Plano de aula - Compósitos

Este slide não deve ser apresentado para os alunos, ele apenas resume o conteúdo da aula para que você, professor, possa se planejar.

Sobre esta aula: Este plano de aula faz parte de uma sequência de planos que trata sobre novas tecnologias, sejam máquinas, equipamentos ou novos materiais. Este plano tratará da classe de materiais compósitos, abrangendo desde um método simples para escolhas dos materiais até a implementação deles em máquinas e equipamentos.

CALLISTER, 2008, em seu livro “Ciência e Engenharia de Materiais-Uma Introdução”, define que a classe de materiais compósitos é aquela em que ocorre a união de dois ou mais materiais, para se obter uma combinação de propriedades única, que não são exibidas por nenhum material de forma isolada. (pg 7 e 8).

Todo compósito é formado por uma matriz, que aparece de forma contínua e homogênea por todo o material, responsável pelo formato e por transferir o carregamento. Já o reforço disperso pela matriz, que pode ser contínuo ou fragmentado, é responsável por suportar o carregamento.

Um exemplo cotidiano de compósito de reforço contínuo é o concreto armado, que consiste em uma matriz de concreto e o reforço de vergalhões de aço. Um exemplo de reforço fragmento são as piscinas, cuja fibra de vidro é curta.

Caso o professor ache necessário se aprofundar mais no tema e se familiarizar com termos como matriz, reforço e carregamento, veja:

SILVA, A.L.S., “Compósito”, Infoescola, disponível em< https://www.infoescola.com/materiais/composito/>, acesso 20/07/2018.

ARAUJO,E., “ O que é um material compósito?”, ESSS, disponível em <https://www.esss.co/blog/o-que-e-material-composito/>, acesso 20/07/2018.

Fernandes, R.F., (2014) Compósito, Rev. Ciência Elem., V2(4):285, disponível em <http://doi.org/10.24927/rce2014.285> acesso 26/07/2018.

“Compósitos aeroespaciais ganham energia para ir para os carros”, Redação do Site Inovação Tecnológica , disponível em <http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=composito-aeroespaciais-ganham-energia-ir-carros&id=010170170102#.W1vMr9JKjMw> acesso 27/07/2018.

Materiais necessários para a aula: tabelas impressas, cola, linha ou limalha de ferro. tesouras, fita crepe e pincel.

Tempo sugerido: 2 minutos

Orientações: inicie a aula mostrando esse slide à classe. Diga que irão discutir sobre uma classe especial de materiais denominada compósitos. Relembre que os materiais são divididos em três grandes grupos:

• Metais
• Cerâmicas
• Polímeros (plásticos e borrachas).

Caso algum aluno questione o que são “compósitos”, responda dizendo que esse é o tema da aula e que no decorrer da aula essa pergunta será respondida.

Tempo sugerido: 8 minutos

Orientações: peça para a turma se dividir em grupos. Em seguida, leia o texto desse slide junto a sala. Em seguida, pergunte:

• Como vocês acham que são escolhidos os materiais usados tanto em ônibus espacial como em carros de F1?

As respostas podem ser muito variadas, como:

• “A indústria fábrica tudo”;
• “Só a NASA e as equipes de F1 sabem o que são esses materiais”;
• “ É uma técnica secreta”.

Anote todas as respostas no quadro e não se preocupe em corrigi-los nesse momento.

Recomenda-se a leitura dos textos originais, que inspiraram os textos desse slide:

REZENDE, M.C.,BOTELHO, E.C., “O uso de compósitos estruturais na indústria aeronáutica”, Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol 10, nº 2, 2000, disponível em <http://dx.doi.org/10.1590/S0104-14282000000200003>, acesso 23/07/2018.

LIMA, G., “35 anos; relembre o 1º carro de F1 feito de fibra de carbono”, motorsport.com, disponível em <https://br.motorsport.com/f1/news/35-anos-relembre-1-carro-da-f1-feito-de-fibra-de-carbono-796170/796170/>, acesso 23/07/2018.

Tempo sugerido: 5 minutos

Orientações: Leia a questão disparadora e diga aos alunos que nesta aula eles serão engenheiros projetistas de uma grande empresa e deverão realizar a escolha dos materiais adequados para um ônibus espacial e um carro de fórmula 1. Anote as respostas no quadro para que, ao final da aula, a turma possa checar se a resposta continua a mesma ou se, após os testes, eles chegaram a uma nova conclusão.

Tempo sugerido: 30 minutos

Orientações: Antes de mostrar esse slide, entregue para cada grupo um pouco de limalha de ferro, linha ou barbante e cola. Pergunte à classe quais propriedades eles observam em cada material entregue. Peça para eles testarem a resistência à tração de cada um puxando-os. Para testar o magnetismo, eles devem aproximar um imã. Neste momento, o professor deve se manter atento às respostas que cada grupo der. Neste momento, não é necessário dar a resposta correta a eles.

É provável que algum aluno questione como irão puxar um pó. O professor pode respondê-lo questionando:

• Como podemos puxar ou esticar um pó? Isso é possível?”

Note que, para a limalha de ferro, o teste de tração não será possível de ser realizado. O mesmo questionamento pode ocorrer com a cola. Nesse caso, sugira que deixem um fio de cola secar e depois realizem o teste. Neste momento, a ideia é fazê-los perceberem que os materiais têm propriedades diferentes e que nem todos os testes podem ser realizados com todos os materiais.

