Introdução a Ciências dos Materiais

PLANO DE ESTUDOS

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Me. Luis Henrique de Souza

• Conhecer a importância dos materiais em nossas vidas e na evolução da humanidade e ter uma visão geral do ramo das ciências dos materiais.

• Apresentar as principais classes dos materiais e suas ca-racterísticas gerais.

• Introduzir a ideia de materiais cristalinos, sistemas crista-linos e redes de Bravais.

Perspectiva Histórica

Classificação dos Materiais

Estruturas Cristalinas dos Materiais

Introdução a Ciências dos Materiais

Perspectiva Histórica

Antes de iniciarmos a nossa aventura no mundo dos materiais, é importante que você tenha uma perspectiva histórica sobre as ciências dos mate-riais, essa perspectiva será apresentada a seguir, no decorrer deste tópico. Além disso, vamos definir o que são as ciências dos materiais, para deixá-lo(a) mais confortável com o assunto.

Desde o início das civilizações, os materiais e a energia são utilizados para melhorar a vida dos seres humanos; por essa razão, eles estão in-timamente ligados à existência e à evolução da humanidade e acompanharam essas civilizações no decorrer de todo o seu desenvolvimento desde a pré-história, na Idade da Pedra, quando nossos ancestrais lascavam pedras para produzir armas de caça; passando pela Idade do Bronze, na qual foi desenvolvida a base da metalurgia com as ligas de cobre e estanho na produção de armas superiores; até os dias atuais, com a produção de superligas, grafeno, entre outros (SHACKELFORD, 2013).

15UNIDADE 1

Para que você possa perceber a importância dos materiais para a humanidade, imagine a sua vida sem alguns deles, por exemplo, o plástico, o cimento, o vidro, o alumínio e o papel. É impossível imagi-nar tal situação, não é? Isso deixa claro que os materiais estão presentes em todos os setores de nossas vidas, seja na habitação, transporte, comunicação, indústria ou, ainda, no lazer.

A produção e a transformação desses materiais em bens acabados representa uma das atividades mais importantes da economia moderna. Todo o conhecimento adquirido ao longo da nossa evolução acerca dos materiais tornou possível o desenvolvimento de uma variedade enorme de materiais e moldagem das propriedades desses materiais de acordo com o interesse e a necessidade da sociedade (SMITH; ROSA, 1998; CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).

Ciência e Engenharia dos Materiais

O estudo da estrutura de um material pode ser realizado em quatro níveis diferentes. O primeiro é o nível subatômico que estuda o átomo indi-vidualmente e o comportamento de seu núcleo e elétrons. O segundo nível é o nível atômico, que estuda a interação entre vários átomos e a formação de ligações e moléculas. O terceiro nível é o microscópico, que corresponde aos ar-ranjos atômicos e moleculares e a formação de estruturas cristalinas, moleculares e amorfas. Por fim, o nível macroscópico relacionado ao com-portamento do material em serviço.Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2013).

A ciência e engenharia de materiais é um cam-po de conhecimento interdisciplinar, que trata do estudo e manipulação da composição e es-trutura dos materiais, com o intuito de controlar as propriedades destes por meio da síntese e do processamento para a produção de bens de uso e consumo. A ciência dos materiais tem como obje-tivo o estudo da estrutura interna, das proprieda-des e do processamento dos materiais, enquanto a engenharia dos materiais dedica-se à aplicação destes conhecimentos de modo a transformar os materiais em produtos úteis e/ou necessários à sociedade; entretanto, não existe uma linha es-tritamente definida separando esses dois ramos (SMITH; ROSA, 1998). Neste livro, serão abor-dados tanto aspectos da ciência quanto da enge-nharia dos materiais.

Na ciência e engenharia dos materiais, o termo composição refere-se à constituição química do material, ou seja, aos átomos, moléculas ou íons que constituem esse material. Já o termo estrutura refere-se à forma como esses átomos, moléculas ou íons se organizam (arranjam) para a formação do material. Outros termos utilizados nesse âmbito são: o termo síntese, que se refere ao modo e às subs-tâncias químicas necessárias para a produção de um material específico, e o termo processamento, que remete ao modo como os materiais sintetizados são transformados em bens de uso e consumo com propriedades adequadas a cada finalidade (ASKELAND; WRIGHT, 2015).

16 Introdução a Ciências dos Materiais

É importante saber que, quando falamos de ma-teriais, devemos ter em mente que toda matéria é um material em potencial, dependendo apenas que suas propriedades (ópticas, mecânicas, elétricas etc.) confiram-lhe alguma função especifica (ZAR-BIN, 2007). Além disso, o desempenho do material em uma aplicação é um fator determinante em projetos. Portanto, pode-se notar que a ciência dos materiais está embasada em quatro pilares: a sín-tese e processamento; a composição e estrutura; as propriedades; e o desempenho (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).

