Artigo Engenharia de Materiais
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7/26/2019 Artigo Engenharia de Materiais
1/7
O s P P I SD C I N C I D O S
M T E R I I S E D E N G E N H R I
P R
U M S O C I E D D E S U S T E N T V E L
S O O K P H H N
Universidade deStanford, PaloAlto,EUA
N
ossa civilizaoentrouem umanovaera demateriais.Comoest
fartamentedocumentado emvrios relatrios governamentais e
acadmicos, as sociedades avanadasemtodo o mundo rapidamente
adquirem habilidades
sem
precedentes
no
sentido
de
criar materiais pro-
jetados para satisfazer necessidades humanas. Emtodo
pas,
a qualidade
de
vida
e
segurana econmica
e
militar dependem cada
vez
mais
da
capacidade
de
sintetizar
e
processar materiais,
de
descobrir novos
e de
integr-los em
tecnologias
demanufatura economicamente eficientese
ecologicamente seguras.Naverdade,sem osnovos materiaise suapro-
duo eficiente,
no
existiria
o
nosso mundo
de
equipamentos moder-
nos, mquinas, computadores, automveis, aeronaves, aparelhos
de co-
municaoe
produtos
estruturais. Cientistaseengenheirosdemateriais
continuaro
a
estar
na
dianteira dessas
e de
outras
reas de
cincia
e
engenhariaaserviodasociedade,medidaqueconquistem novos n-
veis
deentendimento econtrole sobreosblocos bsicosque compem
osmateriais:tomos,molculas, cristaisearranjosno-cristalinos.
Nesta
apresentao, descreverei alguns requisitos da pesquisa e
desenvolvimento de materiais para cinco reasde interesse nacionais,
cujo
objetivo
atingir
uma
sociedade sustentvel
com
alta qualidade
de
vida: informao/comunicao, transportes, energia, sadee desenvol-
vimento.
Informao/comunicao
Avanos naeletrnicae na
fotnica
esto mudando a forma
como
vivemos
e
trabalhamos
e a
maneira como interagimos,
seja
entre
ns,
sejacomferramentasemquinasou comnossomeio-ambiente.
Osavanos dependemdecinciaeengenhariademateriais, parti-
cularmente
de
sntese
e
processamento
e sua
relao
com o
desempenho.
Osmateriais maiscrticosrelacionadosaprocessamento deinformao
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e hardware de armazenagem so os materiais semicondutores usados
paradesempenhar as funes lgicas e de memria de alta velocidade e
tambm os materiais magnticos e
pticos
utilizados para transmisso e
comunicao de informao a
longo
prazo e baixo custo de armazena-
mento.Mas, acimadetudo,ocampo est sofrendoumdesvio:depro-
duzirevender
chips
semicondutores eoutros componentes como pro-
dutofinal,
passa
a
vender mdulos
funcionais.
Tais mdulos
so
usados
em sistemas que tm impacto sobre toda nossa sociedade, economia e
capacidadede defesa, taiscomoautomveis e aeroespao, eletrnica pa-
raconsumo e para defesa, automao de manufa tu ra ,sensoriamento e
controle
ambiental
e a biblioteca
do
futuro. O
desenvolvimento
e a ma-
nufa turade
mdulos
cadavezmaisteis coloca
nfase
nacontnua pes-
quisavoltadaminiaturizaoe nosobrigaaconsiderar interconexese
tecnologias modulares juntamente com desempenho e projetos integra-
dos dos equipamentos. Assim, avanos nas tecnologias de informao
esto relacionados a avanos em materiais semicondutores, fotnicos,
magnticos, fibraspticas, isolantes, supercondutores, condutores, bar-
reiras
trmicas e empacotamento e em sua integrao, interao, manu-
fatura
eminiaturizao.
Aprincipalfora de impacto social e penetrao de mercado de
circuitos integrados tem sido a contnua melhoria de projeto e processa-
mento,permitindo
que o
nmero
de
dispositivos
em um chip
dobre
a
cada
dois anos. Dobrar
o
nmero
de
dispositivos
sem
dobrar
a
rea
do
chip requer
tanto
reduo no tamanhodos dispositivoscomodarea
ocupada pelas interconexes. No passado, a diminuioda escalada
geometria mnima
dos
dispositivos pavimentou
o
caminho
da
densidade
funcional.
Extrapolando, antecipa-se
que a
geometria mnima
de
circui-
tos integrados chegar a 0,25 micrmetros a partir de meados e at o
finaldadcada de 90. Redues maiores, usando os materiaishojeco-
nhecidos, resultariam
em
degradao inaceitvel
a
temperatura ambien-
te. A
concluso
que
precisam
ser
desenvolvidos enfoquesmaisrevolu-
cionrios
em
tecnologia
de IC.
