Um Avanço na Indústria Aeroespacial

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Na moldagem dessas duas fases ocorre o que chamamos de crosslinking polimérico, através de um processo de cura, onde se acoplam as duas fases proporcionando assim ao material final, propriedades especiais, como a leveza, flexibilidade, durabilidade, resistência e adaptabilidade. E são essas propriedades que garantem aos compósitos o título de produto do futuro.

2 Compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono

Por meados da década de 50 e 60, surgiram no Japão as primeiras fibras de carbono modernas. Sua produção iniciou-se na Inglaterra no ano de 1963, como reforço em compósitos. Já sua comercialização se deu no ano de 1971 pela Union Carbide.

Na produção dos compósitos reforçados com fibras de carbono (CRFC) representado na (Figura 1) as principais matérias primas são: o piche, o rayom e a poliacrilonitrila (PAN). A poliacrilonitrila apresenta 60% de carbono e fornece dois tipos de fibras: A de alta elasticidade, tratadas termicamente entre 2500ºC a 3000°C e a de alta resistência à tração, termicamente tratada entre 1000°C a 1600ºC.

Figura 1: Tecido de Fibra de Carbono.

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Retirado do artigo: Reforço Estrutural com Compósitos de Fibra de Carbono.

A fabricação desses compósitos se obtém através da formação dos precursores da fibra e a sua densificação por uma matriz carbonatada. Segundo Zangiacomi e Bittencourt essa fabricação ocorre em um ou dois estágios, são eles: O chamado processo úmido ou processo direto, onde a fibra é combinada com a resina e convertida na peça final numa única etapa; E o outro processo chamado de processo indireto usando pré-impregnados, onde as fibras e a resina são combinadas num estágio preliminar e a conversão do pré-impregnado no produto final ocorre numa etapa subsequente, fisicamente separado do primeiro.

O desenvolvimento das fibras de carbono flexibilizaram projetos estruturais, sendo indispensáveis no desempenho de voos de aeronaves. Os compósitos de CRFC foram submetidos a grandes condições térmicas e de erosão, em aviões supersônicos, em cones dianteiros de foguetes e em partes externas de veículos que foram submetidos à reentrada na atmosfera terrestre. Seus avanços trazem oportunidades de estruturas com alto desempenho e com baixo peso, fazendo seu desenvolvimento de sistemas estratégicos serem favorecidos na área de mísseis, aeronaves e foguetes.

No conflito com o Iraque, mais uma vez, a indústria aeronáutica surpreendeu o setor tecnológico com o lançamento da aeronave F-117, construída em compósitos de fibras de carbono com matrizes epóxi e bismaleimida, apresentando, ainda, a característica de baixa detecção por radares. A geometria desse avião, associada ao uso de materiais compósitos e revestimentos específicos, que favorecem a absorção da radiação eletromagné- tica na faixa de microondas, ainda hoje são marcos impressivos de inovação das engenharias aeronáutica e de materiais (Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol 10, nº 2, 2000)

Nas suas diferentes formas, os materiais carbonosos possuem alta resistência mecânica nas temperaturas de até 2800ºC, com ausência de oxigênio, ótimo em resistência a corrosão, pouca expansão térmica e tem resistência nas fortes variações de temperatura. Esta vantagem o torna um material atrativo nas aplicações em temperaturas elevadas, mas mesmo assim a sua aplicação está sendo limitada, já que tem baixa deformação na ruptura, grande sensibilidade em imperfeições, dificuldades na obtenção dos componentes de grandes dimensões e formatos mais complexos, susceptibilidade à oxidação a temperaturas de 500ºC no ar. E em comparação a outros matérias possuem um alto custo, e sua aplicação é restrita às áreas aeroespacial, nuclear, biomédica e outras especiais. O CRFC também veem sendo utilizado para gerar calor e eletricidade em confecções de cápsulas de proteção de isótopos que são utilizados em missões espaciais.

Quando a temperatura de aplicação está na faixa entre 500 - 600°C, a inibição pode ser obtida utilizando-se compostos inorgânicos como óxido de boro e fosfatos. Quando a temperatura de utilização for maior que 600 °C, costuma-se recobrir o CRFC com carbeto de silício, carbeto de titânio, entre outros. Apesar do CRFC ser susceptível à oxidação a temperaturas superiores a 500 °C, este fator torna-se menos relevante quando a aplicação do compósito for por um curto período de duração, como nos casos de gargantas de tubeiras de foguetes à base de propelente sólido ou componentes com a função de proteção térmica, como em mísseis e veículos de reentrada. (Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol 10, nº 2, 2000)

Protótipos com compósitos de CRFC têm demonstrados resultados satisfatórios na indústria aeroespacial, mas a sua viabilização depende muito ainda da redução do seu custo e do tempo de preparação do compósito.

3 Aplicações na indústria aeroespacial

O uso de compósitos em aeronaves teve seu início em meio às batalhas da segunda guerra mundial. A fibra de vidro começou a ser usada na fuselagem do B-29, e a partir dos anos 1950 já era usada para fabricação de peças primárias das aeronaves (PILOT’S HANDBOOK OF AERONAUTICAL KNOWLEDGE, U.S Departament of Transportation).

A Figura 2 representa a aeronave Tucano produzida pela EMBRAER, mostrando os componentes fabricados em compósitos termorrígidos, utilizando como reforço fibras de carbono, kevlar e vidro.

Figura 2. Aeronave Tucano.

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Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol 10, nº 2, 2000

A utilização de compósitos poliméricos avançados em partes estruturais de aeronaves cresce a cada ano, devido às excelentes propriedades mecânicas que este material confere ao componente que está sendo projetado e por permitir flexibilidade no projeto de peças complexas e com propriedades locais específicas (REZENDE E BOTELHO, 2000 apud MOREIRA, 2014).

Como já falado, todo compósito é uma combinação de uma matriz com um sistema de fibras. A matriz usada na fabricação de aeronaves é a epóxi, um termo fixo que atribui propriedades como alta resistência à altas temperaturas e, em comparação com outras matrizes, por exemplo, a resina de poliéster, a epóxi é mais forte.

Quanto às fibras, as mais utilizadas são de vidro e carbono. A fibra de vidro confere