O uso moderno de materiais compósitos na fabricação não é novo, abrangendo várias décadas, remontando ao início dos anos 60. E antes disso, a combinação de fibras com uma matriz líquida tem sido empregada em uma variedade de aplicações, que vão desde a lama e palha (tijolos de adobe) já experimentada e seca até um carro conceito desenvolvido pela Ford Motor Co. (Detroit, Michigan, EUA) em 1941 que apresentava painéis de carroceria feitos com compósitos reforçados com fibras naturais.
Embora isso, em comparação com materiais antigos como aço, alumínio, ferro e titânio, os compósitos ainda estão amadurecendo, e só agora estão sendo melhor compreendidos pelos engenheiros de design e fabricação. Além disso, os compósitos são dificultados pela sua natureza não-isotrópica, o que os torna difíceis de modelar e simular. No entanto, as propriedades físicas dos compósitos – combinadas com um peso leve imbatível – tornam-nos inegavelmente atraentes.
Para os compósitos novatos, felizmente, há esperança, e reside no facto de estes materiais poderem ser facilmente compreendidos e aplicados. O que se segue é um primer sobre as fibras e resinas tipicamente utilizadas na fabricação de compósitos.
Propriedades de descaroçamento
Alta resistência e baixo peso continuam a ser a combinação vencedora que impulsiona os materiais compostos para novas arenas, mas outras propriedades são igualmente importantes. Os materiais compósitos oferecem bom amortecimento vibracional e baixo coeficiente de expansão térmica (CTE), características que podem ser projetadas para aplicações especializadas. Os compósitos são resistentes à fadiga e oferecem flexibilidade de projeto/fabricação que pode diminuir significativamente o número de peças necessárias para aplicações específicas – o que se traduz em um produto acabado que requer menos matéria-prima, menos juntas e fixadores e menor tempo de montagem. Os compósitos também têm resistência comprovada a temperaturas extremas, corrosão e desgaste, especialmente em ambientes industriais, onde estas propriedades fazem muito para reduzir os custos do ciclo de vida do produto. Estas características têm impulsionado os compósitos para uma ampla utilização. O impulso para a economia e eficiência do combustível, por exemplo, tornou a redução do peso leve uma prioridade em quase todos os modos de transporte mecânico, desde bicicletas a grandes aeronaves comerciais.
Desde The Boeing Co.’s (Chicago, Ill, EUA) 787 Dreamliner – 50% composto por peso e 100% composto nas suas superfícies aerodinâmicas – entrou em produção e, em Dezembro de 2009, fez o seu primeiro voo com sucesso, os compostos ganharam o seu lugar nas estruturas aeroespaciais primárias e secundárias e encontraram um lugar maior no interior das aeronaves no mundo aeroespacial. Desde então, ao 787 juntaram-se outros aviões de compósitos do seu rival Airbus (Toulouse, França), entre outros, que se dedicam ao transporte comercial. O primeiro Airbus A350 XWB composto de 52% foi entregue ao amanhecer de 2015. E a Airbus incorporou anteriormente os compostos no seu jacto superjumbo de passageiros A380 e também no seu avião de transporte militar A400M. Os quatro programas são a realização actual de uma transformação há muito esperada que também ultrapassou o mercado da aviação geral e faz parte da fabricação de aviões militares há muito tempo. Disponíveis em formas de materiais cada vez mais diversificados, e fabricados através de uma extensa gama de processos de moldagem e conformação – tomaram ou estão prestes a tomar o centro das atenções em arenas de fabricação em todo o mundo.
Um material definitivamente diferente
Os compósitos diferem dos materiais tradicionais, na medida em que as peças compósitas compreendem dois componentes distintos – fibras e um material matricial (na maioria das vezes, uma resina polimérica) – que, quando combinados, permanecem discretos mas funcionam interactivamente para fazer um novo material, cujas propriedades não podem ser previstas pela simples soma das propriedades dos seus componentes. Na verdade, uma das principais vantagens da combinação fibra/resina é a sua natureza complementar. As fibras de vidro finas, por exemplo, exibem uma resistência à tração relativamente alta, mas são suscetíveis a danos. Em contraste, a maioria das resinas poliméricas são fracas em resistência à tração, mas são extremamente resistentes e maleáveis. Quando combinadas, porém, a fibra e a resina contrabalançam a fraqueza da outra, produzindo um material muito mais útil que qualquer um de seus componentes individuais.
