UNIVERSIDADE TUIUTÍ DO PARANÁ
Gilnei José Stepanski
Ricardo Maury Gazzola Sigwalt
MATERIAIS COMPOSTOS NA INDÚSTRIA AEROESPACIAL
CURITIBA
2008
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
MATERIAIS COMPOSTOS NA INDÚSTRIA AEROESPACIAL
CURITIBA
2008
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 2008.
________________________________________
Curso de Tecnologia em Manutenção Aeronáutica
Universidade Tuiutí do Paraná
Orientador: José Marcos Pinto
Universidade Tuiutí do Paraná / Corpo docente
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
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
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 01 – GRUMMAN X-29 ................................................................................ 13
FIGURA 02 – HAWKER 400XP ................................................................................ 14
FIGURA 03 – PREMIER I.......................................................................................... 15
FIGURA 04 – DIREÇÃO DOS MATERIAIS ISO E ANISOTRÓPICOS ..................... 17
FIGURA 05 – ORIENTAÇÃO DO TECIDO NA FORMAÇÃO DE PLACAS ............... 18
FIGURA 06 – RELAÇÃO PESO/VOLUME ................................................................ 19
FIGURA 07 – RESISTÊNCIA A RUPTURA .............................................................. 19
FIGURA 08 – MÓDULO DE ELASTICIDADE ........................................................... 19
FIGURA 09 – UTILIZAÇÃO DE FIBRA DE CARBONO ............................................ 21
FIGURA 10 – DENSIDADE DAS FIBRAS ................................................................. 24
FIGURA 11 – RELAÇÃO DE CUSTO ....................................................................... 24
FIGURA 12 – TENSÃO DE RESISTÊNCIA .............................................................. 25
FIGURA 13 – TENSÃO MODULAR .......................................................................... 25
FIGURA 14 – DIFERENTES ESTILOS DE TECELAGEM ........................................ 26
FIGURA 15 – TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NCF ..................................... 26
FIGURA 16 – TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NC2 ..................................... 27
FIGURA 17 – MECANISMO DE CURA DO TERMOFIXO ........................................ 29
FIGURA 18 – VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES ........................................ 30
FIGURA 19 – VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES ........................................ 31
FIGURA 20 – UNIDIRECIONAL ................................................................................ 32
FIGURA 21 – TECIDO .............................................................................................. 33
FIGURA 22 – VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG ................................. 34
FIGURA 23 – NÚCLEO HEXAGONAL ...................................................................... 36
FIGURA 24 – NÚCLEO OX ....................................................................................... 37
FIGURA 25 – NÚCLEO FLEX ................................................................................... 38
FIGURA 26 – FORMABILIDADE DO NÚCLEO FLEX .............................................. 38
FIGURA 27 – NÚCLEO DOBLE FLEX ...................................................................... 39
FIGURA 28 – NÚCLEO TUBULAR ........................................................................... 40
FIGURA 29 – VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG ................................. 47
FIGURA 30 – AERONAVE BOEING 767 .................................................................. 48
FIGURA 31 – AERONAVE BOEING 777 .................................................................. 49
8
FIGURA 32 – AERONAVE AIRBUS A340 ................................................................ 50
FIGURA 33 – AERONAVE AIRBUS A340-600 ......................................................... 51
FIGURA 34 – AERONAVE BOEING 777 .................................................................. 52
FIGURA 35 – AERONAVE AIRBUS A380 ................................................................ 53
FIGURA 36 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE AIRBUS A380 ...... 53
FIGURA 37 – AERONAVE BOEING 787 DREAMLINER .......................................... 54
FIGURA 38 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE BOEING 787
DREAMLINER ........................................................................................................... 54
FIGURA 39 – AERONAVE LANCAIR COLUMBIA 400 ............................................. 55
FIGURA 40 – AERONAVE LANCAIR 320 ................................................................ 55
FIGURA 41 – EPIC AIRCRAFT ELITE ...................................................................... 56
FIGURA 42 – AERONAVE BOEING F-18 ................................................................. 58
FIGURA 43 – AERONAVE LOCKHEED F-22 ........................................................... 58
FIGURA 44 – AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON .......................................... 59
FIGURA 45 – AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON .......................................... 60
FIGURA 46 – AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON .......................................... 60
FIGURA 47 – HELICÓPTERO NH-90 ....................................................................... 61
FIGURA 48 – HELICÓPTERO TIGER ...................................................................... 61
FIGURA 49 – HELICÓPTERO EC-135 ..................................................................... 62
FIGURA 50 – HELICÓPTERO MD-900 .................................................................... 62
FIGURA 51 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM HELICÓPTEROS ..................... 63
FIGURA 52 – MOTOR GE90 .................................................................................... 64
FIGURA 53 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM MOTORES ............................... 65
FIGURA 54 – FOGUETE ARIANE 5 ......................................................................... 67
