UNIVERSIDADE TUIUTÍ DO PARANÁ Gilnei José Stepanski Ricardo Maury Gazzola Sigwalt MATERIAIS COMPOSTOS NA INDÚSTRIA AEROESPACIAL

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1 UNIVERSIDADE TUIUTÍ DO PARANÁ Gilnei José Stepanski Ricardo Maury Gazzola Sigwalt MATERIAIS COMPOSTOS NA INDÚSTRIA AEROESPACIAL CURITIBA 2008

2 2 UNIVERSIDADE TUIUTÍ DO PARANÁ Gilnei José Stepanski Ricardo Maury Gazzola Sigwalt MATERIAIS COMPOSTOS NA INDÚSTRIA AEROESPACIAL Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Tecnologia em Manutenção Aeronáutica da Faculdade de Ciências Aeronáuticas da Universidade Tuiutí do Paraná, como requisito parcial para a obtenção do grau de Tecnólogo Mecânico em Manutenção de Aeronaves. Orientador: José Marcos Pinto CURITIBA 2008

3 3 MATERIAIS COMPOSTOS NA INDÚSTRIA AEROESPACIAL CURITIBA 2008

4 4 TERMO DE APROVAÇÃO Gilnei José Stepanski Ricardo Maury Gazzola Sigwalt MATERIAIS COMPOSTOS NA INDÚSTRIA AEROESPACIAL Este trabalho de conclusão de curso foi julgado e aprovado para a obtenção do título de Tecnólogo Mecânico em Manutenção de Aeronaves no Curso de Tecnologia em Manutenção Aeronáutica da Universidade Tuiutí do Paraná. Curitiba, 03 de dezembro de Curso de Tecnologia em Manutenção Aeronáutica Universidade Tuiutí do Paraná Orientador: José Marcos Pinto Universidade Tuiutí do Paraná / Corpo docente

5 5 RESUMO Este trabalho faz uma análise do uso de materiais compostos na indústria aeroespacial, desde o seu inicio em 1930, sua evolução até os dias atuais, e comenta sobre as tendências de utilização futura. Explica detalhadamente o que são os materiais compostos, suas principais características, quais os principais compostos utilizados na industria aeroespacial e suas principais vantagens. Palavras-chave: composto; aeroespacial; fibra; matriz

6 6 ABSTRACT This work makes an analise of composite materials use on aerospace industry since the beginning in 1930, the evolution to the actuality, and comment about future use tendencies. Makes a detailed explanation about what are composite materials, main characteristics, most used composites in aerospace industry and your main advantages. Key-words: composite; aerospace; fiber; matrix

7 7 LISTA DE FIGURAS FIGURA 01 GRUMMAN X FIGURA 02 HAWKER 400XP FIGURA 03 PREMIER I FIGURA 04 DIREÇÃO DOS MATERIAIS ISO E ANISOTRÓPICOS FIGURA 05 ORIENTAÇÃO DO TECIDO NA FORMAÇÃO DE PLACAS FIGURA 06 RELAÇÃO PESO/VOLUME FIGURA 07 RESISTÊNCIA A RUPTURA FIGURA 08 MÓDULO DE ELASTICIDADE FIGURA 09 UTILIZAÇÃO DE FIBRA DE CARBONO FIGURA 10 DENSIDADE DAS FIBRAS FIGURA 11 RELAÇÃO DE CUSTO FIGURA 12 TENSÃO DE RESISTÊNCIA FIGURA 13 TENSÃO MODULAR FIGURA 14 DIFERENTES ESTILOS DE TECELAGEM FIGURA 15 TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NCF FIGURA 16 TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NC FIGURA 17 MECANISMO DE CURA DO TERMOFIXO FIGURA 18 VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES FIGURA 19 VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES FIGURA 20 UNIDIRECIONAL FIGURA 21 TECIDO FIGURA 22 VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG FIGURA 23 NÚCLEO HEXAGONAL FIGURA 24 NÚCLEO OX FIGURA 25 NÚCLEO FLEX FIGURA 26 FORMABILIDADE DO NÚCLEO FLEX FIGURA 27 NÚCLEO DOBLE FLEX FIGURA 28 NÚCLEO TUBULAR FIGURA 29 VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG FIGURA 30 AERONAVE BOEING FIGURA 31 AERONAVE BOEING

