Materiais auxeticos

Materiais Auxéticos – O Efeito do coeficiente de Poisson negativo Auxetic Materials - The effect of the negative Poisson's ratio Fernanda Steffens Estudante de Doutorado1, Departamento de Engenharia Têxtil, Universidade de Minho, Guimarães, Portugal.

Raul Fangueiro Professor, Centro de Ciência e Tecnologia Têxtil, Universidade do Minho, Guimarães, Portugal.

Resumo Os materiais auxéticos diferenciam-se dos convencionais por apresentarem como caraterística principal o coeficiente de Poisson negativo. São materiais que possuem um comportamento incomum: quando tensionados aumentam sua seção transversal, enquanto alongam longitudinalmente. A multidisciplinaridade é o grande atributo desses novos materiais, podendo ser utilizados em diversas áreas, incluindo: medicina, arquitetura, engenharia civil, vestuário esportivo e equipamentos de alta performance , antiexplosivos, isolamento acústico, acústico, filtros, entre outros. O seu elevado potencial faz com que a sua gama de aplicações esteja em constante alargamento. Neste trabalho, pretende-se apresentar uma revisão do estado da arte sobre este interessante tema, abordando seu mecanismo de funcionamento, as suas diferentes representações, suas técnicas de obtenção, exemplos de aplicações e, principalmente, a importância que a exploração científica destes novos materiais pode trazer para a obtenção de produtos diferenciados para a indústria têxtil. Palavras-chave: Materiais Auxéticos. Coeficiente de Poisson Negativo. Abstract

Auxetic materials are different from other conventional materials once present a negative Poisson´s ratio. These materials present an unusual behavior: when stretched increase their cross-section while elongate in the longitudinal direction. The multidisciplinary approach is the great feature of these new materials, which can be used in various areas, including: medicine, architecture, civil engineering, sport clothing and high-performance equipment, anti explosives, insulation, filters, among others. However, its applicability may be even more exploited. The objec- tive of this paper is to present a state of the art review on auxetic fibrous materials, considering their operation mechanisms, different representations, manufacturing techniques, examples of applications and, mainly, to explore the scientific im- portance these new materials can bring to obtain highly differentiated products for the textile industry.

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Bolsista da CAPES - Proc. no. BEX: 0978/12-4

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Fernanda Steffens; Raul Fangueiro.

REDIGE v. REDIGE v. 3, n. 02, ago. 2012

Keywords: Auxetic Materials. Negative Poisson´s Ratio.

INTRODUÇÃO O interesse por têxteis inteligentes inteligentes vem crescendo muito nos últimos anos. Diversas instituições e grupos de pesquisas vêm investigando e descobrindo novos materiais com o intuito de serem aplicados em diversos segmentos industriais. A definição de têxteis inteligentes é muito ampla e diferencia consideravelmente de autor para autor. O primeiro material têxtil classificado como “têxtil inteligente” foi a seda, tratada com efeito de memória de forma. Produtos procedentes de têxteis inteligentes possuem todos os critérios de tecnologia de alto valor agregado, permitindo sua transformação para a competitiva indústria de alta tecnologia, conforme os seguintes princípios (VAN LANGENHOVE; HERTLEER; CATRY, et al, 2012). De pesquisas baseadas em recursos para pesquisas, baseadas em conhecimento; •

•

De quantidade para qualidade;

De produção em massa de uso único para produtos manufaturados de acordo com a demanda, multiusos e que podem ser melhorados constantemente;

•

De material tangível para produtos, processos e serviços de valores agregados inatingíveis. •

Pode-se afirmar que têxteis inteligentes são capazes de sentir os estímulos do ambiente, reagir e adaptar-se a eles através da integração das funcionalidades da estrutura têxtil. O estímulo, bem como a resposta, pode ser elétrica, térmica, química, magnética ou de outra origem (VAN LANGENHOVE; HERTLEER; CATRY; et al, 2012). Um importante fator no que diz respeito aos têxteis inteligentes refere-se à sensação provocada e ao valor acrescido para o utilizador. A premissa de que têxteis inteligentes sejam um suporte tecnológico somente para “especialistas” em avanços tecnológicos vêm se tornando claramente em algo trivial. Assim como as lenwww.cetiqt.senai.br/redige

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tes de contato melhoram a acuidade, as ferramentas dos têxteis inteligentes podem melhorar diversas funções, como: •

Percepção do ambiente;

•

Monitorizarão do estado da saúde humana;

•

Geração de energia (captação de energia);

•

Melhora das capacidades cognitivas;

•

Interação e funcionalidade; funcionalidad e;

•

Melhora do desempenho humano. (BONFIGLIO; (BONFIG LIO; ROSSI, 2011)

A partir da definição de têxteis inteligentes, pode-se afirmar que, além de proteger contra as intempéries, o novo material têxtil deve também manter o corpo aquecido. Dependendo da aplicabilidade, as novas exigências concebidas para estes materiais são a alta dureza e resistência combinados com um baixo peso, resistência à corrosão, maior confiabilidade e tempo de vida útil (BHULLAR; WEGNER; MIODUCHOWSKI, 2010). Têxteis inteligentes possibilitam a criação de um grande número de novas áreas e campos de atuação, principalmente em segmentos que novas propriedades dos materiais não tenham sido ainda descobertos ou o seu uso disseminado (BRESKY; EDSTRÖM; LEDENTAL, 2012). Portanto, além da funcionalidade e do valor agregado ao produto, materiais têxteis vêm sendo amplamente aplicados em diversas áreas tecnológicas, nomeadamente: medicina, desporto, transporte, arquitetura e engenharia civil. A multidisciplinaridade torna-se um aspecto essencial no desenvolvimento de novos produtos. Os denominados materiais auxéticos apresentam a característica da multidisciplinaridade, sendo utilizados na solução de problemas de diferentes setores. No entanto, tratando-se de um material ainda muito recente, a abrangência da sua aplicabilidade pode ser muito mais explorada. A singularidade dos materiais auxéticos define-se pela expansão transversal, quando tensionados longitudinalmente (POUR; ITZHAKI; HOZ, et al, 2006, e LEFTERI, 2012) – ao contrário dos materiais convencionais (como a borracha, o www.cetiqt.senai.br/redige

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vidro e os metais, por exemplo) (BHULLAR; WEGNER; MIODUCHOWSKI, et al, 2010), que quando esticados, sofrem uma redução na sua largura (POUR; ITZHAKI; HOZ, et al, 2006). A figura 1 ilustra essa situação. Para além disso, quando comprimidos em uma direção, os materiais auxéticos contraem-se transversalmente a esta direção (HOOK, 2009).

Figura 1: Material convencional (a), Material auxético (b) Fonte: adaptado de GRIFFIN; KUMAR; MCMULLAN, 2006.