Em resumo, a partir da ciência e engenharia dos materiais, é possível compreender a natureza dos materiais e aplicar conceitos fundamentais e empíricos que possibilitam relacionar a estrutu-ra dos materiais, suas diversas propriedades e o seu comportamento para a transformação desses materiais em produtos.

17UNIDADE 1

Os materiais, por razões de conveniência, são se-parados em classes com base na sua constituição, arranjo de seus átomos e suas propriedades. Essas classes, ou grupos, são:

• Metais ou materiais metálicos.• Cerâmicas ou materiais cerâmicos.• Polímeros ou materiais poliméricos.• Compósitos ou materiais compósitos.

Cada uma dessas classes possui materiais com estruturas e propriedades diferentes das outras classes. A seguir, vamos conhecê-las e entender suas características gerais.

Metais

Os materiais pertencentes à classe dos metais são substâncias inorgânicas, constituídos por um ou mais elementos químicos metálicos, podendo con-ter elementos não metálicos em sua composição. Dentre os materiais metálicos mais usuais estão o aço, o ferro, o magnésio, o cobre, o alumínio, a prata, o bronze, o titânio, o ouro etc. Além disso, dentro da

Classificação dos Materiais


classe dos materiais metálicos, também existem as ligas metálicas, que são formadas pela mistura de um metal com um ou mais metais ou não metais, alguns exemplos de materiais não metálicos que podem estar presentes em ligas metálicas são o carbono, nitrogênio e oxigênio (ASKELAND; WRIGHT, 2015).

A ligação do tipo iônica é uma ligação que ocorre entre dois íons de cargas opostas, um cátion e um ânion, enquanto a ligação covalente é um tipo de ligação em que ocorre o compartilhamento de elétrons entre os átomos envolvidos. Por fim, a ligação metálica é aquela que ocorre entre dois átomos de metais e, nessa ligação, todos os átomos envolvidos perdem elétrons de suas camadas mais externas, e esses elétrons se deslocam com grande mobilidade entre essas camadas, formando uma nuvem eletrônica (também conhecida como “mar de elétrons”).Fonte: adaptado Callister Jr. e Rethwisch (2013).

Alguns exemplos comuns, feitos de materiais metálicos, presentes no nosso dia a dia, podem ser vistos na Figura 1.

Figura 1 - Objetos comuns feitos de metal e ligas metálicas

Eles possuem alto nível de organização espacial no arranjo de seus átomos, definido pelo termo “es-trutura cristalina”. Em função dessa estrutura atômica organizada, os metais possuem boa resistência mecânica, ductilidade, alta rigidez, resistência a choques e podem ser deformados sob a ação de forças externas. Além disso, são bons condutores de eletricidade e de calor, devido às suas ligações metálicas. Apesar dos metais puros serem pouco utilizados, as ligas possuem diversas aplicações, uma vez que elas permitem combinações de propriedades melhores que os metais puros. Na fabricação de joias, por exemplo, o ouro puro não é utilizado, pois ele é um material muito macio; para resolver esse problema, os ourives misturam o ouro com cobre, com a finalidade de melhorar a sua resistência mecânica para que a joia não seja danificada facilmente (ASKELAND; WRIGHT, 2015).

19UNIDADE 1

Cerâmicas

A palavra cerâmica, na linguagem do dia a dia, tem um significado diferente do que tem nas Ciências dos Materiais. Na linguagem popular, cerâmicas são os objetos feitos de porcelana ou louça; no âmbito das Ciências dos Materiais, a palavra “cerâmicas” tem uma abrangência muito maior.

As cerâmicas são constituídas por elementos químicos metálicos e não metálicos que se ligam por meio de ligações covalentes e iô-nicas. O óxido de alumínio, ou alumina, é um exemplo de material cerâmico composto por alumínio, que é um metal, juntamente com o oxigênio, um não metal, cuja fórmula química é Al2O3. Outros exemplos de materiais cerâmicos comuns são o dióxido de silício (ou sílica, SiO2), dióxido de zircônio (ou zircônia, ZrO2), carbeto de silício (SiC) e nitreto de silício (Si3N4).

Na Figura 2, podemos ver alguns objetos feitos de materiais cerâmicos.

Figura 2 - Objetos comuns feitos de materiais cerâmicos

Os materiais cerâmicos são duros, possuem rigidez e resistência comparadas às dos metais, entretanto, são frágeis, ou seja, apresentam baixa resistência a esforços de tração, torção, flexão etc. Contudo, as cerâmicas são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes severos do que os polímeros e os me-tais, e são materiais tipicamente isolantes térmicos e elétricos (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).

