Engenheiros desenvolvem ligas com maior deformação física

Uma dissertação de mestrado da Escola de Engenharia de Lorena (EEL) da USP buscou encontrar novos materiais que possam ser utilizados como sensores e atuadores (elementos que produzem movimento, a partir de comandos manuais, elétricos ou mecânicos), levando em conta o custo e a maior magnetostricção dos materiais, criando um transdutor para a realização dos testes. A magnetostricção é um fenômeno físico na qual os materiais se deformam fisicamente (dilatam ou contraem) somente com a aplicação de um campo magnético, que interage com a componente magnética dos átomos do material, gerando um afastamento ou aproximação.

Ligas metálicas adicionadas de boro mostram
 maior magnetostricção em testes

Sob a orientação da professora Cristina Bormio Nunes, o engenheiro de materiais Mateus Botani pesquisou ligas de ferro e alumínio (Fe-Al) com adição do elemento químico boro (B), que têm um custo reduzido e potencial para serem utilizadas em equipamentos de movimento e captação. Na magnetostricção os valores de deformação são pequenos, por volta de dezenas de partes por milhão. “Imagine que eu aplique um campo magnético em uma barra do nosso material [Fe-Al-B] de 100 metros de comprimento, a deformação seria por volta de 7 milímetros!”, cita Botani.

Entretanto, a principal aplicação dos materiais magnetostrictivos está relacionada com sensores e atuadores, já que as propriedades magnéticas dependem do estado de tensão do material. Estes materiais são aplicados em diversas áreas, como por exemplo, a automobilística (sensores para medir o torque do eixo de virabrequins e atuadores que permitem o funcionamento da injeção eletrônica nos carros), médica (atuadores para manipulação de endoscópios, instrumentos com câmaras e bisturis que são utilizados em cirurgias pouco invasivas), militares (sonares subaquáticos) e energéticas (coletores de energia que transformam a energia mecânica do ambiente em energia elétrica, como a eólica).

Para a realização dos testes, foi construído um transdutor, que é um aparelho que transforma um tipo de energia em outra (como um microfone, que transforma as ondas sonoras em energia elétrica e, no caso da magnetostricção, a energia eletromagnética em energia mecânica, que gera a deformação do material). Botani estuda materiais magnetostrictivos desde 2010, na qual realizou uma iniciação científica com o tema. Seu mestrado e doutorado seguem os mesmo caminhos: “Até o presente momento, as ligas de Fe-Al-B já renderam 4 artigos científicos em revistas de alto fator de impacto da área de Engenharia de Materiais”, comenta.

O transdutor

(a) núcleo magnético, (b) bobinas de excitação, (c) bobina de captura,
 (d) extensômetro, (e) cilindro da amostra em estudo e (f) suporte

O transdutor é composto por 6 partes. As bobinas de excitação (b), onde se passa uma corrente elétrica, são as responsáveis por gerar o campo magnético, que é direcionada pelo núcleo magnético (a). Construído com chapas de Ferro e Silício, o núcleo tem o objetivo de fechar o circuito magnético e concentrar o campo na região da barra de Fe-Al-B em estudo (e), localizada no centro do transdutor. Dessa forma, a partir de uma fonte de corrente, é possível aplicar campo magnético na amostra.
Para a medição da magnetostricção e da indução magnética, utilizou-se um extensômetro (d) e uma bobina de captura (c). O extensômetro é uma pequena resistência colada na amostra. Dessa forma, quando a amostra dilata, o extensômetro aumenta o seu comprimento e muda a sua resistência, sendo a partir dela calculada a magnetostricção do material. “O circuito magnético usado é muito similar a circuitos de máquinas elétricas de eletrodomésticos em geral”, comenta a orientadora.
Os programas computacionais que controlam todos os instrumentos e coletam a magnetostricção também foram criados pelo grupo. No entanto, o pesquisador explica: “o objetivo do nosso grupo ainda não é desenvolver sensores e atuadores, mas sim desenvolver novos materiais que possuam um maior potencial para serem aplicados como sensores e atuadores, sempre levando em consideração o preço de produção”.
Atualmente, o trabalho de doutorado de Botani envolve estudar diferentes composições do sistema ternário Fe-Al-B utilizando o transdutor. O intuito é desenvolver novas ligas magnetostrictivas que possuam um maior potencial para serem aplicadas como sensores e atuadores, além de possuírem um custo reduzido. Ele também planeja utilizar uma técnica para aumentar a magnetostricção, na qual a amostra é aquecida enquanto uma tensão de compressão a comprime. Deseja-se que este procedimento aumente os valores de magnetostricção.

Agência USP