As misturas fascinam o ser humano desde sempre. Quando temos dois ingredientes muito bons, sempre passa pela cabeça: e se eu misturar, o que acontece? É verdade que nem todas as misturas apresentam bons resultados. Por isso é importante saber quais critérios seguir, para que uma determinada mistura seja bem sucedida. No mundo dos materiais, o resultado da mistura de diferentes materiais pode dar origem aos chamados materiais compósitos.
Imaginemos o seguinte:
Materiais com baixa densidade são desejados para diversas aplicações, como em transporte, por exemplo. Isso porque quanto mais leve for o veículo, menor será seu consumo de combustível. Neste assunto os polímeros são bastante vantajosos, já que apresentam densidade muito mais baixa que a maioria dos metais. Veja o aço, por exemplo: cada centímetro cúbico de aço (pense num cubo que tenha 1 cm de lado) pesa em torno de 7,9 g. Por outro lado, um centímetro cúbico de polipropileno pesa menos de 1 g. Isso significa uma redução de quase 90 % do seu peso!
Infelizmente, não é trivial substituir o aço por um polímero. Isso porque os polímeros, de forma geral, não apresentam nem rigidez, nem resistência mecânica suficientes para a maioria das aplicações estruturais.
Mas nem tudo está perdido. Existe uma solução!
Quando resinas poliméricas são misturadas com fibras de carbono, por exemplo, é possível unir as vantagens desses dois materiais: a baixa densidade do polímero e a altíssima rigidez e resistência mecânica das fibras de carbono. Pronto! Temos um material compósito.
Então temos nossa primeira definição sobre os materiais compósitos. Eles são formados a partir da união de dois ou mais materiais distintos que tem por objetivo produzir um terceiro material com características específicas de cada material usado. No caso do polímero reforçado com fibras de carbono, é possível distinguir duas fases: a matriz e o reforço. Neste caso específico, a matriz é o polímero, que tem a função de unir as fibras e dar forma ao sólido. A fase reforço é composta pelas fibras de carbono, nesse caso. É possível controlar a quantidade de fibras no compósito e sua orientação, sendo possível dar ao material final, muito mais resistência e rigidez.
É importante diferenciar que o compósito é SEMPRE uma mistura heterogênea, ou seja, sempre é possível distinguir as diferentes fases que formam um compósito (nem que seja necessário um microscópio para realizar essa tarefa).
A ideia de misturar materiais diferentes não é nova. Na antiguidade, os egípcios já misturavam o barro com palha, para deixarem suas construções mais resistentes (isso acontecia também por essas bandas, com as famosas casas de sapê). Os compósitos também estão presentes na natureza. Veja a madeira: ela é baseada na união de fibras de celulose, que são bem resistentes (se você já tentou arrebentar uma corda de cipó com as próprias mãos, deve saber bem que essa tarefa não é nada fácil rs) com uma matriz de lignina, que é um polímero natural, presente em praticamente todas as plantas. Seus próprios ossos são baseados na união de partículas de hidroxiapatita (um biocerâmico composto por cálcio e fósforo) e uma matriz de colágeno.
Do ponto de vista da matriz, os materiais compósitos podem ser classificados em compósitos de matrizes poliméricas (CMPs), compósitos de matrizes metálicas (CMMs) e compósitos de matrizes cerâmicas (CMCs).
Os CMPs geralmente apresentam baixa densidade e alta tenacidade e podem ser baseados em polímeros termofixos, como o epóxi e o poliéster ou em polímeros termoplásticos, como o polipropileno, por exemplo.
Os CMMs são baseados, geralmente, em matrizes de ligas metálicas leves, como o alumínio, o magnésio e o titânio. Esses materiais também apresentam alta tenacidade e ductilidade, o que é bastante importante para diversas aplicações industriais. MAs geralmente sua resistência mecânica é inferior a das ligas ferrosas. Nesses materiais, de forma geral, busca-se melhorar a dureza, rigidez, resistência à fadiga, à fluência ou a resistência à abrasão, entre outras características do metal (aguardem novos artigos sobre as propriedades mecânicas dos materiais para saber mais!).
Nos CMCs, o problema, de forma geral, é superar a fragilidade dos materiais cerâmicos. A principal estratégia, nesse caso, é acrescentar uma nova fase que dificulte bastante que eventuais trincas possam se propagar facilmente pelo material. Com isso, o material pode suportar melhor impactos e esforços de flexão, por exemplo. Com certeza, o material compósito mais usado na atualidade é o concreto. Ele é baseado em uma matriz de cimento que funciona como ligante e seus reforços baseados em agregados finos (areia) e graúdos (britas).
Os possíveis reforços para os materiais compósitos, geralmente se apresentam na forma de fibras (que podem ser longas ou curtas) e partículas. Os materiais mais usados para as fibras são o vidro, o carbono e a poliaramida (o famoso Kevlar). Já as partículas geralmente são baseadas em materiais cerâmicos duros, como o carbeto de silício, o óxido de alumínio e o óxido de zircônio. Mas existe uma infinidade de possibilidades!
Existe um ponto muito importante nessa discussão. Como é possível unir materiais tão diferentes? O compósito não apresentará propriedades adequadas se suas fases (matriz/reforço) não apresentarem boa aderência. Em alguns casos, essa não é uma tarefa nada fácil e há muita pesquisa envolvida no desenvolvimento de estratégias para melhorar a força de ligação na interface matriz e reforço.
Esse artigo mostrou apenas a ponta do iceberg. O desenvolvimento dos materiais compósitos faz parte da fronteira do conhecimento na ciência e tecnologia dos materiais. Mas vamos deixar mais detalhes para os próximos artigos. Por isso, fique de olho, porque toda semana tem artigo novo por aqui!