Titânio e suas ligas

O titânio e suas ligas vêm se destacando comercial e industrialmente devido a suas excelentes propriedades, tais como elevada razão resistência mecânica/peso, manutenção de sua resistência mecânica em temperaturas elevadas e excepcional resistência à corrosão. As principais aplicações destas ligas são nas indústrias aeroespacial e biomédica, em ambientes extremamente corrosivos e para a produção de equipamentos industriais avançados utilizados para a geração de energia e transporte.

O titânio possui duas estruturas cristalinas, isto é, o material apresenta alotropia. Uma das fases, denominada fase α, apresenta estrutura hexagonal compacta e é estável à temperatura ambiente, enquanto a segunda fase, conhecida por fase β, é cúbica de corpo centrado e é estável em temperaturas superiores a 882°C.

Estruturas_Cristalinas_Ti

Células unitárias das formas alotrópicas do titânio.

Assim como ocorre para os aços, alguns elementos de liga podem ser adicionados ao material metálico com o intuito de favorecer a formação de uma das fases. No caso do titânio, os elementos alumínio, gálio e estanho têm caráter alfagênio, isto é, favorecem a estabilidade da fase α.  Já o vanádio, nióbio e tálio são betagênios, atuando na redução da temperatura de transformação alotrópica, o que favorece a formação de fase β em temperaturas mais baixas do que 882°C. Desse modo, a adição de elementos de liga ao titânio e a realização de tratamentos térmicos nestas ligas permite a obtenção de diversas microestruturas e propriedades, permitindo a obtenção de três classes de ligas de titânio: α, β e α+β.  Normalmente deseja-se a fase α quando se necessita de resistência à fluência e a fase β para aplicações em que são necessárias boa resistência mecânica e à fadiga. Já a liga α+β, mais popular dentre as ligas de titânio, combina as melhores características de ambas as fases. A figura abaixo nos mostra algumas ligas comerciais de titânio, bem como uma comparação entre algumas de suas propriedades.

Ligas_Ti

Influência do percentual das fases α e β nas propriedades de ligas de Ti. Fonte: FROES, 2015.

As ligas de titânio são difíceis de produzir, o que as torna caras. A fusão deste material, por exemplo, deve ser feita em um recipiente especial para evitar contaminação, já que o material torna-se tão reativo quando aquecido em altas temperaturas que sofre contaminação por praticamente todos os materiais com os quais tem contato. Uma opção, portanto, é utilizar um cadinho de cobre resfriado por água, onde o titânio em contato com o cobre solidifica e o restante permanece fundido, protegido de contaminação. Outra dificuldade que pode ser mencionada é no processo de usinagem destes materiais. Além de possuírem um baixo módulo de elasticidade, o titânio e suas ligas têm baixa condutividade térmica, assim tendem a provocar um aumento significativo da temperatura na interface com a ferramenta durante a usinagem, aumentando o desgaste da mesma. Além disso, a elevada reatividade química mencionada anteriormente faz com que reajam com quase todos os materiais utilizados como ferramentas.

Ainda assim, apesar do preço e das dificuldades envolvidas em trabalhar com titânio, o metal é considerado bastante viável para algumas aplicações, como aquelas que mencionamos no começo deste post. Por quê? O que o torna especial?

A resposta é simples.. além de uma elevada resistência à corrosão, suas ligas apresentam uma combinação importantíssima de propriedades: resistência mecânica e baixa densidade. Ainda que não seja tão leve quanto o alumínio ou tão resistente quanto os aços, o titânio ganha destes dois materiais quando trata-se de relação resistência mecânica/peso, como podemos ver na figura.

Resistência-densidade

Comparativo entre propriedades mecânicas de ligas de titânio, liga de alumínio, aços inoxidáveis e titânio puro. Fonte: FROES, 2015.

Reparem que no gráfico do lado esquerdo, as ligas de titânio mostram-se inferiores aos aços inoxidáveis em termos de propriedade mecânica, mas superiores ao alumínio.  No entanto, ao dividirmos a resistência à tração do material por sua densidade, as ligas de titânio passam a ser superiores aos aços inoxidáveis e alumínio, apresentando a melhor relação resistência/peso, ou resistência específica. O titânio puro, por sua vez, não apresenta resistência considerável em nenhuma das análises, o que ressalta a importância de sempre continuar aprendendo e pesquisando sobre elementos de liga, fundamentais para a fabricação de qualquer componente metálico de elevado desempenho.

Referências:

FROES, F.H. – Titanium: physical metallurgy, processing, and applications-ASM International (2015)

HASÇALIK, A.; ÇAYDAŞ, U. Electrical discharge machining of titanium alloy (Ti–6Al–4V).Applied Surface Science, v. 253, n. 22, p. 9007-9016, 2007.

