Ferramentas de diamante com cBN

Na última semana mostramos diversas propriedades interessantes que o diamante possui como material de engenharia. Não é de se surpreender que este material, que apresenta a maior dureza dentre os materiais conhecidos, seja utilizado como matéria prima para ferramentas de usinagem. No entanto, além do preço elevado, o diamante apresenta outro problema, a baixa inércia química ao realizar a usinagem de peças de aço e ferro fundido.  Como os processos de usinagem provocam um aumento da temperatura na região de contato entre ferramenta e peça, o diamante sofre um desgaste químico, uma grafitização catalisada por metais como ferro e níquel, o que explica a reatividade desta ferramenta frente a metais ferrosos. Considerando a importância desses metais para a indústria, principalmente o aço, pode-se dizer que este é um grande empecilho para a utilização de diamante como ferramenta. No entanto, os ferros fundidos apresentam em geral uma baixa usinabilidade, assim como alguns tipos de aço, necessitando de ferramentas de elevado desempenho, elevada dureza.  Dessa maneira, apesar de não ser tão adequado, o diamante ainda é bastante utilizado para a usinagem desses materiais.

Outro material de elevada dureza comumente utilizado para a fabricação de ferramentas é o nitreto cúbico de boro (cBN). Diferentemente do diamante, este material é inerte quimicamente ao ferro, entretanto, sua dureza é cerca de 4x menor. Por esta razão, as ferramentas de cBN apresentam curto tempo de vida não pelo desgaste químico, mas sim por serem mais propensas a se destruir mecanicamente no contato com o material da peça a ser usinada. Essa destruição mecânica é a única razão que impede hoje que o diamante seja completamente substituído pelo cBN.

Considerando as características complementares desses materiais e a utilização consolidada de ambos como matéria prima para ferramentas, cientistas tiveram a ideia de misturá-los. Apesar de os materiais apresentarem afinidade química, já que ambos possuem ligações covalentes e afinidade quanto a suas redes atômicas,  “a ideia nunca havia sido demonstrada na prática porque as amostras obtidas em estudos anteriores eram pequenas demais para que se pudesse testar seu desempenho prático”, diz o professor Duanwei He.

No entanto, em junho deste ano (2015), o cientista russo Pavel Loginov e seus colegas conseguiram produzir e testar um compósito contendo partículas de diamante e de cBN. Para isso, os autores misturaram diamante monocristalino em pó e nitreto cúbico de boro, também em pó, mostrados na Figura abaixo.

pó_diamante_cBN

Diamante monocristalino e nitreto cúbico de boro em pó. Adaptado de Loginov et al (2015).

Para unir estes dois pós, foi utilizado um ligante de composição 35%Cu – 17%Fe– 18%Co – 30%Ni. O próximo passo foi definir qual proporção de diamante e cBN confereria à ferramenta o melhor desempenho.  Para isso, foi feito um lote piloto de ferramentas , verificando que a falha das mesmas após a usinagem ocorria por dois mecanismos: O primeiro deles é a grafitização do diamante, provocando desgaste químico e arredondamento do grão, que devido à mudança de formato torna-se facilmente arrancável do ligante, podendo sofrer pull out. O outro, diz respeito ao cBN, que não possui nenhum problema de adesão ao ligante ao longo da usinagem, no entanto é rapidamente danificado mecanicamente. Através da medição da perda de massa sofrida por cada ferramenta, representando o desgaste da mesma, foi observado que a proporção de 3 diamante : 1 cBN é a que possui melhor desempenho, 20% superior a ferramentas contendo apenas diamante e 2x melhor do que ferramentas de cBN.

Visando uma melhora ainda maior da ferramenta, foi adicionado nitreto hexagonal de boro (hBN) como nanorreforço ao ligante. Este material foi escolhido por ser quimicamente inerte com o diamante e com o ferro e também por se comportar como lubrificante sólido a elevadas temperaturas. Como resultado, além de aumentar a dureza do ligante, há a formação de um filme fino sobre os grãos de diamante, reduzindo seu contato direto com o ferro e protegendo-o, portanto, da grafitização. Assim, ferramentas contendo hBN apresentaram-se ainda melhores, sendo 80% mais eficientes do que as ferramentas produzidas sem o hBN.

Referências:

LOGINOV, P. et al. Diamond and cBN hybrid and nanomodified cutting tools with enhanced performance: Development, testing and modelling.Materials & Design, v. 88, p. 310-319, 2015.

