Materiais com Memória de Forma: Como Dobram, Recuperam e Transformam com Calor

Hoje trazemos ao nosso blog um tipo de material com importância crescente: os materiais com memória de forma.

Estes materiais têm a particularidade de poderem ser deformados e, posteriormente, recuperar a sua forma original ao aplicar um estímulo externo (geralmente temperatura). Como mencionámos anteriormente noutro artigo, trata-se de um material inteligente.

Como exemplo, a quem não se dobrou já um talher ou um alfinete? Conseguem imaginar que, ao deixá-los no radiador, recuperassem a sua forma original? Com este tipo de materiais é possível, e as suas vantagens não ficam por aqui.

O que são?

Como referido, os materiais com memória de forma, após sofrerem uma deformação, podem recuperar a sua forma original. Se o descrevermos assim, o seu comportamento parece semelhante ao dos materiais elásticos, mas na realidade são muito diferentes. A sua singularidade reside no facto de, quando a força que causa a deformação desaparece, a forma deformada se mantém, sendo necessário aumentar a temperatura do material para que este retorne ao seu estado original.

Esta recuperação da forma original com a temperatura deve-se à mudança da estrutura interna do material. Estes materiais tendem a ter um arranjo laminar e fibrilár a baixa temperatura, o que facilita as deformações, pois algumas lâminas podem mover-se em relação a outras; isto é chamado de estado martensítico. Quando aquecidos, o próprio material começa a ter um arranjo cúbico muito mais rígido, que já não permite o movimento do material e, portanto, nem as deformações; isto é chamado de estado austenítico. Esta transição da estrutura laminar para a cúbica tem força suficiente para devolver o material à sua forma original e desfazer todas as deformações sofridas. Uma vez baixada novamente a temperatura, o material volta a dispor-se em forma laminar e pode ser deformado de novo. Este processo é típico do arranjo atómico do material, o que significa que pode ser repetido inúmeras vezes sem afetar o seu comportamento, evitando, por exemplo, quebras mecânicas por desgaste ou fadiga em sensores ou válvulas.

Para que servem os materiais com memória de forma na indústria?

Para fazer estes materiais passarem da fase martensítica para a austenítica, como dissemos, é necessário aumentar a sua temperatura. Isto pode ser conseguido fornecendo calor, ou de forma muito conveniente, aplicando eletricidade. O facto de a temperatura destes materiais poder ser aumentada ou diminuída através de eletricidade torna-os candidatos ideais para atuar como atuadores ou sensores. A recuperação das deformações é sempre a mesma à mesma temperatura, o que significa que podem servir como atuadores e sensores muito precisos. Além disso, as deformações que costumam ocorrer nestes materiais realizam-se mais rapidamente do que noutros tipos de materiais utilizados habitualmente nestas aplicações.

Discutimos que os materiais com mudança de forma podem recuperar a sua forma original quando submetidos a calor, e depois podem ser deformados novamente. Isto é muito conveniente para algumas aplicações, mas noutras, como atuadores, o que se precisa é mudar de uma posição para outra, sendo ambas fixas. É possível? A resposta é sim, pois existem materiais com mudança de forma que apresentam duas memórias de forma a temperaturas diferentes. Isto permite definir a geometria do material a duas temperaturas diferentes e conhecidas, o que é muito conveniente.

Tipos de Materiais com Memória de Forma

Os materiais com memória de forma mais utilizados até agora são os de natureza metálica. Entre eles, o chamado Nitinol (liga de Níquel e Titânio) é um dos mais usados devido às suas boas propriedades. Mesmo assim, existem outras ligas metálicas que também têm memória de forma, como ligas de Cobre, Zinco e Alumínio (Cu-Zn-Al); Cobre, Alumínio e Níquel (Cu-Al-Ni); ou Ferro, Manganês e Silício (Fe-Mn-Si).

Até recentemente, estes tipos de materiais só eram obtidos de natureza metálica, mas a investigação neste campo nos últimos anos levou ao aparecimento de materiais com memória de forma plásticos. Devido à sua natureza plástica, são muito promissores, por exemplo, em aplicações onde se desejam peças mais leves. Materiais plásticos de mudança de forma ou auto-reparáveis também têm propriedades semelhantes aos materiais com memória de forma.

Outros tipos de materiais com memória que ainda estão em estudo e cujo uso não se expandiu tanto são as cerâmicas com memória de forma e os materiais ferromagnéticos com memória de forma. Mesmo assim, estamos certos de que no futuro todos estes tipos de materiais terão um grande impacto.

Aplicações

Aqui mostramos alguns exemplos da sua aplicação:

Uma das aplicações que começa a expandir-se agora é usar estes materiais para unir tubos, sem necessidade de soldadura. O princípio utilizado é simples: toma-se um material com memória de forma, coloca-se no interior dos tubos e depois aplica-se calor para que recupere a sua forma original, com um diâmetro maior, de modo a fixar solidamente os tubos. A própria pressão exercida pelo material a partir do interior dos tubos faz com que estes adiram e é muito difícil separá-los, em alguns casos resistem melhor do que as soldaduras.

O mesmo princípio é utilizado, por exemplo, no setor da saúde para abrir obstruções no corpo. Construem-se pequenos stents que podem ser inseridos em veias ou artérias bloqueadas e, ao contacto com o calor corporal, expandem-se, permitindo novamente a passagem de sangue.

Estas são algumas aplicações destes materiais em geometrias tubulares, mas o seu campo de aplicação e geometrias possíveis é muito amplo. Por exemplo, pode ser aplicado às carroçarias de automóveis ou aviões, para modificar a sua geometria enquanto circulam e, assim, melhorar a sua aerodinâmica, reduzindo a quantidade de combustível que utilizam. Se pensarmos em atuadores, cuja função é mover de uma posição para outra, a grande maioria no futuro poderá ser feita de materiais com mudança de forma!

Atualmente, podemos encontrar materiais com memória de forma em equipamentos médicos e material de saúde, desde implantes dentários a ferramentas cirúrgicas (são fáceis de esterilizar). Também em objetos do quotidiano, como sutiãs com aros, que usam o próprio calor corporal para recuperar a forma, ou em colchões, que recuperam a forma após sofrerem deformações por nos sentarmos neles. Como estes materiais são leves, resistentes e capazes de operar a altas temperaturas, também são amplamente utilizados em componentes aeroespaciais como foguetes e sondas espaciais.

Devido a todas as possíveis aplicações e vantagens que estes materiais apresentam, acreditamos que nos próximos anos darão muito que falar e os encontraremos cada vez em mais produtos sem nos darmos conta, pois estão em pleno auge e são cada vez mais estudados.

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