RIBEIRO, M. V.; MOREIRA, M. R. V.; FERREIRA, J. R. Optimization of titanium alloy (6Al–4V) machining.Journal of Materials Processing Technology, v. 143, p. 458-463, 2003.

CHE-HARON, C. H.; JAWAID, A. The effect of machining on surface integrity of titanium alloy Ti–6% Al–4% V.Journal of Materials Processing Technology, v. 166, n. 2, p. 188-192, 2005.

YAMADA, Makoto. An overview on the development of titanium alloys for non-aerospace application in Japan.Materials Science and Engineering: A, v. 213, n. 1, p. 8-15, 1996.

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“Engenheirando” a indústria têxtil

O século XXI pode estar bem longe de chegar ao fim, mas já marcou o mundo da indústria têxtil com algumas invenções um tanto inusitadas. Vejamos uma breve linha do tempo:

2005 – Roupas de garrafa reciclada

Resíduos vêm cada vez mais se tornando matérias-primas interessantes para o meio industrial, devido a uma maior consciência ambiental das empresas e da população. Exemplo disso é a utilização de garrafas plásticas de PET, que seriam descartadas no lixo, para a produção de uma fibra têxtil de elevada qualidade, conhecida pelo nome de GreenPlus. Para isso, são removidos os rótulos e tampas das garrafas, que então são lavadas várias vezes para remover qualquer vestígio de cola ou outros contaminantes. Em seguida, estas garrafas são prensadas e picadas no formato de pequenos flocos, os quais são levados a uma extrusora, passam por uma fieira e tornam-se fibras de PET reciclado. Essas fibras são então manipuladas até que estejam em um tamanho ideal para a compactação, processo que lhes confere o aspecto de um tecido, permitindo que sejam utilizadas posteriormente para a produção de diversas vestimentas e produtos em geral.

2010 – Roupas em spray

Desenvolvida pelo estilista Manel Torres em parceria com a Imperial College London, a roupa em spray foi batizada como Fabrican Spray-on. A vestimenta é composta por uma mistura de fibras, que podem ser de lã, algodão, linho ou acrílico, de acordo com a textura desejada para o tecido. Além disso, ela tem em sua composição polímeros e solvente. Os primeiros têm a função de realizar a união das fibras, formando um tecido confortável e sem qualquer tipo de costura, enquanto o segundo permite que o material seja líquido em seu estado inicial, de forma que possa ser aplicado na forma de spray. Para que a roupa adquira uma consistência sólida, o solvente passa a sofrer evaporação assim que a mistura é liberada sobre o corpo, levando cerca de 15 minutos para que a roupa esteja sólida e perfeitamente finalizada, tempo suficiente para que ela possa se moldar ao corpo. O resultado é uma vestimenta ecológica, que pode ser lavada, reutilizada e ainda redissolvida, transformando-se em matéria-prima para novas peças de roupa. Os pontos negativos são o forte cheiro de solvente e o design “justinho” destas roupas, que não agrada a todos os consumidores.

roupa em spray

Camiseta produzida por tecido em spray. Fonte: Imperial College of London

2010 – Roupa de chá verde e bactérias

Batizado de BioCouture, o tecido inventado por Suzanne Lee é feito a partir de vinagre, chá verde doce e bactérias. Confira abaixo a “receita” do tecido:

Receita2

Fonte: BioCouture

E como funciona?

As fibras do tecido começam a surgir em meio à mistura de microorganismos, crescem e transformam-se em folhas de celulose bacteriana. Estas finas folhas são então moldadas no formato de roupas enquanto estão úmidas, para que quando sequem, as partes sobrepostas da roupa fiquem grudadas e formem “costuras”.

BioCouture

BioCouture. Fonte: Revista Galileu

A peça original tem este aspecto de papiro visto na figura acima, no entanto pode ainda ser branqueada ou tingida com extratos vegetais.

2015 – Roupas com ar-condicionado

Circular líquidos quentes ou frios ao longo de uma peça de roupa por meio de canais incorporados a ela. Isso permite controlar a temperatura em que a roupa se encontra e não parece algo tão difícil, certo? Você pode estar se perguntando como isto não foi inventado antes, considerando quantas pessoas sofrem com o calor e frio excessivos diariamente.

Na verdade, vários protótipos já foram testados nos últimos anos. A produção de canais ao longo da peça não é algo difícil de ser feito, no entanto se estes forem muito grossos, a vestimenta torna-se algo nada prático de vestir. Assim, é preciso miniaturizar os canais,  assim como é feito atualmente para os biochips. No entanto, a fabricação destes microcanais já se torna complexa e cara, fazendo com que fosse viável o uso destes canais apenas a áreas pequenas, impedindo que houvesse uma refrigeração ou aquecimento eficaz.

