E se o futuro da engenharia não se resumir apenas a designs inovadores, mas também a materiais inovadores? Desde as fibras ópticas que revolucionam a transmissão de dados até aos materiais supercondutores que aumentam a eficiência energética, os últimos avanços nos materiais de engenharia estão a estabelecer novos padrões. Este artigo explora sete desses materiais, oferecendo informações sobre as suas propriedades e aplicações. Ao continuar a ler, obterá uma compreensão mais profunda da forma como estes materiais estão preparados para transformar as indústrias e a tecnologia tal como a conhecemos.
Os materiais avançados referem-se aos materiais recentemente investigados ou em desenvolvimento que possuem um desempenho excecional e funcionalidades especiais. Estes materiais são de importância primordial para o avanço da ciência e da tecnologia, particularmente nas indústrias de alta tecnologia e nas indústrias emergentes.
Este artigo apresenta uma breve introdução a alguns destes materiais de engenharia inovadores.
As fibras ópticas, abreviadamente designadas por fibras, são fibras ópticas utilizadas para transmitir informação luminosa. Como meio de transmissão de ondas luminosas, as fibras típicas são constituídas por um núcleo de elevado índice de refração e um revestimento com um índice de refração inferior. Em aplicações práticas, centenas ou mesmo milhares de fibras são combinadas num determinado tipo de estrutura de cabo.
Para a transmissão a longa distância, são necessários repetidores ópticos para restaurar os sinais luminosos que diminuem gradualmente durante a transmissão. As duas principais características das fibras ópticas são a perda de luz e a largura de banda de transmissão; a primeira determina a distância de transmissão, enquanto a segunda regula a capacidade de informação.
O desenvolvimento das fibras ópticas está atualmente centrado no aumento da distância não repetida, na redução das perdas e no avanço para comprimentos de onda superlongos e bandas de frequência ultra largas. Seguem-se alguns tipos de fibras ópticas que foram desenvolvidos e utilizados:
Atualmente, as fibras de comunicação são compostas principalmente por vidro de quartzo fundido de alta pureza. As fibras de quartzo são quimicamente estáveis, têm um pequeno coeficiente de expansão, uma excelente fiabilidade a longo prazo e recursos abundantes. No entanto, são um pouco frágeis e a redução adicional da perda de luz é limitada.
O material do núcleo das fibras de plástico pode ser polimetacrilato de metilo (PMMA) e poliestireno (PS), com materiais de fibra de cobertura que podem ser fluororesina em PMMA ou material PMMA em PS. As fibras de plástico têm muitas vantagens, tais como excelente flexibilidade, elevada resistência à rutura, peso leve, baixo custo e processamento simples.
No entanto, devido à elevada perda de transmissão, as suas aplicações concentram-se sobretudo na transmissão de energia e de informação de imagem a curta distância.
A fibra de vidro composta de sulfureto mais típica é o sistema As-S, que tem um elevado ponto de fusão e boa processabilidade.
As fibras de cristal de halogenetos incluem CsBr e CrI monocristalinos e TiBrI policristalino, entre outros. As fibras de cristal demonstram baixas perdas numa ampla largura de banda de comprimento de onda de 1 a 10 μm e podem ser utilizadas para a transmissão de laser de gás CO.
Os materiais promissores para as fibras infravermelhas de perda ultra-baixa atualmente em estudo incluem o vidro de silicato de fluoreto de zircónio (háfnio), o vidro de aluminato de fluoreto e o vidro de fluoreto composto principalmente por óxido de tório e fluoretos de terras raras.
Entre eles, o vidro de silicato de zircónio (háfnio) é considerado o material mais promissor para fibras de comunicação de longo comprimento de onda, com características como uma ampla gama de comprimentos de onda de baixa dispersão e boa processabilidade.
