E se o futuro da engenharia não se resumisse apenas a projetos inovadores, mas também a materiais revolucionários? De fibras ópticas que revolucionam a transmissão de dados a materiais supercondutores que aumentam a eficiência energética, os últimos avanços em materiais de engenharia estão estabelecendo novos padrões. Este artigo explora sete desses materiais, oferecendo percepções sobre suas propriedades e aplicações. Ao continuar lendo, você terá uma compreensão mais profunda de como esses materiais estão prontos para transformar os setores e a tecnologia como a conhecemos.
Materiais avançados referem-se àqueles recentemente pesquisados ou em desenvolvimento que possuem desempenho excepcional e funcionalidades especiais. Esses materiais são de suma importância para o avanço da ciência e da tecnologia, principalmente nos setores de alta tecnologia e nos setores emergentes.
Este artigo apresenta uma breve introdução a alguns desses materiais de engenharia inovadores.
As fibras ópticas, abreviadas como fibras, são fibras ópticas usadas para transmitir informações de luz. Como meio de transmissão de ondas de luz, as fibras típicas consistem em um núcleo de alto índice de refração e um revestimento com um índice de refração mais baixo. Em aplicações práticas, centenas ou até milhares de fibras são combinadas em um determinado tipo de estrutura de cabo.
Para a transmissão de longa distância, são necessários repetidores ópticos para restaurar os sinais de luz 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 rege a capacidade de informação.
Atualmente, o desenvolvimento de fibras ópticas está concentrado em aumentar a distância sem repetição, reduzir a perda e avançar em direção a comprimentos de onda superlongos e bandas de frequência ultralargas. Veja a seguir alguns tipos de fibras ópticas que foram desenvolvidas e usadas:
Atualmente, as fibras de comunicação são compostas principalmente de vidro de quartzo fundido de alta pureza. As fibras de quartzo são quimicamente estáveis, têm um pequeno coeficiente de expansão, excelente confiabilidade a longo prazo e recursos abundantes. No entanto, elas são um pouco frágeis, e a redução adicional da perda de luz é limitada.
O material do núcleo das fibras plásticas pode ser polimetilmetacrilato (PMMA) e poliestireno (PS), com materiais de fibra de cobertura que podem ser fluororesina em PMMA ou material PMMA em PS. As fibras plásticas têm muitas vantagens, como excelente flexibilidade, alta resistência à quebra, peso leve, baixo custo e processamento simples.
No entanto, devido à alta perda de transmissão, suas aplicações se concentram principalmente na transmissão de energia e de informações de imagem a curta distância.
A fibra de vidro composta de sulfeto mais comum é o sistema As-S, que tem um alto ponto de fusão e boa processabilidade.
As fibras de cristal de haleto incluem CsBr e CrI de cristal único e TiBrI policristalino, entre outras. As fibras de cristal demonstram baixa perda em uma ampla largura de banda de comprimento de onda de 1 a 10 μm e podem ser usadas para transmissão de laser de gás CO.
Os materiais promissores para fibras infravermelhas de perda ultrabaixa atualmente em estudo incluem vidro de silicato de fluoreto de zircônio (háfnio), vidro de aluminato de fluoreto e vidro de fluoreto composto principalmente de óxido de tório e fluoretos de terras raras.
Entre eles, o vidro de silicato de zircônio (háfnio) é considerado o material mais promissor para fibras de comunicação de comprimento de onda longo, com características como uma ampla faixa de comprimento de onda de baixa dispersão e boa processabilidade.
As fibras ópticas podem ser usadas para transmissão de informações de computador, permitindo o estabelecimento de redes de computadores flexíveis, de alta velocidade e em grande escala para recuperação de dados, transações de contas bancárias, contratos futuros e, potencialmente, transmissão de imagens holográficas a longa distância. Elas também podem ser usadas para transmitir lasers de alta intensidade e fabricar sensores de fibra óptica, entre outras aplicações.
Em 1911, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes descobriu um súbito desaparecimento da resistência do mercúrio à temperatura do nitrogênio líquido, 4,2K. Esse fenômeno é conhecido como supercondutividade, e os materiais que o apresentam são chamados de supercondutores.
O estado em que um supercondutor passa a ter resistência zero é chamado de estado supercondutor. A temperatura na qual a supercondutividade aparece é definida como a temperatura crítica, denotada como T, e é medida em Kelvin (K), a escala de temperatura termodinâmica.
