Ciência dos materiais

Um cuboctaedro de diamante mostrando sete planos cristalográficos , fotografado com microscopia eletrônica de varredura
Seis classes de materiais de engenharia convencionais.
Seis classes de materiais de engenharia convencionais

Ciência de materiais é um campo interdisciplinar de pesquisa e descoberta de materiais . Engenharia de materiais é um campo de engenharia de encontrar usos para materiais em outros campos e indústrias.

As origens intelectuais da ciência dos materiais vêm da Era do Iluminismo , quando pesquisadores começaram a usar o pensamento analítico da química , física , matemática e engenharia para entender observações fenomenológicas antigas em metalurgia e mineralogia . [1] [2] A ciência dos materiais ainda incorpora elementos da física, química e engenharia. Como tal, o campo foi considerado por muito tempo por instituições acadêmicas como um subcampo desses campos relacionados. A partir da década de 1940, a ciência dos materiais começou a ser mais amplamente reconhecida como um campo específico e distinto da ciência e engenharia, e as principais universidades técnicas ao redor do mundo dedicaram escolas para seu estudo.

Cientistas de materiais enfatizam a compreensão de como a história de um material ( processamento ) influencia sua estrutura, e também as propriedades e o desempenho do material . A compreensão das relações entre estrutura e propriedades de processamento é chamada de paradigma dos materiais. Este paradigma é usado para compreensão avançada em uma variedade de áreas de pesquisa, incluindo nanotecnologia , biomateriais e metalurgia .

A ciência dos materiais também é uma parte importante da engenharia forense e da análise de falhas  – investigando materiais, produtos, estruturas ou seus componentes, que falham ou não funcionam como pretendido, causando ferimentos pessoais ou danos à propriedade. Essas investigações são essenciais para a compreensão. Por exemplo, as causas de vários acidentes e incidentes de aviação .

História

Uma espada ou lâmina de adaga da Idade do Bronze tardia

O material de escolha de uma determinada era é frequentemente um ponto de definição. Fases como a Idade da Pedra , Idade do Bronze , Idade do Ferro e Idade do Aço são exemplos históricos, embora arbitrários. Originalmente derivada da fabricação de cerâmica e sua suposta derivada metalurgia, a ciência dos materiais é uma das mais antigas formas de engenharia e ciências aplicadas. [3] A ciência moderna dos materiais evoluiu diretamente da metalurgia , que por sua vez evoluiu do uso do fogo. Um grande avanço na compreensão dos materiais ocorreu no final do século XIX, quando o cientista americano Josiah Willard Gibbs demonstrou que as propriedades termodinâmicas relacionadas à estrutura atômica em várias fases estão relacionadas às propriedades físicas de um material. [4] Elementos importantes da ciência moderna dos materiais foram produtos da Corrida Espacial ; a compreensão e engenharia de ligas metálicas e materiais de sílica e carbono , usados ​​na construção de veículos espaciais que permitem a exploração do espaço. A ciência dos materiais impulsionou e foi impulsionada pelo desenvolvimento de tecnologias revolucionárias, como borrachas , plásticos , semicondutores e biomateriais .

Antes da década de 1960 (e em alguns casos décadas depois), muitos departamentos de ciência de materiais eram departamentos de metalurgia ou engenharia cerâmica , refletindo a ênfase do século XIX e início do século XX em metais e cerâmica. O crescimento da ciência de materiais nos Estados Unidos foi catalisado em parte pela Advanced Research Projects Agency , que financiou uma série de laboratórios sediados por universidades no início da década de 1960, " para expandir o programa nacional de pesquisa básica e treinamento em ciências de materiais ". [5] Em comparação com a engenharia mecânica, o campo nascente da ciência de materiais se concentrou em abordar materiais do nível macro e na abordagem de que os materiais são projetados com base no conhecimento do comportamento no nível microscópico. [6] Devido ao conhecimento expandido da ligação entre processos atômicos e moleculares, bem como as propriedades gerais dos materiais, o design de materiais passou a ser baseado em propriedades específicas desejadas. [6] O campo da ciência dos materiais se ampliou desde então para incluir todas as classes de materiais, incluindo cerâmicas, polímeros , semicondutores, materiais magnéticos , biomateriais e nanomateriais , geralmente classificados em três grupos distintos - cerâmicas, metais e polímeros. A mudança proeminente na ciência dos materiais durante as últimas décadas é o uso ativo de simulações de computador para encontrar novos materiais, prever propriedades e entender fenômenos.