Half Diamond, Half Cubic Boron, All Cutting Business – John Arnst

Compartilhar Matéria:

O aerogel, as suas caraterísticas e a sua diversidade

Aqui no blog já falamos sobre materiais que parecem típicos de filmes de ficção científica (aqui) e um dos mencionados foi o aerogel. Na realidade, esse material não tem nada de futurista, pois existe desde 1930 quando Steven Kistler substituiu a água presente em uma gelatina por um gás.

690486-2

2 gramas de aerogel podem aguentar 2,5 kg. Imagem: NASA Continue reading O aerogel, as suas caraterísticas e a sua diversidade

Compartilhar Matéria:

Conheça o carbono tipo diamante (DLC)

Muitos se encantam com a beleza e raridade de um diamante, mas o que nem todos sabem é que este material pode ter aplicações incríveis na engenharia. Quando em pressão de 1 atmosfera, o diamante possui a maior densidade atômica dentre todos os materiais que existem. Seus átomos são ligados uns aos outros por ligações covalentes fortes as quais envolvem os orbitais híbridos sp³ do carbono. Considerando a densidade de átomos e a força das ligações entre eles, o diamante apresenta a maior dureza, maior módulo de elasticidade, maior condutividade térmica à temperatura ambiente e menor compressibilidade entre os materiais conhecidos. Além disso, possui elevada rigidez dielétrica (107 V/cm) e um energia de GAP de 5,5 eV, caracterizando-o como semicondutor. O fator limitante de uma ampla utilização deste material é seu custo, o qual é bastante elevado devido a sua raridade na natureza e às elevadas condições de temperatura e pressão necessárias para sintetizá-lo artificialmente.

Pensando em uma solução para conseguir as propriedades do diamante e evitar os custos elevados associados à compra deste material, cientistas tentaram sintetizar o diamante a baixas pressões, em condições nas quais este material é metaestável. Conseguiram sintetizar filmes policristalinos de diamante, mas a uma inviável taxa de crescimento de apenas algumas dezenas de nanômetros por hora. Continuando os esforços e as pesquisas, chegaram a taxas de crescimento bem maiores, de dezenas de micrômetros por hora, e além disso descobriram nesta pesquisa uma classe inteira de novos materiais, denominada de carbono tipo diamante (mais conhecida pelo termo em inglês diamond-like carbon, que dá origem à sigla DLC).

Os filmes de DLC apresentam estrutura similar à do diamante, no entanto são predominantemente amorfos (ou eventualmente microcristalinos), enquanto o diamante apresenta estrutura cristalina. Ainda assim, apresentam diversas propriedades interessantes do ponto de vista industrial e semelhantes às do diamante, tais como baixo coeficiente de atrito, elevada estabilidade térmica e elevada resistividade elétrica. Isto se deve ao fato de que os filmes de DLC contém inúmeras ligações de tipo sp³, assim como o diamante. No entanto, estes filmes também podem apresentar ligações sp², de forma que se torna possível estimar as propriedades e características de um filme de DLC através do cálculo da razão sp³/sp², em que sp³ representa o perfil “diamante” e sp², o “grafite”. O caráter desejado para o filme depende da aplicação, que abrange desde dispositivos optoeletrônicos e melhoria das propriedades químicas e/ou tribológicas de componentes, até a melhoria de ferramentas e de peças para setor automobilístico e revestimento para moldes, matrizes e próteses (biomateriais).

A variedade de possibilidades oferecidas pela combinação de ligações sp² e sp³ pode gerar uma variedade inimaginável de redes 3D de átomos de carbono. Filmes com elevada razão sp³/sp², por exemplo, tendem a apresentar ordem de médio a longo alcance como forma de aliviar tensões, o que é sinônimo da ocorrência de certo grau de cristalização. Uma vez que o conceito de material amorfo é que suas ligações não tenham ordem de longo alcance, isto implica que a maior parte dos filmes amorfos de DLC possui razão sp³/sp² não muito elevada.  A estrutura, e consequentemente as propriedades dos filmes de DLC são controladas pela técnica utilizada para depositar/implantar átomos de carbono. Sabe-se, por exemplo, que filmes produzidos por evaporação a partir de laser ou feixe de elétrons tendem a ter maior concentração de ligações sp² e caráter amorfo e que filmes microcristalinos não podem ser formados quando a energia de impacto dos íons é superior a aproximadamente 100 eV. As técnicas utilizadas para produção de filmes de DLC podem ser deposição por laser pulsado, deposição química na fase vapor assistida por plasma, bombardeamento iônico, deposição assistida por feixe de íons ou mesmo implantação iônica por imersão em plasma.  Assim, para que os filmes de DLC sejam produzidos, basicamente necessita-se de uma etapa de limpeza da superfície do material que receberá o filme, seguida de deposição de uma camada de propriedades intermediárias e, finalmente, deposição do filme de DLC por um dos métodos anteriormente mencionados. A adesão final entre filme e material de base é fortemente dependente das características que o último possui.