Posteriormente, descobriu-se que, se um supercondutor for resfriado em um campo magnético, no ponto em que a resistência do material desaparece, as linhas do campo magnético são expulsas do condutor, um fenômeno 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 campos, incluindo energia, transporte, informação, ciência fundamental e saúde. Por exemplo, em sistemas de energia, o armazenamento de energia supercondutora é atualmente o método de armazenamento mais eficiente, e o uso de transmissão supercondutora pode reduzir significativamente a perda de energia.
Os ímãs supercondutores, com seus campos magnéticos elevados, baixa perda de energia e peso leve, podem ser usados para a geração de energia magnetohidrodinâmica, convertendo diretamente a energia térmica em energia elétrica e aumentando significativamente a potência de saída dos geradores.
O uso do tunelamento supercondutor pode criar vários dispositivos caracterizados por alta sensibilidade, baixo ruído, resposta rápida e baixa perda, adequados para a detecção de ondas eletromagnéticas e promovendo a praticidade das tecnologias de medição e teste de precisão. Nos computadores, os computadores de junção Josephson feitos de materiais supercondutores podem realizar dez cálculos de alta velocidade por segundo, com tamanho pequeno e grande capacidade.
O efeito de levitação magnética produzido entre supercondutores e campos magnéticos pode ser usado para criar trens maglev supercondutores. Além disso, os campos magnéticos maciços gerados pelos supercondutores podem ser usados em reações termonucleares controladas.
As ligas de amortecimento de vibrações são materiais funcionais que possuem recursos de amortecimento de vibrações e, ao mesmo tempo, mantêm a resistência estrutural necessária. São ligas com alto atrito interno, o que permite o rápido decaimento das vibrações. Dependendo de seus mecanismos de amortecimento, as ligas de amortecimento de vibrações podem ser categorizadas em multifásicas, ferromagnéticas, de geminação e de deslocamento.
As ligas multifásicas compreendem duas ou mais fases, geralmente apresentando uma segunda fase mais macia distribuída em uma matriz mais dura. Elas utilizam a deformação plástica repetida da segunda fase na liga para converter a energia vibracional em calor de atrito para amortecimento.
O ferro fundido cinzento com grafite em flocos é a liga de amortecimento multifásico mais amplamente usada, normalmente empregada em bases de máquinas-ferramenta, virabrequins, cames e assim por diante. A liga de Al-Zn é outra liga típica de amortecimento multifásico, usada em dispositivos como amplificadores estéreo.
Essas ligas usam a magnetostricção de materiais ferromagnéticos e a rotação e o movimento de domínios magnéticos durante a vibração para consumir energia vibracional para amortecimento. O aço cromo com teor de cromo de 12% e as ligas à base de Fe-Cr-Al são exemplos de ligas de amortecimento ferromagnético, usadas 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 vibracional por meio do movimento dos limites dos grãos de geminação. Por exemplo, a liga Mn-Cu-Ni-Fe recém-desenvolvida no Japão pode reduzir pela metade a amplitude em uma única vibração, o que é adequado para peças de motores, carcaças de motores, peças de máquinas de lavar e assim por diante.
As ligas de deslocamento absorvem energia vibracional devido à vibração mútua entre os deslocamentos e os átomos intersticiais. A liga Mg-Zr (wZr=6%), por exemplo, é usada em giroscópios para orientação em mísseis e nos suportes de instrumentos de precisão, como dispositivos de controle, garantindo seu funcionamento normal.
A liga Mg-MgNi não só tem excelentes propriedades de amortecimento, mas também alta resistência e baixa densidade, o que a torna um excelente material de amortecimento de vibrações para o setor aeroespacial.
O modo de falha mais perigoso dos materiais em baixas temperaturas é a fratura frágil em baixa temperatura. Portanto, os materiais que trabalham em baixas temperaturas precisam ter excelente resistência a baixas temperaturas. Além disso, para evitar a deformação térmica causada pelas mudanças entre as temperaturas ambiente e baixa, esses materiais devem ter um coeficiente de expansão térmica menor e boa trabalhabilidade.