Maior miniaturizao requer grande esforo de pesquisa de mate-
riais
para uso em dispositivos eletrnicos de circuito integrado, visando
a
superar
os
limites
deescala,
isto
,
criando dispositivos pequenos
e com
elementos ativose interconexes maisdensos.Para isso, novos princ-
pios fsicos sero necessrios, tanto em nvel de projeto quanto de pro-
cessamento. Alm
disso,
devero ser implementadas configuraes al-
ternativas
e fenmenos de transporte desses dispositivos.
Duas vias de pesquisa devem serseguidas:as que retm os mate-
riaissemicondutores,
embora fazendo deles uso revolucionrio; e enfo-
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ques
no-semicondutores, tais como
fotnica
esupercondutividade,O
primeiro enfoque
usa a
experincia acumulada
emm anufatura e vai
pro-
vavelmentemigrar para processamento
a
baixas
temperaturas,
nos
quais
transies
qumicas so controladas em nvel atmico e onde hetero-
estruturase
novos fenmenos fsicos podem
ser
invocados para superar
as
limitaes
de
escala
das
estruturas atuais.
No final, a
superao
das
limitaesde escala e o aumento de
fun cionalidade iro
exigir uma ex-
tenso da tecnologia, da presente, em duas dimenses, para trs dimen-
ses.
Odesenvolvimento dearquiteturasde
microchip
em 3-Dapresenta
enormes desafios e exigir novas tecnologias de materiais, processos de
manufaturamais sofisticados, novas estratgias
para
crescimentode ma-
teriais,
novas arquiteturas para
as
interconexes
e
novos enfoques quan-
to ao gerenciamento trmico. Alm disso, conforme aumenta a
funcio-
nalidade do chip, aumentam tambm substancialmenteasdemandasso-
bre
o
empacotamento
do
sistema
e
suas interconexes.
O
empacotamen-
to convencionale atecnologia de interconexo esto no limite. Para
satisfazer demandapor densidades mais elevadasnos chips, sero ne-
cessriasnovas tecnologias de empacotamento e interconexo e a inte-
grao destas com toda a tecnologia microeletrnica.
Transportes
Aeronutica,e
aeroespacial
Nos
ltimos
50
anos,
os
materiais usados
em
aeronutica
e
aero-
espacial
tm
sido
os da
variedadehi-tech,
a
exemplo
das
ligas
de
alum-
nio
altamenteresistentes,tais
como
a7075e as
ligas
Al-Li, as
ligas
de
Ti de
alta temperatura, mais leves
e
fortes,
as
superligas
de
cristais ni-
cosenovoscompostos,tanto metlicos como polimricos.Acapacidade
de antecipar, sintetizar, processaremanufaturar estruturas e
motores
paraaeronutica e aeroespacial, tanto militar como comercial, continua
aexigirasmais imaginativaserequintadas aplicaesdefsica,metalur-
gia
deprocessoe
princpios sobre materiais.
Por
exemplo,
o
sofisticado
casamento
entre
desenvolvimento deligaemodelagemdesolidificao
levou a umnovotipo de tecnologia de
fundio
e m anufaturae proces-
samento bem-sucedidos de lminas de turbina constitudas por superli-
gas baseadas em nquel e formadas por grandes complexos de cristal
nicodirecionalmentesolidificados.Hoje,so esses os materiais preferi-
dos nos
sistemas
de
propulso
em
todo
o
mundo.
Enfoquessemelhantes sero necessrios para compreender, desen-
volver e
usar economicamente
a
nova gerao
de
materiais,
como
os
polmeros
e os
compsitos
intermetlicos
e
cermicos.
O
sucesso desses
projetos-piloto
multidisciplinares exigiraintegrao bem-sucedida de
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novos projetos
demotores,
novas
configuraesde
componentes estru-
turaise
novas tecnologias
de
processamento
em anufaturade
materiais
metlicos,intermetlicos cermicos
e
polimricos
que
sejamoperacio-
nais a alta temperatura, resistentes e benignos para o meio-ambiente.
Sucesso nessas reas tecnolgicas de base, se conseguido, pode ser pron-
tamente estendido para
o
desenvolvimento
de
sistemas
de
ligas estrutu-
rais
desta e de prxima gerao, que requerem operaes a altas tempe-
raturas e
estruturas muito mais leves, fortes
e
mais facilmenteprocess-
veis
quando
de suaproduo.
Indstria
automot iva
Acredita-se que asaplicaes nesse setor dependam largamentede
materiais
convencionais
e,
assim,
no
sujeitos
a
pesquisa
e
desenvolvi-
mento srios.
