OXYBLACK - Compósitos, o que são

Materiais compósitos são aqueles que resultam da associação de um ou mais materiais de reforço e um de ligação ou matriz, sem que se produza uma reacção química entre eles.

 

São compostos por materiais fisicamente distintos e separáveis mecanicamente e podem ser misturados de tal forma, que a dispersão de um material no outro pode efectuar-se de maneira controlada. 

 

graf. fibra-resina.composito 2Separadamente os constituintes do compósito mantêm suas características, porém quando misturados, 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.

 

 

A aplicação de materiais compósitos vai desde simples artigos utilizados no nosso dia-a-dia até aplicações para indústrias de ponta como são o caso da indústria aeronáutica e aeroespacial.

 

A título de curiosidade, já antigas civilizações utilizavam compósitos (palha+barro) na produção de tijolos, para não falar nos compósitos naturais onde a madeira é um excelente exemplo. 

“Na natureza, podemos perceber que todos os materiais biológicos são compósitos, sem excepção. Exemplos encontrados de compósitos naturais incluem madeira, em que a matriz de lignina é reforçada com fibras celulósicas e ossos, em que a matriz composta por minerais é reforçada com fibras colagéneas. Desde a Antiguidade encontramos exemplos de compósitos feitos pelo homem, como adobes reforçados com palha para evitar a quebra da argila e o uso de colmos de bambu no reforço de adobe e lama em paredes no Peru e na China”.

(HIDALGO-LÓPES, 2003:163)


Os materiais que compõem um compósito podem ser classificados em dois tipos:

  • O material matriz, confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os nas suas posições relativas.

  • Os materiais reforços realçam as propriedades mecânicas, electromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo.

 

O sucesso dos compósitos nas diversas aplicações depende da facilidade de acesso e aplicação das técnicas de fabrico exigidas por cada sector industrial. Cada vez mais, o fabrico de compósitos constitui um procedimento que pretende atingir valores óptimos de parâmetros como a forma, massa, força, durabilidade, rigidez, custos, etc. Assim, o crescente desenvolvimento de novas tecnologias de fabrico de compósitos é acompanhado pela alteração e melhoramento destes mesmos parâmetros.

Actualmente, os mercados de materiais compósitos estão cada vez mais difundidos. Estudos recentes mostram que o maior mercado continua a ser o dos transportes (31%), mas a construção civil (19,7%), indústria naval (12,4%), equipamento eléctrico/electrónico (9,9%), produtos de consumo (5,8%), aparelhos e equipamentos comerciais são também mercados em grande expansão. O mercado aeroespacial e de aeronaves representam apenas 0,8 % o que é surpreendente tendo em conta a sua importância na origem dos compósitos modernos.  
 

 

FIBRA DE CARBONO

carbon fibers 3kO fabrico das fibras de carbono (FC) remonta ao fim do século XIX (1879), quando Thomas Edison e Joseph Swan as empregaram na construção do filamento da lâmpada incandescente (fibras de bambu carbonizado). Contudo, o seu interesse e desenvolvimento só se deram oitenta anos mais tarde, por volta da década de 60, em plena guerra-fria, propulsionado pelos avanços ocorridos nas indústrias aeronáutica e aeroespacial.

 

 

Em 1957, foram produzidas as primeiras FC a partir das fibras de Rayon. Cinco anos mais tarde, em Osaka, no Japão, a descoberta conduz à produção de FC de elevado desempenho a partir da poliacrilonitrila (PAN). O interesse comercial deste material, só se deu contudo na década de 70 com a sua produção industrial e a consequente comercialização de produtos como tacos de golfe e componentes para a indústria aeronáutica comercial.

Actualmente, os principais materiais precursores utilizados na produção de fibras de carbono são o rayon, a poliacrilonitrila (PAN) e o pitch de petróleo.

