Trabalho Composto

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UNIVERSIDADE FUMEC – FEA
MATERIAL COMPOSTO NA AVIAÇAO
Bernardo Bueno
Felipe Bechelane
Guilherme Ribeiro
Hiago Batista
Lucas carvalho
Rafael Valadares
Prof.: Rogério Botelho Parra
Ciências Aeronáuticas - 4º Período
03/10/2013
Índice
Índice-------------------------------------------------------------------pág. 2
Introdução--------------------------------------------------------------pág.3
Materiais Compostos na Aviação-------------------------------------pág.4
Tipos de materiais compostos-----------------------------------------pág.5
Matrizes-----------------------------------------------------------------pág.8
Reparo em material composto----------------------------------------pág.12
Aeronaves construídas com material composto---------------------pág.15
Conclusão---------------------------------------------------------------pág.17
Bibliografia-------------------------------------------------------------pág.18
Introdução
A aviação tem cada vez mais inovado as suas tecnologias de construção e o uso de  materiais compostos é de suma importância para uso aeroespacial. Derivados em sua versão moderna da corrida espacial, sua adoção é cada vez maior pela indústria aeronáutica, e os exemplos mais recentes são o Boeing 787 e o Airbus A380, cujos projetos estruturais incluem muitos componentes críticos feitos a partir de tais materiais.
Porém a velocidade com que a adoção dos compostos se deu pela indústria não foi como se estimava nos anos 70. 
Pode-se dizer que esta ocorreu de forma bem mais rápida no campo da aviação experimental e militar que na aviação comercial e executiva. Em geral, é bem difundida a ideia de que os materiais compostos são a última palavra em tecnologia de materiais para uso aeronáutico, principalmente por reunirem duas propriedades de suma importância para o setor: baixo peso e alta resistência.
No entanto, para que se possa tirar algum benefício de tais propriedades é necessário que estes materiais sejam bem compreendidos e usados em projetos que levam em conta suas especificidades, caso contrário eles podem ser dramaticamente piores que os materiais mais tradicionais. Não se trata simplesmente de substituir alumínio por fibra de carbono, por exemplo. Existem peculiaridades que diferenciam o uso desses materiais, e apesar das inúmeras vantagens que introduzem, os compostos têm também os seus pontos fracos e seus limites.
Após décadas de uso restrito em alguns setores da indústria, como na área de mísseis, foguetes e aeronaves de geometrias complexas, os compostos poliméricos estruturais, também denominados avançados, têm ampliado a sua utilização em diferentes setores da indústria moderna, com um crescimento de uso de 5 % ao ano. Atualmente, a utilização de estruturas de alto desempenho e com baixo peso tem sido feita nas indústrias aeronáuticas.
Materiais compostos na aviação
A partir da década de 60, os materiais compostos de alto desempenho foram introduzidos de maneira definitiva na indústria aeroespacial. O desenvolvimento de fibras de carbono, boro, quartzo ofereceram ao projetista a oportunidade de flexibilizar os projetos estruturais, atendendo as necessidades de desempenho em vôo de aeronaves e veículos de reentrada. Em paralelo, os compostos carbono/carbono (compostos de Carbono Reforçados com Fibras de Carbono-CRFC) e tecidos de fibras de quartzo foram desenvolvidos e submetidos a severas condições térmicas e de erosão, em cones dianteiros de foguetes, em partes externas de veículos submetidos à reentrada na atmosfera terrestre e em aviões supersônicos. Os avanços dos compostos criaram novas oportunidades para estruturas de alto desempenho e com baixo peso, favorecendo o desenvolvimento de sistemas estratégicos, como na área de mísseis, foguetes e aeronaves de geometrias complexas.
Após décadas de uso restrito em alguns setores da indústria, devido ao seu custo de obtenção, os compostos poliméricos estruturais, também denominados avançados, têm ampliado a sua utilização em diferentes setores da indústria moderna, com um crescimento de uso de 5% ao ano. Atualmente, a utilização de pré-impregnados (tecido ou cabo de reforço contínuo, impregnado com resina no estágio B) na manufatura de artefatos em compositos estruturais está distribuída, ao nível mundial, nos seguintes ramos da indústria: aeronáutico comercial 60%, defesa e espaço 20%, recreativo 10% e indústrias em geral 10%. Com relação ao tipos de reforços, os setores aeronáutico/defesa/espaço utilizam 60% de pré-impregnados unidirecionais (tapes) e 40% de tecidos bidirecionais, o setor recreativo 80% de reforços unidirecionais e 20% de tecidos bidirecionais e os demais setores 10% de tecidos e reforços unidirecionais e 90% de reforços tipo não-tecidos (nonwoven reinforcements). Com relação às matrizes poliméricas utilizadas na impregnação dos reforços, 40% são do tipo epóxi, 20% relativas a sistemas para uso em mais altas temperaturas, em relação à epóxi, tipos bismaleimidas e alguns termoplásticos e 40 % demais tipos de resinas.
