Explique detalhadamente as razões associadas aos diferentes valores de módulo elástico encontrados entre materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos.

Passo 1

O enunciado pede para explicar por que metais, cerâmicos e polímeros apresentam módulos elásticos ( E ) tão diferentes. O conteúdo aqui é ciência dos materiais e mecânica dos sólidos, e vamos precisar entender como o tipo de ligação atômica e a estrutura microcristalina ou macromolecular de cada classe de materiais influencia diretamente a rigidez elástica.

Passo 2

Analisando os metais, temos ligações metálicas caracterizadas por um “mar de elétrons” deslocalizados que envolve cátions organizados em redes cristalinas (cúbica de face centrada, cúbica de corpo centrado etc.). Essa ligação, embora forte, permite um certo grau de deformação elástica porque os planos atômicos podem deslizar uns sobre os outros sob tensão sem romper ligações. Por isso os metais apresentam valores intermediários de
Eapprox70210,GPa
dependendo do metal e da sua microestrutura (tamanho de grão, defeitos, tratamento térmico).

Passo 3

Nos cerâmicos, as ligações são iônicas e/ou covalentes muito direcionais e rígidas. A troca de elétrons (iônica) ou o compartilhamento forte de pares eletrônicos (covalente) não permite fácil deslizamento de planos atômicos, resultando em módulos elásticos bem altos
Eapprox200500,GPa
A rigidez extrema é acompanhada de baixa resistência a fraturas, pois não há mecanismo plástico de dissipação de energia.

Passo 4

Já nos polímeros, a estrutura é formada por longas cadeias macromoleculares unidas por ligações covalentes no backbone, mas mantidas entre si por interações secundárias (van der Waals, ligações de hidrogênio). Essas interações fracas e a capacidade das cadeias de girar e deslizar umas sobre as outras conferem grande deformabilidade elástica, resultando em
Eapprox0,15,GPa,
muito abaixo de metais e cerâmicos. O grau de cristalização e o entrelaçamento (cross-linking) aumentam um pouco E, mas sem chegar perto dos outros materiais.

Passo 5

Comparando, concluímos que a rigidez elástica depende do tipo de ligação e da liberdade de movimento atômico ou macromolecular:
  • ligações iônicas/covalentes direcionais (cerâmicos) to E alto;
  • ligações metálicas não direcionais com “mar de elétrons” (metais) to E intermediário;
  • cadeias poliméricas unidas por forças secundárias (polímeros) to E baixo.

Resposta

O módulo elástico cresce na ordem polímeros ll metais ll cerâmicos em função do aumento da rigidez das ligações atômicas (de secundárias em polímeros, passando por metálicas em metais, até iônicas/covalentes em cerâmicos) e da redução da mobilidade interna sob tensão.

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