As propriedades estruturais dos materiais compostos são derivadas principalmente do reforço da fibra. Os compósitos comerciais para grandes mercados, tais como componentes automotivos, barcos, bens de consumo e peças industriais resistentes à corrosão, muitas vezes são feitos de fibras de vidro descontínuas, orientadas aleatoriamente, ou formas de fibra contínua, mas não orientada. Os compósitos avançados, inicialmente desenvolvidos para o mercado aeroespacial militar, oferecem desempenho superior ao dos metais estruturais convencionais e agora encontram aplicações em satélites de comunicação, aeronaves, produtos esportivos, transportes, indústria pesada e no setor energético na exploração de petróleo e gás e na construção de turbinas eólicas.
Os compósitos de alto desempenho derivam as suas propriedades estruturais do reforço contínuo, orientado e de fibra de alta resistência – mais comumente carbono, aramida ou vidro – numa matriz que promove a processabilidade e melhora as propriedades mecânicas, tais como rigidez e resistência química.
A orientação das fibras pode ser controlada, um fator que pode melhorar o desempenho em qualquer aplicação. Em eixos de tacos de golfe compostos, por exemplo, as fibras de boro e carbono orientadas em diferentes ângulos dentro do eixo composto permitem-lhe tirar o melhor partido das suas propriedades de resistência e rigidez e suportar cargas de torque e múltiplas forças de flexão, compressão e tracção.
Uma matriz pode ser polimérica, cerâmica ou metálica. As matrizes poliméricas mais utilizadas para compósitos em aplicações aeroespaciais comerciais e de alto desempenho são as resinas termofixas, que consistem em cadeias de polímeros que são permanentemente curadas em uma rede reticulada quando misturadas com um catalisador, expostas ao calor, ou a ambos. A cura geralmente ocorre sob condições elevadas de temperatura e/ou pressão em um forno e/ou saco a vácuo ou em autoclave. Tecnologias alternativas mas menos usadas de cura incluem feixe de elétrons, radiação ultravioleta (UV), processos de raios X e microondas.
O outro tipo de matriz mais comumente usada é a resina termoplástica (TP), que está provando ser uma opção cada vez mais popular para os fabricantes de compósitos. As cadeias de polímeros lineares termoplásticos são formadas e podem ser reformadas em sólidos moldados por fusão ou amolecimento e depois resfriamento do material. Muitas vezes vendidos em forma de chapas ou painéis, os termoplásticos podem ser processados por técnicas de consolidação in-situ, tais como a simples prensagem para fazer peças resistentes, de forma próxima à rede, sem a cura em autoclave ou saco a vácuo requerida pelos termofixos. A reformabilidade TP oferece o potencial para corrigir anomalias ou reparar danos em serviço.
Fibras de vidro
A grande maioria de todas as fibras usadas na indústria de compósitos é vidro. As fibras de vidro são o reforço mais antigo e mais comum usado na maioria das aplicações no mercado final (a indústria aeroespacial é uma exceção significativa) para substituir peças metálicas mais pesadas. A fibra de vidro pesa mais do que o segundo reforço mais comum, a fibra de carbono, e não é tão rígida, mas é mais resistente a impactos e tem um maior alongamento para quebrar (ou seja, se alonga em maior grau antes de quebrar). Dependendo do tipo de vidro, diâmetro do filamento, química de revestimento (chamada “dimensionamento”) e forma da fibra, uma ampla gama de propriedades e níveis de desempenho pode ser alcançada.
Filamentos de vidro são fornecidos em feixes chamados strands. Um fio é um conjunto de filamentos de vidro contínuos. Roving geralmente refere-se a um feixe de filamentos não torcidos, embalados, como fio, em um grande carretel. O roving de uma extremidade consiste em fios constituídos por filamentos de vidro contínuos e múltiplos que percorrem o comprimento do fio. O roving de extremidade múltipla contém fios longos mas não inteiramente contínuos, que são adicionados ou largados em um arranjo escalonado durante o processo de spooling. O fio é uma coleção de fios que são torcidos juntos.
Fibras de alto desempenho
Fibras de alto desempenho utilizadas em compósitos avançados incluem fibra de carbono, fibra aramida (conhecida pelos nomes comerciais Kevlar e Twaron), fibras de boro, polietileno de alto módulo (PE), fibras mais novas como o polifenileno-2,6-benzobisoxazol (PBO), e combinações híbridas, também. O Kevlar é um produto da DuPont Protection Technologies (Richmond, VA, EUA). As fibras de Twaron são produzidas por Teijin (Arnhem, Holanda).