O que acharam do DLC? Vejam abaixo algumas imagens mostrando peças revestidas por esta classe de filmes.

dlc-on-glass.jpg

DLC depositado em vidro.

dlc7.jpg

Broca revestida por DLC.

Referências:

RAO, C. N. R.  Chemistry of advanced materials : a chemistry for the 21st century monograph. Oxford: Blackwell, 1993. 388p.

ANGUS, J. C.; HAYMAN, C. C. Low-pressure, metastable growth of diamond and” diamondlike” phases. Science, v. 241, n. 4868, p. 913-921, 1988.

FURLAN, K. P.; KLEIN, A. N.; HOTZA, D. Diamond-Like Carbon Films Deposited by Hydrocarbon Plasma Sources. Rev. Adv. Mater. Sci, v. 34, p. 165-172, 2013.

ENSINGER, W. et al. Formation of diamond-like carbon films by plasma-based ion implantation and their characterization. New Diamond and Frontier Carbon Technology, v. 16, n. 1, p. 1-32, 2006.

Compartilhar Matéria:

Entenda os efeitos de usinagem térmica sobre microestrutura e propriedades de materiais

No post de hoje falaremos sobre eletroerosão, um processo de usinagem por remoção térmica, e sobre como este processo influencia na microestrutura e propriedades de um material metálico.

Primeiramente, o que é usinagem? Segundo a norma DIN 8580, a usinagem consiste em um processo de fabricação que promove a retirada de material na forma de cavaco. Este processo tem o objetivo de conferir à peça a forma, a precisão dimensional e/ou o acabamento superficial requisitados em seu projeto. Assim, a usinagem compõe a base da indústria moderna e é utilizada direta ou indiretamente em todos os componentes manufaturados.

Um tipo de usinagem por remoção térmica vem chamando a atenção no meio industrial: a eletroerosão. A técnica consiste basicamente em fundir ou vaporizar o material a ser usinado por meio de descargas elétricas que ocorrem entre a peça e uma ferramenta, formando um canal de plasma entre estes dois eletrodos que pode alcançar temperaturas de 5500 a 10000 K. Assim, partículas de material são fundidas ou vaporizadas e em seguida removidas por um fluxo de fluido dielétrico, como mostra o vídeo abaixo (a partir de 36 segundos).

Ainda assim, parte deste material não é arrastada pelo fluido dielétrico para longe do material de base, ressolidificando em sua superfície. Isto leva à formação de uma camada superficial com microestrutura, composição química e propriedades distintas do material original, tais como resistência à corrosão, resistência ao desgaste abrasivo, dureza e propriedades mecânicas em geral. Nos aços, principais materiais usinados por eletroerosão, essa camada superficial formada é denominada camada branca. A camada possui este nome devido a sua coloração esbranquiçada quando observada em microscópio, mostrada na Figura 1. Essa coloração é proveniente da não corrosão da região pelos reagentes utilizados durante o ataque químico do material, realizado para realçar diferentes microestruturas em microscópio.

Figura 1.png

Figura 1 – Micrografia de aço usinado por eletroerosão, mostrando a formação da camada branca na superfície. Fonte: Klocke e Karden (1999)

 A camada branca apresenta dureza superior ao material base da liga. Isso pode ocorrer por dois motivos: quando as peças são usinadas em dielétrico de hidrocarboneto, carbono é liberado pela desintegração do dielétrico e interage com o ferro do aço, formando cementita (Fe3C). Já quando a eletroerosão utiliza água como dielétrico, percebe-se uma diminuição de carbono na camada superficial, tornando-se composta principalmente por ferrita. Ainda assim, esta camada apresenta maior dureza do que o material base devido à rápida solidificação da região, a qual culmina na formação de uma microestrutura extremamente refinada. Também é bastante comum na camada superficial de aços a existência de poros e microfissuras, fragilizando a região e podendo ocasionar uma propagação de trincas durante a utilização do componente, reduzindo sua vida. Por essa razão, podem ser realizados tratamentos depois da usinagem por eletroerosão para a remoção da camada superficial.