Uma
avaliaomaisacurada mostra
que o
automvel
um dos
produtos
mais complexos e sofisticados j desenvolvidos. Suas
dez mil partes e componentes associados, sistemas e subsistemas forne-
cem
o verdadeiro testepara automao eprodutividade. Alm disso,
pode servirdeparadigma idealparaintegrarosmateriaisjexistentese
os avanados com processamento e
m anufatura
de ponta, tudo dentro
de limites de confiabilidade ecustoaceitveis. Talvez, a forma mais efe-
tiva
de ilustrar o tipo e magnitude dos problemas que hoje cercam os
materiais usados na indstria automotiva seja catalogar osprincipais
sistemas de
materiais
e as
tendncias tecnolgicas genricas.
As
descri-
es seguintes servem como indicadores dramticos da amplitude das
necessidades estruturais primrias
em
termos
de
materiais.
Os
automveis
de
hoje
e do
futurosero feitos
de
folhas
de
ao,
aos especializados, compsitos plsticos estruturais e no-estruturais,
elastmeros, tintas, metais no-ferrosos, peas moldadas, materiais de
servio epintura e
compsitos
dematriz metlica. Alm disso, sero
partesdo
automvel
modernomateriais magnticos,fibraspticas,no-
vos vidrosemateriais sensitivos. Esses deverosersintetizadoseproces-
sados segundo altos padreseento integradosemprojetos inovadores
deprocessamentoe
m anufatura.
Essa tendncia dever dominarasagen-
dasde pesquisa em projetos e desenvolvimento. Considerando os ga-
nhos paraopase odesafio intelectual representado pela integraode
cinciados
materiais, engenharia
em anufatura,o
ataque
a
esses proble-
masdeve
ser
prioritrio
em
qualquer agenda
de
pesquisa
em
materiais,
ainda
mais que o conhecimento adquirido poder ser prontamente
transferido
para
outros
usurios de materiais estruturais.
Materiais
estruturais
e
outros sistem as
de
transporte
Aque
novas oportunidades
e
benefcios econmicos podem levar
-
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os novos campos deprocessamento emanufatura denovos materiais?
Exemplo muito citado o dos supercondutores de alta temperatura,
aplicveis,
talvez,
a
sistemas
de
transporte sobre trilhos, especialmente
o
Maglev. Sucesso exigiro bom processamento noapenasdemateriais
de alta Tc, m as tam bm dos m ateriais estruturais j existentes, seja para
carros
ou
caminhes, materiais sensitivos avanados etc.
Outros
exem-
plosdenecessidadepormateriais para infra-estruturadetransporte refe-
rem-seacimentoem ateriais baseadosemconcreto, ligas metlicas resis-
tentesacorrosoe aefetiva integrao dessesnasmetodologiasdecons-
truo.Todas essas aplicaes requerem persistnciaembuscar formas
de prever as propriedades de m ateriais estruturais avanados.
Energia
Energia
e sociedade
A energia desempenha papel singular
nas
sociedades
do
planeta.
De um
lado,
o
sangue
da
vida econmica,
que
fornece
os
servios
e
infra-estrutura essenciais para a civilizao, tais como transpo rte, com u-
nicaes, alimento,
produtos
industriais e recreao. De outro, sua
abundncia
oucarncia determinamasegurana nacional,acom petitivi-
dade industrial, o meio-ambiente,aeconomiae a estrutura social. Em
1989, os EUA consumiram 81 quads (81 x 1015 unidades trmicas
britnicas deenergia.Issoeqivaleenergiaque
pode
serfornecidapor
40
milhes
de
barris
de
petrleo
por dia em um
ano.
Significa
um
gasto
de US 400
bilhes,
semconsiderar oscustosdemanutenoda segu-
rana
do
fornecimento. Algum fornecimento
de
energia
crucial para
manter a segurana nacional.
O
objetivo
de uma
estratgia energtica nacional slida
fornecer
fontes
de energia, converso deenergiae tecnologias deutilizaoque
satisfaam
s
necessidades nacionais
de
man eira economicamente
efici-
ente
e
segura para
o
meio-ambiente.
No
existem fontes energticas
perfeitas.
O
petrleo
tem
disponibilidade limitada.
Todos
os
combust-
veis fsseis causam danos ambientais. Asopes pela energia nuclear
despertam preocupao com seguranaedestino derejeitos.A energia
solar relativamente carae, emm uitas reas, pouco prtica.Emesmoa
conservao exige larga participao social. O desafio lanado cincia
o de
melhorar
nossas
tcnicas
de
aproveitamento
de
energia
e
atingir
conquistas
que nos
dem novas
opes.