A título de curiosidade, a palavra “auxético” deriva do grego e significa “que pode ser aumentado” (EVANS; ALDERSON, 1992). O efeito auxético confere aos materiais muitos benefícios, como por exemplo: aumento da rigidez, melhoria da tenacidade à fratura e melhora na rigidez de cisalhamento (ALDERSON, 2012; CHAN; EVANS,1997 e ARGATOV; DÍAZGUINOVART; SABINA, 2012). Prevê-se que malhas ou tecidos de fibras auxéticas de mono ou multifilamentos apresentam muito mais aplicações que tecidos oriundos de fibras com propriedades elásticas convencionais (BURKE, M, 1997). Através dos benefícios citados anteriormente, tecidos provenientes de fibras auxéticas são potencialmente atrativos para a comercialização de roupas de proteção, usadas, por exemplo, para militares (GRIFFIN; KUMAR; MCMULLAN, 2006). Além disso, os benefícios dos materiais auxéticos podem ser somados a outros benefícios das propriedades dos têxteis inteligentes (GRIFFIN; KUMAR; MCMULLAN, 2006), resultando em novos produtos, com novas características e aplicações.


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Neste trabalho, pretende-se fazer uma breve abordagem dos conceitos fundamentais referentes aos materiais auxéticos, bem como apresentar o estado da arte, ressaltando a abrangente aplicabilidade e potencialidade dos mesmos. 1. COEFICIENTE DE POISSON O coeficiente de Poisson ( v ) é uma das propriedades mecânicas fundamentais dos materiais e pode ser definido como a deformação transversal quando um material homogêneo e isotrópico é tencionado uniaxialmente no sentido longitudinal (GRIMA; GATT; ALDERSON, et al, 2005 e COSSOLINO; PEREIRA). O coeficiente de Poisson não estabelece a relação entre a tensão e a deformação, mas sim entre as deformações ortogonais (COSSOLINO; PEREIRA). Quando positivo, o valor do coeficiente de Poisson varia tipicamente entre 0.0 e +0.5 (LIU, 2006). Exemplificando: a borracha possui um coeficiente de Poisson de aproximadamente +0.5 e o vidro e o metal +0.3 (BERTOLDI; REIS; WILLSHAW, et al, 2009). Para os materiais auxéticos, o coeficiente de Poisson apresenta valores negativos, pois as dimensões da sua seção transversal aumentam, quando tencionados (UGBOLUE; WARNER; KIM, et al, 2007). Este comportamento não contradiz a teoria clássica da elasticidade, a qual afirma que um sólido 3D homogeneamente isotrópico e termodinamicamente correto pode variar o seu grau de coeficiente de Poisson entre -1 e 0.5 (SCARPA; CIFFO; YATES, 2004). A fórmula a seguir explica a relação existente entre as deformações transversal e longitudinal (COSSOLINO; PEREIRA).

 � −  � − 

Onde:

: Coeficiente de Poisson (adimensional). : Deformação na direção de x, que é transversal.

ε x

: Deformação na direção de y, que é transversal.

ε y

: Deformação na direção de z, que é longitudinal.

ε z

,

ε x ε y

e ε z são também grandezas adimensionais, já que são deformações.


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O sinal negativo na equação é adotado porque as deformações transversais e longitudinais possuem sinais contrários. Um material com coeficiente de Poisson positivo indica que, devido a uma tensão mecânica, ocorreu uma contração transversal em resposta à extensão longitudinal (COSSOLINO; PEREIRA). O coeficiente de Poisson foi o último das quatro constantes de elasticidade para materiais isotrópicos a ser estudado. As outras três constantes são módulo Young (E ), Módulo de Cisalhamento ( G ) e o módulo Volumétrico ( K ). As equações a seguir expressam estas constantes (EVANS; ALDERSON, 2000).

 � ��� �

��

  � ��−��

��

 � �����

��

− �  � �� � � �

��

Para um material isotrópico convencional, o módulo de Young é no mínimo duas vezes o módulo de cisalhamento. Colocando a equação 1 e a equação 2 em função do módulo Young ( E ), é obtida a seguinte equação (LIU, 2006):

 � ��� � � ��� −��

��

Quando o valor do coeficiente de Poisson torna-se negativo, as igualdades anteriores (equação 5), aproximam-se, até ao momento em que se tornam iguais (v =-0,5). Desta forma, o material vai-se tornando altamente compressível, mas difícil de cisalhar (LIU, 2006). A maioria dos materiais estruturais possui o G maior que K . Alterando-se a microestrutura do material de modo que E permaneça constante, e modificando o valor de v , é possível alterar os valores de K e G . Quando o valor de v é reduzido para 1, um alto valor do módulo de cisalhamento em relação ao módulo volumétrico é www.cetiqt.senai.br/redige

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obtido. Ou seja, o material será difícil de cortar, mas fácil para deformar volumetricamente (G >>K ). No entanto, se o coeficiente de Poisson aproximar-se positivamente de 0,5, como um sólido emborrachado, o módulo volumétrico excederá o módulo de cisalhamento e o material será referido como incompreensível ( G <
2. EVOLUÇÃO Os materiais auxéticos foram descobertos há mais de 100 anos (BHULLAR; WEGNER; MIODUCHOWSKI, 2010). No entanto, somente a partir de 1987, é que de fato começou-se a dar mais atenção a estes importantes materiais. O marco deu-se com a descoberta de espumas de poliuretano (PU) com estruturas reentrantes, facilmente manufaturadas a partir de células abertas de espumas (LEE; LAKES, 1997 e LIU; HU, 2010). O valor do coeficiente de Poisson negativo, obtido para este material foi de -0.7 (CHAN; EVANS,1997). A partir daí, o interesse pela pesquisa, focando a descoberta e o desenvolvimento de novos materiais com coeficiente de Poisson negativo, buscando a compreensão de seus mecanismos, propriedades, suas interações e aplicações, aumentaram consideravelmente (YANG; LI, Z.-M.; SHI, et al, 2004). A comparação do comportamento dos materiais auxéticos com o dos materiais convencionais também começaram a ser explorados de forma intensiva (LIU; HU, 2010). Pode-se afirmar que uma grande variedade de materiais e estruturas têm sido descobertas, manufaturadas ou sintetizadas nos últimos anos, desde o nível molecular, micro até o macroscópico (LIU, 2006). www.cetiqt.senai.br/redige

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O efeito auxético é uma propriedade intrínseca dos materiais, decorrente das características das suas estruturas. Pode ser também projetado em estruturas de macroescala, incluindo estruturas de engenharia civil (ALDERSON, 2012). A figura 2 exemplifica a existência de materiais auxéticos na natureza, desde a forma molecular até a escala macro.

Figura 2: Exemplificação de Materiais Auxéticos no decorrer da Escala, Fonte: adaptado de MAGAZINE OF THE WESSEX ROUND TABLE OF INVENTORS. 2012.