8 8 FIGURA 32 AERONAVE AIRBUS A FIGURA 33 AERONAVE AIRBUS A FIGURA 34 AERONAVE BOEING FIGURA 35 AERONAVE AIRBUS A FIGURA 36 UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE AIRBUS A FIGURA 37 AERONAVE BOEING 787 DREAMLINER FIGURA 38 UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE BOEING 787 DREAMLINER FIGURA 39 AERONAVE LANCAIR COLUMBIA FIGURA 40 AERONAVE LANCAIR FIGURA 41 EPIC AIRCRAFT ELITE FIGURA 42 AERONAVE BOEING F FIGURA 43 AERONAVE LOCKHEED F FIGURA 44 AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON FIGURA 45 AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON FIGURA 46 AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON FIGURA 47 HELICÓPTERO NH FIGURA 48 HELICÓPTERO TIGER FIGURA 49 HELICÓPTERO EC FIGURA 50 HELICÓPTERO MD FIGURA 51 UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM HELICÓPTEROS FIGURA 52 MOTOR GE FIGURA 53 UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM MOTORES FIGURA 54 FOGUETE ARIANE FIGURA 55 UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NO FOGUETE ARIANE

9 9 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO MATERIAIS COMPOSTOS INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS COMPOSTOS O QUE SÃO MATERIAIS COMPOSTOS? ONDE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS? PORQUE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS? CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS COMPOSTOS Orientação Comparativo de diferentes características de materiais PROPRIEDADES DAS FIBRAS E TECIDOS PRINCIPAIS TIPOS DE FIBRAS Fibra de carbono Fibra de grafite Fibra de vidro Fibra de boro Fibra de aramida QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DAS FIBRAS? QUAIS SÃO OS DIFERENTES TIPOS DE FORMAS DE TECIDO? QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS FATORES QUE AFETAM A ESCOLHA DO REFORÇO? QUAL A FUNÇÃO DA MATRIZ? QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DE DIFERENTES MATRIZES DE TERMOFIXOS? COMPARAÇÃO DAS MATRIZES EM TERMOS DE TEMPERATURA E PERFORMANCE MECÂNICA TECNOLOGIA PREPREG O QUE É PREPREG? PARA QUE É USADO O PREPREG? QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS TIPOS DE PREPREGS? PORQUE USAR PREPREG? O QUE É HONEYCOMB?... 35

10 CONFIGURAÇÕES DE CÉLULAS HONEYCOMB Núcleo hexagonal Núcleo OX Núcleo hexagonal reforçado Núcleo flex Núcleo doble-flex Núcleo tubular MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE HONEYCOMB Honeycomb em alumínio resistente a corrosão Honeycomb em fibra de vidro reforçada Honeycomb em fibra de aramida reforçada Honeycomb especiais ATRIBUTOS MAIS IMPORTANTES DE CADA TIPO DE MATERIAL COMPARAÇÃO E BENEFÍCIO DO HONEYCOMB X NÚCLEO DE MATERIAIS ALTERNATIVOS APLICAÇÃO DE HONEYCOMB HONEYCOMB COM PREPREG UTILIZAÇÃO DOS MATERIAIS COMPOSTOS AERONAVES CIVIS AERONAVES MILITARES HELICÓPTEROS MOTORES DE AERONAVES AGÊNCIA ESPACIAL CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 71

