Nanomateriais

CONCEITOS GERAIS

1. O que são nanocompósitos e quais são as principais motivações para o seu desenvolvimento?

Nanocompósitos são materiais formados por uma matriz reforçada com uma pequena quantidade, em geral abaixo de 5% em massa, de uma carga nanométrica, ou seja, que possui ao menos uma de suas dimensões na ordem de nanômetros.

Uma das vantagens de se utilizar um nanocompósito ao invés de um compósito é que requer uma menor concentração da carga para um mesmo efeito sobre as propriedades, deixando o produto mais leve. Mas a maior motivação de se combinar uma matriz com uma carga (reforço) é fazer uso das propriedades existentes nos materiais de origem e obter propriedades especiais.

Também é obtido um equilíbrio de propriedades para muitos materiais compósitos.

2. Quais são as principais diferenças em relação aos compósitos tradicionais (escala micro e macro)?

Os compósitos possuem dois ou mais constituintes fisicamente distintos numa escala microscópica, separados por uma interface, sendo muito importante à especificação destes constituintes. A matriz é o constituinte contínuo, mas nem sempre presente em maior quantidade. O segundo constituinte, disperso na matriz, é citado como uma fase de reforço, que atua aprimorando as propriedades mecânicas da matriz

A qualidade da interface entre a matriz e o reforço é um fator de grande importância no desempenho mecânico do compósito. Para que ocorra interação entre componentes de naturezas químicas diferentes e de quaisquer dimensões ou forma, é essencial a existência de uma área de contato entre elas. Quanto maior for essa área, maior a possibilidade de ocorrer entre os dois componentes uma interação de natureza física, química ou físico-química.

A interface envolve a existência de uma região de transição química e física ou gradiente na fronteira. Em um compósito reforçado com fibras, por exemplo, pode-se dizer que existem três fases: a superfície da fibra, a interface fibra/matriz e a matriz. As características da interface dependem da união na interface, da configuração, da estrutura ao redor da interface e das propriedades físicas e químicas dos constituintes. Como resultado, a interface tem uma forte influência na propriedade do compósito.

Os materiais compósitos são usualmente classificados pela natureza dos materiais que os compõem e estão divididos em duas grandes categorias: materiais compósitos naturais e sintéticos. Dentre os materiais compósitos sintéticos, existem ainda uma subdivisão que os classifica em microcompósitos e macrocompósitos.

Os macrocompósitos apresentam baixa interação/adesão na interface entre seus componentes, o que compromete seu desempenho. No entanto, esses problemas de interação são reduzidos com o aumento da afinidade matriz/reforço e/ou com o aumento da relação área superficial/volume do material de reforço.

O uso de materiais de reforço – com pelo menos uma dimensão na escala micrométrica (micropartículas) – produz os microcompósitos. Como as micropartículas dispõem de uma melhor área superficial especifica, a dispersão uniforme numa matriz resulta em uma melhor área interfacial entre ambos os componentes, alterando a mobilidade molecular e as propriedades térmicas e mecânicas do material.

3. Cite e descreva os tipos de nanocompósitos que podem ser projetados e fabricados de acordo com a sua aplicação.

–Nanocompósitos funcionais (materiais funcionais): classificação baseada nas propriedades elétricas, óticas e magnéticas;

–Nanocompósitos estruturais: classificação baseada nas propriedades mecânicas do compósito.

4. Quais são os elementos que constituem um nanocompósito? Qual é a importância da interface?

Um nanocompósito é constituído por uma matriz e por um reforço:

Matriz: Pode ser constituída de um polímero, metal ou cerâmica. É contínua e envolve o reforço. A matriz tem como função manter o reforço ligado a uma unidade estrutural (protegendo-o contra danos) e eliminar vazios, transferir e distribuir a carga recebida ao reforço e, em muitos casos, contribuir com propriedades como ductilidade, dureza ou isolamento elétrico.

Reforço: É a fase dispersa na matriz, um nanocompósito pode possuir mais de um tipo reforço, e tem como função realçar as propriedades mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do nanocompósito como um todo. Para nanocompósitos, existem três sistemas ligados há dimensionalidade: sistemas 0D – nanopartículas; sistemas 1D – nanofios; e sistemas 2D – nanofilmes.

A região de interface é de grande importância em um nanocompósito, pois a matriz deve ser capaz de estabelecer ligação de natureza física, química e/ou mecânica com o reforço, do contrário não haverá uma boa aderência entre as fases e as propriedades e a confiabilidade serão prejudicadas. Além disso, é necessária compatibilidade química entre matriz e reforço para que não ocorram reações indesejadas na interface.

No caso dos nanocompósitos, a região de interface é grande devido à dimensionalidade do reforço (quanto menor a dimensão, maior a área superficial). Isto significa que existe uma parcela substancial das propriedades da interface contribuindo para as propriedades do nanocompósito como um todo, além das propriedades combinadas da matriz e do reforço.

TIPOS DE REFORÇO

5. Descreva os métodos gerais para a fabricação de reforços nanoestruturados. Quais são as diferenças fundamentais dos métodos de baixo para cima e de cima para baixo?

Métodos:

• Baixo para cima – Inicia-se com átomos ou moléculas, podem ocorrer processos químicos ou físicos. Os átomos podem ser depositados sobre uma superfície regular e se auto-agruparem sobre a superfície, formando estruturas nanométricas com tamanho e características bem definidos. Pode ocorrer por meio de 2 processos:

1) Independência estrutural e funcional – arranjo de pontos quânticos em um dispositivo eletrônico.

2) Nanomaterial comporta-se como um material bulk.

Ex: CVD (ocorre em fase gasosa), Automontagem (fase líquida).

• Cima para baixo – Se inicia a partir do macro/micro e pode