OS MATERIAIS INTELIGENTES E SUAS APLICAÇÕES*mecanon.coppe.ufrj.br › wp-content › uploads › 2017 › 08 › ...RMB4oT/2013 41 OS MATERIAIS INTELIGENTES E SUAS APLICAÇÕES para

SUMÁRIO

Introdução Ligascommemóriadeforma Materiaispiezoelétricos Materiaismagnetoestrictivos Fluidoseletromagnetorreológicos Conclusões

OSMATERIAISINTELIGENTESESUASAPLICAÇÕES*

SERGIODEALMEIDAOLIVEIRA**CapitãodeMareGuerra(RM1-FN)

MARCELOA.SAVI***ProfessorDoutor

INTRODUÇÃO

Anaturezaéafontedeinspiraçãoessen-cialparapesquisadoreseengenheirosquetentamdesenvolversistemaseestrutu-ras.Dentreosaspectosinspiradores,deve-

se destacar o comportamento adaptativoqueforneceacapacidadedeauto-regulaçãodossistemasnaturais.

Pormeio da História, a tecnologiahumanaésemprerelacionadacommate-riais diferentes, e é possível reconhecer

*ExtraídodaTesedeDoutoradoemEngenhariaMecânicapelaUniversidadeFederaldoRiodeJaneiro:“Mode-lagemTermomecânicadeLigascomMemóriasdeformaemumcontectotridimensional”.

**DoutoremEngenhariaMecânica.Éalunodepós-doutoradonaUFRJ,ondedesenvolveatividadesdepesquisa.***DoutoremEngenhariaMecânica(1994).ÉprofessordaUFRJ(DepartamentodeEngenhariaMecânica,Coppe/

EscolaPolitécnica),ondedesenvolveatividadesdeensino,pesquisaeextensão.

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OS MATERIAIS INTELIGENTES E SUAS APLICAÇÕES

as eras definidas por alguma invençãoouutilizaçãodemateriais:pedraemetal,porexemplo.Recentemente,osmateriaisinteligentespodemseridentificadoscomooestímulodeumanovaera.Basicamente,osmateriaisinteligentespossuemumaco-plamentoentregrandezasmecânicasenãomecânicas,queconfereaomaterialumtipoespecialdecomportamento.Nestesentido,é possível imaginar inúmeras aplicaçõesdevido ao acoplamento de campos que,geralmente,nãoestãoligados.

Autilizaçãodosmateriaisinteligentesnaáreatecnológicatentaexploraraideiade construir sistemas e estruturas comcomportamento adaptativoque tenhamacapacidadedealterarpropriedades,devidoàsmudançasambientais,eseremreparadosquandonecessário.

Alémdo termomateriais inteligentes,também são usualmente empregados ostermosmateriaisadaptativos,multifuncio-naisouativos.Lagoudas(2008)chamoudemateriaisativosumsubgrupodemateriaismultifuncionais que apresentam sensibi-lidadee capacidadede atuação.Mas, emgeral,épossívelutilizarotermomateriaisinteligentesafimdeexpressarosmateriaisqueapresentamacoplamentosentrecamposfísicosdiferentese,portanto,comcaracterís-ticasadaptativasquepodemserempregadasparaadequar-seàsmudançasambientais.

Entreasmuitaspossibilidades,osma-teriaisinteligentespodemserclassificadosde acordo com as diferentes formas deacoplamento.Atualmente, osmateriaismaisutilizadossãoasligascommemóriade forma, osmateriais piezoelétricos, osmateriaismagnetoestrictivos e osfluidoseletromagnetorreológicos.Essesmateriaistêm a capacidade demudar sua forma erigidez,entreoutraspropriedades,pormeiodaimposiçãodetemperaturaoudecamposdetensão,deumadiferençadepotencial,oudeumcampoeletromagnético.

Variações dessesmateriais têm sidoinvestigadas, aumentando aindamais aaplicabilidade dosmateriais inteligentes.Nesse sentido, podem-semencionar asligas ferromagnéticas e polímeros commemóriadeformaeasfibrasóticas.Alémdisso, deve-se ressaltar a combinaçãodediferentes tipos demateriais compósitoshíbridos.Recentemente,háumatendênciaparaareduçãodedispositivosinteligentesparamicroenanoescala,comooschama-dosMEMSeNEMS(micro–ounano–sistemaseletromecânicos).