11 11 1. INTRODUÇÃO Materiais compostos não são uma novidade na aviação. Muitas aeronaves da década de 1930 foram construídas com um tipo de material composto bruto, formado por madeira, tecido, e resina. Hoje a tecnologia evoluiu e muitos são os tipos de compostos, bem como as informações. A idéia da realização desde trabalho, surgiu tendo como objetivo a coleta e estudo justamente de informações sobre o uso dos materiais compostos na indústria aeroespacial, em virtude da ausência de artigos ou demais informações relativas ao tema na língua portuguesa. O assunto é muito discutido no meio da aviação em geral, porém pouco conhecido de fato pela maioria das pessoas, devido a sua enorme abrangência e também complexidade de informações, o que acaba dificultando o entendimento dos que não trabalham diretamente no ramo de materiais e tornando o assunto um mito. Estudar-se-á detalhadamente o uso dos compostos, as informações sobre a sua manufatura, as vantagens em utilizá-los, onde utilizá-los, e far-se-á a abordagem de informações relevantes da maneira mais simples possível.

12 12 2. MATERIAIS COMPOSTOS 2.1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS COMPOSTOS Por muitos anos, Designers de aeronaves propuseram designs teóricos, os quais não podiam construir, por que os materiais necessários para a construção não existiam. A evolução da indústria aeroespacial, coincidiu com o desenvolvimento da tecnologia em materiais compostos. Desde as primeiras descobertas de Honeycomb (uma estrutura celular, feita de lâminas tanto de materiais metálicos quanto nãometálicos), malhas para composição de peças estruturais, e sistemas de resina, as empresas do ramo de materiais trabalharam sempre um passo a frente para atender a exigente demanda da indústria aeroespacial. Os compostos são os materiais mais importantes a serem usados na aviação, desde o inicio do uso de alumínio em Como o nome sugere, são a combinação, de dois ou mais materiais, orgânicos ou inorgânicos, estes, diferindo entre si na forma, e na composição. Os componentes interagem, um material serve como matriz, o qual funciona como a estrutura do material, e mantém todos os componentes ali agrupados, enquanto o(s) outro(s) material(is) serve(m) como reforço, em forma de fibras entrelaçadas na matriz. Atualmente, as matrizes mais comuns são as resinas chamadas thermoset ou termofixos, tal como epóxi, bismaleimida e poliamida. Os materiais de reforço podem ser, fibra de vidro, fibra de boro, fibra de carbono ou alguma outra mistura de materiais mais exóticos. Juntos, esses materiais compõe uma estrutura com qualidades bastante vantajosas, dentre elas alta razão resistência-peso, resistência contra a corrosão e fadiga, resistência a altas temperaturas, propriedades anti-chama, e suprema resistência a impactos.

13 13 A fabricação de estruturas em material composto, é mais complexa do que a da maioria dos materiais convencionais. Para fazer uma estrutura, o material composto propriamente dito, seja ele em forma de fita ou de tecido, é colocado em um molde sob determinada pressão e temperatura. A matriz de resina flui, e quando o calor é retirado, solidifica. O molde pode ter as mais diversas formas, e o método de fabricação é influenciado diretamente pelo uso que a estrutura terá, em alguns casos por exemplo, as fibras são colocadas de maneira bem mais justa entre si, a fim de aumentar a resistência. Uma propriedade muito útil dos compostos, é que eles podem ser construídos em diversas camadas, uma camada contendo a fibra em uma direção, outra, na direção oposta por exemplo. Isso possibilita aos engenheiros projetar uma estrutura, que ao ser forçada, dobrará para determinada direção, mas não para outra. Usando este atributo, os designers da Grumman Aircraft, desenvolveram o X-29 (Figura 01), aeronave experimental que utiliza este atributo dos materiais compostos em seu projeto de asas com enflexamento negativo, o que com materiais convencionais tendem a dobrar da ponta em direção a raiz quando em vôo. FIGURA 01 GRUMMAN X-29 FONTE:

14 14 Os atributos mais importantes a serem considerados quando se fala em materiais compostos, são ambos, baixo peso e força. Quanto maior o peso de uma aeronave, mais combustível ela consome, então reduzir o peso é importante para os engenheiros aeronáuticos. Em função da sua grande flexibilidade de design, uma peça que normalmente teria 4 ou 5 componentes de metal, unidos entre si para formar uma determinada forma e resistência, pode ser substituídos por apenas 1 componente, feito de material composto, com a mesma forma, e a mesma ou até superior resistência. Isto significa uma redução de peso, em alguns casos uma redução de custos, e uma alternativa eficiente para com o uso de materiais convencionais, eis um dos motivos pelo qual a cada novo projeto aeronáutico que emerge, a utilização de compostos aumenta. Para exemplificar, um jato leve como o Hawker 400XP (Figura 02) tem peças, enquanto o Premier I (Figura 03) tem apenas 5300 partes, menos da metade. FIGURA 02 HAWKER 400XP FONTE:

15 15 FIGURA 03 PREMIER I FONTE: No que diz respeito ao peso e resistência, William Jones que é diretor de tecnologia da RAC, salienta que [...] estruturas de material composto são, em média, de 25% a 30% mais leves do que as construídas em alumínio e possuem uma resistência três vezes maior a choques mecânicos. (JONES, 2005, p.45). As peças em composto costumam ser até 70% mais rígidas que as peças de alumínio. Isso dispensa o uso de reforços estruturais, longarinas e rebites na fuselagem, contribuindo ainda mais para a redução do peso total da aeronave. Paul Jonas, diretor de engenharia da Raytheon afirma que [...] outro fator importante é que os materiais compostos praticamente não sofrem os efeitos da corrosão e da fadiga, e sua manutenção também é fácil, utilizando técnicas simples de reparos. (JONAS, 2005, p.45). O material composto se tornou um diferencial competitivo na aviação pois proporcionou o aumento do tamanho da fuselagem, por exemplo, sem o aumento significativo dos custos de produção. Já são utilizados também na fabricação de componentes do sistema de propulsão, como palhetas de turbina e anéis de carenagem. Partes feitas de materiais compostos também têm requerido o desenvolvimento de novos métodos para teste de qualidade. Depois de removida da autoclave, a peça passa por exames com líquido penetrante, ultrasom, e raios-x

16 16 controlados por computador. Uma tecnologia recente, desenvolvida e testada pela Lockheed Martin, alia o teste de ultrasom a um novo método usando laser, o método mostrou-se mais eficiente, e rápido que os anteriores O QUE SÃO MATERIAIS COMPOSTOS? Materiais compostos, ou composite como são chamados na língua inglesa, são produtos fabricados através da combinação de dois ou mais diferentes materiais (como fibras e resinas) para criar um produto com excepcionais propriedades estruturais que não encontramos em materiais convencionais ONDE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS? A utilização foi pioneira na indústria aeroespacial (aeronaves, motores, satélites, foguetes) que procurou alternativas com alto desempenho e peso reduzido em relação aos materiais tradicionais. Os benefícios foram rapidamente aceitos também por outros segmentos (marítimo, ferroviário, automobilístico e desportivo) PORQUE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS? Os composites são utilizados no lugar de materiais convencionais, como madeira e metal, para alcançar sofisticadas necessidades como redução de peso e outras vantagens no desempenho. Embora os compostos sejam muitas vezes utilizados na substituição de metal ou madeira em projetos já existentes, máximos

17 17 benefícios são obtidos em componentes que têm sido projetados para o material composto CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS COMPOSTOS As fibras em um composto são fortes e firmes, e apóiam grande parte das cargas aplicadas. A matriz contribui principalmente para a temperatura de serviço, tenacidade e resistência do composto. Compostos unidirecionais têm predominantemente propriedades mecânicas em uma direção, chamados portanto de anisotrópicos. Materiais isotrópicos (a maioria dos metais) têm propriedades mecânicas iguais em todas as direções. A figura 04 demonstra as diferentes direções das propriedades para os materiais isotrópicos e anisotrópicos. FIGURA 04 DIREÇÃO DOS MATERIAIS ISO E ANISOTRÓPICOS FONTE: Manual Prepreg Technology -

18 Orientação As direções das fibras podem ser dispostas para atender necessidades de desempenho mecânico específico do composto variando a sua orientação. Na figura 05 podemos observar a orientação do tecido durante a formação de placas com direcionamento em apenas um sentido, ou em vários sentidos. FIGURA 05 ORIENTAÇÃO DO TECIDO NA FORMAÇÃO DE PLACAS FONTE: Manual Prepreg Technology Comparativo de diferentes características de materiais As características dos materiais compostos podem ser visualizadas nas figuras a seguir. A figura 06 mostra a relação peso/volume; a figura 07 a resistência a ruptura; a figura 08 o módulo de elasticidade.