Os materiais usados sob campos magnéticos em baixas temperaturas geralmente devem ser não magnéticos. Os materiais metálicos de baixa temperatura incluem, principalmente, aço ferrítico de baixa liga, aço inoxidável austenítico, aço níquel, aço duplex, superligas à base de ferro-níquel, ligas de alumínio, ligas de cobre, ligas de titânio e assim por diante.
Com base nas diferentes temperaturas de uso, os materiais de baixa temperatura comumente usados podem ser divididos, grosso modo, nas três categorias a seguir:
(1) Materiais para -40 a -100℃: Os materiais de baixa temperatura usados nessa faixa de temperatura são principalmente aço de baixo carbono e aço de baixa liga, como aço de liga com 3,5% wNie aço manganês com baixo teor de carbono e morto por alumínio 06MnVAl, com sua temperatura de uso mais baixa sendo -130°C.
Eles são usados principalmente em indústrias petroquímicas, equipamentos de refrigeração, estruturas de engenharia em regiões frias, gasodutos e compressores, bombas e válvulas que operam em baixa temperatura.
(2) Materiais para -160 a -196℃: Os materiais de baixa temperatura usados nessa faixa de temperatura destinam-se principalmente aos setores de gás natural liquefeito e produção de oxigênio.
Os tipos incluem aço inoxidável austenítico 18-8, que tem excelente resistência a baixas temperaturas, 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 alta resistência, boa tenacidade a baixas temperaturas, soldabilidade confiável e são cada vez mais usados; aço austenítico de alto manganês 20Mn23Al, liga de alumínio 5083, etc.
(3) Materiais de temperatura ultrabaixa para -253 a -269℃: Esses tipos de materiais são usados principalmente para fabricar recipientes para armazenamento e transporte de hidrogênio líquido e cloro líquido, bem como peças em dispositivos supercondutores com fortes campos magnéticos.
As ligas de temperatura ultrabaixa que foram desenvolvidas e estão sendo pesquisadas incluem principalmente: aço inoxidável austenítico para temperaturas ultrabaixas formado pela adição de carbono e nitrogênio à base de aço inoxidável do tipo 18-8; aço inoxidável austenítico de alto 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 característica distintiva dos materiais com memória de forma é que eles retêm sua deformação quando a tensão é aplicada a baixas temperaturas e não desaparecem depois que a tensão é removida. No entanto, quando aquecido acima de uma determinada temperatura crítica intrínseca, o material pode se recuperar totalmente para sua forma geométrica pré-deformação, como se lembrasse sua forma original.
Esse fenômeno é conhecido como efeito de memória de forma. Os materiais que apresentam esse efeito são chamados de materiais com memória de forma. Os materiais com memória de metal e cerâmica apresentam o efeito de memória de forma por meio da transformação da fase martensítica, enquanto os materiais com memória de polímero apresentam esse efeito devido a mudanças na estrutura da cadeia com a temperatura.
Os materiais com memória de forma são principalmente ligas com memória de forma, das quais existem dezenas em uso atualmente. Elas podem ser divididas, grosso modo, em:
1) À base de níquel-titânio (Ni-Ti): Compostas de níquel e titânio em uma proporção atômica de 1:1, essas ligas têm excelentes efeitos de memória de forma, alta resistência ao calor, resistência à corrosão, força e resistência inigualável à fadiga térmica, além de excelente biocompatibilidade. Entretanto, o alto custo das matérias-primas e os difíceis processos de fabricação as tornam caras e difíceis de usinar.
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 usinabilidade. Entretanto, a taxa de recuperação da forma diminui com o uso repetido ou de longo prazo, o que é um problema que precisa ser resolvido. As ligas à base de cobre mais práticas são 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 alta resistência, boa plasticidade e são baratas, ganhando atenção gradualmente. As ligas com memória de forma à base de ferro atualmente em desenvolvimento e pesquisa 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 suas características exclusivas, ampliando ainda mais as perspectivas de aplicação dos materiais de memória.
Os materiais com memória de forma têm sido amplamente aplicados na aviação, aeroespacial, maquinário, eletrônica, energia, áreas médicas e na vida cotidiana. Por exemplo, uma empresa de aviação americana usou o efeito de memória de forma para resolver o problema de conexão de tubos de óleo difíceis de soldar no caça F-14.