Materiais inteligentes são usualmenteutilizadoscomosensoreseatuadoresemes-truturasousistemasinteligentes.Aescolhadomaterialadequadoparacadaaplicaçãodependedemuitosfatores,edoisrequisi-tosimprescindíveisnoprojetodevemserdestacados(Lagoudas,2008):adensidadede energia de atuação e a frequência deatuaçãodomaterial.

Este trabalho apresenta uma revisãosobreos principaismateriais inteligentesesuasaplicações.Aideiaéfornecerumarevisãoabrangente,discutindoaplicaçõestecnológicas relatadas na literatura. Seráfeitoumbrevehistóricosobreodesenvol-vimentodessesmateriais,seusfenômenosfísicos e algumasde suas aplicações.Osmateriais inteligentes apresentados nestetrabalho são as ligas commemória deforma,materiaispiezoelétricos,materiaismagneto-estrictivosefluidoseletrosmag-netorreológicos.

LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA

Asligascommemóriadeforma(SMAs)apresentamumacoplamento termomecâ-nicoquelhedáacapacidadederecuperarumaformapreviamentedefinidaapartirdeumprocessodecarregamentotermomecâ-nicoapropriado.Quandoháumarestrição

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para a recuperaçãode forma, essas ligaspromovemforçasderestituiçãoelevadas.

AsSMAssãoconhecidasdesde1930.Porém, somente em 1960 é que passoua existir interesse tecnológico a respeitodocomportamentodasSMAs.Em1962,Buehler e colaboradores doLaboratóriodeArtilhariaNaval dosEstadosUnidosdaAmérica (EUA)descobriramo efeitomemóriadeformaemumaligadeNi-Ti,quecomeçouaserconhecidocomoNiti-nol,comoumareferênciaàsletrasiniciaisdo laboratório (NOL). Atualmente, asaplicações das SMAs estão se tornandobemconhecidaspordiferentescamposdaciênciaedaengenharia.

AssingularespropriedadesdasSMAsestão associadas com transformações defase responsáveispordiferentescompor-tamentos termomecânicos dessas ligas.Basicamente, duas fases estão presentesnasSMAs:austenitaemartensita.Afaseausteníticaéestávelemaltastemperaturaseemumestadolivredetensão,apresentandoumaúnicavariante.Poroutrolado,afasemartensíticaéestávelabaixatemperaturaem um estado livre de tensão, estandorelacionadacominúmerasvariantes.Umatransformaçãode fase pode ser induzidaportensãoouportemperatura.Quandoamartensita é induzida por temperatura, é

chamadademartensitamaclada(twinned),que tem 24 variantes que representam24 subtipos com diferentes orientaçõescristalográficas.A formaçãomartensíticainduzidaportensãotendeamudaressas24variantesdamartensitamacladaemapenasumavariante,alinhadacomadireçãodocarregamento de tensão, que é chamadomartensitanãomaclada(detwinned).

Afimdeapresentarasprincipaisideiasportrásdessesfenômenos,considereumaamostra dasSMAs emalta temperatura.Nessacondição,aamostratemfaseauste-nítica,eumacargamecânicapodeinduzirà transformação de fase emmartensitanãomaclada.Retiradaàcargamecânica,ocorreumatransformaçãodefasereversanaamostra.AFigura1apresentaumdese-nhoesquemáticodoprocesso,juntamentecomumacurvadetensão-deformaçãoquerepresentaocomportamentomacroscópicodofenômenopseudoelástico.

Considereagoraumatemperaturamaisbaixa de tal formaque a amostra possuiuma fasemartensíticamaclada estável.Quandosubmetidaaumcarregamentome-cânico,ocorreumprocessodereorientação,dandoorigemàformaçãodamartensitanãomaclada.Quandooprocessodecarrega-mento-descarregamentoestiverconcluído,aamostradeSMAapresentaumadefor-

Figura1–Pseudoelasticidade(Paiva,2004)

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maçãoresidual.Essadeformaçãoresidualpodeserrecuperadapormeiodoaumentodatemperaturaqueinduzàtransformaçãodafasemartensitaparaaustenita.Esseéoefeitodememóriadeforma.Éimportanteobservarqueavariaçãodatemperaturapro-vocaumaalteraçãodaforma,eaamostrarecuperasuaformaoriginal.Arelaçãoentreoefeitopseudoelásticoeodememóriadeformapodeserestabelecidaapartirdeummovimentodociclodehisteresemostradonacurvadetensão-deformaçãodaFigura1.Umavezquesediminuiatemperaturada amostra, o laço de histerese semovepara baixo também.AFigura 2mostraumaimagemesquemáticadofenômenodoefeitomemóriadeforma,juntamentecomacurvadetensão-deformação.