Fundamentos

O paradigma dos materiais representado na forma de um tetraedro

Um material é definido como uma substância (geralmente um sólido, mas outras fases condensadas também podem ser incluídas) que se destina a ser usada em certas aplicações. [7] Há uma infinidade de materiais ao nosso redor; eles podem ser encontrados em qualquer coisa, desde [8] materiais novos e avançados que estão sendo desenvolvidos, incluindo nanomateriais , biomateriais , [9] e materiais energéticos, para citar alguns. [10]

A base da ciência dos materiais é estudar a interação entre a estrutura dos materiais, os métodos de processamento para fazer esse material e as propriedades do material resultante. A combinação complexa destes produz o desempenho de um material em uma aplicação específica. Muitas características em muitas escalas de comprimento impactam o desempenho do material, desde os elementos químicos constituintes, sua microestrutura e características macroscópicas do processamento. Junto com as leis da termodinâmica e cinética , os cientistas de materiais visam entender e melhorar os materiais.

Estrutura

Estrutura é um dos componentes mais importantes do campo da ciência dos materiais. A própria definição do campo sustenta que ele se preocupa com a investigação das "relações que existem entre as estruturas e propriedades dos materiais". [11] A ciência dos materiais examina a estrutura dos materiais desde a escala atômica até a escala macro. [3] Caracterização é a maneira como os cientistas de materiais examinam a estrutura de um material. Isso envolve métodos como difração com raios X , elétrons ou nêutrons e várias formas de espectroscopia e análise química , como espectroscopia Raman , espectroscopia de energia dispersiva , cromatografia , análise térmica , análise de microscópio eletrônico , etc.

A estrutura é estudada nos seguintes níveis.

Estrutura atômica

A estrutura atômica lida com os átomos do material e como eles são arranjados para dar origem a moléculas, cristais, etc. Muitas das propriedades elétricas, magnéticas e químicas dos materiais surgem desse nível de estrutura. As escalas de comprimento envolvidas estão em angstroms ( Å ). A ligação química e o arranjo atômico (cristalografia) são fundamentais para estudar as propriedades e o comportamento de qualquer material.

Ligação

Para obter uma compreensão completa da estrutura do material e como ela se relaciona com suas propriedades, o cientista de materiais deve estudar como os diferentes átomos, íons e moléculas são arranjados e ligados uns aos outros. Isso envolve o estudo e o uso da química quântica ou física quântica . Física do estado sólido , química do estado sólido e química física também estão envolvidas no estudo de ligações e estruturas.

Cristalografia
Estrutura cristalina de uma perovskita com fórmula química ABX 3 [12]

Cristalografia é a ciência que examina o arranjo de átomos em sólidos cristalinos. Cristalografia é uma ferramenta útil para cientistas de materiais. Um dos conceitos fundamentais sobre a estrutura cristalina de um material inclui a célula unitária , que é a menor unidade de uma rede cristalina (rede espacial) que se repete para formar a estrutura cristalina macroscópica. Os materiais estruturais mais comuns incluem os tipos de rede paralelepípedos e hexagonais. [13] Em monocristais , os efeitos do arranjo cristalino dos átomos são frequentemente fáceis de ver macroscopicamente, porque as formas naturais dos cristais refletem a estrutura atômica. Além disso, as propriedades físicas são frequentemente controladas por defeitos cristalinos. A compreensão das estruturas cristalinas é um pré-requisito importante para a compreensão dos defeitos cristalográficos . Exemplos de defeitos cristalinos consistem em deslocamentos, incluindo bordas, parafusos, vagas, autointersticiais e mais que são tipos de defeitos lineares, planares e tridimensionais. [14] Materiais novos e avançados que estão sendo desenvolvidos incluem nanomateriais , biomateriais . [15] Na maioria das vezes, os materiais não ocorrem como um único cristal, mas na forma policristalina, como um agregado de pequenos cristais ou grãos com diferentes orientações. Por isso, o método de difração de pó , que usa padrões de difração de amostras policristalinas com um grande número de cristais, desempenha um papel importante na determinação estrutural. A maioria dos materiais tem uma estrutura cristalina, mas alguns materiais importantes não exibem estrutura cristalina regular. [16] Os polímeros apresentam vários graus de cristalinidade, e muitos são completamente não cristalinos. O vidro , algumas cerâmicas e muitos materiais naturais são amorfos , não possuindo nenhuma ordem de longo alcance em seus arranjos atômicos. O estudo de polímeros combina elementos de termodinâmica química e estatística para fornecer descrições termodinâmicas e mecânicas de propriedades físicas.

Nanoestrutura

Nanoestrutura de buckminsterfullereno

Materiais, cujos átomos e moléculas formam constituintes na nanoescala (ou seja, formam nanoestruturas) são chamados de nanomateriais. Os nanomateriais são o assunto de intensa pesquisa na comunidade de ciência de materiais devido às propriedades únicas que eles exibem.

