Ligas com Memória de Forma – Materiais Inteligentes
Com o passar dos anos, a classificação dos materiais e as suas subcategorias têm se desenvolvido grandiosamente conforme o avanço da ciência dos materiais e das pesquisas realizadas por todo o mundo. As ligas com memória de forma (chamadas também de SMA – Shape Memory Alloys) possuem propriedades únicas comparadas a outros tipos de ligas metálicas. Após estes materiais sofrerem, aparentemente, uma deformação permanente, sua estrutura empreende a função de recuperar a forma original do material quando este é aquecido de um modo modesto e controlado.
Como as ligas com memória de forma surgiram?
Os estudos sobre as ligas metálicas com memória de forma se intensificaram desde o começo do atual século, visto que os materiais de engenharia apresentam grades índices de falhas em diferentes aplicações. Geralmente ocorrem por desgaste, fadiga, trincas e rupturas, envelhecimento ou a concentração de tensões com defeitos, e uma solução precisa ser encontrada para minimizar esses danos.
Desenvolver materiais mais leves, com maior resistência, que possuíssem mais aplicabilidades e se autorreparassem, foi então a resposta de ação preventiva com o intuito de melhorar o desempenho no seu campo de atuação, além de resolver o problema da grande demanda de ação humana destinada a realizar reparos e manutenção de tais componentes. Esta categoria de materiais hoje leva o nome de materiais inteligentes.
A ideia é que este grupo de materiais sejam multifuncionais, ou seja, tenham a capacidade de portar mais de uma propriedade que se altera controladamente através de estímulos externos.
O que é o Efeito de Memória de Forma?
O efeito de memória de forma (EMF) presente nestes tipos de ligas metálicas se dá pelas modificações estruturais mutáveis inseridas no material enquanto ocorre a sua deformação, sendo a mudança de temperatura o principal estímulo. No geral, a maioria das mudanças na estrutura cristalina dessa liga, ocorrem pelo meio de uma transformação sólida do metal, chamada de transformação martensítica.
Essa transformação ocorre, pois, as SMAs são polimórficas, dispondo de duas estruturas cristalinas diferentes: Uma de elevada temperatura chamada austenítica (A) – estrutura cúbica -e outra de baixa temperatura chamada martensítica (M) – estrutura moclínica.
Durante o resfriamento, a austenita se transforma em martensita através de uma transformação difusional. Quando uma tensão é aplicada a Martensita maclada se transforma em Martensita não maclada, -os contornos das regiões de maclas migram, enquanto determinas regiões crescem e outras diminuem. No momento em que o material é aquecido sem tensões mecânicas, a martensita maclada começa a se transformar em austenita, voltando à sua entrutura original. A temperatura em que a transformação austenítica se inicia é conhecida por “As“, enquanto a temperatura que conclui esta operação é a denominada “Af”.
Transformação Martensítica – Feito por Lucas Oliveira, adaptado de Thalles Fioravante
Mais efeitos
O efeito SME pode ser derivado em dois tipos de características:
- Efeito de memória de forma de uma via – Quando a ação de uma força externa sobre o material deformado plasticamente é removida, este se recupera e retorna a sua forma original somente quando é aquecido em temperaturas consideradas moderadas a elevadas.
- Efeito de memória de forma de duas vias ou SME reversível – Nesta situação, o metal é capaz de retornar ao seu estado original tanto em baixas como em altas temperaturas, uma vez que este passou por uma prática termomecânica regrada, em outra palavras, uma forma de “calejamento” da liga.
Além dos efeitos SME, estas ligas também possuem a habilidade denominada de pseudoelasticidade (ou definida também como superelasticidade), que consiste no retorno do metal a sua forma original ao passar por carregamentos mecânicos e ensaios isotérmicos a altas temperaturas, normalmente acima do ponto de Af. Geralmente apresentam uma deformação recuperável de até 10%.
Aplicações das Ligas com Memória de Forma
As ligas metálicas que detêm o efeito de memória são compostas pelo arranjo entre metais de transição, e também podem conter a presença de metais preciosos. Dentre estas, o fenômeno SME se destaca em algumas ligas como:
- Cobre-Zinco e Cobre-Alumínio-Níquel;
- Ferro-Níquel-Cobalto-Titânio e Ferro-Manganês-Silício;
- Cobalto-Níquel-Alumínio.
Mas sua popularidade foi introduzida principalmente por uma liga específica chamada de Nitinol, compreendida por Níquel e Titânio. A descoberta e início da utilização dessa liga foi na década de 50, em um Laboratório Naval nos EUA. O objetivo era criar ligas para fazer blindagem contra mísseis.
A descoberta nitinol também está associada a pesquisas feitas para a seleção de materiais que abrangessem as propriedades ideias para o preparo de corpos de aeronaves que suportassem as elevadas temperaturas quando entrassem na atmosfera. Muitas outras áreas abrigam o exercício desta classe de materiais.
Na Saúde
A liga de Ni-Ti hoje tem grande espaço na área da saúde devido a sua propriedade de biocompatibilidade com o corpo humano fazendo parte também do grupo classificado como biomateriais.
Uma aplicação muito importante dessa liga é para a produção de Stents – endopróteses extensoras das veias coronárias – para pacientes cardíacos.
Também são utilizadas no implante próteses do fêmur e quadril devido a sua grande elasticidade, e na reconstrução de ossos quebrados através de placas, pois essa liga tem uma temperatura de transferência de memória próxima a temperatura interna do corpo.
Sua atuação mais popular atualmente é na área de produção de aparelhos ortodônticos, onde o arame feito desta liga localizado na boca do paciente se contrai devido à temperatura, assim promovendo a correção ideal para a posição dos dentes.
Utilização de ligas com memória de forma como stents. Fonte
Em componentes Industriais
Aplicada também na constituição de elementos para máquinas e equipamentos térmicos, empregada para partes que oferecem movimento aos motores, e unidades de microssistemas de robôs industriais como sensores e atuadores que auxiliam no processo de automação industrial para produção em larga escala.
Automação industrial pode-se beneficiar com ligas com memória de forma
Há outros grandes campos em que esse material pode ser encontrado, como peças do segmento naval, aeronáutico, automobilístico e de energia nuclear.
Não só o nitinol, mas em geral, as SMAs são mais aplicadas na fabricação de componentes menores e não tão maciços. A aplicação destes materiais para elementos de grande porte corre o risco de causarem a deterioração dos efeitos de memória. O EMF é mais bem explorado em confecções de fios, lâminas e bastões.
Perspectiva para o futuro
Os desafios a serem superados pelos materiais inteligentes já estão sendo almejados pelos pesquisadores. Desenvolvimento de metais que armazenam e transportam energia limpa. Avanço dos materiais biodegradáveis e suas propriedades. Ampliação da aplicação e desenvolvimento de novos biomateriais na área da saúde, dentre diversos outros desafios que necessitam de uma solução materializada.
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