As fibras ópticas podem ser utilizadas para a transmissão de informações informáticas, permitindo o estabelecimento de redes informáticas flexíveis, de alta velocidade e em grande escala para a recuperação de dados, transacções de contas bancárias, contratos de futuros e, potencialmente, transmissão de imagens holográficas a longa distância. Podem também ser utilizadas para transmitir lasers de alta intensidade e fabricar sensores de fibra ótica, entre outras aplicações.
Em 1911, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes descobriu um desaparecimento súbito da resistência do mercúrio à temperatura do azoto líquido, 4,2K. Este fenómeno é conhecido por supercondutividade e os materiais que o apresentam são designados por supercondutores.
O estado em que um supercondutor passa a ter resistência zero é designado por estado supercondutor. A temperatura à qual a supercondutividade aparece é definida como a temperatura crítica, denotada como T, e é medida em Kelvin (K), a escala de temperatura termodinâmica.
Mais tarde, verificou-se que, se um supercondutor for arrefecido num campo magnético, no ponto em que a resistência do material desaparece, as linhas do campo magnético são expulsas do condutor, um fenómeno conhecido como diamagnetismo perfeito ou efeito Meissner. A supercondutividade e o diamagnetismo são as duas principais características dos supercondutores.
Os materiais supercondutores têm aplicações em vários domínios, incluindo a energia, os transportes, a informação, as ciências fundamentais e os cuidados de saúde. Por exemplo, nos sistemas de energia, o armazenamento de energia por supercondutores é atualmente o método de armazenamento mais eficiente e a utilização de transmissão por supercondutores pode reduzir significativamente a perda de energia.
Os ímanes supercondutores, com os seus campos magnéticos elevados, baixa perda de energia e peso reduzido, podem ser utilizados para a produção de energia magneto-hidrodinâmica, convertendo diretamente a energia térmica em energia eléctrica e aumentando significativamente a potência de saída dos geradores.
A utilização de tunelamento supercondutor pode criar vários dispositivos caracterizados por alta sensibilidade, baixo ruído, resposta rápida e baixa perda, adequados para a deteção de ondas electromagnéticas e promovendo a praticabilidade das tecnologias de medição e ensaio de precisão. Nos computadores, os computadores de junção Josephson feitos de materiais supercondutores podem efetuar dez cálculos de alta velocidade por segundo, com pequenas dimensões e grande capacidade.
O efeito de levitação magnética produzido entre os supercondutores e os campos magnéticos pode ser utilizado para criar comboios maglev supercondutores. Além disso, os campos magnéticos maciços gerados pelos supercondutores podem ser utilizados em reacções termonucleares controladas.
As ligas de amortecimento de vibrações são materiais funcionais que possuem capacidades de amortecimento de vibrações, mantendo a resistência estrutural necessária. Trata-se de ligas com elevado atrito interno, que permitem uma rápida atenuação das vibrações. Dependendo dos seus mecanismos de amortecimento, as ligas de amortecimento de vibrações podem ser classificadas em multifásicas, ferromagnéticas, de geminação e de deslocação.
As ligas multifásicas compreendem duas ou mais fases, geralmente com uma segunda fase mais macia distribuída numa matriz mais dura. Utilizam a deformação plástica repetida da segunda fase da liga para converter a energia de vibração em calor de fricção para amortecimento.
O ferro fundido cinzento com grafite em flocos é a liga de amortecimento multifásico mais utilizada, tipicamente empregue em bases de máquinas-ferramentas, cambotas, cames, etc. A liga Al-Zn é outra liga típica de amortecimento multifásico, utilizada em dispositivos como amplificadores estéreo.
Estas ligas utilizam a magnetostricção dos materiais ferromagnéticos e a rotação e o movimento dos domínios magnéticos durante a vibração para consumir a energia vibracional para amortecimento. O aço ao crómio com um teor de crómio de 12% e as ligas à base de Fe-Cr-Al são exemplos de ligas de amortecimento ferromagnético, utilizadas em lâminas de turbinas a vapor, engrenagens de instrumentos de precisão, etc.