Figura2–Efeitomemóriadeforma(Paiva,2004)

semqualquercargamecânica.EssefenômenoéumaconsequênciadotreinamentodaamostradeSMA.AFigura3mostraumarepresentaçãoesquemáticadoefeitoemduasvias.

Figura3–Efeitodememóriadeformareversível(Paiva,2004)

OefeitodememóriadeformareversíveléoutrofenômenoassociadoàsSMAs.Basica-mente,essefenômenoétalqueaamostratemumaformanoestadoausteníticoeoutranoestadomartensítico.Avariaçãodetemperaturaproduzumamudançanaformadaamostra,

Aplicações

Aspropriedades singularesdasSMAsatraemointeressetecnológicoemdiversoscamposdasciênciasedaengenharia.Ma-chado&Savi (2002, 2003) eDueringet al. (1999)apresentamumavisãogeraldasaplicaçõesmaisrelevantesdasSMAsdentrodocampobiomédico.Aplicaçõesbiomédi-casdasSMAstornaram-sebem-sucedidas,devido à característica não invasiva dedispositivoscomSMAse tambémdevidoàsuaexcelentebiocompatibilidade.SMAssãousualmenteempregadaseminstrumentoscirúrgicos,cardiovasculareseortopédicoseemaparelhosortodônticos,entreoutrosusos.

Estruturas autoexpansivas constituemumadasprincipaisaplicaçõesdasSMAs,comoofiltroSimoneostent.NaFigura4,(a)e(b)têmumasequênciadeimagensqueilustramocomportamentodofiltroSimonquandointroduzidonocorpohumanoemumaveia.Inicialmente,ofiltroSimonestáemuma condição deformada, contraído.Uma solução salina omantém a baixatemperatura, permitindo a introduçãonointeriordeumaveia.Nomomentoemque

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ofiltroSimonestivernaposiçãodesejada,cessa-seasoluçãosalina,eatemperaturado corpo humano promove o aumentoda temperatura que causa a expansãodofiltropormeiodatransformaçãodefase.

AutilizaçãodoStentsegueomesmopro-cedimentodofiltrodeSimon,Figura4(c).AFigura4(d)apresentagramposdeSMAsutilizados.Aideiaécolocarogrampoemumaconfiguraçãoe,depois,aquecê-lopara

Figura4–Estruturasautoexpansivas(Machado&Savi,2003)

(a)

(b)

(c)

(d)

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queeleassumaumanovaconfiguração;atemperaturadocorpoaquece-oeauxiliaarecuperaçãoóssea.

AFigura5apresentaalgunsinstrumen-toscirúrgicos.

Paiva&Savi(2006)discutemalgumasdasaplicaçõesdeengenhariadasSMAs.Maisumavez,asestruturasautoexpansivassão larga-menteempregadas.AFigura6apresentaumaconexãode tuboconhecidocomoCryOfit,

Figura5–Instrumentoscirúrgicos(Machado&Savi,2003;Dueringet al.,1999)

Figura6–(a)AcoplamentoCryOfitSMA(HodgsonandBrown,2000),(b)Dispositivopré-carregadocomSMA(SINTEF,1999),(c)Dispositivosdeacoplamentos

(a)

(c)

(b)

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utilizadapelaprimeiraveznoF-14Usaf,tendosidodesenvolvidapelaRaychem(2001).Alémdisso,aFigura6mostratambémumconjuntodeSMAsempregadoemflanges.

Outraaplicação interessanteestá rela-cionadaàsestruturasflexíveismultiatuadasquepodem ser usadas emaerobarcosouemasasdeaviões(Figura7(a)).EstetipodeutilizaçãodeSMAssubstituesistemaspneumáticos com inúmeras vantagens,comocusto,tempodemanutençãoepeso.Rediniotiset al.(2002)apresentaumpro-tótipo de umhidrofólio que tenta imitaromovimentodacaudadeumpeixe.FiosatuadoresdeSMAssãoexternamenteacio-nadosporumafonteelétrica,promovendoamudançadeforma(Figura(7b)).

AsSMAstambémestãosendoutilizadasna robótica.Emessência, SMAs tentamimitaromovimentocontínuodosmúsculos.Essaideiaéexploradaparaaconstruçãodepróteses,queincluimãos,braçosepernas.AFigura 8mostra umprotótipodeumamãomecânica.

