OS MATERIAIS INTELIGENTES E SUAS APLICAÇÕES* SERGIO DE ALMEIDA OLIVEIRA** Capitão de Mar e Guerra (RM1-FN) MARCELO A. SAVI*** Professor Doutor SUMÁRIO Introdução Ligas com memória de forma Materiais piezoelétricos Materiais magnetoestrictivos Fluidos eletromagnetorreológicos Conclusões INTRODUÇÃO se destacar o comportamento adaptativo que fornece a capacidade de auto-regulação natureza é a fonte de inspiração essen- dos sistemas naturais. A cial para pesquisadores e engenheiros Por meio da História, a tecnologia que tentam desenvolver sistemas e estrutu- humana é sempre relacionada com mate- ras. Dentre os aspectos inspiradores, deve- riais diferentes, e é possível reconhecer * Extraído da Tese de Doutorado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro: “Mode- lagem Termomecânica de Ligas com Memórias de forma em um contecto tridimensional”. ** Doutor em Engenharia Mecânica. É aluno de pós-doutorado na UFRJ, onde desenvolve atividades de pesquisa. *** Doutor em Engenharia Mecânica (1994). É professor da UFRJ (Departamento de Engenharia Mecânica, Coppe/ Escola Politécnica), onde desenvolve atividades de ensino, pesquisa e extensão. OS MATERIAIS INTELIGENTES E SUAS APLICAÇÕES as eras definidas por alguma invenção Variações desses materiais têm sido ou utilização de materiais: pedra e metal, investigadas, aumentando ainda mais a por exemplo. Recentemente, os materiais aplicabilidade dos materiais inteligentes. inteligentes podem ser identificados como Nesse sentido, podem-se mencionar as o estímulo de uma nova era. Basicamente, ligas ferromagnéticas e polímeros com os materiais inteligentes possuem um aco- memória de forma e as fibras óticas. Além plamento entre grandezas mecânicas e não disso, deve-se ressaltar a combinação de mecânicas, que confere ao material um tipo diferentes tipos de materiais compósitos especial de comportamento. Neste sentido, híbridos. Recentemente, há uma tendência é possível imaginar inúmeras aplicações para a redução de dispositivos inteligentes devido ao acoplamento de campos que, para micro e nanoescala, como os chama- geralmente, não estão ligados. dos MEMS e NEMS (micro – ou nano – A utilização dos materiais inteligentes sistemas eletromecânicos). na área tecnológica tenta explorar a ideia Materiais inteligentes são usualmente de construir sistemas e estruturas com utilizados como sensores e atuadores em es- comportamento adaptativo que tenham a truturas ou sistemas inteligentes. A escolha capacidade de alterar propriedades, devido do material adequado para cada aplicação às mudanças ambientais, e serem reparados depende de muitos fatores, e dois requisi- quando necessário. tos imprescindíveis no projeto devem ser Além do termo materiais inteligentes, destacados (Lagoudas, 2008): a densidade também são usualmente empregados os de energia de atuação e a frequência de termos materiais adaptativos, multifuncio- atuação do material. nais ou ativos. Lagoudas (2008) chamou de Este trabalho apresenta uma revisão materiais ativos um subgrupo de materiais sobre os principais materiais inteligentes multifuncionais que apresentam sensibi- e suas aplicações. A ideia é fornecer uma lidade e capacidade de atuação. Mas, em revisão abrangente, discutindo aplicações geral, é possível utilizar o termo materiais tecnológicas relatadas na literatura. Será inteligentes a fim de expressar os materiais feito um breve histórico sobre o desenvol- que apresentam acoplamentos entre campos vimento desses materiais, seus fenômenos físicos diferentes e, portanto, com caracterís- físicos e algumas de suas aplicações. Os ticas adaptativas que podem ser empregadas materiais inteligentes apresentados neste para adequar-se às mudanças ambientais. trabalho são as ligas com memória de Entre as muitas possibilidades, os ma- forma, materiais piezoelétricos, materiais teriais inteligentes podem ser classificados magneto-estrictivos e fluidos eletrosmag- de acordo com as diferentes formas de netorreológicos. acoplamento. Atualmente, os materiais mais utilizados são as ligas com memória LIGAS COM MEMÓRIA DE de forma, os materiais piezoelétricos, os FORMA materiais magnetoestrictivos e os fluidos eletromagnetorreológicos. Esses materiais As ligas com memória de forma (SMAs) têm a capacidade de mudar sua forma e apresentam um acoplamento termomecâ- rigidez, entre outras propriedades, por meio nico que lhe dá a capacidade de recuperar da imposição de temperatura ou de campos uma forma previamente definida a partir de de tensão, de uma diferença de potencial, um processo de carregamento termomecâ- ou de um campo eletromagnético. nico apropriado. Quando há uma restrição 40 RMB4oT/2013 OS MATERIAIS INTELIGENTES E SUAS APLICAÇÕES para a recuperação de forma, essas ligas chamada de martensita maclada (twinned), promovem forças de restituição elevadas. que tem 24 variantes que representam As SMAs são conhecidas desde 1930. 