Mais recentemente, mesmo no setor aeroespacial, a obtenção de componentes em compostos estruturais tem procurado correlacionar as propriedades dos materiais, o desempenho estrutural do componente e os diferentes processos de manufatura com a redução de custo. Processos que favoreçam maior produtividade a menores custos e com qualidade compatível à utilização do produto estão sendo investigados. Com isto, os compostos avançados têm ampliado as suas aplicações em outras áreas da engenharia, ao nível mundial. Exemplos de alguns desses processos são a moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (Vaccum-Assisted Resina Transfer Molding - VARTM) e a moldagem por transferência de resina (Resin Transfer Molding - RTM), bem como, numerosas modificações de processos básicos têm sido realizadas recentemente. Essas inovações têm propiciado uma maior utilização desses compostos nos setor aeronáutico.
Neste contexto, o Brasil tem ampliado a sua experiência de inovação na aplicação dos compostos estruturais, principalmente, no setor aeronáutico, utilizando este tipo de material em componentes externos e internos de aviões (cerca de 20% da área de uma aeronave) e helicópteros e, em menor escala, na estrutura de foguetes. Em apoio, principalmente, aos trabalhos em andamento no Instituto de Aeronáutica e Espaço do Centro Técnico Aeroespacial e à indústria aeronáutica nacional e suas ramificações, trabalhos de pesquisa e desenvolvimento têm sido realizados na Divisão de Materiais, enfocando o uso de diferentes matrizes poliméricas, otimização de processos e melhoria de propriedades mecânicas, principalmente pelo estudo de interfaces fibra/matriz e tratamento superficial de reforços.
Tipos de materiais compostos
Materiais compostos são aqueles que possuem pelo menos dois componentes ou duas fases, com propriedades físicas e químicas nitidamente distintas, em sua composição. Separadamente os constituintes do composto mantém suas características, porém quando misturados eles formam um composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles. Alguns exemplos são metais e polímeros, metais e cerâmicas ou polímeros e cerâmicas. 
Os materiais que podem compor um material composto podem ser classificados em dois tipos: matriz e reforço. O material matriz é o que confere estrutura ao material composto, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas. Os materiais reforços são os que realçam propriedades mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do material composto como um todo.
Fibras
A fibra de vidro é um material composto da aglomeração de finíssimos filamentos de vidro que não são rígidos e são altamente flexíveis. 
Quando adicionado à resina poliéster (ou outro tipo de resina), transforma-se em um composto popularmente conhecido como fibra de vidro, mas na verdade o nome correto é PRFV, ou seja, "PolímeroReforçado com Fibra de Vidro".O PRFV tem alta resistência à tração, flexão e impacto, sendo muito empregado em aplicações estruturais. É leve e não conduz corrente elétrica, sendo utilizado também como isolante estrutural. Permite ampla flexibilidade de projeto, possibilitando a moldagem de peças complexas, grandes ou pequenas, sem emendas e com grande valor funcional e estético. Não enferruja e tem excepcional resistência a ambientes altamente agressivos aos materiais convencionais. 
A resistência química do Fiberglass é determinada pela resina e construção do laminado. Pode ser produzido em moldes simples e baratos, viabilizando a comercialização de peças grandes e complexas, com baixos volumes de produção. Mudanças de projeto são facilmente realizadas nos moldes de produção, dispensando a construção de moldes novos. Os custos de manutenção são baixos devido à alta inércia química e resistência às intempéries, inerente ao material.
 
A fibra de carbono é uma fibra sintética composta de finos filamentos de 5 a 10 micrometros de diâmetro e composta principalmente de carbono. Cada filamento é a união de diversos milhares de fibras de carbono. É uma fibra sintética porque é feita a partir de poliacrilonitrila. Possui propriedades mecânicas semelhantes às do aço e é leve como madeira ou plástico. Por sua dureza tem maior resistência ao impacto do que o aço. Sua principal aplicação é a fabricação de compostos na maioria dos casos, cerca de 75% - com polímeros termofixos. O polímero é geralmente resina epóxi do tipo termofixa, mas também pode ser associado com outros polímeros, tais como poliéster.