Aplicaçõesdinâmicasconstituemoutraáreaimportantedentrodaengenhariaemque asSMAspodem ser exploradas.Deumamaneirageral,essasaplicaçõesestãoassociadastantoàdissipaçãoadaptativadeenergia,relacionadaaoseucomportamentohisterético, quanto àsmudanças de suaspropriedadesmecânicas causadas pelastransformações de fase. Esses aspectospodemserexploradostantoemumcontrolepassivo-adaptativoquantoemumcontroleativo.Umfatorlimitanteparaaconcepção

(a)FIOSDESMA

(b)Figura7–EstruturasflexíveisdeSMAsmultiatuadas–(a)AircraftManeuverabilidy

(webdocs.cs.ualberta.ca/~database/MEMS/sma_mems/flap.html,2012);(b)Reidiniotiset al.,2002

Figura8–AplicaçõesrobóticascomSMAs(Roboticmuscles,webdocs.cs.ualberta.ca/~database/

MEMS/sma_mems/muscle.html,2012)

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denovasaplicaçõeséavelocidadederes-postadasSMAS.

As respostas dinâmicas dos sistemascom elementos commemória de formatêmsidoestudadas,mostrandoumcom-portamentobastantecomplexodevidoassuascaracterísticasfortementenãolinea-res.Essariquezadepossibilidadesincluirespostas periódicas, quasi-periódicas,caosehipercaos(Saviet al.,2002;eSaviet al.,2008).

Umaalternativainteressanteéexplorara elevada capacidade de dissipação dasSMAsnoimpacto.Destaforma,épossívelgerarumcomportamentomenoscomple-xo,mudando radicalmente a resposta dosistemaquando comparada com aquelasobtidascomumimpactoelástico(Santos&Savi,2009).

O uso de absorvedores dinâmicos devibração consiste emumdispositivo decontrole de vibração passivo que tem afinalidade de reduzir a vibração de umsistemaprimário submetido a uma exci-taçãoexterna.Oabsorvedoréconstituídodeumosciladorsecundárioque,umavezconectadoaosistemaprimário,écapazdeabsorver energia de vibração do sistemaprimário.Uma alternativa para sistemasemqueafrequênciadeforçamentovariaoutemalgumtipodeincertezaéoconceitodeumabsorvedordevibraçãoadaptativo

(Ibrahim, 2008;Brennan, 2006). Saviet al. (2010)discutemousodasSMAsemabsorvedores de vibração eWilliams et al. (2002) investigamumprotótipodestedispositivo(Figura9).

Ocontrolepassivo-adaptativodevibra-çõestemsidoaplicadoemponteseoutrasestruturascivisincluindoaquelassubmeti-dasaterremotos(Seadatetal.,2002).

MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

Ofenômenopiezoelétricoébaseadonainduçãodeumdipoloelétrico.Comoconse-quência,essaclassedemateriaisapresentaumacoplamentoeletromecânicorecíproco.Emoutraspalavras,umavezqueumcampoelétricoéaplicado,omaterialapresentaumadeformaçãomecânica;poroutrolado,quan-doomaterialsofreumacargamecânica,umpotencialelétricoégerado.Essareciproci-dadepermitequeessetipodematerialpossaserutilizadocomosensoresouatuadoresemestruturasinteligentes.

Osdoiscomportamentospresentesnospiezoelétricossãoconhecidoscomoefeitodireto,quetransformaatensãomecânicaemumafontedevoltagem,sendotípicodossensores;eoefeitoinverso,queconverteumafontedevoltagemexternaemenergiadedeformaçãomecânica(deslocamentoouforça),sendotípicodosatuadores.

A altas temperaturas, normalmentedefinidasacimadatemperaturadeCurie,omaterialéparaelétrico,nãopolarizado.Para baixas temperaturas, asmoléculassofremumamudançacristalográfica,ori-ginandodipolosorientadosaleatoriamenteemtodaaestrutura(Figura10(a)).Aapli-caçãodeumcampoelétrico(polarização)tendeareorientarosdipoloselétricosemrelaçãoaocampoelétrico,levandoaumamanifestaçãodedipoloelétricoemescalamacroscópica(Figura10b).Comaremoçãodocampoelétrico,osdipolosnãoretornamFigura9–Absorvedordevibraçãoadaptativo

(Williamset al.,2002)

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àsuaconfiguraçãooriginal,permanecendoorientados (Figura 10(c)).Esse processogeraumcorpopiezoelétricopermanente,comoeixodepolarizaçãoestabelecido.