 

cabelo_fibra2As fibras de carbono sozinhas não costumam ter aplicações para a engenharia, porém, estas quando combinadas com materiais matrizes podem resultar em novos materiais com propriedades mecânicas apropriadas para diversos ramos industriais. Estes materiais compósitos, também designados por Materiais Plásticos Reforçados por Fibra de Carbono ("CFRP - Carbon Fiber Reinforced Plastic"), estão neste momento a assistir a uma procura e a um desenvolvimento extremamente elevados, pois dependendo da sua composição, os componentes podem ser utilizados em condições adversas de temperatura e pressão, atendendo aos requisitos de qualidade específicos de cada sector.

Existem vários processos utilizados para se produzirem componentes à base de fibras de carbono, sendo que, geralmente são utilizados processos de modelagem ou moldagem. Entre os vários processos, a moldagem por laminação é o mais simples para a fabricação de peças a partir da fibra de carbono sendo por isso bastante utilizado.

A partir deste princípio há várias técnicas disponíveis para diferentes resultados e aplicações. A existência de um molde é uma necessidade incontornável e, com base neste, podem-se utilizar de forma genérica as seguintes técnicas:

  • Wet layup – aplicação alternada de manta de Fibra de Carbono (material de reforço) com resina líquida (matriz) com posterior cura a determinada temperatura.
  • RTM (Resin Tranfer Moulding) – aplicação das mantas de Fibra de Carbono sobre o molde que de seguida são impregnadas com resina através da transferência desta por acção de vácuo provocado no interior do molde.
  • Prepreg – são mantas de fibra de carbono pré-impregnadas de resina (Prepreg) que têm de ser armazenadas a baixas temperaturas (-18ºC), que curam quando expostas a temperaturas que, consoante o tipo de Prepreg, variam normalmente entre os 80ºC e os 200ºC. 

  • Independentemente da técnica utilizada, a fibra de carbono e a resina deverão ser aplicadas tendo em conta o tipo, a quantidade e a forma como são distribuídas ao longo do molde, de modo a conferirem ao produto final as características pretendidas. A introdução de novas variáveis nos processos mencionados, como sejam a pressão e a temperatura, também permite manipular as características do produto final.  

  • Uma das grandes vantagens da utilização deste materiais compósitos é a possibilidade de manipular diferentes propriedades em função das diferentes solicitações, ou seja, possibilita por exemplo auferir num mesmo componente resistências mecânicas diversas. Esta característica permitiu, por exemplo, reduzir consideravelmente o número de peças que compõem um avião.
  • Outra grande vantagem da fibra de carbono são as suas propriedades refractárias excepcionais. A sua temperatura de vaporização chega aos 3.700°C e a sua resistência às modificações químicas e físicas é elevada mesmo  a altas temperaturas.
  • A investigação permanente na descoberta de novas fibras tem potenciado a sua aplicação nas mais diversas áreas. Como exemplo recente veja-se a descoberta efectuada por investigadores das Universidades do Texas (Estados Unidos) e Trinity College (Irlanda), que anunciaram a construção de uma nova fibra de carbono mais resistente do que qualquer outra fibra conhecida.

 

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Feitas de nanotubos de carbono, um dos mais promissores materiais no reino da nano-tecnologia, as novas fibras de carbono poderão um dia viabilizar a construção de tecidos para funcionar tanto como roupas quanto como baterias e sensores. A foto mostra as fibras (escuras) incorporadas num tecido comum.

 

 

 

 

 

Acredita-se que esta descoberta venha a permitir as mais diversas aplicações, onde se destacam:

  • Tecidos capazes de armazenar energia da mesma forma que uma bateria, podendo abastecer uma enorme diversidade de dispositivos electrónicos portáteis;
  • Músculos sintéticos capazes de gerar 100 vezes a força de um músculo natural do mesmo diâmetro;
  • Sensores capazes de monitorizar o movimento e a saúde de doentes em salas de emergência;
  • Fontes de energia para naves espaciais em longas viagens, através da conversão de energia térmica em energia eléctrica;
  • Fibras multifuncionais para micro-veículos a ar, dispositivos do tamanho de um insecto que poderão efectuar levantamentos e inspecções de áreas contaminadas antes de uma intervenção humana.

…e muitas outras aplicações em que possamos pensar.