FIGURA 55 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NO FOGUETE ARIANE 5 ............... 68
9
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 11
2. MATERIAIS COMPOSTOS ............................................................................ 12
2.1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS COMPOSTOS ........................................... 12
2.2. O QUE SÃO MATERIAIS COMPOSTOS? ...................................................... 16
2.3. ONDE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS? ................................. 16
2.4. PORQUE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS? ............................ 16
2.5. CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS COMPOSTOS .................................. 17
2.5.1. Orientação ...................................................................................................... 18
2.5.2. Comparativo de diferentes características de materiais ................................. 18
3. PROPRIEDADES DAS FIBRAS E TECIDOS ................................................ 20
3.1. PRINCIPAIS TIPOS DE FIBRAS .................................................................... 20
3.1.1. Fibra de carbono ............................................................................................. 20
3.1.2. Fibra de grafite ................................................................................................ 21
3.1.3. Fibra de vidro .................................................................................................. 21
3.1.4. Fibra de boro .................................................................................................. 22
3.1.5. Fibra de aramida ............................................................................................. 23
3.2. QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DAS FIBRAS? .......................................... 23
3.3. QUAIS SÃO OS DIFERENTES TIPOS DE “FORMAS DE TECIDO”? ............. 26
3.4. QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS FATORES QUE AFETAM A ESCOLHA DO
REFORÇO? .................................................................................................... 27
3.5. QUAL A FUNÇÃO DA MATRIZ? ..................................................................... 28
3.6. QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DE DIFERENTES MATRIZES DE
TERMOFIXOS? .............................................................................................. 29
3.7. COMPARAÇÃO DAS MATRIZES EM TERMOS DE TEMPERATURA E
PERFORMANCE MECÂNICA ........................................................................ 31
4. TECNOLOGIA PREPREG ............................................................................. 32
4.1. O QUE É PREPREG? ..................................................................................... 32
4.2. PARA QUE É USADO O PREPREG? ............................................................. 33
4.3. QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS TIPOS DE PREPREGS? ................................. 33
4.4. PORQUE USAR PREPREG? ......................................................................... 34
5. O QUE É HONEYCOMB? .............................................................................. 35
10
5.1. CONFIGURAÇÕES DE CÉLULAS HONEYCOMB ......................................... 36
5.1.1. Núcleo hexagonal ........................................................................................... 36
5.1.2. Núcleo OX ...................................................................................................... 36
5.1.3. Núcleo hexagonal reforçado ........................................................................... 37
5.1.4. Núcleo flex ...................................................................................................... 37
5.1.5. Núcleo doble-flex ............................................................................................ 38
5.1.6. Núcleo tubular ................................................................................................. 39
5.2. MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE HONEYCOMB .................................. 40
5.2.1. Honeycomb em alumínio resistente a corrosão .............................................. 40
5.2.2. Honeycomb em fibra de vidro reforçada ......................................................... 41
5.2.3. Honeycomb em fibra de aramida reforçada .................................................... 42
5.2.4. Honeycomb especiais ..................................................................................... 43
5.3. ATRIBUTOS MAIS IMPORTANTES DE CADA TIPO DE MATERIAL ............. 44
5.4. COMPARAÇÃO E BENEFÍCIO DO HONEYCOMB X NÚCLEO DE MATERIAIS
ALTERNATIVOS ............................................................................................ 45
5.5. APLICAÇÃO DE HONEYCOMB ..................................................................... 46
5.6. HONEYCOMB COM PREPREG ..................................................................... 47
6. UTILIZAÇÃO DOS MATERIAIS COMPOSTOS ............................................ 48
6.1. AERONAVES CIVIS ....................................................................................... 48
6.2. AERONAVES MILITARES .............................................................................. 57
6.3. HELICÓPTEROS ............................................................................................ 60
6.4. MOTORES DE AERONAVES ......................................................................... 64
6.5. AGÊNCIA ESPACIAL ..................................................................................... 66
7. CONCLUSÃO ................................................................................................. 70
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 71
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
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 não-
metálicos), 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 1920. 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
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: www.fas.org
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
15000 peças, enquanto o Premier I (Figura 03) tem apenas 5300 partes, menos da
metade.
