Materiais com memória de forma

Esta classe diz respeito às ligas de materiais que têm a capacidade de “lembrar” de sua forma original antes de uma determinada deformação. Ou seja, se tais ligas forem deformadas plasticamente a uma determinada temperatura, elas irão recuperar completamente a sua forma original ao serem submetidas a uma temperatura mais elevada. Ao recuperar a sua forma, es- tas ligas podem produzir um deslocamento ou uma força como uma função da temperatura. Este efeito único de retornar à uma geometria original após uma grande deformação inelástica (aproximadamente 8%) é conhecido então como Efeito de Memória de Forma (WAYMAN et al., 1990).

Para ligas de aço, por exemplo, o fenômeno de mudança de forma resulta da mudança da fase cristalina conhecida como “transformação da martensita termoelástica”. Em tempera- turas abaixo da temperatura de transformação, as ligas com memória de forma são martensíti- cas. A martensita é macia e pode facilmente ser deformada. O aquecimento acima da tempera- tura de transformação recupera a forma original e converte o material à sua elevada resistên- cia, condição austenítica. Como a austenita é a fase estável termodinamicamente a esta tempe- ratura na ausência de cargas, o efeito mola do material o retorna à sua posição original quando a tensão é aplicada por um período não tão longo. Este fenômeno é conhecido como “pseudo- elasticidade” (OTSUKA e WAYMAN, 1998; SÖYLEMEZ, 2009).

Ligas com memória de forma atuam como elementos de conexão, atuadores, sensores, dentre outros meios em uma variedade de aplicações eletrônicas, mecânicas, hidráulicas, tér- micas e médicas (DONMEZ, 2007).

As ligas com memória de forma podem ser aplicadas de várias maneiras, um exemplo é ilustrado na Figura 2.12, onde um filamento feito a partir de uma liga com memória de for- ma é submetido a uma carga constante a partir de uma massa com peso m, a qual gere um alongamento no filamento de dL. Quando o circuito se fecha e a corrente I passa por meio do atuador com liga de memória de forma, o mesmo se aquece. À medida que a temperatura T alcança a temperatura de início de formação da austenita, a estrutura cristalina do material causa a contração do fio. A transformação é completa quando o fio inteiro é aquecido até a temperatura do fim da formação da austenita (Af). Neste ponto, o fio contrai o seu compri-

mento de um valor dL. Quando o circuito é aberto novamente, o fio lentamente resfria-se. Quando a temperatura do fio atinge a temperatura de início de formação de martensita, o

mesmo começa a alongar-se lentamente devido à massa por ele suspensa. Quando a tempera- tura passa a temperatura do fim da formação de martensita (Mf), a transformação é completa e

o fio retorna ao seu comprimento original L0 (KOOMEN, 2015).

Figura 2.12 – Exemplo de uso de um atuador com liga de memória de forma submetido a um carregamento constante. Fonte: Koomen (2015).

De acordo com Choi (2009), ligas com memória de forma possuem pobres proprieda- des de fadiga. Uma vez que sob as mesmas condições de carga tais como torção, flexão e compressão, elementos com memória de forma podem resistir por muito menos ciclos do que um componente em aço. Logo a sua aplicação fica restrita ao tipo de emprego desejado.

Adicionalmente às ligas comuns com memória de forma, existem também os políme- ros com memória de forma, que assim como as ligas metálicas, podem ser considerados como materiais inteligentes. No entanto, de acordo com Malmierca et al. (2012), ligas com memória de forma possuem algumas características que limitam suas possíveis aplicações, como por exemplo o seu alto custo e baixo limite de deformação reversível (mantém as propriedades de memória de forma até deformações de 10%). Nesse sentido, polímeros com memória de for- ma são uma alternativa com inúmeras vantagens, como a alta deformação elástica, baixo cus- to, baixa massa específica, e possíveis biocompatibilidade e biodegradabilidade (LIU et al., 2007).

Os polímeros com memória de forma são materiais que apresentam resposta mecânica devido a mudanças de temperatura. Ao se aquecerem estes polímeros acima de sua temperatu- ra de “ativação” (temperatura de transição vítrea), obtém-se uma mudança radical de polímero rígido para um estado elástico, o qual permite deformações de até 300%. Uma vez manipula- do, se o material é resfriado mantendo-se a deformação imposta, “congela-se” a estrutura, que

retorna a um estado rígido de não-equilíbrio. Aquecendo-se novamente o material acima de sua temperatura de ativação, se recupera a forma inicial não deformada (LENDLEIN e KELCH, 2002; LENDLEIN e LANGER, 2002; LENDLEIN et al., 2005). Para se compreen- der a evolução do efeito da memória de forma em um polímero, é fundamental conhecer a microestrutura do material. Em todos os polímeros existe certo deslizamento entre cadeias e, para evitá-lo, é necessário criar entrecruzamentos (físicos ou químicos), que serão os que re- tornam a forma original permanente. Estas uniões permitem à cadeia possuir certa elasticida- de, que é a força impulsora para restaurar a forma permanente desde a forma transitória. Por outro lado, é necessário existir uma transição térmica reversível que permita fixar a forma temporária, de modo a reduzir o efeito da força elástica que tende a devolver ao material sua forma original. A transição térmica responsável pelo efeito de memória de forma é uma tran- sição vítrea ou uma cristalização (MALMIERCA et al., 2012). Assim sendo, o efeito da me- mória de forma exige dois elementos a nível molecular: ligações cruzadas, que determinam a forma permanente, e os chamados “segmentos switshing” que são usados para manter a forma temporária (RODRIGUES, 2012). Então são estas as características que tornam alguns polí- meros com memória de forma com relação aos polímeros convencionais.

O ciclo pode ser repetido inúmeras vezes sem a degradação do polímero, e é possível a formulação de diferentes materiais com temperaturas de ativação entre -30ºC e 260ºC, de acordo com a aplicação desejada. Os polímeros com memória de forma são, portanto, materi- ais ativos que apresentam ação termomecânica e uma alta capacidade de recuperação de de- formação (maior do que as experimentadas pelas ligas com memória de forma), que, junta- mente com sua menor massa específica e custo, melhoram o projeto de inúmeras aplicações. Suas propriedades permitem aplicações na fabricação de dispositivos sensores/atuadores, es- pecialmente para os setores aeronáutico, automotivo e médico (MORGADO et al., 2007).