Convém ressaltar que abaixo da camada superficial, encontra-se uma outra região afetada pela energia proveniente do plasma, denominada zona termicamente afetada. Esta região, apesar de não ter sofrido fusão, também pode apresentar modificações em sua composição química e microestrutura. Observa-se para os aços a formação de uma camada temperada e abaixo desta uma camada revenida, a qual é seguida pelo material base da liga, aquele que não sofreu nenhuma influência térmica, como mostra a Figura 2.

camada branca com descrição.png

Figura 2 – Micrografia de um aço micro ligado submetido a eletroerosão, destacando as diferentes regiões formadas em termos de microestrutura.  Adaptado de: Hespanhol (2009)

Apesar das mudanças de micrestrutura e propriedades provocadas no material, pode-se utilizar eletroerosão sem nenhum problema. Para isso, é importante diminuir a energia do plasma e consequentemente a espessura das regiões afetadas ou realizar pós-tratamentos como brunimento e polimento.  A grande vantagem desse processo é que a usinagem pode ser realizada independentemente da dureza, tenacidade e ponto de fusão dos materiais envolvidos, o único pré-requisito é que os materiais da ferramenta e da peça tenham condutividade elétrica mínima da ordem de 10-2 a 10-1 S/cm. Assim, são englobados os metais, grafite e ainda algumas cerâmicas e compósitos, mas destes materiais os principais a serem usinados são aqueles que apresentam difícil processamento.

Referências

DIN 8580 – Fertingunsverfahren. Berlin: Beuth Verlag, 1985;

BOOTHROYD, Geoffrey.Fundamentals of metal machining and machine tools. CRC Press, 1988;

MCGEOUGH, Joseph A.Advanced methods of machining. Springer Science & Business Media, 1988;

DESCOEUDRES, A. et al. Time-resolved imaging and spatially-resolved spectroscopy of electrical discharge machining plasma.Journal of Physics D: Applied Physics, v. 38, n. 22, p. 4066, 2005.

RAMKUMAR, J. et al. Characterization of plasma in micro-EDM discharge using optical spectroscopy.Journal of Manufacturing Processes, v. 11, n. 2, p. 82-87, 2009;

AMORIM, F. L. Tecnologia de eletroerosão por penetração da liga de alumínio AMP 8000 e da liga de cobre CuBe para ferramentas de moldagem de materiais plásticos. 2002. 147f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2002;

HESPANHOL, H.C. Eletroerosão por fio em metal duro para ferramentas de estampagem de lâminas de motores elétricos. 2009. 118 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2009;

VAN DIJCK, F. et al. Some results of physical research in EDM. In: International Symposium for Electromachining, Bratislava. Proceedings. 1v. [1974?]. p. 68-85;

KLOCKE, F; KARDEN, A. Materials Characteristics after cavity sinking by EDM. Production Engineering, Germany, v. 6, n. 2, p. 35-38, 1999.

Compartilhar Matéria:

Dispositivos eletrônicos flexíveis a partir de nanotubos de carbono

Os dispositivos eletrônicos flexíveis vieram para revolucionar a tecnologia  e deixar os consumidores frenéticos, não é mesmo? Dispositivos com esta interessante característica são feitos através da substituição dos chips rígidos de silício por materiais flexíveis, tais como os nanotubos de carbono.

Os nanotubos de carbono são pertencentes à família dos fulerenos, que são formas alotrópicas do carbono (para saber mais sobre alotropia, clique aqui). Este material, como seu nome sugere, tem escala nanométrica e formato cilíndrico, apresentando a mais alta relação comprimento/diâmetro conhecida, que é próxima a 132.000.000. Os nanotubos têm uma parede composta por grafeno, podendo ser classificados como SWNT (single-walled nanotube) ou MWNT (multi-walled nanotube), como mostra a Figura 1. Os primeiros têm a parede composta por uma única folha de grafeno, enquanto os segundos são compostos por alguns tubos de grafeno concêntricos. Os nanotubos de carbono apresentam excelente condutividade térmica e propriedades mecânicas e elétricas elevadas, as quais são intrínsecas ao grafeno, como já mencionamos em outra publicação. Desse modo, esses filamentos ultrafinos têm resistência suficiente para suportar o desgaste e o dobramento, fenômenos a que os dispositivos flexíveis são comumente submetidos.

nanotubos.png

Figura 1 – Nanotubos de carbono contendo a) uma parede de grafeno ou b) mais de um tubo de grafeno concêntrico. Adaptado de “Carbon Nanotube – Wikipedia”