19 19 FIGURA 06 RELAÇÃO PESO/VOLUME FONTE: Manual Prepreg Technology - FIGURA 07 RESISTÊNCIA A RUPTURA FONTE: Manual Prepreg Technology - FIGURA 08 MÓDULO DE ELASTICIDADE FONTE: Manual Prepreg Technology - maior rigidez. Os compostos apresentam vantagens como menor peso, maior dureza e

20 20 3. PROPRIEDADES DAS FIBRAS E TECIDOS 3.1. PRINCIPAIS TIPOS DE FIBRAS Fibra de carbono A fibra de carbono é utilizada (Figura 09) em uma ampla gama de aplicações principalmente no ramo aeroespacial, graças a sua capacidade de combinar baixo peso, alta resistência e alto módulo de elasticidade: o que é uma combinação impossível de ser obtida com aço ou qualquer outro metal. As principais características das fibras de carbono são: Propriedades mecânicas: densidade mais baixa que o metal, com maior resistência a tração e um maior módulo de elasticidade. Possui notáveis propriedades contra fadiga, desgaste e atrito; Propriedades térmicas: baixo coeficiente de expansão térmica e excepcional estabilidade dimensional. Mínima deterioração das propriedades mecânicas em elevadas temperaturas e baixa condutividade térmica em baixíssimas temperaturas; Propriedades elétricas e eletromagnéticas: a condutividade elétrica fornece efeito de blindagem eletromagnética; Propriedades químicas: Excelente estabilidade química, com notável resistência aos ácidos e vários solventes; Propriedades refratárias: sua temperatura de vaporização chega aos C, não sofrendo modificações físicas ou químicas;

21 21 É mais forte que o aço, mais leve que o alumínio e mais rígido que o titanio. FIGURA 09 UTILIZAÇÃO DE FIBRA DE CARBONO FONTE: Toho Tenax Catalogue Fibra de grafite A fibra de grafite, nada mais é que fibra de carbono. O que diferencia uma da outra é a temperatura a qual sofrem o tratamento térmico e a diferença do teor de carbono que cada uma possui Fibra de vidro Fibra de vidro é o nome dado tanto para a própria fibra quanto para o material composto chamado PRFV. O PRFV é composto de finos filamentos de vidro, que não são rígidos, altamente flexíveis, e quando adicionados a qualquer tipo de resina transforma-se no PRFV, ou seja, "Plástico Reforçado com Fibra de Vidro". As principais características são:

22 22 Alta resistência à tração, flexão e impacto, sendo muito empregados em aplicações estruturais; É leve e não conduz corrente elétrica, sendo utilizado também como isolante estrutural; Permite ampla flexibilidade de projeto, possibilitando a moldagem de peças complexas, grandes ou pequenas, sem emendas e com grande valor funcional e estético; Não enferruja e tem excepcional resistência a ambientes altamente agressivos; Os custos de manutenção são baixos devido à alta inércia química e resistência às intempéries, inerente ao material Fibra de boro A fibra de boro é produzida pelo processo de deposição de vapor químico. Ele pode ser depositado sobre um fio de tungstênio ou filete de grafite por exemplo. É usado em aplicações mecânicas especiais devido a sua alta resistência. Outras características da fibra de boro são: Baixa densidade, elevada resistência à tração e alto módulo de elasticidade; Extremamente rígido, em torno de cinco vezes maior que fibra de vidro; O custo tem limitado a utilização em aplicações aeroespaciais.