FIGURA 02 – HAWKER 400XP
FONTE: www.airliners.net
15
FIGURA 03 – PREMIER I
FONTE: www.airliners.net
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
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.
2.2. 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.
2.3. 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).
2.4. 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
benefícios são obtidos em componentes que têm sido projetados para o material
composto.
2.5. 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 - www.hexcel.com
18
2.5.1. 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 - www.hexcel.com
2.5.2. 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
FIGURA 06 – RELAÇÃO PESO/VOLUME
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
FIGURA 07 – RESISTÊNCIA A RUPTURA
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
FIGURA 08 – MÓDULO DE ELASTICIDADE
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
Os compostos apresentam vantagens como menor peso, maior dureza e
maior rigidez.
20
3. PROPRIEDADES DAS FIBRAS E TECIDOS
3.1. PRINCIPAIS TIPOS DE FIBRAS
3.1.1. 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
3.700 °C, não sofrendo modificações físicas ou químicas;
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 - http://www.carbonfiber.gr.jp/english/index.html
3.1.2. 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.
3.1.3. 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
• 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.
3.1.4. 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
3.1.5. 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.
3.2. 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
FIGURA 10 – DENSIDADE DAS FIBRAS
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
FIGURA 11 – RELAÇÃO DE CUSTO
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
25
FIGURA 12 – TENSÃO DE RESISTÊNCIA
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
FIGURA 13 – TENSÃO MODULAR
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
26
3.3. 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 - www.hexcel.com
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 - www.hexcel.com
27
FIGURA 16 – TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NC2
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
3.4. 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
UN
IDIR
EC
ION
AL
Fita • Alta resistência e dureza em uma direção • Fibras de baixo peso ≈ 100 g/m2
Estruturas primárias de aeronaves
Produtos esportivos
Corda simples
• Adequado para filamentos sinuosos • Largura muito estreita para disposição precisa da
fibra (1mm)
Recipientes de pressão
Eixo acionador
Tubos Tira • Alta resistência e dureza em uma direção
• Fibra de alto peso ≈ 500 - 1500 g/m2 • Processamento econômico
Mastros de embarcações
Esquis
Palhetas de moinho de vento Tecido > 80% urdidura
• Para componentes que requerem predominante dureza e resistência em uma direção
• Boa manipulação • Pesos de 160 a 1000 g/m2
Indústria aeroespacial
Esporte e lazer
28
TE
CID
O 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/m2
Indústria aeroespacial
Esporte e lazer
MU
LT
IAX
IAIS
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
Grandes estruturas avançadas
Aeroespacial
Vigas de pisos
Setor industrial
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 - www.hexcel.com
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
FIGURA 17 – MECANISMO DE CURA DO TERMOFIXO
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
3.6. 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
FIGURA 18 – VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
31
3.7. 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 80-100ºC Excelentes propriedades ao fogo, fumaça e toxicidade
Epoxi 100ºC Sistemas epóxi altamente endurecidoa geralmente apresentam boa aderência para colagem de honeycomb
Epoxi 130-155ºC Sistemas de epóxi endurecidos visando o máximo de propriedades relacionadas ao calor e umidade
Bismaleimida (BMI) e poliamida 260ºC
Longos ciclos de cura necessários para obter melhores propriedades. Resistência a temperatura, enquanto preserva a manipulação e qualidades de resistência.