Fibra de carbono – de longe a fibra mais utilizada em aplicações de alto desempenho – é produzida a partir de uma variedade de precursores, incluindo o poliacrilonitrilo (PAN), rayon e pitch. As fibras precursoras são tratadas quimicamente, aquecidas e esticadas, depois carbonizadas, para criar as fibras de alta resistência. As primeiras fibras de carbono de alto desempenho no mercado foram fabricadas a partir do precursor do rayon. Hoje em dia, as fibras à base de PAN e breu substituíram as fibras à base de raiom na maioria das aplicações. As fibras de carbono à base de PAN são as mais versáteis e amplamente utilizadas. Elas oferecem uma gama incrível de propriedades, incluindo excelente resistência – até 1.000 ksi – e alta rigidez. As fibras de breu, feitas de petróleo ou de alcatrão de carvão, têm uma rigidez alta a extremamente alta e um coeficiente axial de expansão térmica (CTE) baixo a negativo. Suas propriedades CTE são especialmente úteis em aplicações de naves espaciais que requerem gerenciamento térmico, tais como caixas de instrumentos eletrônicos. As propriedades da fibra de carbono estimulam a busca de materiais precursores alternativos e menos dispendiosos, como a lignina, que é derivada de resíduos de celulose e papel. Enquanto os esforços de pesquisa estão ganhando força, esses materiais de baixo custo ainda têm muito a percorrer para se tornarem opções viáveis de reforço comercial.
Embora sejam mais fortes que as fibras de vidro ou aramida, as fibras de carbono não só são menos resistentes a impactos, como também podem sofrer corrosão galvânica em contato com o metal. Os fabricantes superam este último problema usando um material de barreira ou de véu – muitas vezes fibra de vidro/epoxy – durante o assentamento do laminado.
A forma básica da fibra de carbono de alto desempenho são feixes de fibras contínuas chamadas de reboques. Um cabo de fibra de carbono consiste em milhares de filamentos contínuos, sem torção, com a contagem de filamentos designada por um número seguido por “K”, indicando multiplicação por 1.000 (por exemplo, 12K indica uma contagem de filamentos de 12.000). Os filamentos podem ser usados diretamente, em processos como enrolamento ou pultrusão de filamentos, ou podem ser convertidos em fita unidirecional, tecido e outras formas de reforço.
Fibras de gramíneas, formadas a partir de poliamida aromática, proporcionam excepcional resistência ao impacto e bom alongamento (maior que o carbono, mas menor que o vidro). A fibra de aramida padrão de alto desempenho tem um módulo de cerca de 20 Msi, resistência à tração de aproximadamente 500 ksi e elongação de quase 3%. Reconhecida por seu desempenho em coletes à prova de balas e outras aplicações de blindagem e balística, a fibra aramida tem sido em parte demandada, devido à necessidade de proteção de pessoal e blindagem nos mercados policial e militar. As propriedades da aramida também fazem da fibra uma excelente escolha para lâminas de rotor de helicóptero, cascos de embarcações marítimas e artigos esportivos onde a resistência ao impacto é desejada.
Fibras de boro são cinco vezes mais fortes e duas vezes mais rígidas que o aço. O boro proporciona resistência, rigidez e leveza, e possui excelentes propriedades de compressão e resistência ao encurvamento. Os usos para compósitos de boro vão desde produtos esportivos, como varas de pesca, eixos de tacos de golfe, esquis e armações de bicicletas, até aplicações aeroespaciais tão variadas quanto peles de empenagens de aeronaves, membros de treliças e remendos pré-fabricados de reparos de aeronaves.
O alto custo das fibras de alto desempenho pode ser um impedimento para sua seleção, se os fabricantes negligenciarem examinar como esse alto custo é mitigado pelo maior desempenho, durabilidade e liberdade de projeto que esses materiais trazem para um projeto e os conseqüentes efeitos positivos que essas vantagens têm sobre uma métrica chave: o custo do ciclo de vida. Isto é particularmente verdadeiro para a fibra de carbono, cuja seleção tem sido, historicamente, complicada por flutuações significativas na oferta e demanda de fibra de carbono.