Aimportncia
para
aenergiadac incia
e
engenharia
dos m ateria is
A
cinciaeengenhariademateriaistm umpapelbasilaremtodo
-
7/26/2019 Artigo Engenharia de Materiais
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ociclodetecnologia energtica, desdeamelhoriadasfontes primarias
(petrleo,carvo,gsnatural, energia nuclear, hidreltricaetc.),at no-
vossistemas para transmissoeconservaoenovos produtoseservios
para
o consumidor. Melhorias evolutivasemmateriais continuamente
contribuem para aumentar a eficincia, confiabilidade e desempenho
dos
produtos
finais;
e o
desenvolvimento
de
novos materiais
e
sistemas
de
materiais
necessrio para novas
opesde
energia.
A
importncia
de cincia e engenharia de materiais pode ser melhor visualizada se
con-
siderarmosademandapornovos materiaisnasseguintes reas relaciona-
das
aenergia: conversoeconservao; opes nucleares; utilizao el-
trica;eopes futuras, tais como energia solar.
Sade
O papel de materiais no campo da sade depende das aplicaes.
Essas
incluem cuidado mdico, produtosdesuporteedestinoderejeitos
mdicos. Produtosvolumosos e descartveis dirigem a pesquisa para
alternativas materiais economicamente competitivas e ecologicamente
seguras.Odesenvolvimentodenovos materiais tambmdirigidopor
produtos
que possam aumentar e/ou manter a qualidade de vida ao mes-
mo
tempo
que
reduzam
o
custo
do
atendimento mdico, atravs
da
reduodecomplicaes, reduodanecessidadederevisesereduo
do
perodo
deestadia hospitalar, mantendo ainda assim alto desempe-
nho.
Os
gastos atuais
com
servio
de
sade,
nos
EUA, esto
na
casa
dos
US 600 bilhes por ano (11% do PIB), comprojeode US 1,6
trilhes (16% doPIB) parao ano2000. Esses custos incluem tratamen-
to derejeitos,bemcomo cuidado mdico.evidenteque sedeve conti-
nuar
com os
programas
de
pesquisa
em
materiais objetivando
o
campo
dasade.
Meio-ambiente
O
meio-ambiente est emergindo como assunto crtico
no
apenas
devido a seu impacto direto
sobre
a qualidade de vida, mas tambm por
seu impactonosprocessos eprodutos industriaisemeiosdetransporte.
De fato, os aspectos ambientais da qualidade de vida, competitividade e
utilizao
de
energia, incluindo transportes,
beneficiar-se-iamde um es-
foroestratgico coordenado
de
P&D,
no
qualP&D
em
materiais seria
um apea-chave.
O
meio-ambiente coloca vrios desafios
que a
comunidade
de en-
genheiros e cientistas de materiais pode ajudara resolver. Os desafios
in lu m
limpeza, reduo
de
lixo, armazenamento
de
txicos
e
melhor
uso deprodutosnaturais. A comunidade que estuda materiais pode aju-
-
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dar asociedadeaalcanarum
futuro
noqualtodoso sprodutos tenham
ciclos de vida projetados de
forma
a haver umencadeamentode ciclos
que no
produza lixo (por
lixo,
entenda-se
produto
secundrio
intil .
As
maneirasde se darvaloraenergiaemateriais sero muito diferentes:
cadaproduto ser visto como ingredientedoproduto posterior.Todo
processo que produza produtos secundrios
inteis
ou de pouco valor
serseveramente desvalorizado. Para conseguir controle sobre
o
ciclo
de
vidados materiais, ser necessrio: uso/reaproveitamento de materiais
comerciais; projeto de novos materiais que possam ser indefinidamente
reciclados; e processos para fazernovos materiais que no impliquem
rejeitosde
produtos danosos
paraomeio-ambiente.
A
INDSTRIA AEROESPACIAL:
QUESTES
ECONMICAS,
TECNOLGICAS ESOCIAIS
GIORGIO
E.O. GIACAGLIA
Escola Politcnica,
da
USP,
So
Paulo,Brasil)
O
principal propsito desta palestra o deanalisaropapelque as
atividades aeroespaciais tiveram
e tm no
desenvolvimento
de
uma
sociedade melhor atravs da tecnologia. Nossa principal pre-
ocupao nos concentrar na questo bsicade quantoeondeuma
nao deve investir
em
tecnologia,tecnologia aeroespacial
em
particular,
e quais devem ser as bases para tais decises. A explorao do
espao,
como qualquer outra exploraofeitapela humanidade, deu sociedade
umanova perspectiva
de si
prpria
e do
Universo.Expandimosnosso
conhecimentoat asfronteirasdoSistema Solarealm delas. Quais
so
os benefcios dos investimentos feitos no sentido de atingir esses objeti-
vos?Qual
o
retornomen survel?Quais
os
melhores investimentos
que
podemos
imaginar para suprir nossas necessidades sociais
e
ampliar nos-
sa
compreenso acercadaprpria
vida?