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
FIGURA 19 – VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
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 - www.hexcel.com
33
FIGURA 21 – TECIDO
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
4.2. 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.
4.3. 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
4.4. 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 - www.hexcel.com
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 100 700 7 vezes mais rígida
3700 37 vezes mais
rígido
Resistência 100 350 3,5 vezes mais forte
925 9,25 vezes mais
forte
Peso 100 103
3% aumento de peso
106 6% aumento de
peso FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com
36
5.1. CONFIGURAÇÕES DE CÉLULAS HONEYCOMB
5.1.1. 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 - www.hexcel.com
5.1.2. 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
FIGURA 24 – NÚCLEO OX
FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com
5.1.3. Núcleo hexagonal reforçado
Honeycomb hexagonal reforçado possui uma lâmina de material substrato
colocado juntos na direção dos nós para aumentar as propriedades mecânicas.
5.1.4. 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
FIGURA 25 – NÚCLEO FLEX
FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com
FIGURA 26 – FORMABILIDADE DO NÚCLEO FLEX
FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com
5.1.5. 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
Double-Flex é a mais maleável (propriedade de formabilidade) configuração de
célula.
FIGURA 27 – NÚCLEO DOBLE FLEX
FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com
5.1.6. 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
FIGURA 28 – NÚCLEO TUBULAR
FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com
5.2. MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE HONEYCOMB
5.2.1. 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.
41
Honeycomb em alumínio estão disponíveis em duas séries para o ramo
aeroespacial:
• Liga 5052 – Está disponível para uso em aplicações diversas, em uma vasta
gama de combinações de tamanho/densidade de células nas configurações
Núcleo Hexagonal e Núcleo Flex. Configuração de Núcleo OX também pode
ser produzida.
• Liga 5056 – Oferece resistência superior comparada com a liga 5052. Está
também disponível em uma ampla gama de combinação de
tamanho/densidade nas configurações Núcleo Hexagonal e Núcleo Flex. As
propriedades de resistência comparada com a liga 5052 é 20% maior quando
comparadas com tamanho de célula, dimensão da lamina e densidade.
5.2.2. Honeycomb em fibra de vidro reforçada
As configurações para honeycomb em fibra de vidro reforçada são:
• HRP: É um honeycomb revestido com tecido de fibra de vidro mergulhado em
uma resina fenólica resistente ao calor para atingir sua densidade final. Esse
produto foi desenvolvido para uso em serviço de temperaturas até 177°C
(350°F). No entanto, também é bem adequado para curtas exposições a
temperaturas altas. O honeycomb série HRP está disponível na configuração
padrão hexagonal, assim como nas configurações Núcleo OX e Núcleo Flex.
• HFT: É um honeycomb revestido com tecido de fibra de vidro que incorpora
um uma cinta de fibras a ± 45° mergulhado em uma resina fenólica resistente
42
ao calor para atingir sua densidade final. Este material é recomendado para
uso em serviços com temperaturas até 177°C (350°F), mas está bem
adaptada para exposições curtas em temperaturas maiores. Essa
configuração melhora as propriedades relacionadas ao cisalhamento. HFT
possui um elevado módulo de cisalhamento que o HRP.
• HRH-327: É um tecido em fibra de vidro e poliamida, mergulhado em uma
resina de poliamida para atingir sua densidade final. Este material foi
desenvolvido para serviços prolongados em temperaturas até 260°C (500°F)
com a capacidade de alcançar por curto tempo temperatura de 370°C
(700°F).
