• Pedro Victor

O que são Materiais Compósitos Avançados?


Os compósitos de alto desempenho, ou ACM ( do inglês “ Advanced Composite Materials”) têm origem nas matrizes poliméricas com fibra de vidro que surgiram nos anos 40, e que se desenvolveram para aplicações mais especializadas, principalmente na área da aviação.


Essa classe de materiais se distingue dos compósitos convencionais devido a presença de fibras de reforço extremamente resistentes, com elevada resistência à deformação, e elevado módulo de elasticidade. Segundo Pilato (1994, P.1) “Compósitos de alto desempenho podem ser melhor caracterizado como materiais que são governados principalmente pelas propriedades das fibras de reforço que têm alta resistência e características de alta rigidez e ocupam uma grande fração de volume do compósito''.


Dos anos de 1950 a 1980 houve um crescimento exponencial no desenvolvimento e aprimoramento dos ACM, motivado principalmente pela guerra fria, para equipamentos militares e de espionagem, e também pela corrida espacial. Atualmente os ACM são amplamente utilizados em equipamentos de esporte, equipamentos militares, coletes a prova de bala, capacetes balísticos, instrumentos musicais, navios, meios de transporte, etc...


O uso fundamental dos ACM continua sendo na área dos transportes, principalmente na aviação, onde o uso de tais materiais chega a 15% da estrutura de todo avião, como é o caso do Airbus 340. A principal vantagem no uso dos ACM, além das elevadas propriedades, é a redução de peças necessárias na produção do produto, pois os materiais compósitos dão uma liberdade de design muito maior ao fabricante. Um bom exemplo é na construção de helicópteros, onde houve uma redução de 7 vezes no número de peças na produção devido a mudança de materiais convencionais para o uso de ACM, resultando assim em um produto final mais seguro e com melhor desempenho, e produção mais eficiente.


O tipo de matriz mais utilizada nos ACM é a polimérica, devido a facilidade de fabricação, moldabilidade, relativo baixo custo, e propriedades compatíveis com o reforço. Esse tipo de matriz pode ser dividido principalmente termofixa e termoplástica, cada tipo com suas peculiaridades e vantagens.


As matrizes termofixas podem ser caracterizadas por elevada resistência química, térmica, mecânica e alta tenacidade a fratura. As principais matrizes dessa classe utilizadas em ACM, segundo Pilato (1994, P.11), são epóxis, fenólicas, bismaleimidas, poli-imidas e sistemas de resina de éster de cianato.


As resinas termofixas costumam necessitar de um catalisador, ou agente de endurecimento, ou altas temperaturas de cura (>100 C°) para poder atingir a macromolécula desejada, com complexas ligações cruzadas, e elevadas propriedades e inércia química. Devido às propriedades elevadas, as resinas termofixas são as mais usadas nos ACM.


As resinas matriciais termoplásticas por sua vez podem ser caracterizadas por serem mais baratas, com maior tolerância a danos, e a possibilidade de reprocessar o material para corrigir imperfeições. Podem ser divididas entre cristalinas e amorfas. As cristalinas apresentam maior resistência química, enquanto as amorfas são mais sensíveis a solventes.


Outra classe menos comum de polímeros usados como matriz nos ACM são os cristais líquidos poliméricos, que se caracterizam por apresentarem uma estrutura cristalina mesmo na fase líquida. São exemplos de cristais líquidos poliméricos o kevlar e o vectran.


No que concerne aos materiais de reforço para os ACM, apenas materiais que apresentem elevada resistência e módulo elástico, além de uma densidade relativamente baixa, serão candidatos aceitáveis. Os materiais que mais se enquadram nessas características são: polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE), aramidas, fibras de carbono, S-glass, PBO e PBT.


É importante frisar que as propriedades finais do ACM não serão ditadas apenas pela resina e reforço utilizados, mas também pela interface gerada entre ambos, uma vez que a mesma tem papel fundamental na transferência de estresse entre a matriz e o reforço, na proteção do reforço, além de que, se houver afinidade química entre a matriz e as fibras, a interface vai hospedar uma reação química que pode mudar bruscamente as propriedades do material final.



 


Referências:

Pilato, L.; Michno, Michael J. (1994). Advanced composite materials. Springer-Verlag New York.


J. McDermott, Advanced Composites, (1991). Bluebook.


Potter, Kevin (1996). An Introduction to Composite Products: Design, Development and Manufacture. Springer, 5th Ed. Chapman & Hall, London.


Sun, B., & Yu, J. (2017). High-Performance Composites and Their Applications. Porous Lightweight Composites Reinforced with Fibrous Structures.