São poucos os materiais que apresentam de forma natural o coeficiente de Poisson negativo. Exemplos a citar são: Nitretos, Metais, Zeólitos, Silicatos, (KOCCER; MCKENZIE; BILEK, et al, 2009 e SLOAM; WRIGHT; EVANS, 2011). Além das ocorrências de materiais auxéticos de forma natural, o comportamento auxético tem despertado interesse em outros domínios, como por exemplo, em materiais biológicos (pele e ossos) e materiais sintéticos. Recentemente, materiais auxéticos têm sido criados em muitos outros formatos, como: gel de polímeros, compósitos laminados de fibras de carbono, espumas metálicas e poliméricas, estruturas “favos de mel”, nanoestruturas e polímeros microporosos (ALDERSON; SIMKINS, 2005) compósitos de piezopolímeros e cristais homogêneos simples (ARGATOV; DÍAZ-GUINOVART; SABINA, 2012).


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Outros exemplos de materiais que possuem também propriedades auxéticas são: polímero sintético de politetrafluoroetileno (uma complexa microestrutura, consistindo de nódulos interconectados por fibrilas de PTFE com diâmetro de aproximadamente 1 µm) (ARGATOV; DÍAZ-GUINOVART; SABINA, 2012, e MAGAZINE OF THE WESSEX ROUND TABLE OF INVENTORS, 2012, e, ALDERSON; ALDERSON; WEBBER, 1998) microestruturas compostas por Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE) e por Polipropileno (PP) (LIU, 2006), géis e laminados (GRIMA; ALDERSON; EVANS., 2005) e mais recentemente a produção de fibras de poliéster e poliamida, a partir do pó destes materiais, através do processo de extrusão (RAVIRALA; ALDERSON; ALDERSON; DAVIES, p.8),

3. MECANISMO E ESTRUTURA DE UM MATERIAL AUXÉTICO O mecanismo típico de funcionamento de um material com coeficiente de Poisson negativo é ilustrado na figura 3. Quando uma força é aplicada (nesse caso, uma força vertical), o mecanismo expande-se horizontalmente, no sentido perpendicular à força aplicada (LIU, 2006).

Figura 3: Representação do mecanismo de deformação básica de um material auxético Fonte: adaptado de LIU, 2006.


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Ao longo dos anos, diferentes estruturas geométricas e modelos resultantes dos efeitos auxéticos têm sido propostos, estudados e testados. Estas estruturas geométricas são muito usadas e extremamente importantes para uma melhor compreensão de como os efeitos auxéticos podem ser obtidos, manufaturados e como suas propriedades podem ser otimizadas e previstas (LIU; HU, 2010). A primeira sugestão para exemplificação da estrutura destes materiais foi o formato de “favo de mel” reentrante (LIU; HU, 2010), (Figura 4). Aplicando-se uma tensão ao longo do eixo x, as hastes 1 e 3 afastam-se. Com o afastamento destas hastes, as hastes 5 e 7 endireitam-se (no sentido transversal) e, consequentemente, aumentam-se ainda mais as distâncias entre as hastes 9 e 11. Como resultado, aumenta-se a extensão do material ao longo do eixo y que é perpendicular ao eixo x, onde foi aplicada a força inicial (HOOK, p.2009).

Figura 4: Exemplo de uma estrutura favo de mel reentrante 2D Fonte: adaptado de HOOK, 2009.

Como já afirmado anteriormente, no plano cartesiano, uma força aplicada no eixo x levaria ao decréscimo do tamanho no eixo y, não sendo o que ocorre com os materiais com formato “favo de mel”. Nesses materiais, as células das paredes ou ligações na estrutura giram enquanto que uma tensão é aplicada, ocorrendo a expansão do material, não somente no eixo onde a tensão foi aplicada, como também no eixo contrário (UGBOLUE; WARNER; KIM, et al, 2007). Esta característica, em combinação com a melhoria da rigidez, pode permitir, por exemplo, a otimização de fibras para a produção de compósitos (KOCCER; MCKENZIE; BILEK, et al, 2009). A Figura 5 exemplifica o comportamento de


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uma membrana convencional e de uma com comportamento auxético, quando tensionados.

Figura 5: Efeito auxético resultante da interação entre a estrutura interna de um material e como o mesmo se deforma – Membrana convencional (a), Membrana auxética (b), Fonte: adaptado de ALDERSON, 2005.

Vale a pena destacar que o efeito de Poisson negativo pode ser obtido por outras estruturas reentrantes, como por exemplo “estruturas de seta de ponta dupla” (a), “estrutura favo de mel estrelar” (b), “favo de mel hexagonal estruturalmente reentrante” (c), entre outros (EVANS; ALDERSON, 2000). Estas estruturas podem ser observadas na figura 6.

a

b

c

Figura 6: Exemplos de estruturas reentrantes, Fonte: adaptado de LIU; HU, 2010.

Outras estruturas reentrantes podem ser observadas na Figura 7. As unidades celulares que se repetem estão em negrito. Os efeitos auxéticos são obtidos através da rotação e extensão de cada lado da unidade celular. De acordo com a análise, a segunda estrutura, conhecida como modelo de “grades quadradas” (b), apresenta maior efeito auxético que a primeira estrutura, modelo de “redes de www.cetiqt.senai.br/redige

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losangos” (a) sob a mesma tensão. A terceira estrutura (c) é formada por “liga“ligamentos sinusoidais”, onde ocorre o efeito auxético através da abertura das células reentrantes, que são quase que retangulares. Lâminas auxéticas, feitas com este tipo de estrutura, foram utilizadas para a difusão de medicamentos. Ligamentos sinusoidais podem também ser substituídos por ligamentos lineares (LIU; HU, 2010).

a

b

c

Figura 7: Outros exemplos de estruturas reentrantes Fonte: adaptado de LIU; HU, 2010

Além de estruturas reentrantes em 2D, é também possível formar o efeito auxético através de estruturas reentrantes em 3D. A representação da Figura 8 é utilizada para ilustrar o comportamento auxético em espumas. Esta representação foi construída através da transformação de uma estrutura de célula convencional em uma célula de estrutura reentrante, onde as nervuras se projetam para o interior da mesma. O funcionamento desta estrutura pode ser assim compreendido: quando as nervuras verticais protuberantes estão tencionadas, as nervuras nas direções laterais tendem a mover-se para fora, ocorrendo a expansão lateral. No entanto, quando a compressão é aplicada, as nervuras tendem a curvar-se mais para dentro, resultando em uma contração lateral em resposta a compressão axial (LIU; HU, 2010).

a

b

Figura 8: Célula tridimencional: célula convencional (a) e célula reentrante (b), Fonte: adaptado de LIU; HU, 2010. www.cetiqt.senai.br/redige