• HDC-F: É um honeycomb de forte densidade do núcleo que oferece
avançadas propriedades relacionadas à compressão do material.
5.2.3. Honeycomb em fibra de aramida reforçada
As configurações para fibra em aramida reforçada são:
• HRH-10: Este produto é constituído de folha de fibra de aramida mergulhado
em uma resina fenólica resistente ao calor para atingir sua densidade final.
Ela apresenta alta resistência e tenacidade e baixa densidade em núcleo não
metálico. Está disponível nas configurações núcleo OX e Flex. É resistente ao
fogo e recomendado para serviços até 177°C (350°F).
• HRH-310: É produzida da mesma folha de fibra de aramida descrita acima,
exceto o mergulho em resina de poliamida para atingir densidade final. É
43
produzido em configuração de núcleo hexagonal e núcleo OX. Suas
características proeminentes são relativamente, baixa propriedade dielétrica.
• HRH-49: É feito a partir de kevlar 49 (Nome comercial da fibra de aramida
registrada pela DuPont) impregnado com resina epóxi. As vantagens do
honeycomb de kevlar 49 são: excelente estabilidade térmica e relativamente
baixo coeficiente de expansão térmica.
5.2.4. Honeycomb especiais
• HFT-G: É um honeycomb reforçado feito de fibra de carbono, mergulhado em
uma resina fenólica ou resina de poliamida para atingir sua densidade final.
Este produto foi desenvolvido para uso em serviços de temperaturas até
260°C (500°F). No entanto, é bem adequado para curtas exposições a
altíssimas temperaturas. Possui um grande coeficiente de expansão térmica e
um alto valor de módulo de cisalhamento.
• TPU: É um honeycomb construído de termoplástico de poliuretano. Possui
propriedades únicas de resistência a fadiga e flexibilidade.
• Micro-Cell: Está disponível em ligas de alumínio 5052 e 5056 e HRH-10. Foi
desenvolvido para sistemas de direcionamento de ar e para utilização em
painéis estruturais onde a redução de ondulações e deformidades da
cobertura superficial são requeridas.
• Acousti-Core: Consiste de honeycomb preenchido com fragmentos de fibra de
vidro que absorvem ondas sonoras. Qualquer material para colméia pode ser
usado, os mais comuns são HRH-10 e o alumínio.
44
5.3. ATRIBUTOS MAIS IMPORTANTES DE CADA TIPO DE MATERIAL
Cada um dos materiais utilizados na fabricação de honeycomb tem
vantagens específicas que são fundamentais para sua aplicação. Em termos gerais,
algumas das propriedades de cada matérial, seguem abaixo:
Honeycomb em alumínio
• Custo relativamente baixo;
• Melhor absorção de energia;
• Maior relação peso/resistência;
• Célula com paredes mais finas;
• Célula com paredes lisas, sem saliência;
• Condutor de transferência de calor;
• Blindagem elétrica.
Honeycomb em fibra de aramida
• retarda inflamabilidade/fogo;
• Elevada gama de tamanho de células, densidades e resistência;
• Isolador;
• Baixa propriedade dielétrica.
Honeycomb em carbono
• Estabilidade dimensional e o material proporciona que ela se mantenha;
• Performance em altas temperaturas;
• Propriedade para manter a resistência;
45
• Muito baixo coeficiente de expansão térmica;
• Alto módulo de cisalhamento;
Honeycomb em poliuretano
• Não é afetado pela umidade;
• Protege contra choques;
• Resistência a fadiga;
• Opção para escolha de cores.