 
As fibras aramidas, normalmente chamadas de Kevlar, tem coloração amarelada e são menos conhecidas do público em geral, embora sejam muito famosas e apreciadas entre soldados e policiais. Isso porque muitas vezes são elas a matéria prima principal de seus coletes a prova de bala. No entanto, foram as primeiras a se mostrarem adequadas a aplicações estruturais em campo aeronáutico. Seu custo normalmente é inferior ao das fibras de carbono de qualidade aeroespacial, mas é ainda bem superior ao das fibras de vidro.
Uma de suas propriedades mais importantes é a sua altíssima resistência ao cisalhamento, além de serem significativamente leves e terem uma importante resistência à tração (no entanto, menor que a das fibras de carbono, mas superior à do alumínio).
As fibras aramidas são capazes de absorver uma grande quantidade de energia durante a fratura. Isso resulta da sua resistência à fratura, evidentemente, mas também da sua capacidade de sofrer deformação plástica sob compressão e principalmente do fato que tendem a desfibrilar durante a fratura sob tensão.
Seu uso aeronáutico principal é, como era de se esperar, em componentes e superfícies sujeitas a impactos (por exemplo, em polainas, carenagens, bordos de ataque de asas, empenagens, blindagem de hélices, etc.). Além disso, o Kevlar pode ser um bom substituto das fibras de carbono em algumas partes da fuselagem, especialmente aquelas que alojam sistemas de comunicação, navegação e radares, visto que as fibras de carbono são eletro-opacas e prejudicam significativamente a passagem de ondas eletromagnéticas, ao passo que as fibras aramidas são boas dielétricas.
Uma das principais desvantagens do Kevlar é a sua difícil manuseabilidade. Como dito, trata-se de um material muito resistente ao cisalhamento, e todo o trabalho de cortá-lo pode ser muito complicado. Além disso, sua capacidade de absorção de resinas (para a matriz) é bem reduzida, o que exige uma atenção especial e um rígido controle na produção de componentes.
O processo de produção das fibras aramidas é relativamente complexo. Basta dizer que estas se baseiam em cadeias poliméricas aromáticas de poliamidas, semelhantes ao nylon, e são produzidas através de extrusão em uma solução de ácido sulfúrico. O resultado final é uma estrutura que consiste em grande parte em grupos de cadeias poliméricas alinhadas e cristalinas, separadas umas das outras e debilmente ligadas entre si. Da mesma forma que com as fibras de carbono, as fibras aramidas são fornecidas em diferentes especificações, e deve-se selecionar bem o material a ser utilizado segundo os requisitos do projeto e a finalidade da aplicação. Os tipos mais comuns são o Kevlar 29, o 49 e o 149, caracterizados por terem boas propriedades balísticas, estruturais e de rigidez, respectivamente.
Matrizes
A matriz é o material no qual as fibras são “mergulhadas”. Elas podem ser subdivididas em 3 grandes grupos. O primeiro e mais comum é o grupo das matrizes poliméricas, popularmente conhecidas como “resinas” e que podem ser termoendurentes (em inglês: “themosetting”) ou termoplásticas. O segundo grupo é o das matrizes metálicas que podem envolver virtualmente qualquer metal. Por fim, temos as matrizes cerâmicas. Cada grupo tem propriedades típicas distintas que apresentam vantagens e desvantagens. 
Em geral, costuma-se indicar como PMC (“Polymer Matrix Composites”) os compostos cuja matriz é polimérica, como MMC (“Metal Matrix Composites”) os compostos cuja matriz é metálica e, claro, como CMC os compostos de matriz cerâmica (“Ceramic”). Uma forma mais precisa de indicar os constituintes do composto é no formato “reforço/matriz”. Assim, “carbono/epoxy” quer dizer um composto reforçado com fibras de carbono em uma matriz polimérica de resina epoxy. Ou ainda: “carbono/alumínio”, ou “carbono/carbono”. 