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Além das estruturas reentrantes, existem também outras, a citar: estruturas quirais, estruturas chamadas de unidades de rotação, estruturas de lâminas de ângulos dobrados, estruturas de moléculas rígidas, modelos de polímeros microporosos e modelo polimérico de líquido cristalino (LIU; HU, 2010). A tabela 1 ilustra cada estrutura, bem como explica seu efeito. Tabela 1: Diferentes representações das estruturas auxéticas Diferentes representações Estruturas Quirais O efeito auxético é obtido através do enrolamento ou não dos ligamentos ao redor dos nódulos como consequência, quando uma força é aplicada (a). Em contraste com os outros tipos de a estruturas, esta pode manter um alto efeito auxético ao longo de um elevado grau de tensão. O coeficiente de Poisson para tal estrutura é de aproximadamente -1 [LIU, Y.; HU, H. 2010]. Metaquirais são estruturas recentemente desenvolvidas. Neste tipo de estrutura, os ligamentos são sempre conectados b tangencialmente aos nódulos (b, c, d). Apresentam como característica que na mesma estrutura os nódulos podem ser conectados para o mesmo lado do ligamento (como nos quirais), e em alguns outros modelos os nódulos podem ser no lado oposto ao do ligamento (metaquirais) c conectados [GRIMA, J. N.; GATT, R.; FARRUGIA, P.-S. 2008]. O efeito auxético depende do formato do nódulo e do comprimento dos ligamentos [LIU, Y.; HU, H. 2010]. A última representação (e) ilustra uma estrutura quiral, considerada como “modelo ideal” de articulação. Neste os d nódulos estão representados na forma de retângulos conectados [GRIMA, J. N.; GATT, R.; FARRUGIA, P.-S. 2008].

e

f

Unidades de rotação Este tipo de estrutura foi desenvolvido para produzir comportamento auxético em espumas e polímeros conectados a nanoestruturas hipotéticas através da ligação de triângulos rígidos ou semirrígidos, quadrados, retângulos e tetraedros nos vértices selecionados. As figuras (f) e (g), respectivamente unidades de triângulo e unidades de quadrado, representam o efeito auxético quando as formas estão tensionadas [GRIMA, J. N.; GATT, R.; FARRUGIA, P.S. 2008].

g


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Modelo Polimérico de Líquido Cristalino (LCP) Consistem em cadeias de moléculas rígidas conectadas através de grupos flexíveis. No estado de relaxamento, todos h os grupos rígidos estão orientados ao longo da cadeia. Quando uma tensão é aplicada ao longo da cadeia, ocorre à reorientação dos grupos rígidos e assim obtém-se o auxético. O modelo (h) ilustra o estado não i comportamento deformado e o modelo (i) ilustra o estado deformado devido a uma tensão horizontal [LIU; HU, 2010; HE, C. et. al. 2005]. Modelos Poliméricos Microporosos Consiste em um modelo interconectado por nódulos  (partículas) retangulares e fibrilas (j). Quando uma tensão é aplicada no eixo do x, as fibrilas provocam a translação lateral  dos nódulos, fazendo com que estes se afastem tanto na direção de x e y, resultando em uma estrutura com coeficiente  de Poisson negativo. Exemplos de materiais poliméricos microporosos são formas expandidas de Politetrafluoretileno j (PTFE), Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE) e Polipropileno horizontal [LIU; HU, 2010; ALDERSON; EVANS, 1995; ALDERSON; EVANS, 1997] Modelos Poliméricos Microporosos Outro exemplo do mecanismo de expansão ocorrido em materiais auxéticos a partir de partículas e fibrilas com base polimérica é observado em (l). As partículas representadas pelo número “1” são unidas através das fibrilas, representadas pelo número “2” as quais possuem a mesma composição e são produzidas pelo mesmo processo de extrusão/fiação. A partir de uma força aplicada no eixo x as partículas 1a e 1b movem-se ao longo deste eixo, fazendo com que as fibrilas 2a e 2b endireitem-se; consequentemente aumenta-se a distância de separação entre as partículas 1c e 1d. O l resultado é o aumento da extensão dos materiais ao longo do eixo y, perpendicular ao eixo x. Tais materiais têm sido produzidos através de etapas de compactação e sinterização ou pela fusão parcial e posterior extrusão de um único material polimérico [HOOK, Patrick Barry et. al.2009]. Moléculas duras (rígidas) Hard molecules O modelo molecular de um hexâmero cíclico (isto é, uma molécula composta por seis átomos que ocupam os vértices de um hexágono perfeito) foi obtido a uma temperatura igual a zero, e nessas condições o modelo apresenta coeficiente de Poisson negativo, sendo termodinamicamente estável em uma gama de densidades e temperaturas positivas. O m coeficiente de Poisson negativo resulta unicamente da interação intermolecular – sendo o oposto dos outros modelos, que além da interação intermolecular ainda apresentam uma estrutura artificial [LIU; HU, 2010; WOJCIECHOWSKI, 2003]


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Lâminas de ângulos dobrados - Angle-ply laminates Este modelo descreve a deformação de laminados. Estes laminados são compostos por camadas unidirecionais de vidro ou fibras de carbono de alto módulo dentro de uma matriz de resina epóxi, dispostas de tal modo que exista o mesmo número de camadas na direção de referência. No modelo (n) as setas brancas (horizontal) mostram a direção n das forças e as setas escuras (vertical) mostram o cisalhamento. Sob uma deformação relativamente pequena, a expansão de largura AB é diretamente proporcional ao aumento da largura [LIU; HU, 2010; HINE; DUCKETT; WARD,1997]

4. PROPRIEDADES Os materiais auxéticos apresentam algumas propriedades únicas, quando comparados com os convencionais. Nestes materiais, percebe-se claramente uma melhoria das seguintes propriedades mecânicas: aumento do plano de resistência à fratura e maior módulo de cisalhamento, maior resistência ao corte, maior dureza, variação da porosidade/permeabilidade (quando aplicado uma tensão) (ALDERSON, 2012 e CHAN; EVANS,1997) e capacidade de criar formas em dupla curvatura (Figura 9) (ALDERSON, 2005).

Figura 9: Comparação entre materiais com forma duplamente curvadas: (a) não auxéticas e auxética (b) Fonte: ALDERSON, 2005.

Materiais auxéticos também apresentam outras propriedades superiores aos materiais com coeficiente de Poisson positivo, como maior capacidade de amortecimento e melhor comportamento de absorção de energia. A capacidade de amortecimento específico de espumas auxéticas com uma pré-carga de compressão extrema é maior do que a de espumas convencionais (YANG; LI, Z.M; SHI; et al, 2004). Consequentemente, outra propriedade importante destes www.cetiqt.senai.br/redige

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materiais é sua maior resistência a indentação. Quando um material não auxético é exposto a uma carga de impacto, as forças comprimem o material e este se expande em direções perpendiculares à direção do impacto. No entanto, quando o material é auxético, o material contrai-se lateralmente, isto é, o material flui para dentro da área próxima ao impacto. Isto cria uma região densa no material, que é mais resistente à indentação (LIU, 2006, LIU; HU, 2010).

Figura 10: Representação do comportamento de deformação para materiais não auxéticos (a) e auxéticos (b), quando sujeitos a um impacto de compressão Fonte: adaptado de LIU, 2006.