As ligas de geminação utilizam a formação de estruturas finas de geminação durante a mudança de fase, absorvendo a energia de vibração através do movimento dos limites de grão de geminação. Por exemplo, a liga Mn-Cu-Ni-Fe recentemente desenvolvida no Japão pode reduzir para metade a amplitude de uma única vibração, sendo adequada para peças de motores, carcaças de motores, peças de máquinas de lavar roupa, etc.
As ligas de deslocação absorvem energia vibracional devido à vibração mútua entre deslocações e átomos intersticiais. A liga Mg-Zr (wZr=6%), por exemplo, é utilizada em giroscópios para orientação de mísseis e nos suportes de instrumentos de precisão, como dispositivos de controlo, assegurando o seu normal funcionamento.
A liga Mg-MgNi não só tem excelentes propriedades de amortecimento, mas também elevada resistência e baixa densidade, o que a torna um excelente material de amortecimento de vibrações para a indústria aeroespacial.
O modo de falha mais perigoso dos materiais a baixas temperaturas é a fratura frágil a baixa temperatura. Por conseguinte, os materiais que trabalham a baixas temperaturas têm de possuir uma excelente resistência a baixas temperaturas. Além disso, para evitar a deformação térmica causada pelas mudanças entre a temperatura ambiente e as baixas temperaturas, estes materiais devem ter um coeficiente de expansão térmica menor e uma boa trabalhabilidade.
Os materiais utilizados sob campos magnéticos a baixas temperaturas devem, normalmente, ser não magnéticos. Os materiais metálicos de baixa temperatura incluem principalmente aço ferrítico de baixa liga, aço inoxidável austenítico, aço de níquel, aço duplex, superligas à base de ferro-níquel, ligas de alumínio, ligas de cobre, ligas de titânio, etc.
Com base nas diferentes temperaturas de utilização, os materiais de baixa temperatura normalmente utilizados podem ser divididos, grosso modo, nas três categorias seguintes:
(1) Materiais para -40 a -100℃: Os materiais de baixa temperatura utilizados nesta faixa de temperatura são principalmente aço de baixo carbono e aço de baixa liga, como aço de liga com 3.5% wNie aço manganês de baixo carbono morto por alumínio 06MnVAl, com sua temperatura de uso mais baixa sendo -130 ℃.
Estes são utilizados principalmente em indústrias petroquímicas, equipamento de refrigeração, estruturas de engenharia em regiões frias, gasodutos e compressores, bombas e válvulas que funcionam a baixas temperaturas.
(2) Materiais para -160 a -196℃: Os materiais de baixa temperatura utilizados nesta faixa de temperatura são principalmente para as indústrias de gás natural liquefeito e produção de oxigénio.
Os tipos incluem o aço inoxidável austenítico 18-8, que tem uma excelente tenacidade a baixa temperatura, mas menor resistência e maior coeficiente de expansão; aço de baixa temperatura à base de níquel, como o aço com 9% wNi (wc<0,1%), Ni (wNi=5%) -Mo (wMo=0,2%), que têm elevada resistência, boa tenacidade a baixa temperatura, soldabilidade fiável e são cada vez mais utilizados; aço austenítico 20Mn23Al com elevado teor de manganês, liga de alumínio 5083, etc.
(3) Materiais de temperatura ultrabaixa para -253 a -269℃: Estes tipos de materiais são utilizados principalmente para fabricar recipientes para armazenar e transportar hidrogénio líquido e cloro líquido, bem como peças em dispositivos supercondutores com fortes campos magnéticos.
As ligas para temperaturas ultrabaixas que foram desenvolvidas e estão a ser investigadas incluem principalmente: aço inoxidável austenítico para temperaturas ultrabaixas formado pela adição de carbono e azoto à base de aço inoxidável do tipo 18-8; aço inoxidável austenítico com elevado teor de manganês 15Mn26Al4; Ni (wNi=12%) -Ti (wTi=0,25%), Ni (wNi=13%) -Mo (WMo=3%), e ligas à base de Ni.