O que mudou em 2015? Pesquisadores finlandeses do Centro de Pesquisas Técnicas VTT conseguiram realizar a estampagem a quente em larga escala dos microcanais, modificando uma grande área da vestimenta a um preço mais acessível. Estes microcanais são fabricados a partir de um polímero flexível, em um design como o mostrado abaixo.

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O próximo passo da equipe finlandesa é tornar a temperatura da roupa ajustável por meio de smartphones. Fonte: VTT

Com a invenção sendo finalmente viável economicamente, esperamos que seja apenas questão de tempo para este tão sonhado produto chegar a nossos guarda-roupas.

Para finalizar, fiquemos com Torres, o idealizador da roupa em spray, que afirmou que “(…) a ciência e a tecnologia podem ajudar estilistas a criar novos materiais”, o que pôde ser comprovado na postagem de hoje. Pensem nisso como mais um área onde podemos atuar e deixar nossa contribuição para a sociedade. Abraço a todos!

Referências:

International Fiber Journal – Turning PET to Textiles;

Revista Galileu – Pesquisadores desenvolvem roupa em spray;

Inovação Tecnológica – Tecido em spray é borrifado no corpo e cria roupa sob medida;

BioCouture;

Revista Galileu – Designer britânica cria roupa “tecida” por bactérias;

VTT Research.

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Coração artificial pode salvar vidas

É estimado que no Brasil existam mais de 22 mil pessoas na fila de espera por um órgão e o tempo de espera pode ser de até 6 anos. Imagina quantas pessoas perdem a vida por não terem doadores suficientes? Por isso a engenharia tenta incessantemente criar órgãos que sejam biocompatíveis. Esse é o caso de pesquisadores da Universidade de Cornell nos Estados Unidos, que trabalharam com um material que pode ser utilizado para a fabricação de corações.

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Simulação de coração artificial

Existe uma classe de materiais chamada FEA (Fluidic Elastomer Actuators), que podem possuir a mesma aplicação que o material desenvolvido pelo pesquisadores citados acima. Com eles, é possível bombear líquidos de uma forma controlada e sem o aparecimento de vazamentos. Quando pressurizado o material pode dobrar, estender e torcer, dependendo do padrão das fibras com a estrutura. Durante a expansão, essas fibras criam um gradiente de tensão que resulta no movimento programado do material. A fabricação desses materiais foi limitada a estruturas prismáticas, assim exigem montagens muito complexas para chegar perto das estruturas presentes em modelos biológicos. Além disso, eles necessitam da criação de câmaras internas para passar o fluido, isso dificulta muito a sua produção e a torna mais cara.

Diferente dos FEAs o material polimérico criado pelo grupo de pesquisa da Cornell já possui uma porosidade aberta e não precisa de moldagem adicional ao processo. Utilizando técnicas convencionais eles criaram um produto capaz de realizar tarefas simples, como extensão e flexão e mais complexas como sucção e bombeamento de fluido.

Para produzir a espuma é utilizada o método da fase de sacrifício, que consiste em adicionar um elemento, o agente de sacrifício, que irá se decompor na queima do material e consequentemente formará poros. Nesse caso foi utilizado um silicone (PDMS) como material da matriz e o carbonato de amônia (NH5CO3) como o material de sacrifício. O carbonato foi utilizado, porque se decompõe numa temperatura menor que 50°C, é fácil de controlar os produtos da reação, é barato e também muito disponível no mercado.

Um fato que é bem interessante é que quando o líquido é bombeado dentro dessa espuma polimérica, ela pode chegar a expandir até 300%. Além disso, utilizar fibras como as de carbono ou de silicone dá uma maior versatilidade de forma ao produto, por exemplo pode fazer com que uma esfera expanda-se na forma de um ovo.

Esse material ainda precisa de inúmeros testes, principalmente na questão de biocompatibilidade e de aprovação federal para ser colocado no mercado. Enquanto isso é sempre bom lembrar: Seja doador de órgãos!

Fontes:

Hospital Albert Einstein

Hora 1 – 22 mil pacientes aguardam transplante em 2015

Cornell University

Benjamin C. Mac Murray, Xintong An, Sanlin S. Robinson, Ilse M. van Meerbeek, Kevin W. O Brien, Huichan Zhao, Robert F. Shepherd. Poroelastic Foams for Simple Fabrication of Complex Soft Robots. Advanced Materials, Vol.: Early View. DOI: 10.1002/adma.201503464

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