A primeira se refere a uma matriz metálica, ao passo que o segundo “carbono” na segunda se refere a uma matriz cerâmica. Outras siglas normalmente usadas para o caso de matrizes poliméricas são GFRP e CFRP, respectivamente para “Glass Fiber Reinforced Polymers (ou Plastics)” e “Carbon Fiber Reinforced Polymers (ou Plastics)”.
As funções primárias das matrizes são estabilizar a forma do componente e transmitir as forças entre as fibras. Acrescentamos ainda que ao manter separadas um fibra da outra, a matriz promove a resistência a fadiga do material, pois impede que fibras adjacentes propaguem uma falha. Isso é particularmente verdadeiro para as matrizes de tipo polimérico. Uma grande desvantagem destas últimas é sua baixíssima capacidade de cumprir sua função em ambientes cuja temperatura é pouco maior que 100º. Essa é uma das principais razões pelas quais a imensa maioria das aeronaves construídas com compostos de vidro/epoxy ou de carbono/epoxy são pintados de branco, especialmente entre os experimentais. É que a cor branca é a que menos absorve calor através de radiação, impedindo que a temperatura nas superfícies em questão atinjam valores inaceitáveis. Essa é, também, uma das principais razões de se introduzir compostos com matrizes metálicas e cerâmicas, muito mais tolerantes a altas temperaturas. 
Matrizes poliméricas: As propriedades mecânicas de um componente que são particularmente afetadas pelas propriedades de uma matriz polimérica são a resistência a compressão longitudinal, a tração transversal e a resistência ao cisalhamento inter-laminar. Estas são normalmente chamadas de “propriedades dominadas pela matriz”.
Como o nome indica, matrizes poliméricas são constituídas basicamente de polímeros. Estes, por sua vez são longas cadeias moleculares cujo esqueleto é geralmente feito de átomos de carbono.
Resinas Epoxy: O termo “epoxy” deriva do grego e quer dizer algo como “oxigênio no meio”, sugerindo a estrutura molecular dos “grupos epoxydicos” da resina, que ao reagirem com o endurecedor formarão os polímeros da matriz. Embora existam sistemas de resina epoxy que podem se auto-polimerizar, a grande maioria dos sistemas faz uso dos endurecedores. O processo de cura é complexo, e constitui-se em uma série de reações química individuais com diferentes velocidades. Damos aqui apenas uma descrição dos estados físicos pelos quais passa a resina durante o processo: em um primeiro momento, ela se encontra em um estado líquido de baixaviscosidade, o que é importante para banhar bem as fibras. Em seguida, tal viscosidade atinge um “mínimo”, devido ao calor externo ou ao calor produzido a partir das próprias reações químicas, para então aumentar rapidamente graças ao crescimento das cadeias moleculares. 
Posteriormente a resina começa a ficar semelhante a um “gel”, pois começam a ocorrer os “cross-linkings” e a resina deixa de fluir. Neste ponto, a velocidade das reações diminui consideravelmente, e o próximo passo é a “vitrificação”, que é quando o movimento das cadeias moleculares praticamente cessa. Ao fim desta etapa, pode-se então considerar que a cura está finalizada.
É importante observar que devido às especificidades químicas do processo de cura dos sistemas epoxy, é sempre importante seguir um protocolo específico para o processo (ditado pelo sistema de resina usado). Entre os elementos desse “protocolo”, é muito importante destacar o seguinte: entre a resina e o endurecedor existe uma relação estequiométrica precisa. Em outras palavras, a fração de quantidade (geralmente em massa) de endurecedor por quantidade de resina deve ser respeitada rigorosamente. Isso está em contraste direto com as resinas de tipo poliéster (sobre as quais falaremos mais abaixo e com as quais em geral se está mais familiarizado), onde a quantidade de endurecedor a ser administrada tem relação com a velocidade da cura.
No caso das resinas epoxy, aumentar ou diminuir a quantidade de endurecedor em relação à quantidade exata recomendada para o sistema adotado só ira prejudicar (significativamente) a qualidade final do componente. O tempo de cura das resinas epoxy depende de fatores externos, como a temperatura e a pressão, mas normalmente é relativamente longo. Pode-se, de fato, distinguir duas etapas práticas importantes, relacionas aos estados físicos acima descritos. A primeira é a “pot life”, é o tempo que se tem antes que a resina passe ao estado de “gel” para preparar o componente. 