Sugere-se também que materiais auxéticos devem ter melhor resistência ao desgaste devido a sua maior resistência à fratura. Assim, os materiais auxéticos tendem a melhorar a resistência ao desgaste abrasivo, bem como ao desgaste adesivo, podendo-se considerar que o uso desses materiais, já na sua forma de fibra, deve melhorar o desempenho dos materiais e sua vida útil (KEIPERT; HERMANSSON, 2011).

5. PROCESSOS DE MANUFATURA Nos últimos anos, o uso da tecnologia têxtil para fabricar materiais auxéticos tem despertado muito interesse. Desde 1987, quando espumas isotrópicas auxéticas foram sintetizadas pela primeira vez, materiais com coeficiente de Poisson negativo têm despertado algum interesse para potencial aplicação em estruturas de integridade estrutural, componentes sanduíches, dispositivos estruturais passivos inteligentes (SCARPA; CIFFO; YATES, 2004), em áreas como o design de novos elementos de fixação, próteses, piezocompósitos com alto desempenho www.cetiqt.senai.br/redige

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e espumas com propriedades acústicas e de absorção superiores (BERTOLDI; REIS; WILLSHAW, et al, 2009). A manufatura destes tipos de materiais só se deu recentemente e está disponível (por enquanto) somente em pequenas escalas. Materiais auxéticos podem ser fabricados com base em diferentes tipos de materiais, incluindo fibras, espumas, polímeros, metais, cerâmicas e compósitos (ALDERSON, 2012 e UZUN; PATEL, 2010). A Figura 11 exemplifica o crescimento do número de pedidos de patentes relacionados com os materiais auxéticos, desde o seu descobrimento até 2008. Ressalta-se que um terço das patentes refere-se ao Reino Unido, quantidade semelhante refere-se aos Estados Unidos, 20% à Europa e 12,5% à China, Japão e República da Coreia. Um número significativo de pedidos diz respeito à evolução dos materiais e processos. Porém ocorreram aplicações em áreas específicas, como a biomedicina, aeroespacial, automotivo, lazer, militar, engenharia química, vestuário, construção e energia (ALDERSON, 2012).

Figura 11: Aumento do número de pedidos de patentes de materiais auxéticos ao longo dos anos Fonte: ALDERSON, 2012.


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A partir do ano de 2003, aumentaram significantemente os pedidos de patentes dos materiais auxéticos e, no ano de 2008, verifica-se o grande salto no número de registros, sendo o número de registros mais do que o dobro do apresentado em 2007. Essa tendência continua atualmente (ALDERSON, 2012). Investigando no site da “Biblioteca do Conhecimento Online” (b-on) quaisquer tipos de artigos científicos que apresentassem no título a palavra “auxetic”, apareceram no total 199 referências, divididos da seguinte forma: 12 referências publicadas nos anos anteriores a 1997, 23 referências publicadas entre os anos de 1997 e 2003, 42 publicadas entre os anos de 2003 e 2006, 75 entre os anos de 2006 e 2009, 97 referências entre os anos de 2010 e 2012, observando que o ano de 2012 ainda não terminou. A Figura 12 explana esse crescimento:

Figura 12: Aumento da publicação de artigos científicos sobre materiais auxéticos, Fonte: adaptado de BIBLIOTECA DO CONHECIMENTO ONLINE, 2012.

Existem diversas formas para se produzir materiais auxéticos. Pode-se afirmar que sua produção é dividida em dois grandes grupos, a citar: intrinsecamente nos polímeros e a partir de estruturas.


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Figura 13: Produção de materiais auxéticos

5.1 Síntese de Polímeros Uma possibilidade para se desenvolver este tipo de material, é criá-los a partir da síntese de polímeros auxéticos e depois usá-los para o desenvolvimento de fios e ou compostos dos mesmos (ALDERSON, 2005). A seguir são apresentados alguns exemplos. 5.1.1 Fibras Auxéticas O processo de extrusão por fusão contínua foi utilizado para produzir o primeiro material auxético, conhecido na forma de fibra. Materiais auxéticos e fibras convencionais de polipropileno são produzidos através desta técnica, que pode ser resumida através das seguintes etapas (KEIPERT; HERMANSSON, 2011). (1) Compactação de pó de Polipropileno (PP), que deve ser dividido com um tamanho médio de partículas entre 50 e 300 µm; (2) A compactação ocorre dentro de um barril de aproximadamente 15 mm de diâmetro; (3) A seguir, a haste compactada é reinserida, sinterizada e extrudida (LIU, 2006). Após a extrusão, ocorre o estiramento e a têmpera, finalizando com o processo de bobinagem. A produção de fibras de polipropileno auxéticas descreve uma das mais recentes abordagens para a fabricação de materiais com o coeficiente de Poisson Negativo (KEIPERT; HERMANSSON, 2011). Um estudo realizado mostrou que o parâmetro temperatura, durante o processo de extrusão, afeta diretamente o coeficiente de Poisson negativo dos polímeros de polipropileno, poliéster e poliamida (ALDERSON, et. al., 2007). www.cetiqt.senai.br/redige

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5.1.2 Espumas Auxéticas a partir de Polímeros O processo para transformar espumas convencionais em espumas auxéticas pode ser resumido em quatro etapas: (1) compressão, (2) aquecimento, (3) resfriamento e (4) relaxamento. Este processo foi desenvolvido para garantir uma elevada produção e assim possibilitar de forma contínua o processo de fabricação de espumas auxéticas (GRIMA, et. al, 2009). Porém, novos métodos de fabricação de espumas auxéticas estão sendo propostos sem a necessidade da etapa de aquecimento para conversão de células poliméricas abertas em espumas auxéticas, o que viabiliza ainda mais o processo de obtenção. Este novo processo é chamado de químico-mecânico e, ao invés da etapa de aquecimento, ocorre um tratamento com um solvente orgânico, antes da etapa de compressão. Este mesmo método torna-se muito interessante, pois possibilita também reconverter espumas auxéticas para o seu estado convencional (GRIMA, et. al, 2009).

5.2 Estruturas auxéticas Outra possibilidade é a criação por diferentes tipos de entrelaçamentos de estruturas auxéticas, bem como variadas técnicas de estruturação de fibras (ALDERSON, 2005). A seguir são apresentados alguns exemplos de manufatura destes materiais.

5.2.1 Filamentos Auxéticos – Princípio “Auxético-Helicoidal“ A criação de estruturas auxéticas é complexa, sendo que o uso destes materiais tem sido limitado por principalmente problemas na disposição/organização de suas formas fabricadas. Uma das soluções propostas para o desenvolvimento de filamentos têxteis auxéticos é a produção de multifilamentos, onde um filamento com alta rigidez é enrolado helicoidalmente em torno de um filamento mais grosso de baixa rigidez (Figura 14 a). Tal princípio é conhecido como “auxéticohelicoidal”. Nenhum dos filamentos necessita obrigatoriamente de ser auxético. www.cetiqt.senai.br/redige

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Quando a construção é estirada (Figura 14 b), o estiramento do filamento de alta rigidez fica completamente alinhado, pois as laçadas abertas dos filamentos de menor rigidez acabam endireitando os outros filamentos. Pesquisas apontam que este comportamento se deve a uma cooperação entre a estrutura geométrica interna do material e o mecanismo de deformação sofrido quando o material é submetido à tensão (SLOAM; WRIGHT; EVANS, 2011 e KEIPERT; HERMANSSON, 2011). Partindo-se do princípio auxético-helicoidal os benefícios de fios auxéticos, quando comparados às fibras auxéticas, são maiores, devido à simplicidade do processo de manufatura, bem como pela facilidade do processo de adaptação (SLOAM; WRIGHT; EVANS, 2011).

