WG18: Cooperative Systems

O desenvolvimento das resinas fenólicas (Bakelite) por volta de 1908 permitiu na década de 1920 o surgimento da fórmica (laminado de papel com resina fenólica aplicado a revestimentos), precursora dos compósitos poliméricos (plásticos reforçados com fibras). Na busca contínua por melhorias, outras matrizes poliméricas termoendurecíveis como poliésteres, epóxis, poliamidas e siliconas surgiram neste cenário (SANTOS, S. J. H, 2008). Quanto aos reforços, uma das primeiras famílias usadas foram as fibras de vidro (1889). Estas fibras foram produzidas na França, mas apresentavam uma baixa resistência à abrasão, tornando-se inadequadas. Mas, nos anos 30, surgem novamente as fibras de vidro tipo E. Estas fibras foram produzidas para funcionar como fitas isolantes elétricas e suportar altas temperaturas. Logo em seguida, vieram as fibras de boro (1966) e as de carbono (1968) com disponibilidades mercadológicas. E, por último, as fibras de aramida tornaram-se disponíveis em 1972 (SANTOS, S. J. H, 2008).

Em 1943, o uso de matriz polimérica (poliéster) reforçada com fibras de vidro foi aplicado na construção da fuselagem traseira de um avião de treino nos Estados Unidos. Entretanto, a incorporação definitiva dos materiais compósitos de alto desempenho na indústria aeroespacial aconteceu na década de 60. Com o desenvolvimento de fibras, os projetistas tiveram a oportunidade de desenvolver peças que atendessem às necessidades de desempenho das aeronaves em vôo e veículos de reentrada (REZENDE, M. C, BOTELHO, S. J. H, 2000; SANTOS, S. J. H, 2008).

Com a união entre matrizes poliméricas e fibras de carbono, iniciou-se uma nova classe de materiais compósitos capaz de suportar ambientes altamente agressivos. Estes compósitos

denominados compósitos carbono/carbono (compósitos de Carbono Reforçado com Fibras de Carbono- CRFC (Figura 29)) foram produzidos em reatores de infiltração de vapor químico (CVI), um processo derivado do CVD. Esta nova classe de material consegue suportar altíssimas temperaturas (≅ 4200ºC), conferindo proteção térmica para estruturas submetidas 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 (REZENDE, M. C, BOTELHO, S. J. H, 2000; LEVTARD, D. et. al. 2002; BOURRAT, X. et. al. 2006). A Figura 29 (b) mostra a superfície de um material CRFC após o uso em ambientes agressivos e de alta temperatura. O compósito mostra uma corrosão no formato de ondas nas fibras de carbono e a ausência de matriz carbônica.

(a) (b)

Figura 29 – Imagens MEV de compósitos carbono/carbono: (a) fibras de carbono adensadas por resina fenólica em um processo CVI; (b) superfície do compósito após erosão por ablação em altas temperaturas (retiradas de BOURRAT, X. et. al. 2006).

Impulsionados pelas corridas armamentistas e espaciais, novos desenvolvimentos foram feitos na área de compósitos carbono/carbono, com maior resistência à oxidação, garantindo o seu uso em gargantas de tubeiras de foguetes impulsionados à base de propelente sólido e cones de exaustão de aeronaves. Novas oportunidades de desenvolvimento de estruturas de alto desempenho e com baixo peso permitiram a melhoria de áreas estratégicas de defesa, como na área de mísseis, foguetes e aeronaves de geometrias complexas (REZENDE, M. C, BOTELHO, S. J. H, 2000; SANTOS, 2001). Os conflitos armados foram propulsores de novas tecnologias. Um exemplo foi o lançamento da aeronave de caça F-117 (Figura 30) na guerra entre os Estados Unidos e o Iraque. Um novo conceito de estrutura para este tipo de aeronave foi apresentado, sua construção foi baseada em compósitos de fibras de carbono com matrizes epóxi e bismaleimida, conferindo ao avião uma capacidade de baixa detecção por radares. Esta grande vantagem está

associada ao uso de materiais compósitos e revestimentos específicos, que favorecem a absorção da radiação eletromagnética na faixa de microondas e à sua forma geométrica (REZENDE, M. C, BOTELHO, S. J. H, 2000).

Figura 30 - Foto da aeronave de caça F-117A Nighthawk (retirado do site Poder Aéreo, 2009) O progresso da indústria aeroespacial na elaboração e aplicação de compósitos avançados despertou o interesse de outros setores por estas estruturas. Áreas como a engenharia biomédica buscam estas inovações para solucionar ou melhorar problemas recorrentes de seus interesses. Essas inovações têm potencializado também o uso desses materiais compósitos nos setores de transporte, artigos esportivos e médicos (ENDO, M. et. al, 2007).

Nesse contexto, o Brasil tem ampliado sua experiência de inovação na aplicação dos compósitos estruturais, principalmente, no setor aeronáutico, utilizando esse 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 (REZENDE, M. C, BOTELHO, S. J. H, 2000; SANTOS, 2001).

5.1.1 Características dos compósitos aplicados ao setor aeroespacial

A indústria aeroespacial tem uma constante preocupação com a confiabilidade de suas estruturas. Na busca de conferir propriedades superiores aos seus compósitos estruturais, esses

materiais são produzidos com fibras longas, visando à máxima transferência das propriedades mecânicas da fibra para o compósito. Entretanto, algumas estruturas têm geometrias complexas, dificultando seu processo de obtenção. Uma alternativa para a produção de estruturas complexas é a combinação de pré-formas de fibras secas e picadas a processos de transferência de resina, com aplicações em estruturas de menor solicitação como as estruturas secundárias (REZENDE, M. C, BOTELHO, S. J. H, 2000).

5.1.2 Vantagens do uso de materiais compósitos

A demanda por materiais compósitos cresce a cada dia na indústria aeroespacial. O surgimento dos polímeros reforçados com fibras de carbono proporcionou compósitos com maiores valores de resistência mecânica e de rigidez específicas entre os materiais disponíveis. A substituição do alumínio por compósitos poliméricos estruturais, por exemplo, permite uma redução de peso de 20 a 30%, além de 25% na redução do custo final de obtenção das peças (REZENDE, M. C, BOTELHO, S. J. H, 2000). A classe dos compósitos carbono/carbono termoestruturados com suas propriedades de suportar altas temperaturas, oferecendo proteção térmica, é uma grande aliada para romper obstáculos de componentes exigidos em altas temperaturas e corrosão (LEVTARD, D. et. al. 2002; BOURRAT, X. et. al. 2006).

5.1.3 Desvantagens do uso de materiais compósitos

Existem barreiras a serem superadas. As aplicações dos materiais carbonosos apresentam limitações correlacionadas à baixa deformação na ruptura, alta sensibilidade a imperfeições, anisotropia, variabilidade nas propriedades, dificuldades no processo de obtenção de componentes de grandes dimensões e formatos complexos e elevado custo. (REZENDE, M. C, BOTELHO, S. J. H, 2000).