Esse tempo varia de acordo com o tipo de sistema, podendo ser de alguns minutos até poucas horas. Em seguida, uma vez que a resina esteja no estado de gel, não se pode mais trabalhar no componente, e é quando ocorre o processo de solidificação. O tempo necessário para tal pode ser de muitas horas, ou ainda de poucos dias.
Existem também sistemas epoxy em que a cura só ocorre quando o componente sendo fabricado é exposto a altas temperaturas (em torno de 80 a 100° C). Neste caso, é necessário o uso de fornos, estufas e/ou autoclaves para finalizar a peça. Trata-se do recurso preferencial quando se quer mais flexibilidade de tempo de preparo e mais qualidade na produção do componente. Logo, é o tipo de sistema epoxy mais usado, especialmente pelas médias e grandes indústrias do setor.
As principais vantagens específicas das resinas epoxy são a resistência a fratura, a conveniência e a segurança no manuseio devido a baixas emissões gasosas, o baixo “encolhimento” (ao solidificar-se, as dimensões permanecem quase constantes), uma boa estabilidade dimensional e térmica. As principais desvantagens são o alto custo, a sensibilidade à umidade, a cura lenta e a limitada temperatura máxima operativa.
Resinas Poliéster: Um outro grupo de resinas amplamente difundido é o das resinas poliéster. Elas se diferem das resinas epoxy tanto no que diz respeito aos métodos de manuseio e fabricação como também no que se refere às suas propriedades. E isso, evidentemente, se fundamente em diferenças químicas de base.
Em primeiro lugar, é importante ressaltar o fato que assim como os sistemas epoxy, os sistemas poliéster incluem a resina propriamente dita, e um “catalizador”. No entanto, diferentemente do que ocorre com as resinas epoxy, aqui não há uma relação estequiométrica precisa entre resina e catalizador a ser respeitada. Pelo contrário, dentro de uma certa faixa de tolerância, o aumento ou a diminuição da quantidade de catalizador administrado no processo implica, respectivamente, em um aumento ou uma diminuição da velocidade do processo de cura.
Normalmente a quantidade de catalizador administrada é muito pequena (em torno de 0,5 a 3% em peso da resina), e seu efeito é o de iniciar as reações químicas que promoverão o cross-linking dos radicais livres de base da resina e o conseqüente endurecimento do componente. Isso possibilita um maior controle sobre o tempo de cura que o que se pode ter com as resinas epoxy. No entanto, tal processo é extremamente exotérmico, o que pode danificar não só partes do próprio componente que está sendo construído, como os moldes e outros acessórios usados para a fabricação.
Embora a razão estequiométrica não seja um fator muito importante no caso dos sistemas poliéster, a variação na quantidade de catalizador também implica em uma variação nas propriedades do componente final. Com isso, podem ocorrer casos em que a cura final fique incompleta, especialmente nas superfícies expostas, o que pode ser verificado facilmente pelo toque, quando se percebe uma certa e constante “umidade” na superfície do componente.
O processo de cura é semelhante ao caso das resinas epoxy, exceto que no estado de gel, enquanto nestas últimas a velocidade do processo diminui, no caso das resinas poliéster essa velocidade aumenta. A isso corresponde a enorme liberação de calor (exotermia) que caracteriza a cura dessas resinas.
As principais vantagens das resinas poliéster são 1) a baixa viscosidade, o que permite uma fácil impregnação das fibras e 2) baixíssimo custo. No entanto, o 1) alto nível de encolhimento e a elevada exotermia prejudicam a interface fibra/matriz, o que resulta em piores qualidades mecânicas, a 2) fragilidade e a 3) baixa tolerância a ataques químicos são desvantagens importantes que limitam enormemente o emprego dos sistemas poliéster em aplicações aeroespaciais.
Outras Resinas: Assim como no caso das fibras, existem outros sistemas de resina que, embora menos conhecidos não são por isso menos eficientes. Além disso, muita pesquisa é hoje voltada especialmente para o desenvolvimento de sistemas que possam melhorar o desempenho dos sistemas termoendurentes, especialmente no que diz respeito à tolerância a altas temperaturas.
O primeiro grupo que mencionamos é o das resinas vinil-éster. São algo intermediário entre as resinas epóxy e poliéster, combinando a facilidade de manuseio das últimas com a resistência química das primeiras. Elas tem melhores qualidades mecânicas e não apresentam tantos problemas de interface com as fibras, como no caso das resinas poliéster. No entanto, tem alto custo e sua taxa de encolhimento é bem maior que nas resinas epóxy.
