem e conformação → sinterização → pós-processamento, etc.).
Tem características como elevada dureza, elevada dureza térmica, elevada resistência ao desgaste, elevada resistência à compressão, baixa resistência à flexão, elevado módulo de elasticidade, boa resistência à corrosão, coeficiente de expansão térmica inferior ao do aço, elevada fragilidade e boa condutividade térmica. O cermet pode ser dividido em três categorias: tungsténio-cobalto, tungsténio-cobalto-titânio e liga dura universal.
Os polímeros, também conhecidos como macromoléculas, são grandes moléculas formadas por milhares a milhões de átomos ligados entre si por ligações covalentes. Por isso, também são chamados de macromoléculas ou polímeros. As características dos polímeros são o grande peso molecular, até 10^4 a 10^6, e a polidispersão do peso molecular. A sua massa molecular relativa situa-se geralmente entre as dezenas de milhares e os milhões.
Os materiais poliméricos podem ser divididos em materiais poliméricos orgânicos naturais (madeira, borracha natural, asfalto, etc.) e materiais poliméricos orgânicos sintéticos (plásticos, borracha, fibras químicas) de acordo com as suas fontes. Podem também ser divididos em polímeros termoplásticos e polímeros termoendurecíveis, de acordo com as suas propriedades quando aquecidos.
As vantagens dos materiais poliméricos são a baixa densidade, a elevada elasticidade, a resistência ao desgaste, o isolamento, a resistência à corrosão, o peso leve, a elevada resistência específica (materiais leves e de elevada resistência), a baixa condutividade térmica (bom isolamento térmico), a boa processabilidade e a abundância de matérias-primas. As desvantagens são as fracas propriedades mecânicas, especialmente a baixa resistência, a não resistência a altas temperaturas (≤300°C), a inflamabilidade, a libertação de gases tóxicos durante a combustão e o envelhecimento ao longo do tempo.
Os materiais poliméricos podem ser divididos em três categorias: plásticos, borracha e fibras.
Os plásticos são materiais poliméricos com plasticidade utilizados no estado vítreo. São compostos principalmente de resinas, com vários aditivos adicionados, e podem ser processados e formados sob certas temperaturas e pressões. Os plásticos podem ser divididos em termoplásticos e plásticos termoendurecíveis.
Os termoplásticos são plásticos que podem ser repetidamente amolecidos por aquecimento e endurecidos por arrefecimento dentro de um determinado intervalo de temperatura.
Os termoplásticos mais comuns incluem o polietileno (PE), o polipropileno (PP), o poliestireno, o polimetacrilato de metilo (PMMA) e o cloreto de polivinilo (PVC). Entre eles, o polietileno tem o maior volume de produção e a estrutura mais simples; o polipropileno é o plástico mais leve; o cloreto de polivinilo é o plástico mais versátil e barato; o polimetacrilato de metilo é o plástico mais transparente e é conhecido como vidro inquebrável.
Os plásticos termoendurecíveis são plásticos que ficam permanentemente fixos na sua forma após aquecimento (ou sem aquecimento) e não podem ser fundidos de novo e remodelados depois de formados. Têm uma boa resistência ao calor e à deformação.
Os plásticos termoendurecíveis comuns incluem a resina fenólica, a resina epóxida e a resina de poliéster. A resina fenólica pode ser utilizada como material de isolamento elétrico; a resina epoxi pode ser utilizada como material compósito e adesivo; a resina de poliéster pode ser utilizada para fabricar fibra de vidro.
Os plásticos também podem ser divididos em plásticos de uso geral, plásticos de engenharia e plásticos especiais com base na sua utilização.
Os plásticos de uso geral são plásticos com grandes volumes de produção, aplicações alargadas e preços baixos. Incluem principalmente o polietileno, o cloreto de polivinilo, o poliestireno, o polipropileno, os plásticos fenólicos, os plásticos fenólicos e de ureia-formaldeído, etc. Representam mais de 75% da produção total de plástico e são amplamente utilizados nas necessidades quotidianas, nas embalagens, na agricultura e noutros domínios.
Os plásticos de engenharia são plásticos que podem suportar determinadas forças externas, têm uma elevada resistência e rigidez e uma boa estabilidade dimensional. Podem substituir os metais no fabrico de peças mecânicas e componentes de engenharia. Os plásticos de engenharia comuns incluem a poliamida (PA), o policarbonato (PC), o polioximetileno (POM), o politetrafluoroetileno (PTFE), o ABS, o polimetilmetacrilato e a resina epóxi.