23 Fibra de aramida A fibra de aramida é um polímero resistente ao calor e sete vezes mais resistente que o aço por unidade de peso. Mais conhecida como Kevlar, marca registrada da DuPont, é largamente utilizado em construções aeronáuticas. Suas características são: Grande resistência, rigidez e baixo peso específico permitindo o uso de menos material para se obter as mesmas características mecânicas; É resistente a rachaduras; Aumenta a rigidez da estrutura; Possui alta absorção de energia e baixo alargamento; Não corrói em água doce ou salgada e é incombustível QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DAS FIBRAS? Materiais reforçados proporcionam compostos com performance mecânica: excelente dureza e resistência, boa propriedade térmica, elétrica e química, enquanto oferece significativa economia de peso comparado com os metais. A faixa de fibras é extensa. Os gráficos abaixo realçam os principais critérios para a seleção das fibras. A figura 10 apresenta a densidade para os diversos tipos de fibras, a figura 11 o custo, a figura 12 a tensão de resistência e a figura 13 a tensão modular.

24 24 FIGURA 10 DENSIDADE DAS FIBRAS FONTE: Manual Prepreg Technology - FIGURA 11 RELAÇÃO DE CUSTO FONTE: Manual Prepreg Technology -

25 25 FIGURA 12 TENSÃO DE RESISTÊNCIA FONTE: Manual Prepreg Technology - FIGURA 13 TENSÃO MODULAR FONTE: Manual Prepreg Technology -

26 QUAIS SÃO OS DIFERENTES TIPOS DE FORMAS DE TECIDO? As formas de tecido consistem de pelo menos dois fios que estão trançados juntos: a urdidura e a trama. Na figura 14 são apresentados os estilos de tecelagem, que podem variar de acordo com a ondulação e disposição das pregas. FIGURA 14 DIFERENTES ESTILOS DE TECELAGEM FONTE: Manual Prepreg Technology - Nas figuras 15 e 16 são apresentados os tecidos sem ondulação, formados com camadas unidirecionais montadas e costuradas. FIGURA 15 TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NCF FONTE: Manual Prepreg Technology -

27 27 FIGURA 16 TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NC2 FONTE: Manual Prepreg Technology QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS FATORES QUE AFETAM A ESCOLHA DO REFORÇO? Os reforços são produzidos em várias formas, e cada tipo oferece vantagens particulares conforme mostrado na tabela 01: TABELA 01 VANTAGEM DE CADA REFORÇO REFORÇO VANTAGENS APLICAÇÕES Fita Alta resistência e dureza em uma direção Estruturas primárias de Fibras de baixo peso 100 g/m 2 aeronaves UNIDIRECIONAL Corda simples Tira Adequado para filamentos sinuosos Largura muito estreita para disposição precisa da fibra (1mm) Alta resistência e dureza em uma direção Fibra de alto peso g/m 2 Processamento econômico Produtos esportivos Recipientes de pressão Eixo acionador Tubos Mastros de embarcações Esquis Tecido > 80% urdidura Para componentes que requerem predominante dureza e resistência em uma direção Boa manipulação Pesos de 160 a 1000 g/m 2 Palhetas de moinho de vento Indústria aeroespacial Esporte e lazer