As resinas fenolíticas são um segundo grupo. Apesar de apresentar propriedades mecânicas inferiores que as resinas epóxy, terem um alto custo e serem de difícil manuseio (é necessário usar pressões elevadas, criam-se muitas “bolhas” e ela tem uma coloração marrom escura que dificulta a inspeção visual), apresentam uma importante vantagem: são particularmente resistentes a altas temperaturas e, em especial, tem boas propriedades ablativas, sendo resistentes a chamas. Componentes feitos a partir de resinas fenolíticas podem não ter boas características mecânicas, mas podem ser apropriadamente usados como retardantes de chamas.
Outros grupos que tem recebido muita atenção e fundos de pesquisa é o das resinas bismaleimidas e das resinas polimidas. Ambas apresentam características mecânicas e químicas comparáveis às resinas epóxy, no entanto são muito mais tolerantes a altas temperaturas. As primeiras tem uma temperatura de transição que pode chegar a 300ºC, ao passo que as segundas podem chegar a 400ºC (dependendo da formulação específica). A maior desvantagem desses sistemas, no entanto, é seu altíssimo custo e dificuldade de processamento, especialmente em relação às polimidas, o que até hoje tem limitado seu uso a aeronaves militares de alta performance ou aeronaves conceituais futurísticas.
Matrizes cerâmicas: Provavelmente,no que diz respeito a compostos capazes de suportar e trabalhar em ambientes extremamente hostis (alta temperatura, ataques químicos), não há nada mais indicado do que aqueles cuja matriz é de natureza cerâmica.
O exemplo mais famoso são os compostos de carbono/carbono. Neste caso, a matriz é um cerâmico a base de carbono reforçado com fibras de carbono. O custo de tais componentes é elevadíssimo, no entanto em algumas aplicações aeroespaciais não se pode não usá-los. Praticamente todos os discos de freio das mais modernas e pesadas aeronaves são feitos com tais compostos, assim como a barreira de proteção térmica dos veículos de reentrada atmosférica, e estudos estão em andamento para se poder usá-los como material de construção de paletas de turbina.
Embora a matriz cerâmica apresente as vantagens acima relacionadas, elas também apresentam uma severa desvantagem. É que apesar de extremamente duros, os cerâmicos são também extremamente frágeis. Isso quer dizer que eles tem um módulo elástico normalmente muito alto, e sofrem muito pouca ou quase nenhuma deformação antes de seu rompimento, que é súbito. O reforço com as fibras melhora significativamente tais desvantagens ao aumentar significativamente o limite de resistência do composto, mas sem porém melhorar em nada o aspecto da ausência quase completa de ductilidade.
Reparo em material composto
Laminação manual: A laminação manual é longe de dúvida o mais comum e difundido método de fabricação de componentes em materiais compostos. No entanto, exceto no caso da aviação experimental, é muito pouco usado na indústria aeroespacial.
Consiste basicamente em banhar as fibras com a matriz sobre um molde, camada por camada, retirando o excesso de resina com uma espátula e distribuindo-a com um rolo, que ajuda também a evitar a formação de bolhas de ar que prejudicarão significativamente as propriedades mecânicas do componente.
Podem ser usadas vários tipos de fibras e matrizes poliméricas, sendo as combinações mais comuns baseadas em resina epoxy ou poliéster com fibras de carbono, vidro ou Kevlar. Como o processo de banhar as fibras é normalmente feito a temperatura e pressão ambiente, matrizes poliméricas termoplásticas não são aplicáveis em tais casos.
Com um pouco de experiência pode-se obter peças de qualidade razoável, curadas em uma estufa ou forno, ou ainda em temperatura ambiente. Qualquer aeromodelista por exemplo conhece o processo e, seja para um aeromodelo ou uma aeronave experimental “full-scale”, não há outra diferença que não o tamanho das peças a serem produzidas e, talvez – mas muito importante – o cuidado e a atenção no processo.
Laminação a vácuo: Também conhecido com a expressão em inglês “vacuum bagging”, a laminação a vácuo é um refinamento, um aprimoramento do processo de laminação manual. Tudo acontece como em uma laminação manual normal. No entanto, a peça a ser produzida é selada em uma bolsa plástica que por sua vez é conectada através de tubos, mangueiras e válvulas, a uma ou mais bombas de vácuo.