A nanoestrutura lida com objetos e estruturas que estão na faixa de 1 a 100 nm. [17] Em muitos materiais, átomos ou moléculas se aglomeram para formar objetos na nanoescala. Isso causa muitas propriedades elétricas, magnéticas, ópticas e mecânicas interessantes. Ao descrever nanoestruturas, é necessário diferenciar entre o número de dimensões na nanoescala . As superfícies nanotexturizadas têm uma dimensão na nanoescala, ou seja, apenas a espessura da superfície de um objeto está entre 0,1 e 100 nm. Os nanotubos têm duas dimensões na nanoescala, ou seja, o diâmetro do tubo está entre 0,1 e 100 nm; seu comprimento pode ser muito maior.

Finalmente, as nanopartículas esféricas têm três dimensões na nanoescala, ou seja, a partícula está entre 0,1 e 100 nm em cada dimensão espacial. Os termos nanopartículas e partículas ultrafinas (UFP) são frequentemente usados ​​como sinônimos, embora UFP possa atingir a faixa de micrômetros. O termo 'nanoestrutura' é frequentemente usado quando se refere à tecnologia magnética. A estrutura em nanoescala na biologia é frequentemente chamada de ultraestrutura .

Microestrutura

Microestrutura da perlita

Microestrutura é definida como a estrutura de uma superfície preparada ou folha fina de material, conforme revelada por um microscópio com ampliação acima de 25×. Ela lida com objetos de 100 nm a alguns cm. A microestrutura de um material (que pode ser amplamente classificada em metálica, polimérica, cerâmica e compósita) pode influenciar fortemente propriedades físicas, como resistência, tenacidade, ductilidade, dureza, resistência à corrosão, comportamento em altas/baixas temperaturas, resistência ao desgaste e assim por diante. [18] A maioria dos materiais tradicionais (como metais e cerâmicas) são microestruturados.

A fabricação de um cristal perfeito de um material é fisicamente impossível. Por exemplo, qualquer material cristalino conterá defeitos como precipitados , contornos de grãos ( relação Hall-Petch ), vacâncias, átomos intersticiais ou átomos substitucionais. [19] A microestrutura dos materiais revela esses defeitos maiores e os avanços na simulação permitiram uma maior compreensão de como os defeitos podem ser usados ​​para melhorar as propriedades do material.

Macroestrutura

Macroestrutura é a aparência de um material na escala de milímetros a metros, é a estrutura do material vista a olho nu.

Propriedades

Os materiais apresentam inúmeras propriedades, incluindo as seguintes.

As propriedades de um material determinam sua usabilidade e, portanto, sua aplicação em engenharia.

Processamento

A síntese e o processamento envolvem a criação de um material com a micro-nanoestrutura desejada. Um material não pode ser usado na indústria se nenhum método de produção economicamente viável para ele tiver sido desenvolvido. Portanto, desenvolver métodos de processamento para materiais que sejam razoavelmente eficazes e econômicos é vital para o campo da ciência dos materiais. Diferentes materiais requerem diferentes métodos de processamento ou síntese. Por exemplo, o processamento de metais historicamente definiu eras como a Idade do Bronze e a Idade do Ferro e é estudado no ramo da ciência dos materiais denominado metalurgia física . Métodos químicos e físicos também são usados ​​para sintetizar outros materiais, como polímeros , cerâmicas , semicondutores e filmes finos . A partir do início do século XXI, novos métodos estão sendo desenvolvidos para sintetizar nanomateriais como o grafeno .

Termodinâmica

Um diagrama de fase para um sistema binário exibindo um ponto eutético

A termodinâmica se preocupa com calor e temperatura , e sua relação com energia e trabalho . Ela define variáveis ​​macroscópicas , como energia interna , entropia e pressão , que descrevem parcialmente um corpo de matéria ou radiação. Ela afirma que o comportamento dessas variáveis ​​está sujeito a restrições gerais comuns a todos os materiais. Essas restrições gerais são expressas nas quatro leis da termodinâmica. A termodinâmica descreve o comportamento em massa do corpo, não os comportamentos microscópicos do grande número de seus constituintes microscópicos, como moléculas. O comportamento dessas partículas microscópicas é descrito por, e as leis da termodinâmica são derivadas de, mecânica estatística .

O estudo da termodinâmica é fundamental para a ciência dos materiais. Ela forma a base para tratar fenômenos gerais na ciência e engenharia dos materiais, incluindo reações químicas, magnetismo, polarizabilidade e elasticidade. [20] Ela explica ferramentas fundamentais como diagramas de fase e conceitos como equilíbrio de fase .