Aplicações

Materiaispiezoelétricossãofrequente-menteutilizadoscomosensoreseatuadoresparadiversasfinalidades.Aplicaçõescomosensoressãonumerosaseestãorelaciona-dascomaindústriaaeroespacial,automo-bilística,robótica,entreoutrastantas.

Nuffer&Bein (2006) apresentaramautilizaçãodeacelerômetrospiezoelétricos

emsensoresdedetonaçãoparamotoresdecombustão interna, sensorespiezoelétricosparaadetecçãodedesgasteesensoresdepro-ximidadeemcarros.AFigura11apresentaaideiadossensoresparadetecçãodedesgaste.

Amonitoraçãodaintegridadeestrutural(structural health monitoring)éumaapli-caçãodepiezoelétricosquevemconquis-tandomuita notoriedade, especialmentenos setores aeronáutico e aeroespacial.Diversosestudosestãoconsiderandoousoadequadodossensoresparaidentificaçãode danos.A correção de temperatura éumaspecto importanteaserconsiderado(Grisso&Imnan,2010).

Figura10–Polarizaçãoparaobteroefeitopiezoelétrico:(a)orientaçãopolaraleatória;(b)PolarizaçãopormeiodeumafontedevoltagemDC;(c)Polarização

permanentedepoisdaremoçãodafontedevoltagemDC

Eletrodo

Eletrodo

(a) (b) (c)

Figura11–Sensorespiezoelétricosparadetecçãodedesgaste(Nuffer&Bein,2006).Aideiaémonitoraravibraçõesdaroda,levandoaumaavaliaçãodoseuestadodedesgaste

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Quantoaousodepiezoelétricos comoatuadores,elessãonormalmenteutilizadosparareduçãodevibraçãoemsituaçõesemquesenecessitadealtafrequênciaebaixacarga.

Aideiadeabsorvedoresdinâmicosdevibrações,discutidanocontextodeaplica-çãodeSMA,podeserusadacommateriaispiezoelétricos.Umadaspossibilidadeséaconversãodaenergiadevibraçãomecânicaemenergiaelétrica,quepodeserdissipadaemumcircuitoelétricoadequado.Qiuet al. (2009) apresentaramumavisãogeraldaaplicaçãodepiezoelétricosnareduçãodevibrações.

Nitsche&Gaul (2005) propuseramuma junta com elementos piezoelétricosquepodeserusadacomoumdispositivosemiativoparareduzirvibrações.Aideiaéreduzirosefeitosdeatrito,atenuandoavibraçãodaestrutura(Figura12).

A colheita de energia a partir de vi-brações é outro campo de aplicação demateriais piezoelétricos.A ideia centralé coletar energiadisponível do ambienteemtornodeumsistemaeconvertê-laemenergia elétricautilizável.Outras formaspossíveis são geralmente associadas avariaçõestérmicas,movimentoseenergiaeletromagnética.De umamaneira geral,essetipodeaplicaçãopodetransformarvi-braçõesindesejáveisemenergiautilizável,eosmateriaispiezoelétricosconstituemotransdutoressencialparaconverterenergiamecânicaemelétrica.

Imnanecolaboradoresdesenvolveramdiversosestudosmostrandooconceitodacolheitadeenergiaeasuaaplicabilidadeemsituaçõesdiferentes.Amodelagemma-temáticaeousodeelementosfinitostam-bém foramabordados (Erturk& Imnam,2008).Alémdisso,éimportantedestacaralgunsestudosdecomparaçãoexperimen-tal entre vários atuadores de compósitosativos para geração de energia (Sodanoet al., 2006).Aplicaçõesaeronáuticassãode especial interesse, especialmente porevitarvibraçõesindesejáveisdeaeronaves(DeMarqui Jr& Erturk, 2013;Diaset al.,2013).

Recentemente,háumacrescenteutili-zaçãodatecnologiaMEMS/NENS(microenanosistemaseletromecânicos),quepodeexplorarobaixoconsumodeenergiaemdispositivos eletrônicos à base de silício(Donelanet al.,2008;Yanget al.,2009).Na literatura existem artigos de revisãoquediscutemasprincipaisaplicaçõescomusodemateriaispiezoelétricos(Anton&Sodano,2007;Sodanoet al.,2004).

A colheita de energia biomecânica éumapossibilidadedegeraçãodeeletricida-deapartirdepessoasduranteasatividadesdiárias,sendoumaalternativapromissoraparaasbateriasquealimentamdispositi-vosportáteis (Liet al., 2009).Háváriosexemplos relacionados comesse tipo deaplicação,maséimportantedestacaraque-lesqueexploramacaminhadadaspessoas.