Entre eles, a poliamida é o plástico de engenharia mais produzido e mais antigo; o policarbonato não é tóxico, não tem sabor, é transparente e tem a melhor resistência ao impacto; o polioximetileno tem propriedades autolubrificantes e elevada estabilidade dimensional; o politetrafluoroetileno tem o coeficiente de atrito mais baixo e é conhecido como o rei dos plásticos.
Os plásticos especiais têm propriedades especiais, como a resistência ao calor e a auto-lubrificação, e podem ser utilizados para requisitos especiais, como plásticos condutores, plásticos magnéticos e plásticos fotossensíveis. Os plásticos especiais comuns incluem os fluoroplásticos, os plásticos de silicone e as poliimidas.
A borracha é um material polimérico de elevada elasticidade com deformação reversível. É elástico à temperatura ambiente e pode sofrer uma deformação significativa sob forças externas muito pequenas, regressando ao seu estado original assim que a força externa é removida.
A borracha é um polímero completamente amorfo com uma baixa temperatura de transição vítrea e tem frequentemente um peso molecular muito elevado, superior a centenas de milhares. É classificada em borracha natural e borracha sintética com base nas matérias-primas; e em borracha crua em bloco, látex, borracha líquida e borracha em pó com base na forma.
A borracha natural tem boa elasticidade, elevada resistência, boa resistência à flexão e boas propriedades de isolamento. Estas propriedades são incomparáveis com a borracha sintética. Por conseguinte, a borracha natural continua a ser o tipo de borracha mais importante. Também tem boa processabilidade, adesividade e capacidade de mistura.
Existem muitos tipos de borracha sintética, que podem ser classificados em borracha sintética de uso geral, borracha sintética de uso especial e outras borrachas sintéticas (tais como elastómeros termoplásticos, borracha em pó, borracha líquida, etc.) com base nas suas propriedades e utilizações. A borracha sintética de uso geral é normalmente utilizada para substituir a borracha natural no fabrico de pneus e de outros produtos de borracha comuns, como o estireno-butadieno, o butadieno, o cloropreno, o butilo, o poli-isopreno, o etileno-propileno e a borracha nitrílica.
A borracha sintética para fins especiais tem propriedades especiais, como a resistência ao frio, ao calor e ao óleo, e é utilizada para fabricar produtos de borracha para condições específicas, como o polietileno clorossulfonado, o polietileno clorado, a borracha de silicone, a borracha fluorada, o acrilato, a epicloridrina e a borracha de polissulfureto.
As fibras são materiais poliméricos delgados com uma elevada relação comprimento/diâmetro e uma certa flexibilidade. As fibras são classificadas em fibras sintéticas orgânicas, fibras inorgânicas e fibras naturais. As fibras inorgânicas incluem as fibras metálicas, as fibras de carbono, as fibras à base de silício e as fibras minerais. As fibras naturais incluem as fibras vegetais (como o cânhamo e o algodão) e as fibras animais (como a lã e o pelo de camelo).
As principais fibras sintéticas são o poliéster, a poliamida e o poliacrilonitrilo. As fibras de poliamida, também conhecidas como nylon, eram originalmente uma marca registada da DuPont. Caracterizam-se pela sua resistência, elevada elasticidade e leveza, sendo cerca de metade utilizada no vestuário e metade na produção industrial.
A fibra de poliéster, também conhecida como dacron, é a fibra sintética mais produzida, com cerca de 90% utilizadas para vestuário e apenas cerca de 6% para produção industrial. As fibras de poliacrilonitrilo incluem homopolímeros e copolímeros de acrilonitrilo, com cerca de 70% utilizados para vestuário e apenas cerca de 5% para produção industrial.
Os materiais compósitos são materiais compostos por dois ou mais componentes em fase sólida numa forma microscópica ou macroscópica, possuindo novas propriedades diferentes das suas substâncias constituintes.
Têm uma elevada resistência específica à tração e um módulo de tração específico (ver Figura 3); as suas propriedades podem ser concebidas e são fáceis de formar em componentes estruturais; têm características anisotrópicas e não uniformes. Os materiais compósitos são classificados em materiais compósitos estruturais e materiais compósitos funcionais com base na sua utilização.
Os materiais compósitos estruturais são utilizados principalmente como estruturas de suporte de carga, compostas por componentes de reforço (como vidro, cerâmica, carbono, polímeros, metais, fibras naturais, tecidos, bigodes, folhas e partículas) que podem suportar cargas e componentes de matriz (como resinas, metais, cerâmica, vidro, carbono e cimento) que ligam os componentes de reforço num material integral e também transmitem forças.
Os materiais compósitos estruturais são geralmente classificados com base na matriz em compósitos de matriz polimérica, compósitos de matriz metálica, compósitos de matriz cerâmica, compósitos de matriz de carbono e compósitos de matriz de cimento.