Uma vez acionadas as bombas, o ar é retirado de dentro da bolsa dentro da qual está contido o laminado, criando uma pressão em seu interior que é maior que a pressão atmosférica normal. Isso ajuda a compactar a peça, minimizar as bolhas de ar e, através de filmes absorventes, remover o excesso de resina.
Também a cura pode ser feita em temperatura ambiente ou em um forno ou estufa. O resultado final são peças de muito boa qualidade. A laminação a vácuo é amplamente usada pela indústria aeronáutica, no caso da produção de aeronaves experimentais e ultraleves, mas também no caso de componentes menos solicitados na grande indústria.
Prepregs: Um outro caso importante de se observar é o dos prepregs. O termo é uma abreviação para “pré impregnados” e se refere a tecidos, geralmente de fibra de carbono, que já são fornecidos pelo fabricante impregnados de resina termoendurente, normalmente de tipo epoxy.
São resinas especiais que, ao se manter o material sob condições de baixa temperatura (literalmente abaixo de zero), tem um tempo de vida útil relativamente alto (algo em torno de 15 dias). Ao serem expostos a altas temperaturas, ocorre o processo de cura e endurecimento.
Custam muito mais caro que os tecidos de fibra secos, inclusive pelas necessidades especiais de transporte e armazenamento. No entanto, a pré-impregnação “de fábrica” garante uma proporção ótima entre as fibras e a matriz, proporcionando assim uma maior eficiência na relação entre o peso e a resistência, e são bem mais práticas, por eliminar o trabalho de impregnação. Geralmente os prepregs são a solução adotada pela grande indústria aeroespacial.
Estruturas sanduíche
Um dos tipos de componentes mais comuns e eficientes nos quais os materiais compostos tem um papel importante são as estruturas em sanduíche. A ideia de sanduíche se deve ao fato de que um tal componente apresenta duas camadas externas feitas, no caso, em laminados de materiais compostos, e um núcleo (ou recheio, alma) normalmente feito com alguma forma de espuma expansível (poliestireno, poliuretano) ou o famoso “honeycomb”, ou “colméia”.
Normalmente, as camadas externas são responsáveis pela resistência à tensão e à compressão, enquanto o núcleo contribui com os esforços de cisalhamento, a solidez da peça e a transferência de solicitações mecânicas entre as camadas externas. Se pode facilmente perceber que quanto maior o espaçamento entre as camadas externas, maior será a resistência da peça à flexão.
Esse método de construção é extremamente comum na aviação experimental, em que asas inteiras são feitas com espumas expansíveis como núcleo e algum composto de fibra/matriz como “pele”. Também muitas pás dos rotores de helicópteros, superfícies de comando, estabilizadores, painéis em geral da aviação geral são feitos através dessa técnica.
Cura e autoclave: Em primeiro lugar, temos a cura a temperatura ambiente, que quer dizer basicamente que após a preparação da peça, seja por algum tipo de laminação ou “filament wounding”, a peça é deixada ali, enquanto as reações químicas apropriadas ocorrem. O tempo necessário para tal varia de acordo com o tipo de matriz utilizado. Além disso, para alguns casos de matrizes epoxy, a cura só pode ocorrer sob temperaturas elevadas, o que implica a adoção de um forno ou estufa.
No caso do forno ou da estufa, a peça laminada (manualmente ou a vácuo), ou os moldes injetados ou ainda o mandril, enfim, é colocado dentro de um forno onde um cuidadoso controle da temperatura permite a otimização da cura, produzindo peças que tenham uma melhor resistência a temperaturas mais elevadas.
No entanto, a cura a alta temperatura é particularmente eficiente quando também se usa um autoclave. Um autoclave é, em linhas de princípio, uma panela de pressão. Trata-se de um “tanque” devidamente fechado e lacrado, dentro do qual é colocada a peça recém trabalhada, que pode ainda estar sob vácuo, por exemplo. Então aumenta-se a temperatura (por meios eletrotérmicos ou por difusão de gases quentes) no interior do “tanque” e este funciona como um forno. O aumento da temperatura pode também provocar um aumento de pressão, ou então esta é aumentada por meios mais diretos.
Esse aumento de pressão leva à compactação dos laminados, contribuindo assim para a melhora de sua qualidade. Praticamente toda produção de materiais compostos avançados, o que inclui a indústria aeroespacial, faz uso de autoclaves, que em termos de cura, constituem o que é há de mais sofisticado.