Cinética

Cinética química é o estudo das taxas nas quais sistemas que estão fora do equilíbrio mudam sob a influência de várias forças. Quando aplicada à ciência dos materiais, ela lida com como um material muda com o tempo (move-se de um estado de não equilíbrio para um estado de equilíbrio) devido à aplicação de um determinado campo. Ela detalha a taxa de vários processos que evoluem em materiais, incluindo forma, tamanho, composição e estrutura. A difusão é importante no estudo da cinética, pois este é o mecanismo mais comum pelo qual os materiais sofrem mudanças. [21] A cinética é essencial no processamento de materiais porque, entre outras coisas, ela detalha como a microestrutura muda com a aplicação de calor.

Pesquisar

A ciência dos materiais é uma área de pesquisa altamente ativa. Junto com os departamentos de ciência dos materiais, física , química e muitos departamentos de engenharia estão envolvidos na pesquisa de materiais. A pesquisa de materiais abrange uma ampla gama de tópicos; a lista não exaustiva a seguir destaca algumas áreas de pesquisa importantes.

Nanomateriais

Uma imagem de microscopia eletrônica de varredura de feixes de nanotubos de carbono

Nanomateriais descrevem, em princípio, materiais dos quais uma única unidade é dimensionada (em pelo menos uma dimensão) entre 1 e 1000 nanômetros (10 −9 metros), mas geralmente é de 1 nm a 100 nm. A pesquisa de nanomateriais adota uma abordagem baseada na ciência dos materiais para a nanotecnologia , usando avanços em metrologia e síntese de materiais, que foram desenvolvidos em apoio à pesquisa de microfabricação . Materiais com estrutura na nanoescala geralmente têm propriedades ópticas, eletrônicas ou mecânicas exclusivas. O campo dos nanomateriais é vagamente organizado, como o campo tradicional da química, em nanomateriais orgânicos (à base de carbono), como fulerenos, e nanomateriais inorgânicos baseados em outros elementos, como silício. Exemplos de nanomateriais incluem fulerenos , nanotubos de carbono , nanocristais, etc.

Biomateriais

O nácar iridescente dentro de uma concha de nautilus

Um biomaterial é qualquer matéria, superfície ou construção que interage com sistemas biológicos . [22] A ciência dos biomateriais abrange elementos da medicina, biologia, química, engenharia de tecidos e ciência dos materiais.

Os biomateriais podem ser derivados da natureza ou sintetizados em um laboratório usando uma variedade de abordagens químicas usando componentes metálicos, polímeros , biocerâmicas ou materiais compostos . Eles são frequentemente destinados ou adaptados para aplicações médicas, como dispositivos biomédicos que desempenham, aumentam ou substituem uma função natural. Tais funções podem ser benignas, como serem usadas para uma válvula cardíaca , ou podem ser bioativas com uma funcionalidade mais interativa, como implantes de quadril revestidos de hidroxiapatita . Os biomateriais também são usados ​​todos os dias em aplicações odontológicas, cirurgias e administração de medicamentos. Por exemplo, uma construção com produtos farmacêuticos impregnados pode ser colocada no corpo, o que permite a liberação prolongada de um medicamento por um longo período de tempo. Um biomaterial também pode ser um autoenxerto , aloenxerto ou xenoenxerto usado como material de transplante de órgão .

Eletrônico, óptico e magnético

Metamaterial de índice negativo [23] [24]

Semicondutores, metais e cerâmicas são usados ​​hoje para formar sistemas altamente complexos, como circuitos eletrônicos integrados, dispositivos optoeletrônicos e mídias de armazenamento em massa magnéticas e ópticas. Esses materiais formam a base do nosso mundo de computação moderno e, portanto, a pesquisa sobre esses materiais é de vital importância.

Semicondutores são um exemplo tradicional desses tipos de materiais. São materiais que têm propriedades intermediárias entre condutores e isolantes . Suas condutividades elétricas são muito sensíveis à concentração de impurezas, o que permite o uso de dopagem para atingir propriedades eletrônicas desejáveis. Portanto, os semicondutores formam a base do computador tradicional.

Este campo também inclui novas áreas de pesquisa, como materiais supercondutores , spintrônica , metamateriais , etc. O estudo desses materiais envolve conhecimento da ciência dos materiais e da física do estado sólido ou física da matéria condensada .

Ciência dos materiais computacionais

Com o aumento contínuo do poder de computação, a simulação do comportamento dos materiais se tornou possível. Isso permite que os cientistas de materiais entendam o comportamento e os mecanismos, projetem novos materiais e expliquem propriedades antes mal compreendidas. Os esforços em torno da engenharia de materiais computacionais integrada agora estão se concentrando na combinação de métodos computacionais com experimentos para reduzir drasticamente o tempo e o esforço para otimizar as propriedades dos materiais para uma determinada aplicação. Isso envolve a simulação de materiais em todas as escalas de comprimento, usando métodos como teoria funcional da densidade , dinâmica molecular , Monte Carlo , dinâmica de deslocamento, campo de fase , elemento finito e muitos mais. [25]

Indústria

Recipientes para bebidas de todos os três tipos de materiais: cerâmica (vidro), metal (alumínio) e polímero (plástico).