Os SWNT são a classe de nanotubos utilizada para a fabricação de dispositivos eletrônicos flexíveis, considerando sua elevada mobilidade de portadores de carga, excelente flexibilidade e também sua facilidade em ser manufaturado por processos de custo não muito elevado, como por exemplo a impressão. No entanto, trabalhar com nanotubos é desafiador, considerando que estes materiais não são tão confiáveis quanto o silício no que diz respeito ao desempenho eletrônico, já que são menos tolerantes a oscilações de energia no circuito.  Além disso, consomem mais energia. Pensando nisso, pesquisadores da Universidade de Stanford estudaram uma maneira de melhorar as características eletrônicas dos nanotubos. Para isso, os pesquisadores doparam os filamentos de carbono com um aditivo denominado DMBI (dimetil-dihidro-benzimidazol) em locais específicos ao longo do circuito. Com isso, os cientistas conseguiram aumentar o efeito tipo N em nanotubos, que são semicondutores predominantemente de tipo P, e assim melhorar a eficiência energética e confiabilidade desses materiais para a aplicação. A Figura 2 mostra o circuito flexível desenvolvido pela equipe de Stanford.

circuito_eletronico

Figura 2 -Circuito flexível contendo nanotubos de carbono. Fonte: Bao Lab / Stanford Engineering

Ainda que plásticos como poliimida, poliéster condutor ou poli(éter-éter-cetona) sejam no período atual os principais materiais comercialmente utilizados para a fabricação de eletrônicos flexíveis, Bao, da equipe de Stanford, afirma que “os nanotubos oferecem os melhores atributos físicos e eletrônicos a longo prazo”. Assim, o pesquisador acredita que os SWNT venham a ser o futuro da eletrônica flexível, uma vez que têm melhor desempenho do que os plásticos.

Referências:

WANG, H. et al. Tuning the threshold voltage of carbon nanotube transistors by n-type molecular doping for robust and flexible complementary circuits. Proceedings of the National Academy of Sciences, v. 111, n. 13, p. 4776-4781, 2014;

Stanford engineers make flexible carbon nanotube circuits more reliable and efficient;

Carbon Nanotube.

Compartilhar Matéria:

Vitrocerâmica brasileira pode substituir as telas dos smartphones

Tenho certeza que pelo menos uns 30% das pessoas que possuem um smartphone já conseguiram a proeza de quebrar a tela. Mesmo o Gorilla Glass (falamos sobre ele aqui) não é páreo para nós. Então a pesquisa com materiais que podem substitui-lo e aumentar o desempenho (ou proteção) dos nossos aparelhos eletrônicos, é muito importante.

Na UFSCar, o doutorando Leonardo Sant’Ana Gallo pesquisou vitrocerâmicas do sistema MgO-Al2O3-SiO2. Assim, através das propriedades descobertas (alta dureza, transparência e baixas densidades) foi possível prever umas das suas possíveis aplicações: telas de aparelhos eletrônicos, como tablets e smartphones, e até mesmo ser utilizada em veículos blindados! Esse material promoveria uma diminuição do peso, seja nos eletrônicos, quanto na aplicação anti-balística.

timthumb.php

Fonte imagem

O processo de produção de uma vitrocerâmica consiste na transformação  de um estado não-cristalino (amorfo) do vidro para um estado parcialmente cristalizado através de um tratamento térmico, esse processo geralmente é conhecido como devitrificação. O detalhe é que junto com a composição química do vidro, é necessário um agente nucleante para induzir o processo de cristalização. No trabalho realizado por Gallo, o material foi submetido à um tratamento térmico nas temperaturas de 700°C e outro à 900°C. Edgar Dutra Zanotto, orientador de Gallo, detalhou numa entrevista à Agência FAPESP como ocorre esse processo: “Quando o material é aquecido, sua estrutura molecular começa a se reorganizar, formando pequenos cristais distribuídos pelo meio amorfo. No caso em estudo, são cristais compostos – de magnésio, alumínio e silício –, como a cordierita, a safirina e outros. Suas características são definidas por três variáveis: composição química do vidro, temperaturas de tratamento e tempo de exposição a essas temperaturas. É possível controlar rigorosamente todas as etapas do processo, determinando, inclusive, o percentual do material a ser cristalizado para a obtenção do produto final de interesse”.

Após o tratamento térmico, devido à cristalização, o material pode se tornar totalmente opaco, mas em alguns casos podem continuar totalmente transparentes, o que não é comum e nem fácil de obter. Então essa é mais uma característica bem importante para a aplicação em telas de smartphones e tablets.

São essas fases cristalinas que promovem uma melhoria nas suas propriedades, como por exemplo na resistência mecânica. Esse material pode até absorver totalmente a energia de um projétil, não deixando ele passar, mas claro que irá ocorrer o rompimento do mesmo.

Outra característica chamativa das vitrocerâmicas é a facilidade com que esse material pode ser produzido, pois podem ser utilizadas as técnicas convencionais de conformação de materiais vítreos. E algumas das suas aplicações comuns são em peças refratárias para se utilizar em fornos e como revestimentos em trabalhos de arquitetura.