Vacuum Bag
Honeycomb
Aeronaves fabricadas com compostos
A aeronave supersônica F22, que atinge velocidades de 1,5 Mach, utiliza em sua estrutura 24% de material composto polimérico, 39% de titânio, 16% de alumínio, 6% de aço e 15% de outros materiais. Sendo que, 50% do peso em composto é constituído da matriz de resina BMI. A aeronave F22, apesar de suas velocidades de vôo,não utiliza em suas superfícies externas material retardante de chama, devido às características de resistência térmica e química da BMI.
A aeronave Tucano produzida pela EMBRAER, é um exemplo de como os componentes fabricados em compostos termorrígidos, utiliza como reforço fibras de carbono, kevlar e vidro.
A família de aeronaves Cirrus SR é um grande sucesso de vendas no mercado mundial de aeronaves leves a pistão, com mais de 5.000 unidades vendidas, consequência natural de uma feliz combinação de características positivas de robustez estrutural, manutenção simples e barata, baixo consumo de combustível, design atraente, modernidade e preço de aquisição competitivo. A construção da fuselagem e das asas em material composto do Cirrus SR22, combinada com a tradicional motorização a pistão Continental IO 550 aspirado, resulta numa significativa economia de combustível e baixo custo de manutenção. É atualmente um dos modelos de aeronaves leves para uso executivo mais vendidos nos Estados Unidos e no Brasil.
Conclusão
O uso dos materiais compostos na indústria aeroespacial é cada dia mais comum. Provavelmente, além dos limitadores já citados, sua adoção é limitada apenas e em grande parte por questões de custo. Não se trata simplesmente dos custos dos materiais, mas principalmente dos custos de renovação de equipamentos e pessoal de produção e, principalmente, os custos de homologação e certificação dos materiais, peças, métodos e pessoal em questão.
No entanto, convém chamar a atenção para uma coisa muito importante. Os materiais compostos, não são “bons” em si mesmos, e é somente através do seu uso adequado que, onde convém, podem oferecer resultados mais interessantes que os materiais tradicionais, como o alumínio e o aço.
Os materiais compostos são normalmente produzidos em laminados. Diversas camadas de tecido, fita ou feixes de filamento, de espessura extremamente pequena, são dispostas umas sobre as outras criando algo muito parecido com um “compensado”, de maior espessura. Isso quer dizer que se eu produzo um laminado com fibras unidirecionais, tal laminado, na direção longitudinal às fibras terá uma determinada resistência. No entanto, na direção perpendicular às fibras, sua resistência será dramaticamente inferior.
Esta é a razão pela qual, na verdade, é possível economizar peso com os materiais compostos. É que muitos componentes, especialmente no caso de componentes estruturais, são solicitados em apenas uma ou duas direções. Portanto, posso produzir uma peça em que as fibras estejam alinhadas única e exclusivamente em tais direções. Com isso, economizo material e, consequentemente, peso.
O importante de se observar é que a grande vantagem dos materiais compostos é que, com eles, o projetista tem controle sobre muitas das propriedades do material “final”, na medida em que é ele que também projetará a sua composição e o alinhamento das fibras. Se o projeto é bem feito e executado, então, os materiais compostos apresentam vantagens sobre os metais.
Bibliografia
1. Composites Technology . Yellow Pages 2000. International Edition, v. 6 (3), 620, 2000.
2. Sampe Journal, v. 35(6), 1999.
3. Sampe Journal, v. 35(4), 1999.
4. Sampe Journal, v. 35(3), 1999.
5. Sampe Journal, v. 35(2), 1999.
6. Sampe Journal, v. 35(1), 1999.
7. Sampe Journal, v. 34(6), 1998.
8. Sampe Journal, v. 34(5), 1998.
9. Sampe Journal, v. 34(4), 1998.
10. LEE, S.M. International Encyclopedia of Composites, v. 1-6, VCH, New York, 1991.
Baker, Alan; Dutton, Stuart; Kelly, Donald. Composite Materials for Aircraft Structures. Second Edition. AIAA Education Series. Reston, Virginia, 2004.
Ashby, Michael; Shercliff, Hugh; Cebon, David. Materials: Engineering, Science, Processing and Design. First Edition. Butterworth-Heinemann, London (UK), 2007.
Callister, William D. Materials Science and Engineering, an Introduction. Seventh Edition. John Wiley & Sons Inc. New York, USA, 2007.