Avanços radicais em materiais podem impulsionar a criação de novos produtos ou até mesmo novas indústrias, mas indústrias estáveis ​​também empregam cientistas de materiais para fazer melhorias incrementais e solucionar problemas com materiais usados ​​atualmente. As aplicações industriais da ciência dos materiais incluem design de materiais, compensações de custo-benefício na produção industrial de materiais, métodos de processamento ( fundição , laminação , soldagem , implantação de íons , crescimento de cristal , deposição de filme fino , sinterização , sopro de vidro , etc.) e métodos analíticos (métodos de caracterização como microscopia eletrônica , difração de raios X , calorimetria , microscopia nuclear (HEFIB) , retroespalhamento de Rutherford , difração de nêutrons , espalhamento de raios X de pequeno ângulo (SAXS), etc.).

Além da caracterização do material, o cientista ou engenheiro de materiais também lida com a extração de materiais e sua conversão em formas úteis. Assim , lingotamento, métodos de fundição , extração de alto-forno e extração eletrolítica são todos parte do conhecimento necessário de um engenheiro de materiais. Frequentemente, a presença, ausência ou variação de quantidades mínimas de elementos secundários e compostos em um material a granel afetará muito as propriedades finais dos materiais produzidos. Por exemplo, os aços são classificados com base em porcentagens de peso de 1/10 e 1/100 do carbono e outros elementos de liga que eles contêm. Assim, os métodos de extração e purificação usados ​​para extrair ferro em um alto-forno podem afetar a qualidade do aço produzido.

Os materiais sólidos são geralmente agrupados em três classificações básicas: cerâmicas, metais e polímeros. Essa ampla classificação é baseada na composição empírica e na estrutura atômica dos materiais sólidos, e a maioria dos sólidos se enquadra em uma dessas categorias amplas. [26] Um item que geralmente é feito de cada um desses tipos de materiais é o recipiente para bebidas. Os tipos de materiais usados ​​para recipientes para bebidas fornecem diferentes vantagens e desvantagens, dependendo do material usado. Os recipientes de cerâmica (vidro) são opticamente transparentes, impermeáveis ​​à passagem de dióxido de carbono, relativamente baratos e são facilmente reciclados, mas também são pesados ​​e quebram facilmente. O metal (liga de alumínio) é relativamente forte, é uma boa barreira à difusão de dióxido de carbono e é facilmente reciclado. No entanto, as latas são opacas, caras de produzir e são facilmente amassadas e perfuradas. Os polímeros (plástico de polietileno) são relativamente fortes, podem ser opticamente transparentes, são baratos e leves e podem ser recicláveis, mas não são tão impermeáveis ​​à passagem de dióxido de carbono quanto o alumínio e o vidro.

Cerâmica e vidros

Peças de rolamento de cerâmica Si 3 N 4

Outra aplicação da ciência dos materiais é o estudo de cerâmicas e vidros , tipicamente os materiais mais frágeis com relevância industrial. Muitas cerâmicas e vidros exibem ligação covalente ou iônico-covalente com SiO 2 ( sílica ) como um bloco de construção fundamental. Cerâmicas – não confundir com argila crua e não cozida – são geralmente vistas na forma cristalina. A grande maioria dos vidros comerciais contém um óxido de metal fundido com sílica. Nas altas temperaturas usadas para preparar o vidro, o material é um líquido viscoso que se solidifica em um estado desordenado ao resfriar. Vidros de janelas e óculos são exemplos importantes. Fibras de vidro também são usadas para telecomunicações de longo alcance e transmissão óptica. O Corning Gorilla Glass resistente a arranhões é um exemplo bem conhecido da aplicação da ciência dos materiais para melhorar drasticamente as propriedades de componentes comuns.

Cerâmicas de engenharia são conhecidas por sua rigidez e estabilidade sob altas temperaturas, compressão e estresse elétrico. Alumina, carboneto de silício e carboneto de tungstênio são feitos de um pó fino de seus constituintes em um processo de sinterização com um ligante. A prensagem a quente fornece material de maior densidade. A deposição química de vapor pode colocar uma película de uma cerâmica em outro material. Cermets são partículas de cerâmica contendo alguns metais. A resistência ao desgaste das ferramentas é derivada de carbonetos cimentados com a fase metálica de cobalto e níquel normalmente adicionada para modificar as propriedades.

A cerâmica pode ser significativamente reforçada para aplicações de engenharia usando o princípio de deflexão de trincas . [27] Este processo envolve a adição estratégica de partículas de segunda fase dentro de uma matriz cerâmica, otimizando sua forma, tamanho e distribuição para direcionar e controlar a propagação de trincas. Esta abordagem aumenta a tenacidade à fratura, abrindo caminho para a criação de cerâmicas avançadas e de alto desempenho em várias indústrias. [28]

Compósitos

Um filamento de carbono de 6 μm de diâmetro (indo do canto inferior esquerdo para o canto superior direito) sobre um fio de cabelo humano muito maior

Outra aplicação da ciência dos materiais na indústria é a fabricação de materiais compostos . Esses são materiais estruturados compostos de duas ou mais fases macroscópicas.

As aplicações variam de elementos estruturais, como concreto reforçado com aço, até as telhas de isolamento térmico, que desempenham um papel fundamental e integral no sistema de proteção térmica do ônibus espacial da NASA , que é usado para proteger a superfície do ônibus espacial do calor da reentrada na atmosfera da Terra. Um exemplo é o Carbono-Carbono reforçado (RCC), o material cinza claro, que suporta temperaturas de reentrada de até 1.510 °C (2.750 °F) e protege as bordas de ataque das asas e a tampa do nariz do ônibus espacial. [29] O RCC é um material composto laminado feito de tecido de rayon de grafite e impregnado com uma resina fenólica . Após a cura em alta temperatura em uma autoclave , o laminado é pirolizado para converter a resina em carbono, impregnado com álcool furfurílico em uma câmara de vácuo e curado-pirolizado para converter o álcool furfurílico em carbono. Para fornecer resistência à oxidação para reutilização, as camadas externas do RCC são convertidas em carboneto de silício .

Outros exemplos podem ser vistos nos invólucros "plásticos" de aparelhos de televisão, celulares e assim por diante. Esses invólucros plásticos são geralmente um material composto feito de uma matriz termoplástica , como acrilonitrila butadieno estireno (ABS), no qual giz de carbonato de cálcio , talco , fibras de vidro ou fibras de carbono foram adicionados para maior resistência, volume ou dispersão eletrostática . Essas adições podem ser denominadas fibras de reforço ou dispersantes, dependendo de sua finalidade.

Polímeros

A unidade de repetição do polímero polipropileno
Embalagem de polímero de poliestireno expandido

Polímeros são compostos químicos feitos de um grande número de componentes idênticos ligados entre si como cadeias. [30] Polímeros são as matérias-primas (as resinas) usadas para fazer o que é comumente chamado de plásticos e borracha . Plásticos e borracha são o produto final, criado após um ou mais polímeros ou aditivos terem sido adicionados a uma resina durante o processamento, que é então moldada em uma forma final. Plásticos em uso antigo e atual incluem polietileno , polipropileno , cloreto de polivinila (PVC), poliestireno , nylons , poliésteres , acrílicos , poliuretanos e policarbonatos . Borrachas incluem borracha natural, borracha de estireno-butadieno , cloropreno e borracha de butadieno . Plásticos são geralmente classificados como commodities , especialidades e plásticos de engenharia .

O cloreto de polivinila (PVC) é amplamente utilizado, barato e as quantidades de produção anual são grandes. Ele se presta a uma vasta gama de aplicações, desde couro artificial até isolamento elétrico e cabeamento, embalagens e contêineres . Sua fabricação e processamento são simples e bem estabelecidos. A versatilidade do PVC se deve à ampla gama de plastificantes e outros aditivos que ele aceita. [31] O termo "aditivos" na ciência dos polímeros se refere aos produtos químicos e compostos adicionados à base do polímero para modificar suas propriedades materiais.

O policarbonato seria normalmente considerado um plástico de engenharia (outros exemplos incluem PEEK , ABS). Esses plásticos são valorizados por suas resistências superiores e outras propriedades especiais do material. Eles geralmente não são usados ​​para aplicações descartáveis, ao contrário dos plásticos de commodities.

Plásticos especiais são materiais com características únicas, como ultra-alta resistência, condutividade elétrica, eletrofluorescência, alta estabilidade térmica, etc.

As linhas divisórias entre os vários tipos de plástico não são baseadas no material, mas sim em suas propriedades e aplicações. Por exemplo, o polietileno (PE) é um polímero barato e de baixo atrito, comumente usado para fazer sacolas descartáveis ​​para compras e lixo, e é considerado um plástico commodity, enquanto o polietileno de média densidade (MDPE) é usado para tubulações subterrâneas de gás e água, e outra variedade chamada polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE) é um plástico de engenharia que é usado extensivamente como trilhos de deslizamento para equipamentos industriais e soquete de baixo atrito em articulações de quadril implantadas .

Ligas metálicas

Cabo de aço feito de liga de aço

As ligas de ferro ( aço , aço inoxidável , ferro fundido , aço para ferramentas , aços-liga ) constituem a maior proporção de metais hoje, tanto em quantidade quanto em valor comercial.

Ferro ligado com várias proporções de carbono produz aços de baixo , médio e alto carbono . Uma liga de ferro-carbono só é considerada aço se o nível de carbono estiver entre 0,01% e 2,00% em peso. Para aços, a dureza e a resistência à tração do aço estão relacionadas à quantidade de carbono presente, com níveis crescentes de carbono também levando a menor ductilidade e tenacidade. Processos de tratamento térmico, como têmpera e revenimento, podem alterar significativamente essas propriedades, no entanto. Em contraste, certas ligas metálicas exibem propriedades únicas onde seu tamanho e densidade permanecem inalterados em uma faixa de temperaturas. [32] O ferro fundido é definido como uma liga de ferro-carbono com mais de 2,00%, mas menos de 6,67% de carbono. O aço inoxidável é definido como uma liga de aço regular com mais de 10% em peso de teor de liga de cromo . Níquel e molibdênio também são normalmente adicionados em aços inoxidáveis.

Outras ligas metálicas significativas são as de alumínio , titânio , cobre e magnésio . As ligas de cobre são conhecidas há muito tempo (desde a Idade do Bronze ), enquanto as ligas dos outros três metais foram desenvolvidas relativamente recentemente. Devido à reatividade química desses metais, os processos de extração eletrolítica necessários foram desenvolvidos apenas relativamente recentemente. As ligas de alumínio, titânio e magnésio também são conhecidas e valorizadas por suas altas relações resistência/peso e, no caso do magnésio, sua capacidade de fornecer blindagem eletromagnética. [33] Esses materiais são ideais para situações em que altas relações resistência/peso são mais importantes do que o custo a granel, como na indústria aeroespacial e em certas aplicações de engenharia automotiva.

Semicondutores

Um semicondutor é um material que tem uma resistividade entre um condutor e um isolante . A eletrônica moderna funciona com semicondutores, e a indústria teve um mercado estimado de US$ 530 bilhões em 2021. [34] Suas propriedades eletrônicas podem ser bastante alteradas por meio da introdução intencional de impurezas em um processo conhecido como dopagem. Materiais semicondutores são usados ​​para construir diodos , transistores , diodos emissores de luz (LEDs) e circuitos elétricos analógicos e digitais , entre seus muitos usos. Dispositivos semicondutores substituíram dispositivos termiônicos como tubos de vácuo na maioria das aplicações. Dispositivos semicondutores são fabricados como dispositivos discretos únicos e como circuitos integrados (CIs), que consistem em um número — de alguns a milhões — de dispositivos fabricados e interconectados em um único substrato semicondutor . [35]

De todos os semicondutores em uso hoje, o silício compõe a maior parte tanto em quantidade quanto em valor comercial. O silício monocristalino é usado para produzir wafers usados ​​na indústria de semicondutores e eletrônicos . O arsenieto de gálio (GaAs) é o segundo semicondutor mais popular usado. Devido à sua maior mobilidade de elétrons e velocidade de saturação em comparação ao silício, é um material de escolha para aplicações eletrônicas de alta velocidade. Essas propriedades superiores são razões convincentes para usar circuitos de GaAs em telefones celulares, comunicações via satélite, links ponto a ponto de micro-ondas e sistemas de radar de frequência mais alta. Outros materiais semicondutores incluem germânio , carboneto de silício e nitreto de gálio e têm várias aplicações.

Relação com outros campos

Google Ngram Viewer - diagrama visualizando os termos de busca para terminologia de matéria complexa (1940–2018). Verde: "ciência dos materiais", vermelho: " física da matéria condensada " e azul: " física do estado sólido ".

A ciência dos materiais evoluiu, começando na década de 1950, porque foi reconhecido que para criar, descobrir e projetar novos materiais, era preciso abordá-los de forma unificada. Assim, a ciência e a engenharia dos materiais surgiram de muitas maneiras: renomeando e/ou combinando departamentos de metalurgia e engenharia cerâmica existentes; separando-se da pesquisa existente em física do estado sólido (ela própria crescendo para física da matéria condensada ); atraindo engenharia de polímeros e ciência de polímeros relativamente novas ; recombinando do anterior, bem como química , engenharia química , engenharia mecânica e engenharia elétrica ; e mais.

O campo da ciência e engenharia de materiais é importante tanto de uma perspectiva científica quanto para o campo de aplicações. Os materiais são de extrema importância para engenheiros (ou outros campos aplicados) porque o uso de materiais apropriados é crucial ao projetar sistemas. Como resultado, a ciência dos materiais é uma parte cada vez mais importante da educação de um engenheiro.

Física de materiais é o uso da física para descrever as propriedades físicas dos materiais. É uma síntese de ciências físicas como química , mecânica dos sólidos , física do estado sólido e ciência dos materiais. A física dos materiais é considerada um subconjunto da física da matéria condensada e aplica conceitos fundamentais da matéria condensada a meios multifásicos complexos, incluindo materiais de interesse tecnológico. Os campos atuais em que os físicos de materiais trabalham incluem materiais eletrônicos, ópticos e magnéticos, novos materiais e estruturas, fenômenos quânticos em materiais, física de não equilíbrio e física da matéria condensada mole. Novas ferramentas experimentais e computacionais estão constantemente aprimorando como os sistemas de materiais são modelados e estudados e também são campos em que os físicos de materiais trabalham.

O campo é inerentemente interdisciplinar , e os cientistas ou engenheiros de materiais devem estar cientes e fazer uso dos métodos do físico, químico e engenheiro. Por outro lado, campos como ciências da vida e arqueologia podem inspirar o desenvolvimento de novos materiais e processos, em abordagens bioinspiradas e paleoinspiradas . Assim, permanecem relações estreitas com esses campos. Por outro lado, muitos físicos, químicos e engenheiros se encontram trabalhando em ciência de materiais devido às sobreposições significativas entre os campos.

Tecnologias emergentes

Tecnologia emergente Status Tecnologias potencialmente marginalizadas Aplicações potenciais Artigos relacionados
Aerogel Hipotético, experimentos, difusão,

primeiros usos [36]

Isolamento tradicional, vidro Isolamento melhorado, vidro isolante se puder ser tornado transparente, mangas para oleodutos, aplicações aeroespaciais, de alto calor e frio extremo
Metal amorfo Experimentos Kevlar Armadura
Polímeros condutores Pesquisa, experimentos, protótipos Condutores Fios mais leves e baratos, materiais antiestáticos, células solares orgânicas
Femtotecnologia , picotecnologia Hipotético Presente nuclear Novos materiais; armas nucleares, energia
Fulereno Experimentos, difusão Diamante sintético e nanotubos de carbono (Buckypaper) Matéria programável
Grafeno Hipotético, experimentos, difusão,

primeiros usos [37] [38]

Circuito integrado baseado em silício Componentes com maiores relações resistência/peso, transistores que operam em frequências mais elevadas, menor custo de ecrãs de visualização em dispositivos móveis, armazenamento de hidrogénio para carros alimentados por células de combustível, sistemas de filtragem, baterias mais duradouras e de carregamento mais rápido, sensores para diagnosticar doenças [39] Aplicações potenciais do grafeno
Supercondutividade de alta temperatura Sistemas de filtros de RF e micro-ondas de front-end de receptor criogênico (CRFE) para estações base de telefonia móvel; protótipos em gelo seco ; Hipotéticos e experimentos para temperaturas mais altas [40] Fio de cobre, circuitos integrais semicondutores Condutores sem perdas, rolamentos sem atrito, levitação magnética , acumuladores de alta capacidade sem perdas , carros elétricos , circuitos integrais e processadores sem calor
LiTraCon Experimentos, já usados ​​para fazer o Portão da Europa Vidro Construindo arranha-céus, torres e esculturas como o Europe Gate
Metamateriais Hipotético, experimentos, difusão [41] Óptica clássica Microscópios , câmeras , camuflagem de metamateriais , dispositivos de camuflagem
Espuma de metal Pesquisa, comercialização Cascos Colônias espaciais , cidades flutuantes
Estruturas multifuncionais [42] Hipotéticos, experimentos, alguns protótipos, poucos comerciais Materiais compósitos Ampla gama, por exemplo, monitoramento de auto-saúde, material de autocura , transformação
Nanomateriais : nanotubos de carbono Hipotético, experimentos, difusão,

primeiros usos [43] [44]

Aço estrutural e alumínio Materiais mais fortes e leves, o elevador espacial Aplicações potenciais de nanotubos de carbono , fibra de carbono
Matéria programável Hipotéticos, experimentos [45] [46] Revestimentos , catalisadores Ampla gama, por exemplo, claytrônica , biologia sintética
Pontos quânticos Pesquisa, experimentos, protótipos [47] LCD , LEDs Laser de ponto quântico , uso futuro como matéria programável em tecnologias de exibição (TV, projeção), comunicações ópticas de dados (transmissão de dados em alta velocidade), medicina (bisturi a laser)
Siliceno Hipotético, pesquisa Transistores de efeito de campo

Subdisciplinas

Os principais ramos da ciência dos materiais derivam de quatro classes principais de materiais: cerâmicas, metais, polímeros e compósitos.

Existem também esforços amplamente aplicáveis ​​e independentes de materiais.

Há também focos relativamente amplos em materiais sobre fenômenos e técnicas específicas.

Sociedades profissionais

Veja também

Referências

Citações

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