Resinas termoendurecíveis
Os polímeros mais utilizados nos compósitos são os termoendurecíveis, uma classe de resinas plásticas que, quando curadas por meio térmico e/ou químico (catalisador ou promotor) ou outros meios, tornam-se substancialmente infusíveis e insolúveis. Após a cura, um termoendurecido não pode ser devolvido ao seu estado não curado. Embora quase todos os termosets em uso comercial hoje sejam derivados de matérias-primas petrolíferas, R&D e a comercialização está em curso no campo crescente das bio-resinas. Desenvolvidas principalmente em um esforço para utilizar matérias-primas agrícolas renováveis, as bio-resinas compreendem, em proporções variadas, poliol (de soja) e etanol (de milho).
Resinas de poliéster insaturadas são os termosets mais utilizados em aplicações comerciais, de produção em massa, graças à sua facilidade de manuseio, bom equilíbrio de propriedades mecânicas, elétricas e químicas, e custo relativamente baixo. (Os poliésteres saturados são polímeros termoplásticos.) Tipicamente acoplados a reforços de fibra de vidro, os poliésteres adaptam-se bem a uma série de processos de fabricação e são mais comumente utilizados em sprayup de molde aberto, moldagem por compressão, moldagem por transferência de resina (RTM) e fundição. As propriedades das formulações de poliéster podem ser modificadas para atender critérios específicos de desempenho, com base na seleção de elementos glicol e ácidos e monômeros reativos (mais comumente, estireno). O estireno é adicionado em quantidades de até 50% para reduzir a viscosidade, tornando a resina mais fácil de manusear e processar.
Resinas de ésteres vinílicos oferecem uma ponte entre poliésteres de baixo custo, cura rápida e fácil processamento e resinas epóxi de maior desempenho (descritas abaixo). A sua estrutura molecular é muito semelhante à do poliéster, mas têm sítios reactivos apenas nas extremidades das cadeias moleculares e têm menos grupos ésteres. Como os grupos ésteres são suscetíveis à hidrólise, ter menos deles aumenta a resistência dos ésteres vinílicos à água e aos ambientes quimicamente corrosivos, o que explica, em parte, o seu preço mais elevado. Os ésteres vinílicos são favorecidos em tanques químicos e outras aplicações para as quais a resistência à corrosão é o objetivo principal, e também agregam valor em laminados estruturais que requerem um alto grau de resistência à umidade (como cascos e decks de barcos). Eles são processados e curados de forma semelhante aos poliésteres, com potencial para oferecer maior tenacidade, embora isso normalmente requeira uma temperatura elevada pós cura.
Para matrizes compostas avançadas, os termofixos mais comuns são epóxis, fenólicos, ésteres de cianato (EC), bismaleimidas (BMIs), benzoxinas e poliimidas.
Resinas epóxidas contribuem para a resistência, durabilidade e resistência química de um compósito. Oferecem alto desempenho a temperaturas elevadas, com temperaturas de serviço quentes/húmidas até 121°C. Os epóxis vêm em formas líquidas, sólidas e semi-sólidas e normalmente curam por reação com aminas ou anidridos. Os epóxis não são curados com um catalisador, como as resinas de poliéster, mas sim com um endurecedor (também chamado agente de cura). O endurecedor (parte B) e a resina base (parte A) co-reagem em uma “reação de adição”, de acordo com uma proporção fixa. Assim, é fundamental utilizar a proporção correta de mistura da resina com o endurecedor para garantir uma reação completa. Caso contrário, a resina não irá curar completamente nem atingir as suas propriedades completas. Epóxi endurecido – com termoplásticos e compostos de borracha reactivos adicionados para neutralizar a fragilidade devido ao elevado grau de reticulação – tornaram-se a norma em estruturas de ar compostas de alta percentagem, tais como o Dreamliner 787 da The Boeing Co. e o Airbus A350 XWB.
Resinas fenólicas são baseadas numa combinação de um álcool aromático e um aldeído, como o fenol, combinado com formaldeído. Encontram aplicação em painéis interiores de aeronaves resistentes ao fogo e em mercados comerciais que requerem produtos de baixo custo, resistentes ao fogo e de baixo fumo. Excelente rendimento de carvão e características ablativas (absorventes de calor) tornaram os fenóis há muito tempo favoritos para aplicações ablativas e com bicos de foguete. Eles também provaram ser bem sucedidos em aplicações não aeroespaciais, notadamente em componentes para plataformas offshore de petróleo e gás, e em aplicações de trânsito de massa e eletrônica. Entretanto, os fenólicos polimerizam por meio de uma reação de condensação, que causa a liberação de vapor de água e formaldeído durante a cura. Este fenômeno pode produzir vazios no composto. Como resultado, as propriedades mecânicas dos fenólicos são um pouco inferiores às dos epóxis e da maioria das outras resinas de alto desempenho.