Espera-se que o hidrogênio, por ser uma fonte de energia livre de poluição e disponível em abundância na Terra, seja uma fonte de energia primária no futuro. No entanto, o armazenamento de hidrogênio representa um desafio significativo. Um material funcional que pode absorver e armazenar hidrogênio na forma de hidretos metálicos e liberar o hidrogênio armazenado quando necessário é chamado de material de armazenamento de hidrogênio.
Os materiais de armazenamento de hidrogênio absorvem o hidrogênio para formar hidretos metálicos e liberam calor após o resfriamento ou a pressurização. Por outro lado, eles se revertem em metal e hidrogênio, liberando gás hidrogênio e absorvendo calor após o aquecimento ou a despressurização. A densidade do hidrogênio nos materiais de armazenamento de hidrogênio é de 1.000 a 1.300 vezes maior que a do hidrogênio gasoso.
Atualmente, os principais materiais de armazenamento de hidrogênio em estudo e desenvolvimento incluem:
À base de magnésio: Esses materiais têm uma grande capacidade de armazenamento de hidrogênio e são de baixo custo. A desvantagem é que eles precisam de temperaturas acima de 250°C para liberar o hidrogênio. Os exemplos incluem Mg2Ni, Mg2Cu, etc.
À base de titânio: As ligas de armazenamento de hidrogênio à base de titânio têm uma grande capacidade de absorção de hidrogênio, são facilmente ativadas em temperatura ambiente, são de baixo custo e adequadas para aplicações em larga escala. Os exemplos incluem ligas binárias como titânio-manganês, titânio-cromo e ligas ternárias e multielementares como titânio-manganês-cromo, titânio-zircônio-cromo-manganês etc.
À base de zircônio: Caracterizados por excelentes propriedades de armazenamento de hidrogênio, mesmo em temperaturas acima de 100°C, eles podem absorver e liberar grandes quantidades de hidrogênio de forma rápida e eficiente, o que os torna adequados para materiais de armazenamento de hidrogênio em altas temperaturas. Os exemplos incluem ZrCr2, ZrMn2, etc.
À base de terras raras: As ligas de terras raras para armazenamento de hidrogênio, representadas pela liga de níquel-lantânio LaNi, têm boas propriedades de absorção de hidrogênio e são facilmente ativadas. Elas liberam hidrogênio rapidamente em temperaturas acima de 40°C, mas seu custo é relativamente alto.
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 hidrogênio com vários elementos formada pela mistura de terras raras e Ni.
À base de ferro: A liga de armazenamento de hidrogênio à base de ferro mais comum é a liga de ferro-titânio. Ela tem excelentes propriedades de armazenamento de hidrogênio e é de baixo custo, mas a ativação é relativamente difícil.
Os materiais na natureza podem ser classificados em três tipos com base em suas propriedades magnéticas: diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos. Materiais magnéticos são substâncias que possuem ferromagnetismo.
Os materiais magnéticos são essenciais em setores como o de eletrônica, energia, motores elétricos, instrumentação e telecomunicações. Com base em suas propriedades magnéticas, os materiais magnéticos podem ser categorizados em materiais magnéticos macios e materiais magnéticos duros.
Materiais magnéticos macios são aqueles que são facilmente magnetizados sob um campo magnético externo e desmagnetizados prontamente quando o campo externo é removido. Eles são caracterizados por alta permeabilidade, alta força de indução magnética, baixa coercividade e perda mínima de energia durante a magnetização e a desmagnetização.
Há 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 rígidos, também conhecidos como materiais magnéticos permanentes, são aqueles que podem gerar um campo magnético sem fonte de alimentação externa depois de magnetizados.
Esses materiais são caracterizados por coercividade e magnetismo residual consideráveis e são amplamente usados em instrumentos magnetoelétricos, alto-falantes, geradores de ímã permanente e dispositivos de comunicação.
Os materiais magnéticos rígidos atualmente em uso e em estudo podem ser divididos em materiais magnéticos rígidos metálicos, materiais magnéticos rígidos de ferrite, materiais magnéticos rígidos de terras raras e materiais magnéticos rígidos de neodímio-ferro-boro.
Além disso, há alguns materiais magnéticos para fins especiais, como materiais de memória magnética para gravação de informações (fabricação de fitas magnéticas, discos magnéticos etc.), materiais usados para cabeças de gravação, materiais magnéticos de memória em computadores eletrônicos e materiais de compensação magnética em instrumentos de precisão.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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