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 Figura 14: Princípio “Auxético-Helicoidal“ Fonte: adaptado de DIAS, 2012.

5.2.2 Malhas Auxéticas Na fabricação de malhas auxéticas, diversos parâmetros podem ser modificados para se conseguir as mais diferentes propriedades. Variáveis como o tipo de tecnologia a ser empregada (por trama ou por urdume), tipo de máquinas (circulares ou retilíneas), tipo de entrelaçamento adotado, podem ser alteradas para se obter maior flexibilidade, maior produtividade e uma maior variedade de padronagens (HU; WANG; LIU, 2011). A tecnologia de malharia por trama foi explorada para fabricar estruturas auxéticas que expandem lateralmente, quando esticadas. Três tipos de estruturas www.cetiqt.senai.br/redige

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geométricas, nomeadamente, uma “estrutura dobrável”, um “retângulo de rotação” e um “hexágono reentrante” foram empregados como estruturas de referência básicas para o desenvolvimento de tecidos auxéticos. Os resultados deste trabalho mostraram que os tecidos podem ser fabricados com base em diferentes estruturas de malha e estas podem oferecer uma maneira simples e altamente eficaz de fabricar estruturas auxéticas a partir de fios convencionais (HU; WANG; LIU, 2011). Efeitos auxéticos em materiais têxteis podem ser obtidos através da geometria de junção e estrutura do tecido. A malharia é uma das mais atrativas tecnologias que pode ser usada para a fabricação de materiais com coeficiente de Poisson Negativo, devido à possibilidade de se criar uma grande variedade de estruturas com altas velocidades de produção. Com o ponto da máquina correto e a seleção de materiais adequados, é possível tecer os formatos de quadrado, retângulos, hexágonos e de outras formas arredondadas (KEIPERT, C.; HERMANSSON, S. 2011. RODIE, J. B. 2012). A tecnologia de malharia por urdimento é a mais satisfatória para estruturas em rede e, consequentemente, para a fabricação de compósitos (KEIPERT; HERMANSSON, 2011). O exemplo do tecido de malha mostrado na Figura 15 evidencia que, após o entrelaçamento e o relaxamento deste sob condições padrões, a estrutura de malha por urdume forma redes hexagonais. Uma rede típica consiste em ribs verticais “ab” e “de” de cursos de laçadas no comprimento “h” e ribs diagonais “bc”, “cd”, “ef” e “fa” de cadeias de cursos de comprimento “l”. O rib diagonal é disposto de um ângulo α na horizontal. O tamanho da rede depende principalmente da galga da máquina e da massa linear do fio. Os comprimentos “h” e “l” dependem do número de cursos em cada parte repetida da unidade (UGBOLUE, 2010).


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Figura 15: Estrutura convencional. Fonte: adaptada de UGBOLUE, 2010.

É possível também criar tecidos com a estrutura “favo de mel” de diferentes tamanhos na mesma máquina de tecer, alterando somente a repetição dos elementos entrelaçados. Para isso, é necessário alterar a disposição dos entrelaçamentos na cadeia, a fim de formar uma estrutura auxética, como ilustra a Figura 16, forma “b”. Para tal, é necessário à utilização de um fio altamente elástico na base da estrutura. Este fio deve ser colocado entre os pontos das colunas na direção das laçadas, garantindo assim que o tecido irá manter a configuração necessária após o relaxamento (KEIPERT; HERMANSSON, 2011).

Figura 16: Estrutura não auxética (a) e estrutura auxética (b) Fonte: KEIPERT, C.; HERMANSSON, S. 2011. www.cetiqt.senai.br/redige

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Durante a extensão na direção das colunas da malha, as distâncias entre os pontos “c” e “f” aumentam. Os ribs diagonais “bc”, “cd”, “ef” e “fa” movem-se para disposição transversal, que é perpendicular à direção do estiramento. Neste caso, o ângulo α é quase igual a 0o e a distância entre os ribs verticais “ab” e “de” aumentam. A Figura 17 ilustra a propriedade auxética desta estrutura (UGBOLUE, 2010).

Figura 17: Estrutura auxética Fonte: adaptada por UGBOLUE, 2010.

Verifica-se, portanto, que são vários os fatores que podem influenciar o coeficiente de Poisson, incluindo: o tipo do fio utilizado, o número de cursos e de colunas e o nível de tensão do fio inserido. Destes, o tipo de fio utilizado é o fator mais importante [48].

6 APLICAÇÕES Materiais auxéticos são atualmente usados em materiais compósitos para melhorar o reforço das fibras, em têxteis para capacetes de proteção e manufatura de roupas esportivas, em esponjas, em cordas, filtros, absorção de amortecimentos e em aplicações biomédicas (KOCCER; MCKENZIE; BILEK, 2009). As característiwww.cetiqt.senai.br/redige

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cas que determinam a aplicação de materiais auxéticos podem ser categorizadas, baseadas nos seguintes tópicos (BHULLAR; WEGNER; MIODUCHOWSKI, 2010): •

Coeficiente de Poisson;

•

Maior dureza, resiliência e resistência ao rasgo;

•

Propriedades acústicas.

A seguir são descritos alguns exemplos de aplicações dos materiais auxéticos nas mais diversas áreas.

6.1

Biomateriais

A pele é um importante exemplo de material auxético “natural”. Ela é simplesmente uma grande rede fibrosa de colágeno e elastina, permeada de vasos sanguíneos. Devido à dificuldade de se medir as características da pele, as suas propriedades mecânicas têm sido muito estudadas, principalmente para aplicações médicas em cirurgias plásticas, design de próteses e reimplante de pele em vítimas de incêndio. Vários tipos de pele possuem coeficiente de Poisson negativo, como por exemplo, a pele do gato, salamandras bem como a pele do peito da vaca. Assim, o coeficiente de Poisson é um importante fator a ser considerado para a não rejeição da pele artificial (ALDERSON; SIMKINS, 2005 e EVANS; ALDERSON, 2000). Outro material que também apresenta de forma natural coeficiente de Poisson negativo é o osso humano. Através de estudos foi comprovado que os ossos da canela apresentam um valor de coeficiente de Poisson de -0,07 em determinadas direções. Na reprodução de ossos artificiais, o coeficiente de Poisson representa um fator de grande importância para a não rejeição do mesmo pelo corpo humano (EVANS; ALDERSON, 2000). O desenvolvimento de biomateriais substitutos sintéticos é desejável e a característica auxética do mesmo é um fator que precisa ser considerado, tendo como objetivo o aumento/melhora da funcionalidade do material desenvolvido e das propriedades mecânicas do mesmo. www.cetiqt.senai.br/redige

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Vasos sanguíneos

Vasos sanguíneos, feitos a partir de politetrafluoroetileno expandido (auxético), apresentam paredes mais espessas, quando o sangue flui através do mesmo, impedindo uma eventual ruptura do vaso – efeito contrário ao que ocorre, quando os vasos são feitos através de poliuretano fibrilar (material convencional) (ALDERSON, 2012; PRAWOTO, 2012). A Figura 18 ilustra a comparação entre vasos sanguíneos artificiais, feitos a partir de materiais convencionais (a) e auxéticos (b).

a

b Figura 18: Efeito auxético em vasos sanguíneos Fonte: ALDERSON, 2012.