Ao contrário dos materiais comuns, a caraterística distintiva dos materiais com memória de forma é o facto de manterem a sua deformação quando é aplicada tensão a baixas temperaturas e não desaparecerem depois de a tensão ser removida. No entanto, quando aquecido acima de uma determinada temperatura crítica intrínseca, o material pode recuperar totalmente a sua forma geométrica anterior à deformação, como se recordasse a sua forma original.
Este fenómeno é conhecido como efeito de memória de forma. Os materiais que apresentam este efeito são designados por materiais com memória de forma. Tanto os materiais com memória de forma metálicos como cerâmicos apresentam o efeito de memória de forma através da transformação de fase martensítica, enquanto os materiais com memória polimérica apresentam este efeito devido a alterações na sua estrutura de cadeia com a temperatura.
Os materiais com memória de forma são principalmente ligas com memória de forma, das quais existem dezenas atualmente em uso. Estas podem ser divididas, grosso modo, em:
1) À base de níquel-titânio (Ni-Ti): Compostas por níquel e titânio numa relação atómica de 1:1, estas ligas têm excelentes efeitos de memória de forma, elevada resistência ao calor, resistência à corrosão, força e resistência à fadiga térmica sem paralelo, juntamente com uma excelente biocompatibilidade. No entanto, o elevado custo das matérias-primas e os difíceis processos de fabrico tornam-nas caras e difíceis de maquinar.
2) À base de cobre: As ligas à base de cobre são baratas, fáceis de produzir, têm bons efeitos de memória de forma, baixa resistividade e boa maquinabilidade. No entanto, a taxa de recuperação da forma diminui com a utilização prolongada ou repetida, o que constitui um problema que tem de ser resolvido. As ligas à base de cobre mais práticas são as Cu-Zn-Al, e outras incluem Cu-Al-Mn e Cu-Al-Ni.
3) À base de ferro: As ligas com memória de forma à base de ferro têm elevada resistência, boa plasticidade e são pouco dispendiosas, ganhando gradualmente atenção. As ligas com memória de forma à base de ferro atualmente em desenvolvimento e investigação incluem principalmente Fe-Mn-Si e Fe-N-Co-Ti.
Recentemente, o efeito de memória de forma foi descoberto em materiais cerâmicos, materiais poliméricos e materiais supercondutores, cada um com as suas características únicas, alargando ainda mais as perspectivas de aplicação dos materiais com memória.
Os materiais com memória de forma têm sido amplamente aplicados na aviação, aeroespacial, maquinaria, eletrónica, energia, áreas médicas e na vida quotidiana. Por exemplo, uma empresa de aviação americana utilizou o efeito de memória de forma para resolver o problema de ligação de tubos de óleo difíceis de soldar no caça F-14.
Espera-se que o hidrogénio, sendo uma fonte de energia não poluente e abundantemente disponível na Terra, venha a ser uma fonte de energia primária no futuro. No entanto, o armazenamento do hidrogénio representa um desafio significativo. Um material funcional que pode absorver e armazenar hidrogénio sob a forma de hidretos metálicos e libertar o hidrogénio armazenado quando necessário é referido como um material de armazenamento de hidrogénio.
Os materiais de armazenamento de hidrogénio absorvem hidrogénio para formar hidretos metálicos e libertar calor após arrefecimento ou pressurização. Inversamente, revertem para metal e hidrogénio, libertando hidrogénio gasoso e absorvendo calor após aquecimento ou despressurização. A densidade do hidrogénio nos materiais de armazenamento de hidrogénio é 1000 a 1300 vezes superior à do hidrogénio gasoso.