28 28 TECIDO MULTIAXIAIS Trançado equilibrado Dureza e resistência em duas direções Ótimas características de manipulação Seleção de estilo de tecidos Possibilidade de mesclar fibras Pesos de 20 a 1000 g/m 2 NCF Economia de tempo, tecnologia de custo eficaz Dureza e resistencia em múltiplas direções Abilidade para otimizar distribuição de peso na manta de tecido Sem ondulação Processo com custo reduzido NC2 Igualmente ao NCF Filamentos de distribuição homogênea na produção da matriz: - Propriedades mecânicas melhoradas - Efeito do fluxo da resina aumentado FONTE: Manual Prepreg Technology - Indústria aeroespacial Esporte e lazer Grandes estruturas avançadas Aeroespacial Vigas de pisos Setor industrial 3.5. QUAL A FUNÇÃO DA MATRIZ? O papel da matriz é apoiar a fibra e a cola juntos ao material composto. Ela transfere quaisquer cargas aplicadas às fibras, deixam as fibras na sua posição e determinam a orientação. A matriz também da ao composto resistência e determina a máxima temperatura de serviço. Quando for escolhida, a máxima temperatura de serviço é um dos critérios de seleção. O mecanismo de cura do termofixo e o papel dos diferentes componentes da matriz são apresentados na figura 17. A cura pode ser simplesmente representada por pré-polímeros cujas posições de ligação formam cadeias e ligações cruzadas. Na prática, existem muitos constituintes e o processo de cura é mais complexo. Quando esse processo é concluído, o polímero é completamente curado.

29 29 FIGURA 17 MECANISMO DE CURA DO TERMOFIXO FONTE: Manual Prepreg Technology QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DE DIFERENTES MATRIZES DE TERMOFIXOS? Existem três principais tipos de matrizes: epóxi, fenólica e bismaleimida. A figura 18 indica as vantagens de cada tipo e aplicações típicas.

30 30 FIGURA 18 VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES FONTE: Manual Prepreg Technology -

31 COMPARAÇÃO DAS MATRIZES EM TERMOS DE TEMPERATURA E PERFORMANCE MECÂNICA As matrizes podem ser convenientemente classificadas de acordo com a temperatura de serviço apresentadas na tabela 02: TABELA 02 VANTAGEM DE CADA REFORÇO Tipo Temper. de serviço Características Fenólica ºC Excelentes propriedades ao fogo, fumaça e toxicidade Sistemas epóxi altamente endurecidoa geralmente Epoxi 100ºC apresentam boa aderência para colagem de honeycomb Epoxi ºC Sistemas de epóxi endurecidos visando o máximo de Bismaleimida (BMI) e poliamida 260ºC FONTE: Manual Prepreg Technology - propriedades relacionadas ao calor e umidade Longos ciclos de cura necessários para obter melhores propriedades. Resistência a temperatura, enquanto preserva a manipulação e qualidades de resistência. FIGURA 19 VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES FONTE: Manual Prepreg Technology -

32 32 4. TECNOLOGIA PREPREG 4.1. O QUE É PREPREG? Prepreg é um material composto feito combinando a alta performance do reforço das fibras ou ainda fabricado com matriz de resina de termoplástico ou termofixo. Quando curado sobre alta temperatura e pressão, excepcionais propriedades estruturais são alcançadas. Nas figuras a seguir estão disponíveis as formas de prepreg. Figura 20: unidirecional (apenas uma direção do reforço) e Figura 21: Tecido (várias direções de reforço). FIGURA 20 UNIDIRECIONAL FONTE: Manual Prepreg Technology -

33 33 FIGURA 21 TECIDO FONTE: Manual Prepreg Technology PARA QUE É USADO O PREPREG? É utilizado para uma ampla gama de aplicações que requerem alta resistência e rigidez, combinados com baixo peso. A indústria aeroespacial foi pioneira na utilização desse material, que hoje está sendo explorado para a construção de materiais esportivos, barcos, carros de fórmula1 e também em pás de turbinas eólicas QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS TIPOS DE PREPREGS? São baseados em quatro tipos principais de matrizes: epóxi, fenólica, bismaleimida e cianato éster. Reforços incluem carbono, vidro, aramida e fibras híbridas tecidas/trançadas ou unidirecionais.