(a) (b)Figura12 – Dispositivosparareduçãodevibrações:(a)Juntasemiativa;(b)Vigacomumajuntasemiativano

centro(Nitsche&Gaul,2005)

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Nestesentido,épossívelcoletaraenergiade vibração associada amovimentos depessoas caminhando commochilas (Fe-enstaet al.,2008),Figura13.AFigura14mostraautilizaçãodacolheitadeenergiadapressãodospésparaatransformaçãoemenergiaelétrica,paraambientespúblicos.

Aconcepçãodosdispositivosdecolheitadeenergiatemsidoobjetodediversosestudosquepropõemsoluçõespara torná-losmaiseficientes.Nessecontexto,aanálisedediver-sasfrequênciasdeexcitaçãoeamplitudesdevibraçãotemumpapel importante.Assim,osefeitosnãolinearespodemseressenciaisparatornarumdispositivoaplicávelemumadeterminadasituação.DaSilvaet al.(2013)investigaramoefeitodocomportamentohis-teréticopiezoelétriconossistemasdecolheitadeenergiaapartirdevibrações.

MATERIAIS MAGNETOESTRICTIVOS

Osmateriaismagnetoestrictivos apre-sentamumacoplamentoentreoscamposmecânicosemagnéticos.Elespodemserdefinidos comomateriais que têm umaalteraçãode formadevido a uma aplica-ção de umcampomagnético.Ahistóriadamagnetoestricção começou em1840,quandoJamesPrescottJoule(1818-1889)identificouumamudançadecomprimentoemumaamostradeferrosujeitoaumcam-pomagnético.Esseefeitoficouconhecidocomo efeito Joule, sendo omecanismomais comum empregado em atuadoresmagnéticos.Oefeitoinverso,quandoumcampomecânico faz comque surja umamagnetização na amostra, é conhecido

Figura13 – Colheitadeenergiaapartirdocaminhardepessoascommochilas(Feenstaet al.,2008)

(a) (b)

Elementospiezoelétrico

Figura14–Colheitadeenergiaapartirdeumpiso:(a)Mecanismodegeraçãodeenergiaporintermédiodeumacaminhada;(b)Geradordeenergiaexperimentalapartirdospésdepassageirosporocasiãodasaídada

estaçãoNorteMarunouchi,Tokyo

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comoefeitoVillari,sendonormalmenteutilizadoparaossensores.

Inicialmente, as aplicações relacio-nadas como efeitomagnetoestrictivosforamreceptoresdetelefone,hidrofoneseosciladores, entreoutros.Apartir de1970, as aplicações tiveram uma am-pliação considerável devido às novasdescobertas relacionadas a essesma-teriais.Recentemente,materiais comoTerfenol-D eMetglass deram um novoimpulsonousodessaspropriedadescomosensoreseatuadores.

Aideiabásicaportrásdocomportamentomagnetoestrictivoéqueestetipodematerialédivididoemdomínios,cadaumcomumapolarizaçãomagnéticauniforme.Aaplicaçãodeumcampomagnéticotendeapromoveroalinhamentodessesdomínios,mudandoaformadomaterial.AFigura15mostraumdesenhoesquemáticodessesalinhamentos.

objetivodeobterumposicionamentopre-cisodecargaspesadasetambémocontroleativodevibração.

Dispositivosmagnetoestrictivospodemserusadosemconjuntocomoutras tecno-logiasconvencionais,comopneumáticosehidráulicos,possibilitandoaconstruçãodemecanismoseficientes.AFigura17apresentaumabombaquecombinaatuaçãomagneto-estrictivaehidráulicaparaproduçãodeummovimentolinear(Olabi&Grunwald,2008).

Figura15–Figuraesquemáticadofenômenomagnetoestrictivo

Figura16–AtuadorTerfenol-D(Janocha,2001)

Figura17–Bombamagnetoestrictivacombinadacomatuaçãohidráulica(Olabi&Grunwald,2008)

Figura18–Válvulamagnetoestrictivaparamotoresdecombustãointerna(Janocha,2001)

Aplicações

As aplicações relativas aosmateriaismagnetoestrictivos envolvemvárias situ-açõesdeatuaçãosemcontatoquepodemserimaginadasparaproduziremdiferentestiposdemovimentos.Emgeral,épossívelimaginar aplicações semelhantes às dosmateriais piezoelétricos.Comparado aoPZT,oTerfenol-Dtemmaisforçaepodeserutilizadoembaixavoltagem.AFigura16 apresenta um transdutor Terfenol-Dindicadoparaaplicaçõesindustriaiscomo

Outro tipode atuação semelhante aosmateriais piezoelétricos é a usada emválvulasdeinjeçãoparamotoresdecom-bustãointerna,Figura18(Janocha,2001).