No âmbito de ciência dos materiais, dureza é a uma das características dos materiais que está inti-mamente vinculado com a ligação dos átomos que formam esse material. A grosso modo, a dureza pode ser entendida como a facilidade que um material tem de riscar ou penetrar em outro.Fonte: Durocontrol (2016, on-line)1.

Os usos mais comuns das cerâmicas são na produção de tijolos, vasos sanitários, refratários, entre outros. Já as cerâmicas avançadas são aplicadas na produção das estruturas de chips de computadores, capacitores, velas de ignição de automóveis, indutores elétricos etc. (ASKELAND; WRIGHT, 2015).

A indústria moderna é altamente dependente dos metais, uma vez que seu uso ocorre em uma excep-cional diversidade de segmentos, desde a indústria automotiva à microeletrônica.


Polímeros

A classe dos polímeros é um ramo de produtos da química orgânica, formados, principalmente, por carbono e hidrogênio, podendo conter outros elementos não metálicos. O processo de produção dos polímeros é conhecido como polimerização. Os polímeros são moléculas de cadeia longa, for-mados pela união de várias (poli) unidades me-nores (meros). O polietileno (C2H4)n é um exem-plo de polímero formado apenas por carbono e hidrogênio, pela união de 100 até 1000 moléculas de etileno (C2H4). Entretanto, além do carbono e hidrogênio, os polímeros podem conter oxigê-nio, como o acrílico, nitrogênio, poliamidas ou náilons, flúor, fluorocarbonos, silício e silicones.

A seguir, são apresentados, na Figura 3, alguns objetos feitos de polímeros.

Em geral, os materiais poliméricos possuem grande ductilidade e tem baixa densidade. Além disso, esses materiais são isolantes elétricos, não magnéticos e, alguns polímeros, são altamente resistentes a produtos químicos corrosivos. Suas desvantagens estão no fato de serem menos resistentes a defor-mações que os metais, e de amolecer e/ou se decompor em temperaturas moderadas; contudo, mesmo com essas limitações, eles ainda são uma opção altamente versátil e útil.

O avanço das tecnologias, na última década, no desenvolvimento de compostos poliméricos, tem permitido a produção de polímeros com resistência e rigidez altas o suficiente para substituir alguns metais em aplicações estruturais comuns em projetos (SHACKELFORD, 2013).

Compósitos

Os compósitos são formados pela combinação entre os materiais das classes apresentadas anteriormente (metais, cerâmicas e polímeros). Essa união conduz a um material com propriedades superiores aos dos componentes separadamente.

Existem vários tipos de compósitos, formados por diferentes combinações entre metais, cerâmicas e polímeros, a maior parte deles e feita pelo homem; contudo, alguns materiais de ocorrência natural também são considerados compósitos, como é o caso do osso e da madeira.

Um dos compósitos mais famosos é a fibra de vidro, constituída de pequenas fibras de vidro em-butidas no interior de uma matriz polimérica. A união das fibras de vidro, material resistente e rígido (porém frágil) com a matriz polimérica, material dúctil e flexível (porém fraco) resulta em um material compósito flexível, dúctil, resistente e relativamente rígido (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).

Figura 3 - Objetos comuns feitos de polímeros

21UNIDADE 1

A partir dos compósitos, é possível obtermos materiais leves, robustos, dúcteis e resistentes a altas temperaturas ou mesmo produzirmos ferramentas de corte, duras e resistentes a choques, que fratu-rariam se fossem feitas com outros materiais (ASKELAND; WRIGHT, 2015).

Na Tabela 1, pode-se observar alguns exemplos de materiais pertencentes aos grupos apresentados anteriormente, suas aplicações e suas propriedades.Tabela 1 - Aplicações e propriedades dos materiais

Classes Exemplos de aplicações Propriedades

Metais e Ligas

Cobre Fios elétricosAlta condutividade elétrica,boa conformabilidade

Ferro fundido cinzento Blocos de motores para automóveis Fundibilidade, usinabilidade, amor-tecimento de vibrações

Aços especiais Ferramentas, chassis de automóveis Endurecibilidade por tratamento térmico

Cerâmicas e vidros

SiO2-Na2O-CaO Vidro para janelas Transparência ótica, isolamento térmico

Al2O3, MgO, SiO2Refratários (revestimento resistente ao calor para fornos de fusão)

Isolamento térmico, refratarieda-de, inércia química

Titanato de bário Capacitores para microeletrônica Grande capacidade de armazena-mento de cargas elétricas

Sílica Fibras óticas para a tecnologia da informação

Índice de refração adequado, bai-xas perdas óticas

Polímeros

Polietileno Embalagens para alimentosFacilidade de ser moldado para produzir filmes finos, flexibilidade e hermetismo

Resinas de epóxi reforçada com fibras de carbono

Encapsulamento de circuitos inte-grados

Isolante elétrico e resistência à umidade

Resinas fenólicas Adesivos para união de camadas de compensado Resistência mecânica e à umidade

Compósitos

Resina epóxi reforçada com fibras de carbono Componentes para aviação Elevada razão resistência-peso

Metal duro (liga de cobalto reforçada com carbeto de tungstênio)

Ferramentas de corte para usina-gem

Elevada dureza conjugada com boa resistência a choques

Aço revestido com titânio Vasos para reatoresBaixo custo e associação de alta resistência do aço com a elevada resistência à corrosão do titânio

Fonte: adaptada de Askeland e Wright (2015).


Materiais avançados

Os materiais avançados são materiais que são aplicados na produção de componentes ou dis-positivos de alta tecnologia, cujo funcionamento possui princípios intrincados ou sofisticados. Os materiais dessa categoria pertencem às classifica-ções descritas anteriormente e devemos entender o termo “alta tecnologia” como sendo relacionado a produtos e dispositivos, por exemplo, equipa-mentos eletrônicos, computadores, aeronaves, sistemas de fibras ópticas, equipamentos médi-cos etc.

Semicondutores

Os semicondutores são materiais com proprieda-des elétricas intermediárias entre os condutores (metais) e os isolantes (polímeros e cerâmicas). Além disso, as propriedades elétricas desses ma-teriais são extremamente sensíveis a pequenas concentrações de átomos de impurezas presentes em sua composição.

O controle das concentrações de impurezas em regiões definidas do material permite con-trolar a condutividade elétrica nessas regiões do material, possibilitando sua aplicação em compo-nentes como, por exemplo, circuitos eletrônicos integrados.

Os semicondutores são, geralmente, feitos de silício, germânio e arsenato de gálio. Ao longo das últimas décadas, os semicondutores revoluciona-ram a indústria de eletrônicos e de computadores, em decorrência de suas propriedades elétricas diferenciadas (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013). Voltaremos a falar sobre os materiais semi-condutores mais adiante, na Unidade 7.

Biomateriais

Os biomateriais são materiais pertencentes às classes de materiais anteriores (metais, polímeros, cerâmicas e semicondutores). Esses materiais são utilizados na área da saúde para as mais diversas finalidades, entre elas dispositivos biomédicos (biosensores, tubos de circulação, sistemas de he-modiálise), materiais implantáveis (suturas, subs-titutos ósseos, lentes, dentes, válvulas cardíacas), órgãos artificiais (pulmões, coração, rim, pele), curativos, dentre outros.

Devido à finalidade desses materiais, eles de-vem ser materiais não tóxicos, pois eles entram em contato com sistemas biológicos. Além disso, eles devem ser compatíveis com os tecidos do corpo, uma vez que muitos deles são implanta-dos como substitutos a órgãos e tecidos danifi-cados do corpo humano (PIRES; BIERHALZ; MORAES, 2015).

Dentre os materiais metálicos, o titânio e suas ligas, por exemplo, têm sido usado por décadas na fixação de fraturas e reconstrução de articulações por ser resistente à corrosão, biocompatível e pela indução do crescimento ósseo (bioadesão). Além disso, alguns tipos de ligas de cobre são aplicados para artroplastia total de quadril, que consistem em uma haste femoral conectada a uma cabeça modular sujeita à articulação com o componente acetabular.

Já os materiais cerâmicos bioinertes possuem aplicações biomédicas, principalmente nas áreas de ortopedia e odontologia, com grande represen-tatividade de compostos, como a alumina (Al2O3), zircônia (ZrO2) e zircônia estabilizada com óxido de ítrio (ZrO2(Y2O3)), devido à sua capacidade de não reagir com o tecido adjacente, resistência à corrosão, grande resistência ao desgaste e alta re-sistência mecânica (BIOFABRIS, [2019], on-line)2.

23UNIDADE 1

Magnéticos

A palavra magnetismo está associada ao fenômeno de atração que um material exerce sobre outro material. Sendo assim, os materiais magnéticos são materiais com a capacidade de exercer uma força de atração ou repulsão sobre outros materiais.

Alguns materiais são capazes de se manterem magnetizados mesmo na ausência de um campo magnético, eles são chamados de ferromagnéticos; outros materiais apresentam propriedades mag-néticas apenas na presença de um campo magnético atuante.

Um exemplo de material ferromagnético é o imã em barra, apresentado na Figura 4a, que exibe dois polos identificados (norte-sul); para um imã reto e um imã em formato de U, na Figura 4b, são visuali-zadas as linhas de campo formadas pela limalha de ferro quando submetida a esses dois tipos de imãs.

Ímã de barra

Ímã em ferradura

a)

b)

Figura 4 - a) Representação das linhas de campo de um imã; b) O efeito do imã sobre a limalha de ferro


Os materiais magnéticos possuem aplicações variadas, desde pequenos imãs para fechar portas de armários, até componentes sofisticados utilizados na indústria de eletrônicos (RODRIGUEZ, 1998). Os materiais magnéticos serão vistos com maior detalhamento na Unidade 8.

Nanotecnológicos

Os materiais nanotecnológicos são diferenciados em relação ao seu tamanho a nível nano, ou seja, suas partículas possuem dimensões da ordem de nanômetros (10-9 metros). O estudo desses ma-teriais é chamado de nanotecnologia. Eles são de grande expectativa tecnológica, devido às suas características fascinantes e, por essa razão, ga-nharam significativa importância a partir do final do século XX, com aplicações em nichos, como eletrônica, biomedicina, esportes, produção de energia, entre muitos outros.

As propriedades dos materiais que conhece-mos são fortemente dependentes do tamanho das partículas que compõem esses materiais; dessa forma, podemos modificar as propriedades de um determinado material por meio do controle do tamanho e da forma de suas partículas cons-tituintes e, com isso, obter novas possibilidades de aplicação para o mesmo material.

Portanto, a partir da nanotecnologia, materiais opacos podem se tornar transparentes em escala nanométrica, alguns sólidos tornam-se líquidos, isolantes elétricos tornam-se condutores etc. Então, tornou-se possível modificar propriedades físicas e químicas dos materiais pertencentes a todas as classes de materiais (metais, cerâmicas, polímeros, compósitos) somente controlando o tamanho e o formato de suas partículas, sem a necessidade de alterar sua composição química (ZARBIN, 2007).

A Figura 5, a seguir, mostra a estrutura dos nanotubos de carbono produzidos a partir da na-notecnologia aplicada aos materiais. Esse material possui um vasto campo de aplicações, por exemplo, na fabricação de suportes para catalisadores, puri-ficação e descontaminação de águas, em baterias de íons de lítio, sensores e biosensores, entre muitas outras aplicações (ZARBIN; OLIVEIRA, 2013).

Tenha sua dose extra de conhecimento assistindo ao vídeo. Para acessar, use seu leitor de QR Code.

Figura 5 - Representação tridimensional da estrutura de um nanotubo de carbono

https://apigame.unicesumar.edu.br/getlinkidapp/3/539

25UNIDADE 1

É fundamental conhecer o arranjo estrutural dos átomos na formação dos materiais, uma vez que esse arranjo determina muitas das propriedades desses materiais. Para melhor aproveitamento deste conteúdo, vamos introduzir alguns concei-tos importantes, como o de estrutura cristalina, rede cristalina e célula unitária. Além disso, devemos saber que os átomos são formados por um núcleo, com prótons e nêutrons, cercado por elétrons que circulam ao redor desse núcleo. Para a finalidade de descrever os arranjos nos sólidos, adotaremos um sistema no qual os átomos que compõem um material serão considerados esferas rígidas, como bolas de pingue-pongue.

• Rede cristalina: é um conceito matemá-tico e infinito em extensão. Em outras pa-lavras, uma rede cristalina é um conjunto de pontos dispostos de acordo com um padrão periódico, ou seja, um arranjo tri-dimensional de pontos cuja vizinhança é idêntica. Portanto, essas redes são os esque-letos sobre os quais as estruturas cristalinas dos materiais são formadas e os átomos ou grupo de átomos estão posicionados nos pontos dessa rede ou próximos a eles.

Estruturas Cristalinas dos Materiais


• Estrutura cristalina: é a estrutura forma-da pelo arranjo dos átomos, íons ou mo-léculas quando se organizam na formação de um material. Os cristais formados nesse processo podem ter as mais variadas for-mas, desde estruturas mais simples – para os metais – até estruturas complexas – para algumas cerâmicas e polímeros.

• Célula unitária: nos sólidos cristalinos, pe-quenos grupos de átomos se organizam de maneira periódica na formação da estrutura cristalina de um material; por essa razão, é conveniente e prático dividir a estrutura cris-talina nessas unidades menores e repetitivas, que são denominadas células unitárias.

A célula unitária é o bloco estrutural básico, ou bloco construtivo da estrutura cristalina, que ainda mantém as características gerais da rede, portanto é possível descrever a estrutura cris-talina de um sólido cristalino conhecendo sua célula unitária.

As células unitárias são, na maioria das vezes, paralelepípedos ou prismas. Na Figura 6, a seguir, podemos observar a célula unitária na forma de esferas reduzidas para alguns materiais comuns, que são o sal de cozinha, o diamante, o gelo seco e o ferro metálico, todos com estrutura cúbica.

IônicoSal de Cozinha – NaCl

AtômicoDiamante – C

MolecularGelo seco – CO

MetálicoFerro metálico - Fe2

Figura 6 - Células unitárias de alguns materiais comuns

27UNIDADE 1

Sistemas Cristalinos

Como existem diversas estruturas cristalinas diferentes, é conveniente agrupá-las de acordo com a configuração de suas células unitárias. O enfoque mais utilizado é fundamentado somen-te na geometria da célula unitária, sem levar em consideração as posições dos átomos nela.

Além disso, para que seja possível a aplicação desse enfoque, definimos um sistema de coorde-nadas cartesianas xyz, com a origem posicionada em um dos vértices da célula unitária, e com cada um dos eixos, x, y e z, coincidindo com uma das arestas do paralelepípedo e estendendo-se a partir do vértice de origem.

A Figura 7 representa uma célula unitária ge-nérica de um material qualquer; nela, os parâme-tros a, b, c, α, β e γ apresentados são denominados parâmetros de rede cristalina ou simplesmente parâmetros de rede, onde a, b e c são os compri-mentos das arestas que compõem a célula unitá-ria e α, β e γ são os ângulos formados entre essas arestas. Por convenção, o eixo x está relacionado com a aresta de comprimento a, o eixo γ está rela-

cionado com a aresta de comprimento b, e o eixo z está relacionado com a aresta de comprimento c, como mostrado na Figura 7.

bx

y

z

a

c

β α

γ

Existem sete combinações possíveis para os parâmetros a, b, c, α, β e γ, cada combinação dá origem a uma geometria diferente para a célula unitária. Essas geometrias são denominadas sistemas cristalinos. Os sete sistemas cristalinos são os sistemas cúbico, tetragonal, hexagonal, ortorrômbico, romboédrico, monoclínico e triclínico.

Na Figura 8, podemos verificar as relações para os parâmetros de rede, assim como as representações para as células unitárias de cada um dos sete sistemas cristalinos.

Figura 7 - Esquematização de uma célula unitária genérica e seus parâmetros de redeFonte: adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2013).


a aa

a a a

c

c aa

c ab

a aa

b

βa

c

b

β

a

c α

γ

Cúbico a = b = c

a = b ≠ c

a = b ≠ c

a = b = c

a ≠ b ≠ c

a ≠ b ≠ c

a ≠ b ≠ c

α = β = γ = 90°

α = β = 90°, γ = 120°

α = β = γ = 90°

α = β = γ ≠ 90°

α = β = γ = 90°

α = γ = 90° ≠ β°

α ≠ β ≠ γ ≠ 90°

Hexagonal

Tetragonal

Ortorrômbico

Romboédrico(Trigonal)

Monoclínico

Triclínico

b

β

a

c α

γγγ

a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90°Triclínico

c ab

a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90°Ortorrômbico

c aa

a = b ≠ c α = β = γ = 90°Tetragonal

a aa

Cúbico a = b = c α = β = γ = 90°

SistemaCristalino

RelaçõesAxiais

Ângulos entreos Eixos

Geometria daCélula Unitária

Figura 8 - Representação e caracterização dos parâmetros da célula unitária para os sete sistemas cristalinosFonte: adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2013).

29UNIDADE 1

Dentro dos sete sistemas cristalinos, as estruturas cristalinas podem se organizar em 14 formas únicas de arranjo dos pontos em sua rede cristalina. Esses arranjos tridimensionais únicos dos pontos da rede cristalina são denominados redes de Bravais – nome concedido em homenagem ao cristalógrafo francês Auguste Bravais (1811-1863). A seguir, podemos visualizar as 14 redes de Bravais na Figura 9 (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).

aa

a de face centrada

de face centrada

de corpo centrado

Cúbico

Tetragonal Hexagonal

Ortorrômbico

Monoclínico Triclínico

Romboédrico

aa

a

c

c

a

b

� ��

α

b

βc α

γ

de corpo centrado

a

a

a

b

β

ac β

a

Figura 9 - Representação das 14 redes de BravaisFonte: adaptada de Centro de Informação Metal Mecânica ([2019], on-line)3.

Redes de Bravais


Polimorfismo e alotropia

Quando estudamos os materiais, não podemos deixar de mencionar um fenômeno conhecido como polimorfismo; esse fenômeno ocorre, principalmente, em metais e alguns ametais. O polimorfismo acontece quando um material possui mais do que uma estrutura cristalina, e esta que prevalece é depen-dente da temperatura e pressão às quais o material é submetido. Em sólidos elementares, ou seja, em um material formado apenas por um elemento químico, o mesmo fenômeno recebe o nome de alotropia.

Na Figura 10, a seguir, vemos quatro formas alotrópicas do carbono, ou seja, quatro arranjos cris-talinos diferentes dos átomos de carbono e, por consequência, quatro compostos com propriedades distintas, formados somente por carbono.

Geralmente, as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças nas propriedades físicas do material, por exemplo, na massa específica. Um outro exemplo de alotropia acontece com o estanho branco, que possui uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado nas condições ambiente; porém, quando submetido à temperatura de 13,2 °C, transforma-se em estanho cinza, que possui uma estrutura cristalina cúbica (semelhante à do diamante). A velocidade com que a transfor-

Gra�te Diamante

Fulereno Grafeno

Gra�te Diamante

Fulereno Grafeno

Figura 10 - Exemplos de compostos alotrópicos do carbono

31UNIDADE 1

mação ocorre é extremamente lenta, contudo, e conforme a temperatura diminui abaixo de 13,2 °C, mais rapidamente a transformação acontecerá (Callister JR.; RETHWISCH, 2013).

Nesta primeira unidade do nosso livro da disciplina de Ciências dos Materiais, apresentamos a você, caro(a) aluno(a), uma breve perspectiva histórica sobre as ciências dos materiais para que pudéssemos entender qual a importância desta disciplina no desenvolvimento da humanidade, desde os tempos antigos até a atualidade.

Além disso, foram abordados conceitos importantes sobre o que são as ciências dos materiais e, em seguida, foi introduzida a classificação dos materiais em metais, cerâmicas, polímeros e compósitos, além de uma abordagem dos materiais avançados, semicondutores, nanomateriais, magnéticos e bio-materiais, apontando suas características principais e exemplos mais comuns de cada classe.

Encerramos a Unidade 1 com uma introdução à estrutura cristalina dos materiais, onde vimos que os átomos, molécula ou íons que formam os materiais podem se arranjar de várias formas, dando origem aos sistemas cristalinos.

Gra�te Diamante

Fulereno Grafeno

Gra�te Diamante

Fulereno Grafeno

32

Você pode utilizar seu diário de bordo para a resolução.

1. A rede cristalina é o arranjo cristalino in-finito, tridimensional de pontos, no qual cada ponto possui vizinhanças idênti-cas. Também sabe-se que essa rede cristalina possui os pontos chamados de nós, que podem estar arranjados de 14 diferentes formas, conhecidas como redes de Bravais. A seguir, é apresen-tada a célula unitária do enxofre; com base nos conhecimentos sobre siste-mas cristalinos e redes de Bravais, jul-gue as afirmativas apresentadas sobre o sistema cristalino e o nome da estrutura para a célula unitária apresentada.

Sabendo que os parâmetros de rede são: a = 1 nm; b = 1,3 nm; c = 2,4 nm; α = β = γ = 90°, analise as afirmativas a seguir:

I) Sistema ortorrômbico.

II) Estrutura tetraédrica de corpo centrado.

III) A célula unitária possui todas as arestas iguais.

IV) Sistema hexagonal.

É correto apenas o que se afirma em:

a) I e II.

b) III e IV.

c) I e III.

d) Apenas I.

e) Apenas III.

bx

y

z

a

c

β α

γ

33

2. Os materiais sólidos podem ser classificados em quatro grandes grupos, são eles: metais, cerâmicas, polímeros e compósitos. A classificação destes mate-riais é, principalmente, baseada na estrutura atômica e em suas composições químicas; sendo assim, os materiais pertencentes a um grupo possuem cons-tituintes e propriedades diferentes em relação aos materiais pertencentes aos demais grupos.Com base nas características estruturais e nas propriedades dos materiais, analise as afirmações a seguir.

I) As propriedades dos materiais sólidos dependem da sua estrutura cristali-na, ou seja, da maneira pela qual os átomos, moléculas ou íons se arranjam espacialmente.

II) Os materiais metálicos e alguns materiais cerâmicos formam cristais quando se solidificam, ou seja, seus átomos se arranjam em um modelo ordenado e repetitivo chamado estrutura cristalina.

