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Ligas metálicas de alta entropia e altas confusões!

por em 27/05/2019 em Ciência, Notícias | Nenhum comentário

Ligas metálicas de alta entropia e altas confusões!

Olar! Hoje eu venho aqui falar de um assunto caótico e bem desorganizado. Elas mesmas, as nem tão famosas assim HEA (High Entropy Alloys) ou em português aqui do BRASA, Ligas de Alta Entropia. Vou tentar mostrar pra você que ainda estamos bem longe de materiais resistentes o suficiente para construir um HULK BUSTER! Mas alguns avanços significativos têm sido feitos no ramo de materiais com elevada resistência e baixa densidade, até porque não adianta nada o material ser super-resistente se nem com uma manopla do infinito você levanta ele do chão.

Agora tu imagina o peso de um brinquedinho desses.

Quando se comparam materiais muito resistentes, principalmente quando pensamos em condições extremas, como a indústria aeroespacial ou a de perfuração em água profundas, é muito comum não se falar somente no valor de resistência mecânica atribuído a um material, mas sim na sua resistência especifica, que é justamente o valor da sua resistência dividido pelo valor da sua densidade. Esse valor é muito mais útil de se analisar. O melhor exemplo disso é um avião, você quer que o seu avião tenha o material mais resistente possivel né? Aços no geral são capazes de atingir resistências muito mais elevadas do que a melhor liga de aluminio que nós já desenvolvemos. Mas por que o avião então é feito de alumínio na sua maior parte? Porque um avião de aço seria MUITO mais pesado do que um de alumínio, o que precisaria de um motor MUITO mais potente e um consumo de combustível muito maior e por aí vai. No geral, muito mais caro. Então o truque é encontrar um material que tenha uma boa relação entre a sua resistência e sua densidade. (Eu reduzi muito o problema aqui pelo bem do argumento, na verdade existem milhares de outras questões que envolvem isso. As aeronaves de hoje em dia não tem só de aluminio, mas um compósito com fibras de vidro, mas isso é assunto pra outro texto)

Carta de Seleção de materiais baseada no modelo de Ashby

Bom e onde entram as HEA nessa questão? Como você pode ver na imagem acima, HEAs têm uma excelente resistência especifica. Elas conseguem atingir valores altos de resistência ao mesmo tempo que mantêm uma baixa densidade. Mas, para entender sobre o porquê delas conseguirem fazer isso, nós precisamos entender o que afinal são ligas de alta entropia. Para o texto não ficar ENORME e até porque eu acho que não consegueria explicar melhor, recomendo que você leia esse texto aqui sobre entropia. É rapidinho e já te diz tudo que você precisa saber para acompanhar o raciocínio aqui.

A maioria das ligas metálicas é composta de um elemento base e outros elementos em quantidades muito pequenas. Um aço comum, por exemplo, tem entre 0,2 a 0,4% de carbono. Isso mesmo. Ele é basicamente ferro puro com um cheirinho de carbono ali. Mesmo aços considerados com muita % de elementos de liga ainda são uns 70% de ferro puro. E por que isso? A estrutura de um metal é muito sensível a entropia, quase todos os processos que acontecem na solidificação de um material metálico são diretamente relacionados com a entropia da solução sólida que ele forma. A entropia da mistura tem contribuição de 4 fatores: configuração, vibracional, dipolo magnético e eletrônica. Porém a entropia de configuração é a dominante e por isso é usada para representar a entropia de mistura. E aqui está o giro da beibleide (achou que eu não ia usar essa expressão nesse texto? ACHOU ERRADO, SEU DEVIANTE!). Ligas que são constituídas basicamente de 1 ou 2 elementos majoritários são muito mais fáceis de se organizar do que ligas com muitos elementos principais e por isso possuem uma entropia de configuração menor. E durante muito tempo se achou que isso era favorável, até porque uma alta entropia favorecia um processo que era tido como um fator que “enfraquecia” a liga.

Só que bem recentemente dois pesquisadores publicaram nesse artigo aqui esse novo conceito de ligas de alta entropia. A ideia era misturar 5 ou mais elementos em proporções mais ou menos iguais seguindo um determinado critério de tamanho dos átomos para que se pudesse evitar esse efeito de enfraquecer a liga. E essa ideia colou. De lá pra cá já foram milhares de artigos escritos e várias linhas de pesquisa desenvolvidas sobre o assunto. E, como a quantidade de elementos que podem ser misturados é alta, a quantidade de combinações possíveis de ligas é ABSURDA!

Lembra da Hulk buster que eu mencionei lá em cima? Ela precisaria de um material desses, incrivelmente forte e leve ao mesmo tempo, e esse artigo aqui mostra onde nós estamos mais perto de um material desses. Eles relatam como eles conseguiram produzir um liga feita de Lítio, Magnésio, Titânio, Alumínio e Escândio (Vai planeta! Rs) que é tão leve quanto o alumínio e tão resistente quanto uma liga de titânio. Até onde eu consegui achar, ela é liga com uma resistência especifica que nós ainda não tínhamos chegado. Mas, como tudo que é bom vem com um porém, ela usa uma grande parte de Escândio na sua composição, e Escândio é um metal muito raro e mais caro ainda. O que inviabiliza a sua produção em larga escala, a não ser que você seja playboy, filantropo e milionário.

Mas essa é só uma das muitas utilizações que a HEA podem ter, principalmente pela enorme quantidade de combinações possíveis. Nesse texto aqui é feita uma estimativa da quantidade de possibilidades de HEA. É o módico número de 10^90 combinações. Então dá pra perceber que o campo ainda tem muito a ser explorado e muito ainda pode ser aprimorado até chegarmos em ligas capazes de transformar a ficção em realidade.

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