6.3

Superfícies de Próteses

A aplicação de materiais auxéticos também pode ocorrer em superfícies de próteses, garantindo melhor fixação, adaptação, ajuste e suporte em caso de amortecimento do membro com a prótese (ALDERSON, 2012).

6.4

Bandagens inteligentes

Outra aplicação muito interessante ocorre em bandagens inteligentes. Com a utilização de tais bandagens, o inchaço da área afetada fará com que ocorra um aumento da pressão no local. Em outro caso, o inchaço de uma ferida levará um aumento na porosidade e respirabilidade do material auxético, facilitando no processo de cicatrização. Da mesma forma, o curativo inteligente sob uma ferida pode liberar substâncias farmacêuticas de forma controlada sob o ferimento, de www.cetiqt.senai.br/redige

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acordo com a diminuição do inchaço no local conforme exemplifica a figura 19. Em (a) a bandagem é colocada sobre o ferimento. Através do inchaço da área afetada ocorre a liberação dos fármacos (b). Em (c) mostra-se a bandagem após o desinchaço, com os fármacos já liberados (ALDERSON, 2012).

a

b

c

Figura 19: Aplicação de auxéticos em bandagens inteligentes Fonte: ALDERSON, 2012.

6.5

Filtros

Espumas auxéticas e filtros tipo “favo de mel” oferecem um maior potencial de limpeza, ajustando-se de forma eficaz o tamanho dos poros, conforme a necessidade. Filtros fabricados a partir de materiais não auxéticos possuem um alargamento dos seus poros no sentido da tração (x), porém uma redução do tamanho na direção transversal (y), levando a uma diminuição do seu desempenho. A aplicação de filtros a partir de materiais auxéticos leva a um alargamento em todos os sentidos, ou seja, nas direções x e y. A Figura 20 mostra um modelo de filtro auxético sem tensão (a) e sob tensão (b) (STOTT; et. al, 2012, e AUXETIX EXPANDIG TECHNOLOGY).

Figura 20: Modelo de filtro auxético, Fonte: adaptado DIAS, 2012.


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Arquitetura

A propriedade primordial dos materiais auxéticos em termos arquitetônicos é a notável dificuldade ao rasgamento, o que contribui consideravelmente para a construção de equipamentos nas áreas de proteção contra bombas, por exemplo (WHITTY; ALDERSON; MYLER, et al, 2003). 6.7

Materiais contra explosivos

Devido à capacidade de aumentar seu volume transversalmente, quando tensionados, os materiais auxéticos também podem ser utilizados no desenvolvimento de materiais contra explosivos. A força aplicada faz com que ocorra “deformação” dos fios auxéticos, forçando para que se abram milhares de pequenos poros da superfície do tecido. A “permeabilidade” dos tecidos permite que o pico de onda de choque da explosão ultrapasse o tecido. No entanto, não permite que cacos de vidros, estilhaços e outras fragmentações atravessem o material (RODIE, 2012). Esse resultado só pode ser obtido através do princípio conhecido como “auxéticohelicoidal”: a linha ao redor da corda se torna tensa, fazendo com que a corda fique flexível para fora. Imaginando essa mesma situação em escala micro, é possível criar um tecido a partir de milhares destes fios. Assim é que surgem os pequenos poros, explicados inicialmente, no uso de materiais contra explosivos. A linha helicoidal deve ser feita a partir de uma fibra de alta resistência, como o aço, titânio fibra de carbono ou aramida e a “corda”, ou o tecido propriamente dito, pode ser uma folha simples ou um têxtil laminado. A estrutura resultante global é tão forte que pode dissipar as energias de várias explosões (HU; WANG; LIU, 2011 e AUXETIX EXPANDIG TECHNOLOGY, 2012). 6.8

Compósito e reforço de concreto

Reforços de fibras podem ser usados em estruturas de compósitos, reduzindo o peso e aumentando a segurança. Existem duas maneiras para se produzir compósitos auxéticos, a considerar, e ambos utilizam um material auxético na matriz, nas fibras ou produzem o efeito de coeficiente de Poisson negativo em um nível global através do empilhamento convencional de camadas de compósitos numa predeterminada sequência. Independente do método escolhido, a dureza da fratuwww.cetiqt.senai.br/redige

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ra pode ser melhorada, o qual tem importante implicação, por exemplo, na indústria aeroespacial e automotiva (EVANS; ALDERSON, 2000) Quando se fratura um material compósito, as fibras são puxadas para fora da matriz. O resultado é a perda do efeito de reforço entre as fibras e a matriz. No entanto, tratando-se de uma fibra auxética, a fibra é puxada e tentará se expandir lateralmente, tornando-se muito mais difícil de ser eliminada (EVANS; ALDERSON, 2000). Uma pesquisa realizada por um grupo de investigação (SIMKINS, 2005) mostrou que fibras auxéticas são três vezes mais difíceis de serem removidas de uma matriz que fibras convencionais. A Figura 21 representa o reforço da maioria dos materiais compósitos. A falha da tensão (em “b”) é causada pelas fibras de reforço, ficando cada vez mais estreita, chegando ao ponto de se libertar da resina que serve para mantê-los unidos. Quando as fibras convencionais são substituídas por materiais auxéticos (forma “c”), devido ao fato destes materiais expandirem-se, a energia necessária para o deslocamento e deslizamento entre a matriz e a fibra é muito maior, aumentando a capacidade da estrutura para absorver cargas por eventos extremos, tais como impactos ou explosões. Como resultado, a estrutura dos compósito pode ser mais leve para a mesma força ou mais forte para o mesmo peso (KEIPERT; HERMANSSON, 2011, e, AUXETIX EXPANDIG TECHNOLOGY, 2012).

Figura 21: Estrutura auxética em compósitos Fonte: ALDERSON, 2005.