34 PORQUE USAR PREPREG? Dois principais critérios influenciam a seleção de prepreg para uma aplicação particular: performance e custo. A figura 22 mostra as vantagens do uso de prepreg. FIGURA 22 VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG FONTE: Manual Prepreg Technology -

35 35 5. O QUE É HONEYCOMB? Honeycomb é um material leve, disponível em uma ampla gama de materiais e configurações celulares, fornecidos em forma de lâminas, em blocos para alongamento pelo cliente e honeycomb especiais. O Honeycomb é usado como componente semi-acabado na fabricação de peças e estruturas compostas. Possui tolerâncias dimensionais precisas, que permitem eliminar estágios subseqüentes de fabricação ou processo. Existem em torno de 700 variações de honeycomb disponíveis em uma vasta abrangência de materiais e configurações de células, e produtos adicionais estão sendo continuamente desenvolvidos em resposta a nova utilização da construção de honeycomb. Na tabela 03 podemos notar como uma estrutura de honeycomb pode ser reforçada sem aumentar substancialmente o seu peso. TABELA 03 RELAÇÃO REFORÇO X PESO Lâmina de metal sólido Sanduíche Sanduíche espesso Rigidez 100 Resistência 100 Peso vezes mais rígida 350 3,5 vezes mais forte 103 3% aumento de peso FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties vezes mais rígido 925 9,25 vezes mais forte 106 6% aumento de peso

36 CONFIGURAÇÕES DE CÉLULAS HONEYCOMB Núcleo hexagonal Honeycomb hexagonal, apresentado na figura 23, é a básica e mais comum configuração celular de honeycomb, e está disponível em todos os materiais metálicos e não metálicos. FIGURA 23 NÚCLEO HEXAGONAL FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties Núcleo OX A configuração OX, apresentado na figura 24, é uma configuração hexagonal que foi expandida na direção W, proporcionando uma configuração que facilita a dobra ou formação na direção L. O núcleo OX aumenta as propriedades de cisalhamento em W.

37 37 FIGURA 24 NÚCLEO OX FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties Núcleo hexagonal reforçado Honeycomb hexagonal reforçado possui uma lâmina de material substrato colocado juntos na direção dos nós para aumentar as propriedades mecânicas Núcleo flex A configuração de célula com núcleo flex, apresentado na figura 25, prevê excepcional formabilidade (Figura 26) em curvas compostas sem flexão da parede celular. Raios de curvatura muito apertados são facilmente formados. Quando formado em raios apertados, o núcleo flex oferece maior força de cisalhamento quando comparado com núcleo hexagonal ou densidade equivalente. O núcleo flex é fabricado de alumínio, folha de aramida, e substratos de fibra de vidro.

38 38 FIGURA 25 NÚCLEO FLEX FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - FIGURA 26 FORMABILIDADE DO NÚCLEO FLEX FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties Núcleo doble-flex Double-flex, apresentado na figura 27, é a única grande configuração celular de núcleo flex para excelente formabilidade e alta propriedade de compressão.

39 39 Double-Flex é a mais maleável (propriedade de formabilidade) configuração de célula. FIGURA 27 NÚCLEO DOBLE FLEX FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties Núcleo tubular A configuração de núcleo tubular, figura 28, proporciona um sistema de absorção de energia quando o espaço envolvido requer uma coluna ou cilindros de pequeno diâmetro. O projeto elimina o prejuízo pela força de esmagamento que ocorre nas bordas convencionais de honeycomb. Núcleo tubular é construído de lâminas alternadas de alumínio plano e folhas de alumínio onduladas envolvidos em torno de uma haste e adesivamente coladas. Diâmetros exteriores podem variar de 1/2 a 30 polegadas e comprimento de 1/2 a 36 polegadas.

40 40 FIGURA 28 NÚCLEO TUBULAR FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE HONEYCOMB Honeycomb em alumínio resistente a corrosão Revestimentos resistentes a corrosão consistem de uma camada base encoberto de uma camada de primer. Honeycomb em alumínio está disponível em duas diferentes opções de revestimentos resistentes a corrosão: CR III Cromato base, que é utilizado pelos militares norte-americanos a mais de 30 anos; CR-PAA ácido fosfórico anodizado, que possui resistência superior em ambientes salinos, a propagação de rachadura, e utilizado em ambientes quentes e úmidos. O revestimento resistente a corrosão é aplicado na lamina antes da resina ser aplicada, garantindo assim proteção à corrosão a toda a superfície.

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