5.4. COMPARAÇÃO E BENEFÍCIO DO HONEYCOMB X NÚCLEO DE MATERIAIS
ALTERNATIVOS
Diversos materiais diferentes de honeycomb são utilizados também como
núcleo. Eles são na grande maioria a base de madeira e espumas. As vantagens do
honeycomb em relação aos materiais alternativos são apresentadas na tabela 04:
TABELA 04 – COMPARAÇÃO DE MATERIAIS ALTERNATIVO COM HONEYCOMB MATERIAL PROPRIEDADE VANTAGENS DO HONEYCOMB ESPUMA PVC Relativamente baixa resistência e
rigidez ao esmagamento Excelente resistência e rigidez ao esmagamento
Polymethacrylimide Crescimento de stress com o aumento de esforço
Constante resistência ao esmagamento
Poliuretano Pode facilmente se desfazer Integridade estrutural
Poliestireno Possui limite de força aplicada Alta resistência disponível Fenólica Fadiga Alta resistência a fadiga PES Não pode ser formado em curva Configurações de núcleo OX e FLEX
possibilitam curvatura MADEIRA Compensado Densidade muito intensa Excelente relação resistência/peso Balsa Sujeita a degradação com a
umidade Excelente resistência a umidade
Aglomerado Material inflamável Auto-extinção de fogo FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com
46
5.5. APLICAÇÃO DE HONEYCOMB
Em decorrência de suas relações peso-resistência e peso-rigidez serem
bastante superiores quando comparadas a materiais convencionais, o maior uso de
honeycomb, é para aplicações estruturais.
Em um avião, as partes geralmente feitas com honeycomb são:
• Ailerons;
• Profundores;
• Flaps;
• Naceles;
• Slats;
• Suportes;
• Bordos de fuga;
• Capotas;
• Empenagem;
• Assoalho;
• Radome;
• Spoilers;
• Compensadores;
• Portas;
• Carenagens;
• Bordos de ataque;
• Leme;
• Estabilizadores;
• Sistemas de Empuxo Reverso.
47
Outros veículos da área aeroespacial que utilizam materiais compostos são:
• Helicópteros;
• Satélites;
• Mísseis;
• Ônibus Espaciais;
• Veículos de lançamento de satélites.
5.6. HONEYCOMB COM PREPREG
A construção de um sanduíche (figura 29) consiste de finas camadas de
prepreg colados em honeycomb, espuma ou núcleo de madeira balsa. Um prepreg
auto-adesivo não requer camada adesiva adicional e permite a produção de
estruturas leves e custos de fabricação reduzidos.
FIGURA 29 – VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG
FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com
Vantagens: baixo peso, alta resistência, durável, custos de produção reduzidos.
48
6. UTILIZAÇÃO DOS MATERIAIS COMPOSTOS
6.1. AERONAVES CIVIS
A porta de entrada para o uso de materiais compostos em aeronaves
comerciais foi aberta através da adoção de um radome feito em fibra de vidro, no
ano de 1940. Em 1975, a NASA desenvolveu para fins de pesquisa, profundores do
Boeing 727 e 737, e estabilizadores verticais do Douglas DC-10, feitos de material
composto, o que representou de modo geral, entorno de 30% na redução de peso.
A descoberta foi aplicada na fabricação dos Boeing 757’s e 767’s,
primeiramente, com a instalação de lemes compostos. Quase simultaneamente, foi
adotado o uso nos profundores, spoilers, ailerons, polaina da raiz da asa, tampas do
trem principal e de nariz, bordos de fuga das asas e dos estabilizadores. Todas
essas partes juntas ocuparam 3% do peso total da aeronave, no caso, o Boeing 767
(Figura 30).
FIGURA 30 – AERONAVE BOEING 767
FONTE: www.boeing.com
49
O Boeing 777 (primeiro vôo em 1994), figura 31, adotou módulos elásticos
de fibra de carbono como estrutura primária de partes como estabilizador vertical e
horizontal, e assoalhos, partes essas cuja tolerância a danos é essencialmente
importante.
FIGURA 31 – AERONAVE BOEING 777
FONTE: www.boeing.com
O Airbus 320 (primeiro vôo comercial em 1998) utiliza estabilizadores
também feitos em fibra de carbono, entre diversas outras partes feitas com materiais
compostos, como os profundores e naceles de motores. Essas foram as primeiras
partes feitas com estrutura primária, fabricadas em material composto.