Um estudo científico comparou duas situações distintas a partir de compósitos auxéticos: (1) compósitos auxéticos a partir de fibras convencionais, apresentando diferentes valores de coeficiente de Poisson; (2) compósitos auxéticos a partir www.cetiqt.senai.br/redige

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de fibras auxéticas com compósitos de fibras convencionais. Em ambos os casos, foi verificado o teste de deslocamento das fibras (mm) em função da força aplicada (kN, N). A superioridade dos compósitos auxéticos (independente do método de obtenção), em relação aos compósitos convencionais é evidente. As Figuras 22 e 23 mostram os resultados obtidos (ALDERSON, K. L.; SIMKINS, V. R.; COENEN, V. L, et al, 2005). A Figura 23 refere-se a compósitos formados a partir de fibras de carbono reforçadas com laminados que apresentam diferentes valores coeficientes de Poisson (v ). Nota-se que a amostra com coeficiente de Poisson negativo é que apresenta melhor resultado em relação às demais. A Figura 23 apresenta a média das curvas obtidas nos ensaios de deslocamento de fibras de polipropileno auxéticas e não auxéticas. Verifica-se novamente uma notória superioridade dos materiais auxéticos.

Figura 22: Curvas de deslocamento em função da carga aplicada para laminados com diferentes valores de Poisson Fonte: Alderson; Simkins; Coenen, et al, 2005.


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Figura 23: Valores médios obtidos do ensaio força-deslocamento em fibras de polipropileno auxéticas e não auxéticas Fonte: Alderson; Simkins; Coenen, et al, 2005.

6.9

Amortecimento e absorção de som

Espumas com coeficiente de Poisson Negativo apresentam propriedades de amortecimento e absorção de som globais em qualquer nível de frequência superiores, quando comparados com espumas convencionais. Espumas auxéticas com tamanhos de poros menores absorvem o som mais eficientemente que com poros maiores em frequências acima de 630 Hz (LIU, Q., 2006). Além disso, um trabalho científico efetuado, comparando espumas de poliuretano convencionais e espumas termoplásticas auxéticas, mostrou a superioridade destas em função das espumas convencionais. Espumas auxéticas apresentam uma alta resiliência mecânica e resistência à falha, quando comparadas com as outras espumas. Ao mesmo tempo, a análise dos ensaios à tração e fadiga mostra que a partir da degradação da rigidez de uma espuma auxética ocorre uma melhora na resistência a fadiga comparado com espumas convencionais. A Figura 24 ilustra o ensaio de tensão e deformação (a) e o ensaio de compressão (b), ambos realizados durante o estudo. No primeiro ensaio, percebe-se a superioridade das espumas auxéticas no que diz respeito à ruptura do fio, visto que a tensão aplicada até seu rompimento é superior que em espumas convencionais. No segundo ensaio, é realizado teste de compressão dos materiais, sendo a compressão das espumas auxéticas superior às espumas convencionais (BEZAZI; SCARPA, 2009).


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Figura 24: Ensaio de tensão e deformação (a) e ensaio de compressão (b) Fonte: BEZAZI; SCARPA, 2009.

Um estudo realizado mostrou que o maior valor de medição ultrassônica com auxético microporos a partir de UHMWPE foi 1.5 vezes maior que o realizado com microporos de UHMWPE não auxéticos e três vezes maior que os materiais processados de forma convencional (LIU, 2006). Em uma outra investigação, foi mostrado que espumas convencionais apresentam uma distribuição da deformação de forma desigual, enquanto que espumas auxéticas apresentam uma tendência de se envolverem ao redor da zona de indentação, promovendo um efeito de enrolamento não presente em materiais convencionais. Além disso, outra característica importante que espumas auxéticas apresentam, quando comparadas com outras espumas, é a significativa capaciwww.cetiqt.senai.br/redige

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dade de amortecimento em diferentes níveis de carregamento, com um aumento 16 vezes superior quando comparado com espumas convencionais (SCARPA; GIACOMIN; BEZAZI, et al, 2012). 6.10 Outras Aplicações Além dos exemplos citados anteriormente, a utilização de materiais auxéticos ainda pode ocorrer em outras importantes áreas, nomeadamente: cabos e cordas (alta resistência com menor peso); tecidos acolchoados (melhora das propriedades de abrasão e permanência de componentes retardantes de fogo, por exemplo); fio dental para higiene dentária (PRAWOTO, 2012, e STOTT; MITCHELL; ALDERSON; et al, 2012) roupas de proteção (capacetes, coletes a prova de bala) (GUISE, 2011), ressaltando que, equipamentos de proteção feitos a partir de materiais convencionais apresentam aproximadamente 1 cm de espessura, são pesados e inflexíveis, por outro lado equipamentos de proteção a partir de materiais auxéticos, apresentando as mesmas características funcionais, são mais finos, leves e ajustam-se melhor a curvatura do corpo humano BONFIGLIO, 2011); amortecedores de impactos flexíveis (CHEN, 2009); fabricação de sensores ópticos (RODIE, 2012), tecidos que mudam de cor, quando tencionados (Technical Thread – Supporting the Northwest Textile Industry, 2006). Outra aliciante possibilidade de se aplicar materiais auxéticos é em cintos de segurança em automóveis, visto que um cinto, feito a partir de material auxético, faz com que o mesmo se dilate no momento do impacto, distribuindo a tensão em uma área muito maior caso o cinto fosse feito a partir de materiais convencionais – o problema da utilização de cintos convencionais pode agravar-se ainda mais, tratando-se de pessoas idosas, crianças ou grávidas (Technical Thread – Supporting the Northwest Textile Industry, 2006). As formas duplamente curvadas (grande propriedade dos materiais auxéticos) podem ser utilizadas, por exemplo, em construções de cúpulas, dispondo assim de menos quantidade de material com uma resistência maior que os convencionais (HU; WANG; LIU, 2011). Painéis “sanduíches” auxéticos podem ser usados em partes curvadas de automóveis e aeronaves (WHITTY; ALDERSON; MYLER, et al, 2003). www.cetiqt.senai.br/redige

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Outro exemplo de aplicação é em juntas e vedações. Uma vedação com material auxético tende a ser mais apertada que as feitas a partir de materiais convencionais, elas tendem a contrair-se em si mesma e não para fora, como acontece com as juntas convencionais (EVANS; ALDERSON, 2000).

7. CONCLUSÃO Desde a descoberta das espumas reentretantes em 1987, vários trabalhos vêm sendo desenvolvidos com o intuito de descobrir novos materiais e novas aplicações para os materiais auxéticos. Os investigadores buscam de forma incessante descobrir e entender como se comportam estes novos materiais quando comparados com materiais de coeficiente de Poisson positivo. A utilização de fibras e polímeros, fios, entrelaçamento, estruturas têxteis e suas diversas variáveis, demonstram ter uma aplicação prática de grande valor na composição e aplicação de materiais com o coeficiente de Poisson negativo. Contudo, além da primordial importância em compreender os efeitos destes materiais, é imprescindível maximizar ainda mais as suas aplicações em diversas outras áreas, ainda não contempladas pela potencialidade dos materiais auxéticos.


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Materiais auxeticos

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