Liga monocristalina de cobre apresenta elasticidade inédita

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/11/2022

Amostra da liga monocristalina à base de cobre desenvolvida pela equipe.
[Imagem: Sheng Xu et al. - 10.1038/s41467-022-32930-9]

Liga monocristalina

Os monocristais, ou cristais únicos, são essenciais para as pesquisas de materiais porque sua pureza e homogeneidade facilitam estudar fenômenos como supercondutividade, magnetismo, semicondutividade e outros, principalmente no campo das tecnologias quânticas.

Monocristais são materiais nos quais a rede cristalina formada por seus átomos é contínua e ininterrupta, com os átomos ocupando posições regulares, que se repetem indefinidamente no espaço - em comparação, os policristais são compostos por muitos cristalitos de tamanho e orientação variados, com as "fronteiras" entre eles representando descontinuidades, que tipicamente resultam em perdas de propriedades.

Com a melhoria das técnicas de sintetização dos cristais únicos, esses materiais vêm chamando a atenção para aplicações em escala macro, já sendo possível hoje sintetizar monocristais de vários centímetros.

Agora, Sheng Xu e colegas da Universidade de Tohoku, no Japão, conseguiram sintetizar monocristais de uma liga de cobre com a maior tensão elástica de tração já alcançada até o momento para um material à temperatura ambiente.

A liga à base de cobre apresentou uma tensão elástica de tração de >4,3% à temperatura ambiente - para comparação, o aço comum tem uma tensão elástica de <0,2%.

As propriedades da liga, mostradas no gráfico com a etiqueta "Our work", não têm comparações.
[Imagem: Sheng Xu et al. - 10.1038/s41467-022-32930-9]

Tensão elástica

A tensão elástica, ou limite de escoamento, mede o quanto um material pode ser esticado e ainda retornar ao seu formato original, antes de sofrer deformação plástica.

Teoricamente, a maioria dos metais e ligas pode suportar um valor de deformação de cerca de 10%, mas isso só vale para seus cristais em escalas micro ou nano. Quando esses metais estão em sua forma a granel, como na maioria das aplicações práticas de engenharia, a deformação elástica tipicamente cai abaixo de 1%.

Recentemente, a mesma equipe havia sintetizado uma liga metálica superelástica com elasticidade similar à dos ossos humanos. Mas agora eles trabalharam com um material muito mais simples e de interesse tecnológico mais amplo, uma liga de cobre, alumínio e manganês (Cu-Al-Mn).

"Nossa liga em bruto pode ser usada como material para molas com alta capacidade de recuperação e também pode ser aplicada a dispositivos que empregam sensores mediados por deformação, como eletrônicos de esticar," disse Xu. De qualquer forma, o baixo módulo de Young da nova liga também se assemelha ao dos ossos humanos, o que abre a possibilidade de que este novo material também seja usado em aplicações médicas.

Outra boa notícia é que o material pode ser fabricado por uma técnica de tratamento térmico cíclico, um método simples que permite produzir a liga superelástica a um custo muito baixo.

As curvas de tensão-deformação da nova liga obtidas por testes de carga-descarga à temperatura ambiente.
[Imagem: Sheng Xu et al. - 10.1038/s41467-022-32930-9]

Lei de Hooke

O comportamento de amolecimento elástico apresentado pela nova liga monocristalina fez com que a relação entre tensão de tração e deformação não fosse linear, ou seja, ela não segue o comportamento tradicional da lei de Hooke, a lei que descreve a deformação causada pela força exercida sobre um corpo.

A lei de Hooke é na verdade uma teoria da elasticidade, generalizando que a elasticidade de um objeto é proporcional à tensão aplicada a ele. Para obter uma grande deformação elástica são necessários uma alta resistência e um baixo módulo de Young, o número que revela a facilidade com que um material pode esticar e deformar. Mas, nos materiais metálicos convencionais a relação entre essas propriedades é de perde-ganha.

Ainda assim, o novo material apresentou, de modo inédito, um baixo módulo de Young (<25GPa) e um grande coeficiente de Poisson, de 0,47, uma medida da tendência de um material de se projetar para fora quando comprimido.

Em outras palavras, o material é altamente elástico, mesmo quando exposto a pequenas quantidades de tensão, e notavelmente forte.

Isto fez com que a liga chamasse imediatamente a atenção da indústria. A equipe anunciou que já está fazendo parcerias para realizar testes de fadiga funcional de grandes deformações elásticas na liga, algo fundamental para suas aplicações práticas.

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