Ésteres de cianato (EC) são matrizes versáteis que proporcionam excelente resistência e tenacidade, permitem uma absorção muito baixa de humidade e possuem propriedades eléctricas superiores às de outras matrizes de polímeros, embora estes benefícios tenham um custo mais elevado. Os EC apresentam temperaturas de serviço quentes/húmidos até 149°C e são normalmente temperados com termoplásticos ou partículas esféricas de borracha. Eles processam de forma similar aos epóxis, mas seu processo de cura é mais simples, graças ao perfil de viscosidade da CE e aos voláteis nominais. As aplicações atuais variam de radomes, antenas, mísseis e ablativos a produtos microeletrônicos e de microondas.
entre os mais exóticos de resinas, bismaleimidas e poliimidas (parentes próximos, quimicamente) são utilizados em aplicações de alta temperatura em aeronaves e mísseis (por exemplo, para componentes de naceles de motores a jato). Os IMCs oferecem temperaturas de serviço quentes/húmidos (até 232°C), enquanto algumas poliimidas podem ser usadas até 371°C por curtos períodos de tempo. Os voláteis e a humidade emitida durante a cura tornam as poliimidas mais difíceis de trabalhar do que os epóxis ou EC; foram desenvolvidas técnicas especiais de formulação e processamento para reduzir ou eliminar os vazios e a delaminação. Tanto os IMCs como as poliimidas têm tradicionalmente apresentado maior absorção de humidade e valores de tenacidade mais baixos do que os EC e os epóxis, mas nos últimos anos foram feitos progressos significativos para criar formulações mais resistentes, e os IMCs são agora considerados como tendo melhor resistência à ingressão de fluidos do que os epóxis. O uso crescente do IMC está sendo impulsionado não apenas por ferramentas e aplicações onde as temperaturas de serviço excedem 177°C, mas também pelo uso crescente de compósitos em estruturas que necessitam de melhor desempenho de compressão a quente/húmido e furo aberto (OHC) a temperaturas moderadas, por exemplo, de 80°C a 120°C. Esta é a razão por trás de grande parte do seu uso no caça F-35 Lightning II, permitindo estruturas tolerantes a danos com menor massa vs. epoxy.
Resinas termoplásticas
Em contraste com os termoplásticos reticulados, cuja reacção de cura não pode ser invertida, os termoplásticos endurecem quando arrefecidos mas retêm a sua plasticidade; isto é, eles irão refazer-se e podem ser remodelados, reaquecendo-os acima da sua temperatura de processamento. Matrizes termoplásticas menos dispendiosas oferecem temperaturas de processamento mais baixas, mas também têm temperaturas de uso limitado. Elas extraem do menu tanto de plásticos de engenharia como de commodity, como polietileno (PE), tereftalato de polietileno (PET), tereftalato de polibutileno (PBT), policarbonato (PC), acrilonitrila butadieno estireno (ABS), poliamida (PA ou nylon) e polipropileno (PP). Produtos comerciais de alto volume, como calçados esportivos, órteses e próteses médicas, se beneficiam da tenacidade e resistência à umidade dessas resinas, assim como os coletores de entrada de ar para automóveis e outras peças inferiores.
Resinas termoplásticas de alto desempenho – polieteretercetona (PEEK), poliétercetona (PEK), poliamida-imida (PAI), poliarilsulfona (PAS), polieterimida (PEI), polietersulfona (PES), sulfeto de polifenileno (PPS) e polímero de cristal líquido (LCP) – funcionam bem em ambientes de alta temperatura e, uma vez endurecidos, não absorvem água nem se degradam quando expostos à umidade. Reforçadas com fibras de alto desempenho, estas resinas apresentam uma longa vida útil de pré-impregnação sem refrigeração e possuem propriedades excepcionais de resistência ao impacto e amortecimento de vibrações. Elas também oferecem a oportunidade de utilizar conteúdo reciclado e facilitar a reciclagem de resíduos e estruturas em fim de vida útil.
No entanto, elas podem apresentar aos fabricantes de compósitos alguns desafios de processamento devido à sua viscosidade relativamente alta. Compostos termoplásticos reforçados que apresentam resinas de maior desempenho como matrizes estão fazendo incursões em aplicações aeroespaciais.
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