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Esse dispositivo reduz o consumo decombustíveleruídosrelacionadoscomofuncionamentodomotor.Alémdisso,evitaocontroledevoltagemnecessárioparaosdispositivoscommateriaispiezoelétricos.

Ouso de películas finas é outra pos-sibilidade de utilização relacionada commateriaismagnetoestrictivos (Olabi&Grunwald,2008).AFigura19mostraummicromotorquegeramovimentoslinearesdevidoàpelículafinacomcaracterísticasmagnetoestrictivasnasuperfície.Essetipodedispositivotendeaavançarparaevitarocontatoaoseracionadoporumcampomagnéticoqueproduzvibraçõescomam-plitudesdeflexãode10-20mm/s.

Kordonsky,1993;Weisset al., 1994;Carlsonet al.,1994;Carlson,1994;Carlson,2005).

OsfluidosEReMRgeralmenteapre-sentam um comportamento newtonianotípiconaausênciadecamposeletromag-néticos.Noentanto,quandosubmetidosaumcampoelétricooumagnético,ofluidomuda seu comportamento, apresentandoumarespostanãolinear.OsfluidosEReMRpossuem asmesmas características.Portanto, vamos usar o termo geral defluidoER-MRe,damesmaforma, trataro campo aplicado, em geral, como umcampoeletromagnético.Deve-seentenderqueofluidoERéacionadoporumcampoelétrico,enquantoofluidoMRéacionadoporumcampomagnético.

UmfluidoER-MR é uma suspensãode sólidosqueapresentamudançasdrás-ticas nas propriedades reológicas devidoà aplicaçãode campos eletromagnéticos.Essecomportamentoédenominadoefeitoeletromagnético, que está sendo relacio-nado para as disposições estruturais nasuspensão.Antesdaaplicaçãodocampoeletromagnético, as partículas são distri-buídas de forma aleatória.A aplicaçãodo campo eletromagnético provoca umaorientaçãodaspartículasquealteraavis-cosidadedofluido.AFigura20apresenta

Figura19–Micromotormagnetoestrictivo(Olabi&Grunwald,2008)

FLUIDOSELETROMAGNETORREOLÓGICOS

Osfluidoseletrorreológicos(ER)emag-netorreológicos(MR)sãoconhecidoscomofluidoscontroláveis.Elesapresentamumaco-plamentoentreoscamposmecânicoeelétricooumagnético.Portanto,umamudançaemumcampoelétricooumagnéticocausaumamu-dançanocomportamentoreológicomecânico.

OprimeiroestudosobreosfluidosERfoiem1940porWillisWinslow.Namesmadé-cada,JacobRabinow(Rabinow,1948,1951),noNationalBureauofStandardsEUA,in-vestigouosfluidosMR.Apesardeinúmeraspesquisasdesenvolvidasentre1940e1950,somentenadécadade1990estetipodefluidoobteveinteressecomercial(Shtarkman,1991;

Figura20–Fluidoeletromagnético:efeitodaaplicaçãodeumcampoeletromagnético(http://

ciencia.hsw.uol.com.br/armadura-liquida2.htm,2013)

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umdesenhoesquemáticodolíquidoanteseapósaaplicaçãodocampo.

ExistemtrêsmodosdeoperaçãobásicosrelacionadosaosdispositivosER-MR:pres-sãoinduzidaoupolosfixos,emqueolíquidoéforçadoafluirentreospolosmagnéticosestacionários;cortediretooumovimentodospolos,emqueumaforçainduzàtensãodecisalhamentopormeiodofluido;efilmedeaperto,emqueolíquidoésubmetidoaumaforçadecompressão,alterandoadistânciaentre os polosmagnéticos.AFigura 21apresenta imagens esquemáticas relativasacadamodalidadedeoperação.Cadaumdessesmodosestárelacionadocomdiferen-tesaplicações.Omododapressãoinduzidaé usualmente empregado em válvulas eamortecedores.Omodode cisalhamentoestáassociadoàsaplicaçõesemfreioseem-breagens.Omododecompressão,porsuavez,estáassociadoaalgunsamortecedoresdepequenaamplitudedevibração.Contudo,essemodonãotemsidoestudadocomtantaênfasecomoosdoisprimeiros.