Essa pesquisa realizada com esse sistema MgO-Al2O3-SiO2 é tão importante que foi premiada no International Symposium on Crystallization in Glasses and Liquids (11o Simpósio Internacional sobre Cristalização em Vidros e Líquidos), no Japão. Esse simpósio é considerado um dos mais importantes e tradicionais nessa área.

No Japão no Instituto Industrial da Universidade de Tóquio foi realizada uma pesquisa que produziu um vidro com aplicações muito similares à vitrocerâmica brasileira. Um vidro tão resistente e tão forte quanto o aço foi criado e poderá ser utilizado em vidros de carros, edifícios e também em smartphones. O segredo desse material é a quantidade de alumina presente na composição, porém quanto maior a concentração dessa substância, mais o vidro tende a se cristalizar e se transformar em uma vitrocerâmica. Para resolver esse problema, os cientistas utilizaram uma técnica de levitação para evitar qualquer tipo de contato do material fundido com a forma, assim evitando a cristalização. O resultado obtido foi um vidro totalmente transparente que possui 50% de sílica na sua composição.

Já pensou em quantas aplicações esses materiais podem ter?

Referências:

FAPESP

Vidro Inquebrável tão forte quanto o aço

CALLISTER, W.D. Ciência e Engenharia de materiais: Uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 7ª ed. 2008;

*Nota de agradecimento: Ao nosso amigo e leitor, Diego Barboza, que nos enviou a reportagem sobre o vidro japonês.

Compartilhar Matéria:

Por que os metais sofrem corrosão?

A corrosão é definida pela NACE (National Association of Corrosion Engineers – importante associação da área) como a deterioração de um material, geralmente metálico, que resulta de uma reação com o meio em que este se encontra. A corrosão pode ser química ou eletrolítica. Algumas das inúmeras diferenças entre estas duas classes são listadas na Tabela abaixo:

Corrosão eletroquímica x química

Principais diferenças entre corrosão eletroquímica e química.

A corrosão eletroquímica será o foco da publicação de hoje, visto que é a mais frequente na natureza. Para que haja a ocorrência de corrosão eletroquímica, é necessária a transferência de elétrons, isto é, a ocorrência de reações de oxirredução. Este tipo de corrosão desencadeia-se através da formação de uma pilha de corrosão eletroquímica, a qual contém obrigatoriamente quatro elementos:

  • Ânodo: Região em que ocorrem as reações de oxidação. Consequentemente, é a superfície na qual a corrosão ocorre.
  • Cátodo: Região em que ocorrem as reações de redução. Assim, a superfície torna-se protegida, não há corrosão.
  • Eletrólito: Solução condutora que envolve o cátodo e o ânodo.
  • Ligação elétrica entre cátodo e ânodo

O exemplo clássico das pilhas de corrosão eletroquímicas são as pilhas galvânicas, aquelas formadas entre dois metais diferentes, que costumamos estudar no ensino médio. Este tipo de pilha é ilustrado pela figura abaixo, representando os quatro elementos obrigatórios para a ocorrência das reações de oxirredução.

Corrosao galvanica 001.jpg

Pilha galvânica. Fonte 

A pilha de corrosão galvânica ocorre devido à diferença de potencial de eletrodo entre os diferentes metais, e é mais reativa quanto maior for esta diferença de potencial. Para prever qual metal será corroído e qual será reduzido, existem algumas tabelas práticas. A mais famosa delas é a tabela de potenciais de eletrodos padrão, para a qual foi convencionada a reação de redução do hidrogênio (2H+ + 2e- -> H2) como um potencial de valor zero. A partir de análise comparativa da tendência de outros metais em sofrerem redução, em relação ao hidrogênio, criou-se uma tabela que permite comparar todos eles e prever qual será mais “nobre”, termo utilizado quando um metal tem menor tendência a sofrer corrosão em relação a outro.

tabela de potenciais de eletrodo padrão.png

Tabela de potenciais de eletrodos padrão. Fonte 

A limitação deste tipo de tabela é que ela foi construída para um determinado metal imerso em uma solução iônica em que os cátions são de mesma composição que o metal, por exemplo, o alumínio foi imerso em uma solução contendo Al3+, o lítio em uma solução de Li+ e assim por diante. Isto nem sempre é encontrado na natureza, tornando a tabela limitada. Para isso, existem tabelas avaliando a redução dos metais em ambientes que simulam o ambiente real em que estes se encontram, por exemplo a água do mar:

água do mar.gif

Tendência de diferentes metais a sofrer corrosão em água do mar. Fonte

A formação de pilhas galvânicas é apenas uma das maneiras através da qual pode ser desencadeada a corrosão eletrolítica. Além destas, podem ocorrer por exemplo a formação de pilhas de ação local, ativo-passiva,  concentração iônica diferencial ou aeração diferencial. Vejamos resumidamente como cada uma delas funciona:

  • Pilha de ação local: É causada em um mesmo metal devido a heterogeneidades em sua composição química, textura ou mesmo em suas tensões internas de uma região para outra. Assim, qualquer diferença no material, sejam poros, inclusões, trincas, diferentes estados de tensão, acabamento superficial ruim, diferença nos tamanhos de grão, tratamentos térmicos diferentes, materiais de épocas diferentes, entre outros, irá desencadear um processo de corrosão eletrolítica. Por esta razão, este tipo de pilha é o mais frequente na natureza.
  • Pilha ativo-passiva: Ocorre em materiais que formam películas apassivadoras, aquelas que são formadas por um processo corrosivo mas que tem ação protetora, recobrindo a superfície de um material metálico e impedindo que o processo corrosivo tenha continuidade. Como o material está protegido, se houver por alguma razão um dano na película em alguma região da superfície, esta região será extremamente suscetível à corrosão. Isto ocorrerá porque se formará uma pequena região anódica em meio à uma imensa região catódica, levando à primeira a uma forte corrosão localizada, característica das pilhas ativo-passivas.
  • Pilhas de concentração e de aeração diferencial: Ocorrem respectivamente em condições em que um metal é exposto a diferentes concentrações de seus próprios íons ou de oxigênio. A região mais concentrada em íons será protegida, enquanto a menos concentrada sofrerá corrosão. De forma semelhante, para o gás oxigênio também ficará protegida a região mais aerada e será atacada aquela com menor teor de oxigênio.

 Considerando a possibilidade quase certa de um metal apresentar uma ou mais dessas condições que favorecem o processo corrosivo, é possível compreender porque afinal estes materiais são tão suscetíveis à corrosão.

Compartilhar Matéria:

#1 Conversa com engenheiro: Guilhermino Fechine (Mackgraphe)

Na série Conversa com Engenheiro publicaremos uma entrevista com importantes nomes da Engenharia de Materiais. Nesse mês conversamos com um grande professor e pesquisador na área de grafeno do Brasil, o Dr. Guilhermino Fechine.

Biografia: Guilhermino José Macêdo Fechine possui graduação em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal da Paraíba (1996), mestrado em Engenharia Química pela Universidade Federal da Paraíba (1998) e Doutorado em Química pela Universidade Federal de Pernambuco (2001). Dois estágios de pós-doutoramento foram realizados na USP, um deles no Instituto de Química (2002 a 2005) e o outro na Escola Politécnica (2005 a 2007). Professor visitante da National University of Singapore – NUS durante todo o ano de 2013. Desde de 2008 é professor e pesquisador da Universidade Presbiteriana Mackenzie, graduação e pós-graduação. Tem experiência na área de Polímeros, atuando principalmente nos seguintes temas: caracterização, degradação, estabilização, biodegradação e interações polímero-materiais 2D (grafeno, MoS2, hBN, fosforeno, etc). Faz parte da equipe do Centro de Pesquisa Avançadas em Grafeno e Nanomateriais, Mackgraphe.

guilhermino

1. Por que o grafeno é o material do século?

Continue reading #1 Conversa com engenheiro: Guilhermino Fechine (Mackgraphe)

Compartilhar Matéria:

5 das melhores empresas para um engenheiro de materiais trabalhar

É certo que quando entramos na universidade (muitas vezes até antes) começamos a ter um milhão de pensamentos sobre a nossa vida profissional. Como por exemplo o que eu vou fazer quando eu terminar a graduação e onde que eu vou trabalhar. Para ajudar na escolha, resolvemos listar 5 empresas que um engenheiro de materiais pode trabalhar e que são consideradas os melhores lugares para se trabalhar no Brasil.

Owens Corning

ownes-corning

A Owens Corning possui cerca de 450 funcionários, sediada em Rio Claro – SP e considerada uma das melhores empresas multinacionais para trabalhar no Brasil em 2015. Hoje ela é a maior fabricante de fibras de vidro do mundo, que podem ser aplicadas em inúmeros setores industriais. A Owens hoje se encontra em cerca de 30 países e produz principalmente fibras para isolamento, telhas, asfalto e geradores de energia eólica. Além de ter recebido o título da revista Exame, ela também ganhou o prêmio Top of Mind 2014 da indústria de compósitos pelo quarto ano seguido.