24 subtipos com diferentes orientações Porém, somente em 1960 é que passou cristalográficas. A formação martensítica a existir interesse tecnológico a respeito induzida por tensão tende a mudar essas 24 do comportamento das SMAs. Em 1962, variantes da martensita maclada em apenas Buehler e colaboradores do Laboratório uma variante, alinhada com a direção do de Artilharia Naval dos Estados Unidos carregamento de tensão, que é chamado da América (EUA) descobriram o efeito martensita não maclada (detwinned). memória de forma em uma liga de Ni-Ti, A fim de apresentar as principais ideias que começou a ser conhecido como Niti- por trás desses fenômenos, considere uma nol, como uma referência às letras iniciais amostra das SMAs em alta temperatura. do laboratório (NOL). Atualmente, as Nessa condição, a amostra tem fase auste- aplicações das SMAs estão se tornando nítica, e uma carga mecânica pode induzir bem conhecidas por diferentes campos da à transformação de fase em martensita ciência e da engenharia. não maclada. Retirada à carga mecânica, As singulares propriedades das SMAs ocorre uma transformação de fase reversa estão associadas com transformações de na amostra. A Figura 1 apresenta um dese- fase responsáveis por diferentes compor- nho esquemático do processo, juntamente tamentos termomecânicos dessas ligas. com uma curva de tensão-deformação que Basicamente, duas fases estão presentes representa o comportamento macroscópico nas SMAs: austenita e martensita. A fase do fenômeno pseudoelástico. austenítica é estável em altas temperaturas e Considere agora uma temperatura mais em um estado livre de tensão, apresentando baixa de tal forma que a amostra possui uma única variante. Por outro lado, a fase uma fase martensítica maclada estável. martensítica é estável a baixa temperatura Quando submetida a um carregamento me- em um estado livre de tensão, estando cânico, ocorre um processo de reorientação, relacionada com inúmeras variantes. Uma dando origem à formação da martensita não transformação de fase pode ser induzida maclada. Quando o processo de carrega- por tensão ou por temperatura. Quando a mento-descarregamento estiver concluído, martensita é induzida por temperatura, é a amostra de SMA apresenta uma defor- Figura 1 – Pseudoelasticidade (Paiva, 2004) RMB4oT/2013 41 OS MATERIAIS INTELIGENTES E SUAS APLICAÇÕES mação residual. Essa deformação residual sem qualquer carga mecânica. Esse fenômeno pode ser recuperada por meio do aumento é uma consequência do treinamento da amostra da temperatura que induz à transformação de SMA. A Figura 3 mostra uma representação da fase martensita para austenita. Esse é o esquemática do efeito em duas vias. efeito de memória de forma. É importante observar que a variação da temperatura pro- voca uma alteração da forma, e a amostra recupera sua forma original. A relação entre o efeito pseudoelástico e o de memória de forma pode ser estabelecida a partir de um movimento do ciclo de histerese mostrado na curva de tensão-deformação da Figura 1. Uma vez que se diminui a temperatura da amostra, o laço de histerese se move para baixo também. A Figura 2 mostra uma imagem esquemática do fenômeno do Figura 3 – Efeito de memória de forma reversível efeito memória de forma, juntamente com (Paiva, 2004) a curva de tensão-deformação. Aplicações As propriedades singulares das SMAs atraem o interesse tecnológico em diversos campos das ciências e da engenharia. Ma- chado & Savi (2002, 2003) e Duering et al. (1999) apresentam uma visão geral das aplicações mais relevantes das SMAs dentro do campo biomédico. Aplicações biomédi- cas das SMAs tornaram-se bem-sucedidas, devido à característica não invasiva de dispositivos com SMAs e também devido à sua excelente biocompatibilidade. SMAs são usualmente empregadas em instrumentos cirúrgicos, cardiovasculares e ortopédicos e em aparelhos ortodônticos, entre outros usos. Estruturas autoexpansivas constituem uma das principais aplicações das SMAs, como o filtro Simon e o stent. Na Figura 4, (a) e (b) têm uma sequência de imagens que Figura 2 – Efeito memória de forma (Paiva, 2004) ilustram o comportamento do filtro Simon O efeito de memória de forma reversível é quando introduzido no corpo humano em outro fenômeno associado às SMAs. Basica- uma veia. Inicialmente, o filtro Simon está mente, esse fenômeno é tal que a amostra tem em uma condição deformada, contraído. uma forma no estado austenítico e outra no Uma solução salina o mantém a baixa estado martensítico. A variação de temperatura temperatura, permitindo a introdução no produz uma mudança na forma da amostra, interior de uma veia. No momento em que 42 RMB4oT/2013 OS MATERIAIS INTELIGENTES