Aplicações

OsfluidosMR-ERsãoessencialmenteutilizados para construir amortecedores,freios e embreagens inteligentes quepo-dem ser aplicadospara diversosfins.Asindústrias automobilística, aeroespacial ebiomédicaestãoespecialmenteinteressadasneste tipo de comportamento.AFigura22apresentaumamortecedor típicocomfluidoMR.

Comrelaçãoàindústriaautomobilística,Prabakaret al.(2009)discutiramocontrolesemiativodeumadinâmicadeautomóveisutilizando amortecedoresMR.Olabi&Grunwald(2007)apresentaramadinâmicado sistemapormeiodeumamortecedorMR como um elemento secundário nasuspensãodocarro.

Amesmaideiadeamortecedoresinte-ligentes pode ser aplicada emprocessosindustriais.Carlsonet al. (1995)discutiramosamortecedoresMRqueempregamcon-troleativoquepermiteimaginardiferentespossibilidadesdeaplicação,incluindodis-positivosdetravamento(Figura23).Usan-doamesmaideia,aplicaçõesdeengenhariacivilconsideramousodeamortecedores

Figura21–ModosbásicosdeoperaçãodeumfluidoER-MR:(a)Mododepressão;(b)Mododecisalhamento;(c)Mododecompressão

Figura22–AmortecedorMR(Costa,2008)

Figura23 –Amortecedordetravamento(Carlsonet al.,1995)

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MRpara proteger estruturas submetidasa cargas sísmicas (Figura 24).Yang et al.(2002)discutiramrespostasdinâmicasdessetipodeaplicação.

Aplicaçõesbiomédicastambémempre-gamoconceitodeamortecedoresinteligen-tesafimdereproduzirosmovimentosdaspernashumanas.Emgeral,osamortecedoresMRpodemserutilizados emprótesesdejoelhosparaobterumcaminharmaisnatu-ral.Carlsonet al.(2001)apresentaramumprotótipodojoelhocomamortecedorMR.

OsfluidosER-MRpodemserúteisparaconstruirfreioseembreagens.Aideiarela-cionadaàembreageméqueelepermiteumtorquecontrolável.Kavlicogluet al.(2002)discutiramumprotótipodessedispositivoquepodeserusadoemmotores(Figura25).

Poroutrolado,autilizaçãodosfluidosER-MRnafabricaçãodefreiosfazcomqueafrenagemtenhaumaatuaçãomaissuaveecommenorconsumodeenergia(Figura26).Essetipodedispositivotemavantagemdeserde fáciloperação, sendoaplicável emdiversassituações(Carlsonet al.,1995).

Figura24 – Amortecedordecontroledeabalosísmico(Yanget al.,2002)

Figura25–ProtótipodeembreagemcomfluidoMR(Kavlicogluet al.,2002)

Figura26–FiguraesquemáticadeumfreiocomfluidoMR(Carlsonet al.,1995)

CONCLUSÕES

Osmateriais inteligentes constituemumnovo paradigmade projeto que temcontribuídoparasuaaplicaçãoemdiver-sossetoresdoconhecimentohumano.Asinovações tecnológicas associadas sãoimportantes, podendo definir a era dosmateriais inteligentes. A utilização namedicina proporcionamelhor qualidadedevida,permitindocirurgiasetratamen-

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1CLASSIFICAÇÃOPARAÍNDICEREMISSIVO:<CIÊNCIAETECNOLOGIA>;Ciência;Análise;Desenvolvimento;Energia;Engenharia;Estudo;Material;Pesquisa;

tos pouco invasivos.Na engenharia, ouso dosmateriais inteligentes garantemaior segurança, conforto, durabilidadee ideias que não poderiam ser pensadascom osmateriais convencionais. Todosesses conhecimentos e essas inovaçõespodem ser levados para o setormilitar,proporcionando avanços significativos.NoBrasil,váriaspesquisaseprojetossãodesenvolvidosutilizandooparadigmadosmateriais inteligentes.Emespecial,valedestacaroInstitutoNacionaldeCiência

eTecnologia emEstruturas InteligentesemEngenharia(INCT-EIE),quecongregaumarededepesquisadoresdoBrasiledoexterior.OInstitutotemdifundidoaideiadosmateriaisinteligentes,esuasaplica-çõesnasmaisvariadasáreas.

AGRADECIMENTOS

OsautoresagradecemoapoiodasAgên-ciasCNPq,Capes eFaperj e, atravésdoINCT-EIE,oapoiodoCNPqedaFapemig.

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