Os materiais compósitos funcionais referem-se a materiais compósitos que proporcionam outras propriedades físicas, químicas, biológicas e outras, para além das propriedades mecânicas, incluindo materiais piezoeléctricos, condutores, furtivos ao radar, magnéticos permanentes, fotocrómicos, de absorção do som, retardadores de chama e bioabsorvíveis, entre outros, com amplas perspectivas de desenvolvimento.
No futuro, a proporção de materiais compósitos funcionais excederá a de materiais compósitos estruturais, tornando-se a corrente principal do desenvolvimento de materiais compósitos. Muitos materiais compósitos funcionais já foram desenvolvidos e alguns foram aplicados, tais como materiais piezoeléctricos compósitos, materiais condutores e supercondutores, materiais magnéticos, materiais de amortecimento, materiais de fricção e desgaste, materiais de absorção de som, materiais furtivos e de absorção de ondas, e vários materiais transdutores sensíveis.
Os principais domínios de aplicação dos materiais compósitos incluem a indústria aeroespacial, a indústria energética, a indústria automóvel, a indústria química, o fabrico de têxteis e máquinas, os dispositivos médicos, o equipamento desportivo e os materiais de construção.
No domínio aeroespacial, devido à boa estabilidade térmica, à elevada resistência específica e à elevada rigidez específica dos materiais compósitos, estes podem ser utilizados para fabricar asas e corpos dianteiros de aeronaves, antenas de satélite e respectivas estruturas de suporte, asas e invólucros de células solares, invólucros de grandes veículos de lançamento, invólucros de motores e componentes estruturais de vaivéns espaciais.
Atualmente, os materiais compósitos representam apenas 50% do peso total das aeronaves comerciais (ver Figura 4), enquanto alguns helicópteros já atingiram 90%. Os Países Baixos tencionam desenvolver um novo tipo de aeronave ecológica e amiga do ambiente, que se assemelhará à forma de um disco voador. Os materiais compósitos utilizados (como os plásticos reforçados com fibras) terão uma resistência comparável à dos metais, mas serão muito mais leves, poupando assim combustível (ver Figura 5).
Na indústria automóvel, devido às propriedades especiais de amortecimento de vibrações dos materiais compósitos, estes podem reduzir as vibrações e o ruído, têm boa resistência à fadiga, são fáceis de reparar após danos e são convenientes para a moldagem integral. Por conseguinte, podem ser utilizados para fabricar carroçarias de automóveis, componentes de suporte de carga, veios de transmissão, estruturas de motores e componentes internos.
Nos sectores químico, têxtil e de fabrico de máquinas, os materiais com boa resistência à corrosão, como os compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de carbono, podem ser utilizados para fabricar equipamento químico, máquinas têxteis, máquinas de papel, fotocopiadoras, máquinas-ferramentas de alta velocidade e instrumentos de precisão.
No domínio da medicina, devido às excelentes propriedades mecânicas e à não absorção de raios X dos compósitos de fibra de carbono, estes podem ser utilizados no fabrico de máquinas de raios X médicas e aparelhos ortopédicos. Os compósitos de fibra de carbono também têm biocompatibilidade e compatibilidade com o sangue, e boa estabilidade em ambientes biológicos, tornando-os adequados para utilização como materiais biomédicos.
Além disso, os materiais compósitos são utilizados no fabrico de equipamento desportivo e como materiais de construção. No Quadro 1 são apresentados exemplos de materiais compósitos avançados em aplicações de tecnologia energética.
Quadro 1 Exemplos da aplicação de materiais compósitos avançados na tecnologia energética
| Função | Componente | Materiais compósitos avançados |
| Nova energia | ||
| Produção de energia solar | Suporte da estrutura da célula solar | Matriz de fibra de carbono/resina |
| Produção de energia solar | Camada absorvente do permutador de calor | Função de absorção |
| Turbina eólica | Lâminas e corpo da torre | Matriz híbrida de fibra de carbono/resina |
| Energia nuclear | Rotor de centrifugadora de separação de isótopos nucleares | Matriz de fibra de carbono/resina |
| Energia nuclear | Tubo de revestimento de combustível nuclear | Fibra de carbono/carbono |
| Poupança de energia | ||
| Automóvel | Eixo rotativo, pistão do aro da roda | Matriz de fibra de carbono/resina |
| Automóvel | Biela e pino do pistão | Fibra de alumina/alumínio |
| Motor de turbina a gás | Lâmina da turbina | Matriz cerâmica e matriz metálica resistente a altas temperaturas |
| Armazenamento de energia | ||
| Bateria de chumbo-ácido de alta eficiência | Elétrodo | Fibra de carbono/chumbo |
| Bateria de lítio de alta energia | Eletrólito sólido | Função condutora de iões |
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