Whirlpool

Com mais de 15 mil funcionários e enfoque em inovação a Whirlpool não poderia ficar de fora dessa lista, pois é a maior fabricante de eletrodomésticos do mundo. Ela é uma das 10 empresas mais inovadoras do Brasil segundo a Forbes e está presente no país com as marcas Brastemp, Consul e KichenAid. Só aqui a empresa possui 3 fábricas, 2 escritórios, 4 centros de tecnologia, 23 laboratórios e 3 centros de distribuição. Você pode encontrá-la em Joinville (SC), São Paulo (SP), Rio Claro (SP) e em Manaus (AM).

Gerdau

A Gerdau é brasileira, com início na cidade de Porto Alegre há mais de 100 anos, porém hoje ela se encontra em 14 países. Anualmente eles reciclam milhões de toneladas de sucatas e transformam-as em aço de qualidade, utilizados em diversos setores industriais. A empresa é líder no setor de aços longos na América Latina e possui cerca de 45 mil colaboradores ao redor do mundo.

Intelbras 

Com quase 40 anos de história a Intelbras possui sede nos estados Santa Catarina, Minas Gerais e Amazonas e exporta para cerca de 15 países. A empresa possui um foco na pesquisa e cerca de 5% dos seus faturamentos são voltados à P&D. Entre os produtos podemos citar telefones e equipamentos para monitoramento e vigilância, como câmeras. Na produção desses produtos cerca de 120 toneladas de polímeros são processados por mês, ou seja, a área de atuação do engenheiro na empresa será voltada para o trabalho com polímeros.

DuPont

innovation_center_brazil_1250x328

A DuPont tem um pouco menos de 3 mil funcionários e é responsável por várias invenções no setor de polímeros, como o Teflon, Nylon e o Kevlar. A empresa é americana, possui mais de 200 anos e sua sede no Brasil está na cidade de Barueri em São Paulo. Também é muito reconhecida na área de segurança industrial e é a segunda maior empresa química do mundo. Não seria nada mal trabalhar lá, certo?

Você conhece alguma empresa que seria muito boa para trabalhar, mas não está na nossa lista? Não deixe de compartilhar com a gente!

Compartilhar Matéria:

O material natural mais resistente do mundo

Até então a teia de aranha era o material biológico mais resistente conhecido por nós. A teia tem um potencial de aplicação gigante que vai desde coletes à prova de balas até eletrônicos. Recentemente, porém, cientistas que estudam moluscos da família Patellidae descobriram que os dentes desse animal são cerca de 5 vezes mais resistentes mecanicamente que a seda feita pelas aranhas. Lembrando que se a teia de aranha tivesse a espessura de um lápis ela conseguiria parar um Boing em pleno vôo, então imagina o que esse material consegue fazer!

the teeth

Dentes do molusco. Foto: Universidade de Darthsmouth

Os moluscos possuem uma língua cheia de pequenos dentes, que não podem ser vistos a olho nu. Eles servem para coletar comida das rochas para alimentá-lo, o que ocorre é que muitas vezes um pedaço ou outro de rocha é engolido no processo. Ou seja, seus dentes são tão resistentes que conseguem escavar uma rocha ao se alimentar.

Por que eles são tão resistentes?

O segredo desse material consiste na pequena espessura das fibras presentes nele, que possuem cerca de um centésimo da espessura de um fio de cabelo. Na engenharia de materiais, fibras são muito utilizadas, pois elas geram nos materiais elevadas resistências. Quando temos uma fibra grande, por exemplo, o material tende a ter mais falhas, o que naturalmente reduz a força de uma estrutura. Assim, essas fibras minerais muito finas evitam o enfraquecimento da estrutura por poros ou falhas. Em relação à composição química, as fibras contém um material extremamente resistente chamado de Goethita. Esse é um mineral de óxido de ferro, cuja a fórmula química é FeO(OH).

Qual a utilidade desse material para nós?

Como já falamos algumas vezes aqui no blog, nos inspiramos muito em materiais da natureza. Então a compreensão desse tipo de estrutura é muito importante para que possamos transferir o conhecimento para a fabricação de materiais mais eficientes para aplicações que já utilizam fibras para aumentar a resistência, como em aviões e barcos.

Fontes da pesquisa:

BBC

Revista Galileu

Quer conhecer mais materiais que utilizam substâncias naturais como fonte de inspiração ou como matéria-prima? Leia outros textos do Engenheiro de Materiais:

Cientistas produzem material inspirado em teia de aranha;

Materiais luminescentes inspirados em organismos encontrados no oceano;

Roupas produzidas a partir de bebidas alcoolicas;

Chá-verde como matéria-prima têxtil;

Microorganismos marinhos produzem minerais complexos que não se consegue sintetizar;

Fotossíntese artificial pode ajudar o meio ambiente.

Compartilhar Matéria: