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, especialmente nas indústrias de alta tecnologia e nas indústrias emergentes.
Este artigo fornece uma breve introdução a alguns desses materiais de engenharia inovadores.
1. Fibras ópticas
Fibras ópticas, abreviadas como fibras, são fibras ópticas usadas para transmitir informações luminosas. Como meio de transmissão de ondas luminosas, as fibras típicas consistem em um núcleo com alto índice de refração e um revestimento com índice de refração mais baixo. Em aplicações práticas, centenas ou mesmo milhares de fibras são combinadas num certo tipo de estrutura de cabo.
Para transmissão de longa distância, são necessários repetidores ópticos para restaurar os sinais de luz que diminuem gradualmente durante a transmissão. As duas características principais das fibras ópticas são a perda de luz e a largura de banda de transmissão; o primeiro determina a distância de transmissão, enquanto o segundo rege a capacidade de informação.
O desenvolvimento de fibras ópticas está atualmente focado em aumentar a distância sem repetidor, reduzir perdas e avançar em direção a comprimentos de onda superlongos e bandas de frequência ultralargas. A seguir estão alguns tipos de fibras ópticas que foram desenvolvidas e utilizadas:
(1) Fibras de Quartzo
Atualmente, as fibras de comunicação são compostas principalmente de vidro de quartzo fundido de alta pureza. As fibras de quartzo são quimicamente estáveis, possuem um pequeno coeficiente de expansão, excelente confiabilidade a longo prazo e recursos abundantes. No entanto, eles são um tanto frágeis e a redução adicional da perda de luz é limitada.
(2) Fibras Plásticas
O material do núcleo das fibras plásticas pode ser polimetilmetacrilato (PMMA) e poliestireno (PS), com materiais de cobertura de fibra que podem ser fluororesina em PMMA ou material PMMA em PS. As fibras plásticas apresentam 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 concentram-se principalmente na transmissão de energia e informações de imagem em curtas distâncias.
(3) Fibras Compostas de Sulfeto
A fibra de vidro composta de sulfeto mais típica é o sistema As-S, que possui alto ponto de fusão e boa processabilidade.
(4) Fibras de Cristal Haleto
As fibras de cristal haleto incluem CsBr e CrI monocristalinos 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.
(5) Vidro fluoretado
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 longo comprimento de onda, com características como ampla faixa de comprimento de onda, 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 transmissão potencialmente de longa distância de imagens holográficas. Também podem ser utilizados para transmitir lasers de alta intensidade e fabricar sensores de fibra óptica, entre outras aplicações.
2. Materiais Supercondutores
Em 1911, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes descobriu um súbito desaparecimento da resistência do mercúrio à temperatura do nitrogênio líquido, 4,2K. Este fenômeno é conhecido como supercondutividade, e os materiais que apresentam isso são chamados de supercondutores.
O estado em que um supercondutor entra em 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 é resfriado em um campo magnético, no ponto onde a resistência do material desaparece, as linhas do campo magnético são expelidas do condutor, fenômeno conhecido como diamagnetismo perfeito ou efeito Meissner. Supercondutividade e diamagnetismo são as duas características principais 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.
Ímãs supercondutores, com seus altos campos magnéticos, baixa perda de energia e peso leve, podem ser usados para geração de energia magnetohidrodinâmica, convertendo diretamente energia térmica em energia elétrica e aumentando significativamente a potência de saída dos geradores.
O uso de tunelamento supercondutor pode criar vários dispositivos caracterizados por alta sensibilidade, baixo ruído, resposta rápida e baixa perda, adequados para detecção de ondas eletromagnéticas e promovendo a praticidade de tecnologias de medição e teste de precisão. Nos computadores, os computadores de junção Josephson feitos de materiais supercondutores podem realizar dez cálculos em 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 enormes campos magnéticos gerados por supercondutores podem ser usados em reações termonucleares controladas.
3. Materiais de amortecimento de vibrações
As ligas de amortecimento de vibrações são materiais funcionais que possuem capacidades de amortecimento de vibrações, mantendo a resistência estrutural necessária. São ligas com alto atrito interno, possibilitando rápida decadência de vibrações. Dependendo de seus mecanismos de amortecimento, as ligas de amortecimento de vibrações podem ser categorizadas em tipos multifásicos, ferromagnéticos, geminados e discordantes.
(1) Ligas Multifásicas
As ligas multifásicas compreendem duas ou mais fases, geralmente apresentando uma segunda fase mais macia distribuída sobre uma matriz mais dura. Eles utilizam a deformação plástica repetida da segunda fase da liga para converter energia vibracional em calor friccional para amortecimento.
O ferro fundido cinzento com grafite em flocos é a liga de amortecimento multifásica mais amplamente utilizada, normalmente empregada em bases de máquinas-ferramenta, virabrequins, cames e assim por diante. A liga Al-Zn é outra liga de amortecimento multifásica típica, usada em dispositivos como amplificadores estéreo.
(2) Ligas Ferromagnéticas
Estas ligas utilizam a magnetostrição de materiais ferromagnéticos e a rotação e movimento de domínios magnéticos durante a vibração para consumir energia vibracional para amortecimento. Aço cromo com teor de cromo de 12% e ligas à base de Fe-Cr-Al são exemplos de ligas de amortecimento ferromagnéticas, usadas em pás de turbinas a vapor, engrenagens de instrumentos de precisão, etc.
(3) Ligas de geminação
As ligas geminadas utilizam a formação de estruturas geminadas finas durante a mudança de fase, absorvendo energia vibracional através do movimento dos limites dos grãos geminados. Por exemplo, a liga Mn-Cu-Ni-Fe recentemente desenvolvida no Japão pode reduzir pela metade a amplitude em uma única vibração, adequada para peças de motores, carcaças de motores, peças de máquinas de lavar e assim por diante.
(4) Ligas de Luxação
As ligas de discordância absorvem energia vibracional devido à vibração mútua entre discordâncias e átomos intersticiais. O Mg-Zr (wZrA liga =6%), por exemplo, é utilizada em girobússolas para orientação de mísseis e em suportes de instrumentos de precisão como dispositivos de controle, garantindo seu funcionamento normal.
A liga Mg-MgNi não só possui excelentes propriedades de amortecimento, mas também alta resistência e baixa densidade, tornando-a um excelente material de amortecimento de vibrações para a indústria aeroespacial.
4. Materiais de baixa temperatura
O modo de falha mais perigoso dos materiais em baixas temperaturas é a fratura frágil em baixa temperatura. Portanto, os materiais que trabalham sob baixas temperaturas precisam possuir excelente tenacidade a baixas temperaturas. Além disso, para evitar deformações térmicas causadas por mudanças entre temperaturas ambiente e baixas, esses materiais devem ter menor coeficiente de expansão térmica e boa trabalhabilidade.
Os materiais utilizados sob campos magnéticos a baixas temperaturas normalmente 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 em diferentes temperaturas de uso, os materiais de baixa temperatura comumente usados podem ser divididos aproximadamente nas três categorias a seguir:
(1) Materiais para -40 a -100 ℃: Os materiais de baixa temperatura usados nesta faixa de temperatura são principalmente aço de baixo carbono e aço de baixa liga, como aço-liga com 3,5% wNãoe aço manganês com baixo teor de carbono e 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°C: Os materiais de baixa temperatura usados nesta faixa de temperatura são principalmente para as indústrias de produção de gás natural liquefeito e oxigênio.
Os tipos incluem aço inoxidável austenítico 18-8, que possui excelente tenacidade a baixas temperaturas, mas menor resistência e maior coeficiente de expansão; aço de baixa temperatura à base de níquel, como aço com 9% wNão (cc<0,1%), Ni (wNão=5%) -Mo (wMo=0,2%) aço, que possui alta resistência, boa tenacidade a baixas temperaturas, soldabilidade confiável e é cada vez mais utilizado; aço austenítico com alto teor de manganês 20Mn23Al, liga de alumínio 5083, etc.
(3) Materiais de temperatura ultrabaixa para -253 a -269°C: 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 sob pesquisa incluem principalmente: aço inoxidável austenítico para temperaturas ultrabaixas formado pela adição de carbono e nitrogênio à base de aço inoxidável tipo 18-8; aço inoxidável austenítico com alto teor de manganês 15Mn26Al4; Ni (wNão=12%) -Ti (wTi=0,25%), Ni (wNão=13%) -Mo (WMo=3%) aço e ligas à base de Ni.
5. Materiais de memória de forma
Em contraste com os materiais comuns, a característica distintiva dos materiais com memória de forma é que eles retêm a sua deformação quando a tensão é aplicada a baixas temperaturas e não desaparece após a tensão ser removida. Porém, quando aquecido acima de uma certa temperatura crítica intrínseca, o material pode recuperar totalmente a sua forma geométrica pré-deformação, como se lembrasse da sua forma original.
Este fenômeno é conhecido como efeito de memória de forma. Os materiais que exibem esse efeito são chamados de materiais com memória de forma. Tanto os materiais com memória metálica quanto a cerâmica exibem o efeito de memória de forma através da transformação da fase martensítica, enquanto os materiais com memória polimérica apresentam esse efeito devido a mudanças em sua estrutura de cadeia com a temperatura.
Os materiais com memória de forma são principalmente ligas com memória de forma, das quais existem dezenas em uso atualmente. Eles podem ser divididos aproximadamente 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, resistência e resistência à fadiga térmica incomparável junto com excelente biocompatibilidade. No entanto, o alto custo das matérias-primas e os difíceis processos de fabricação tornam-nas 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. No entanto, a taxa de recuperação da forma diminui com o uso prolongado ou repetido, o que é um problema que precisa ser resolvido. As ligas à base de cobre mais práticas são Cu-Zn-Al, com outras incluindo 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 gradualmente atenção. As ligas com memória 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 únicas, ampliando ainda mais as perspectivas de aplicação de materiais com memória.
Os materiais com memória de forma têm sido amplamente aplicados na aviação, aeroespacial, máquinas, eletrônica, energia, áreas médicas e na vida diária. 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.
6. Materiais de armazenamento de hidrogênio
O hidrogénio, sendo uma fonte de energia livre de poluição e abundantemente disponível na Terra, deverá ser uma fonte de energia primária no futuro. No entanto, o armazenamento de hidrogénio 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 denominado material de armazenamento de hidrogênio.
Os materiais de armazenamento de hidrogênio absorvem hidrogênio para formar hidretos metálicos e liberam calor após resfriamento ou pressurização. Por outro lado, eles revertem para metal e hidrogênio, liberando gás hidrogênio e absorvendo calor quando aquecidos ou despressurizados. A densidade do hidrogênio em materiais de armazenamento de hidrogênio é 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 possuem 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 hidrogênio. Exemplos incluem Mg2Ni, Mg2Cu, etc.
À base de titânio: As ligas de armazenamento de hidrogênio à base de titânio têm 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, tornando-os adequados para materiais de armazenamento de hidrogênio em alta temperatura. Exemplos incluem ZrCr2, ZrMn2, etc.
À base de terras raras: Ligas de armazenamento de hidrogênio de terras raras, representadas pela liga de níquel-lantânio LaNi, possuem boas propriedades de absorção de hidrogênio e são facilmente ativadas. Eles liberam hidrogênio rapidamente em temperaturas acima de 40°C, mas seu custo é relativamente alto.
Para reduzir custos e melhorar o desempenho, terras raras mistas podem substituir o lantânio, ou outros elementos metálicos podem substituir parcialmente a liga de armazenamento de hidrogênio multielementar formada por terras raras mistas e Ni.
À base de ferro: A liga de armazenamento de hidrogênio à base de ferro mais comum é a liga de ferro-titânio. Possui excelentes propriedades de armazenamento de hidrogênio e é de baixo custo, mas a ativação é relativamente difícil.
7. Materiais Magnéticos
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 indústrias como 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 desmagnetizam facilmente quando o campo externo é removido. Eles são caracterizados por alta permeabilidade, alta resistência à 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 ferro elétrico puro, chapas de aço silício, ligas de Fe-Al, ligas de Fe-Ni e materiais magnéticos macios de ferrita.
Materiais magnéticos duros, também conhecidos como materiais magnéticos permanentes, são aqueles que podem gerar um campo magnético sem fonte de alimentação externa, uma vez magnetizados.
Esses materiais são caracterizados por considerável coercividade e magnetismo residual e são amplamente utilizados em instrumentos magnetoelétricos, alto-falantes, geradores de ímã permanente 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 ferrita, materiais magnéticos duros de terras raras e materiais magnéticos duros de neodímio-ferro-boro.
Além disso, existem 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 de memória magnética em computadores eletrônicos e materiais de compensação magnética em instrumentos de precisão.