Mostre o slide e observe como cada grupo desenvolve a dinâmica. Auxilie no que for necessário, mas não dê as respostas. Guie cada grupo para que encontre suas próprias respostas.

Respostas esperadas:

Passo 1: maior resistência à tração (resiste mais quando esticado) = linha ou barbante

Passo 2: magnetismo = limalha de ferro

Passo 3: união = cola

Materiais necessários para a aula: tabelas impressas, cola, linha ou limalha de ferro, tesouras, fita crepe e pincel.

Orientações: Após cada grupo montar o seu material, peça para que eles testem o material que projetaram. Puxem e exponham o material ao imã. Anotem o que observarem.

Mostre esse slide contendo as propriedades da fibra de carbono (filamento de diâmetro pequeno e flexível, essa fibra apresenta alta resistência mecânica sendo inerte à corrosão) e de algumas resinas. Pergunte como eles imaginam que as fibras de carbono foram unidas e qual a relação com a experiência que fizeram. Ajude-os a perceberem que as resinas têm mesma função que a cola, ou seja, são aplicadas enquanto estão moles e com o tempo secam e endurecem. Esse processo de endurecimento da resina é denominado cura. Já o barbante e a limalha de ferro usados no teste servem como reforço, assim como a fibra de carbono, e são adicionados para conferir resistência mecânica à cola. Vale aqui notar que a fibra de carbono não é magnética, como a limalha de ferro, sendo usada no experimento apenas para que ficasse clara a aquisição de uma nova propriedade ao misturar cola e limalha. Além disso, a limalha de ferro é fácil de ser encontrada para testar, o que não é o caso da fibra de carbono. Em termos de propriedades específicas, o barbante está mais próximo da fibra de carbono do que a limalha de ferro..

Conheça um pouco mais sobre a fibra de carbono no link a seguir:

HAMANN, R., “ Fibra de Carbono:Como é feito e funciona este material incrível” Tecmundo, disponível em <https://www.tecmundo.com.br/quimica/76017-fibra-carbono-feito-funciona-material-incrivel.htm> acesso em 27/07/2018.

“Fibra de carbono e sua aplicação no carro”,SC fibras e resinas compositas, disponível em <http://sccompositos.com.br/site/2017/10/25/fibra-de-carbono-e-sua-aplicacao-no-carro/>, acesso em 27/07/2018.

Tempo sugerido: 5 minutos

Orientações: Antes de mostrar esse slide retome a questão disparadora “O que um ônibus espacial e um carro de F1 têm em comum?”. Peça para a classe pensar no experimento que foi realizado durante a aula e responder à questão. Anote todas a respostas no quadro. As respostas dadas podem ser variadas, como: “são veículos”, “os dois têm fibra de carbono” ou “os dois misturam alguma coisa com a fibra de carbono” e “os dois são produzidos com compósitos”.

Pergunte como eles podem, a partir do experimento e dos testes realizados, explicar o que são compósitos. Faça essa pergunta antes de apresentar o slide. Ajude-os a chegar à resposta relembrando com eles o que aconteceu quando misturaram o barbante e a limalha de ferro à cola. As propriedades da cola se alteraram com a mistura? Por que a fibra de carbono é misturada à resina para a fabricação do carro de fórmula 1 e do ônibus espacial? O importante desta aula é eles perceberem que podemos modificar e planejar um novo material com as propriedades desejadas a partir dessas misturas. Esse é um dos trabalhos dos engenheiros de materiais: pesquisar e desenvolver novos materiais, às vezes misturando materiais já conhecidos e outras vezes desenvolvendo uma nova substância.

Quando achar que eles chegaram perto da resposta correta, mostre esse slide e compare as respostas dadas com a definição de compósito. Diga que tanto o ônibus espacial como o carro de F1 têm, em comum, o uso de compósitos, que conferem as propriedades necessárias para determinada função. Peça que os alunos anotem em seus cadernos a definição presente no slide. Pergunte se eles conseguem pensar em outros exemplos de compósitos e peça para que compartilhem com a classe. Mostre, a seguir, o próximo slide com alguns exemplos de compósitos encontrados no nosso dia a dia.

Tempo sugerido:

Orientações: a resposta da questão “Quais outros compósitos vocês conhecem?” podem contemplar desde a “piscina“ (resina com fibra de vidro curta) até “próteses”. Esse slide mostra apenas alguns materiais compósitos de uso cotidiano. Caso algum aluno pergunte por que esses materiais são considerados compósitos, explique:

Madeira: fibras de celulose, resistentes e flexíveis, em uma matriz rígida de lignina.

Osso: mineral orgânico cerâmico de hidroxiapatita, forte e quebradiço, imerso em matriz polimérica, o colágeno (proteína).

Concreto: compósito agregado formado por agregado grosso (brita) e agregado fino (areia) em aluminossilicato de cálcio (cimento Portland).

Concreto Armado: concreto tradicional reforçado com vergalhões de aço.

Se eles perguntarem o que são espumas de poliuretano ou onde são usadas, diga que é um polímero (assim como os plásticos), e que é muito utilizado em mobílias (como colchões e estofados), como cola, como isolante acústico em paredes, como isolante térmico nas paredes de freezer e refrigeradores etc.