Atualmente, os principais materiais de armazenamento de hidrogénio em estudo e desenvolvimento incluem:
À base de magnésio: Estes materiais têm uma grande capacidade de armazenamento de hidrogénio e são de baixo custo. A desvantagem é que necessitam de temperaturas superiores a 250°C para libertar hidrogénio. Os exemplos incluem Mg2Ni, Mg2Cu, etc.
À base de titânio: As ligas de armazenamento de hidrogénio à base de titânio têm uma grande capacidade de absorção de hidrogénio, são facilmente activadas à temperatura ambiente, são de baixo custo e adequadas para aplicações em grande escala. Os exemplos incluem ligas binárias, como titânio-manganês, titânio-crómio, e ligas ternárias e multielementos, como titânio-manganês-crómio, titânio-zircónio-crómio-manganês, etc.
À base de zircónio: Caracterizados por excelentes propriedades de armazenamento de hidrogénio, mesmo a temperaturas superiores a 100°C, podem absorver e libertar grandes quantidades de hidrogénio de forma rápida e eficiente, o que os torna adequados para materiais de armazenamento de hidrogénio a alta temperatura. Os exemplos incluem ZrCr2, ZrMn2, etc.
À base de terras raras: As ligas de terras raras para armazenamento de hidrogénio, representadas pela liga de níquel-lantânio LaNi, têm boas propriedades de absorção de hidrogénio e são facilmente activadas. Libertam rapidamente o hidrogénio a temperaturas superiores a 40°C, mas o seu custo é relativamente elevado.
Para reduzir os custos e melhorar o desempenho, a mistura de terras raras pode substituir o lantânio, ou outros elementos metálicos podem substituir parcialmente a liga de armazenamento de hidrogénio multielementos formada pela mistura de terras raras e Ni.
À base de ferro: A liga de armazenamento de hidrogénio à base de ferro mais comum é a liga de ferro-titânio. Tem excelentes propriedades de armazenamento de hidrogénio e é de baixo custo, mas a ativação é relativamente difícil.
Os materiais na natureza podem ser classificados em três tipos com base nas suas propriedades magnéticas: diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos. Os materiais magnéticos são substâncias que possuem ferromagnetismo.
Os materiais magnéticos são essenciais em indústrias como a eletrónica, a energia, os motores eléctricos, a instrumentação e as telecomunicações. Com base nas suas propriedades magnéticas, os materiais magnéticos podem ser classificados em materiais magnéticos macios e materiais magnéticos duros.
Os materiais magnéticos macios são aqueles que são facilmente magnetizados sob um campo magnético externo e desmagnetizam prontamente quando o campo externo é removido. Caracterizam-se por elevada permeabilidade, elevada força de indução magnética, baixa coercividade e perda mínima de energia durante a magnetização e desmagnetização.
Existem muitos tipos de materiais magnéticos macios, sendo os mais comuns o ferro elétrico puro, as chapas de aço silício, as ligas Fe-Al, as ligas Fe-Ni e os materiais magnéticos macios de ferrite.
Os materiais magnéticos duros, também conhecidos como materiais magnéticos permanentes, são aqueles que, uma vez magnetizados, podem gerar um campo magnético sem fonte de alimentação externa.
Estes materiais são caracterizados por uma coercividade e magnetismo residual consideráveis e são amplamente utilizados em instrumentos magnetoeléctricos, altifalantes, geradores de ímanes permanentes e dispositivos de comunicação.
Os materiais magnéticos duros atualmente em uso e em estudo podem ser divididos em materiais magnéticos duros metálicos, materiais magnéticos duros de ferrite, materiais magnéticos duros de terras raras e materiais magnéticos duros de neodímio-ferro-boro.
Além disso, existem alguns materiais magnéticos para fins especiais, tais como materiais de memória magnética para gravação de informação (fabrico de fitas magnéticas, discos magnéticos, etc.), materiais utilizados para cabeças de gravação, materiais magnéticos de memória em computadores electrónicos e materiais de compensação magnética em instrumentos de precisão.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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