III) Os metais e suas ligas são substâncias inorgânicas constituídas apenas por elementos químicos metálicos. Dentre os materiais metálicos mais usuais, estão o magnésio, o cobre, o alumínio, a prata, o bronze, o titânio, o ouro, o aço, o ferro, entre outros.

IV) Os metais e suas ligas (como, por exemplo, o aço e o latão) são bons condu-tores de eletricidade e de calor, resistentes e, em determinadas condições, deformáveis, enquanto os materiais cerâmicos (porcelana, cimento) são duros e quebradiços.

É correto apenas o que se afirma em:

a) I e II.

b) I e IV.

c) II e III.

d) I, II e IV.

e) II, III e IV.

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3. Os materiais avançados são materiais de alto desempenho, sintetizados ou cujas características foram aprimoradas por alguma técnica de processamento. São materiais que podem pertencer à classe dos metais, cerâmica, polímeros ou compósitos e são utilizados em aplicações de alta tecnologia.

Tomando como base os materiais avançados, avalie as afirmativas a seguir.

I) Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos, por essa razão, esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano.

II) Os semicondutores são, geralmente, feitos de silício, germânio e arsenato de gálio, são materiais com propriedades elétricas intermediárias entre os condutores e os isolantes; além disso, as propriedades elétricas desses ma-teriais são extremamente sensíveis a pequenas concentrações de átomos de impurezas presentes em sua composição.

III) Nenhum material possui comportamento magnético naturalmente, esse comportamento magnético envolve a capacidade de exercer uma força de atração ou repulsão sobre outros materiais.

IV) A nanotecnologia aplicada as ciências dos materiais possibilita modificar as propriedades de um determinado material por meio do controle do tamanho e da forma de suas partículas constituintes, contudo, isso não possibilita novas aplicações para o mesmo material.

Estão corretas as alternativas:

a) Apenas I e II.

b) Apenas II e III.

c) Apenas III e IV.

d) Apenas II e IV.

e) Apenas I e IV.

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O material complementar apresenta uma breve discussão a respeito do grafeno, alótropo de carbono. Neste material, são apontadas algumas das características promissoras desse material, os desafios envolvidos no processo e os centros de pesquisas que trabalham no seu desenvolvimento.Para acessar, use seu leitor de QR Code.

WEB

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ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos Materiais. 3. ed. São Paulo: Editora Cengage Learning, 2015.

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PIRES, A. L. R.; BIERHALZ, A. C. K.; MORAES, Â. M. Biomateriais: tipos, aplicações e mercado. Química nova, On-line, v. 38, n. 7, p. 957-971, 2015. Disponível em: http://quimicanova.sbq.org.br/detalhe_artigo.asp?id=6262. Acesso em: 1 abr. 2019.

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1Em: http://www.durocontrol.com.br/blog/dureza/. Acesso em: 28 maio 2019.

2Em: http://biofabris.com.br/pt/biomateriais/. Acesso em: 28 maio 2019.

3Em: https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6414-empacotamen-to-atomico-dos-cristais-intro-ducao#.W43_pM4zqpp. Acesso em: 28 maio 2019.

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1. D.

A partir dos parâmetros da célula unitária, temos:

a ≠ b ≠ c ; γ = β = α = 90°

Na Figura 8, esses parâmetros representam um Sistema Ortorrômbico.

A afirmativa II está incorreta porque a estrutura é ortorrômbica, contudo, não há como determinar a estrutura ortorrômbica dentre as quatro possibilidades, pois nessa representação não temos os átomos apresentados.

A afirmativa III está incorreta porque a célula unitária não possui nenhuma aresta igual. E a afirmativa IV está incorreta porque o sistema é ortorrômbico.

2. D.

A afirmativa III está incorreta, pois os metais e suas ligas são substâncias inorgânicas constituídas por elementos químicos metálicos e podendo conter elementos não metálicos como o carbono, por exemplo. Dentre os materiais metálicos mais usuais estão o magnésio, o cobre, o alumínio, a prata, o bronze, o titânio, o ouro, o aço, o ferro entre outros.

3. A.

A afirmativa III está incorreta, pois alguns materiais possuem comportamento magnético naturalmente; esse comportamento magnético envolve a capacidade de exercer uma força de atração ou repulsão sobre outros materiais

A alternativa IV também está incorreta, pois a nanotecnologia aplicada as ciências dos materiais possibilita modificar as propriedades de um determinado material por meio do controle do tamanho e da forma de suas partículas constituintes e com isso obter novas possibilidades de aplicação para o mesmo material.

Introdução a Ciências dos Materiais

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