Posteriormente, surgiram os A330 e A340, nos quais 12% do peso total, é de
materiais compostos.
Abaixo temos como exemplo, o uso de compostos em uma aeronave Airbus
340 (Figuras 32 e 33), largamente utilizada por empresas como Lufthansa, Air
France, Virgin Airways, South African, entre outras.
50
FIGURA 32 – AERONAVE AIRBUS A340
FONTE: Manual Aerospace Brochure - www.hexcel.com
1 - Radome;
2 - Portas do trem de pouso;
3 - Galley, Closet, e Banheiros;
4 - Partições de cabine;
5 - Polainas de junção da fuselagem com as asas;
6 - Revestimento externo das asas;
7 - Superfícies de controle de vôo, ailerons, spoilers, vanes, flaps, slats;
8 - Assoalho da cabine de passageiros;
9 - Nacele dos motores e sistema de reverso;
10 - Suportes dos motores;
11 - Winglets;
12 - Keel Beam – reforço estrutural no sentido longitudinal da fuselagem;
13 - Assoalho do compartimento de carga;
14 - Capota dos atuadores dos flaps;
15 - Compartimento de bagagens interno, de teto;
51
16 - Teto e paredes laterais internas da cabine;
17 - Escada retrátil;
18 - Selo traseiro da cabine, para manutenção da pressão interna;
19 - Estabilizador Vertical;
20 - Leme;
21 - Estabilizador Horizontal;
22 - Profundor;
23 - Cone de cauda.
FIGURA 33 – AERONAVE AIRBUS A340-600
FONTE: www.airliners.net
No Boeing 777 (figura 34), os estabilizadores horizontal e vertical, são feitos
em fibra de carbono aliada à resinas de última geração. Outras partes tais como
assoalho de cabine, polainas das asas, polainas dos trilhos dos flaps, e naceles de
motor, também fazem uso de compostos. Abaixo a representação gráfica mais
detalhada da utilização destes materiais na aeronave:
52
FIGURA 34 – AERONAVE BOEING 777
FONTE: www.carbonfiber.gr.jp
Híbridos são feitos da adição de algum material complementar como fibra de
vidro ou kevlar, a uma matriz básica de fibra de carbono/epóxi. Os materiais são
adicionados para se obter características específicas tais como maior resistência a
fratura e a impactos , e por isso, estes híbridos devem ser usados em áreas sujeitas
a possíveis danos por colisão com objeto estranho, por exemplo. A adição de fibra
de carbono/epóxi em uma estrutura de fibra de vidro por sua vez, irá prover maior
resistência a deformações elásticas.
O aumento do uso de compostos na indústria aeroespacial é uma projeção
clara e óbvia, tendo em vista que a cada ano os materiais são aprimorados, assim
como a indústria aprimora seus conceitos de acordo com cada nova descoberta. O
mais recente projeto da Airbus, o A380 (Figuras 35 e 36), e o ainda não finalizado
Boeing 787 Dreamliner (Figuras 37 e 38), provam isso:
53
FIGURA 35 – AERONAVE AIRBUS A380
FONTE: www.airliners.net
FIGURA 36 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE AIRBUS A380
FONTE: www.carbonfiber.gr.jp
54
FIGURA 37 – AERONAVE BOEING 787 DREAMLINER
FONTE: www.carbonfiber.gr.jp
FIGURA 38 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE BOEING 787 DREAMLINER
FONTE: www.boeing.com
55
Na aviação geral e executiva, o uso de compostos também é cada vez mais
alto, hoje em dia temos aeronaves cuja performance está muito além das
expectativas de alguns anos atrás. Exemplo disso são as aeronaves fabricadas por
empresas como a Lancair (Figuras 39 e 40), Cirrus, Epic Aircraft (Figura 41), Glasair,
entre outras.
FIGURA 39 – AERONAVE LANCAIR COLUMBIA 400
FONTE: www.airliners.net
FIGURA 40 – AERONAVE LANCAIR 320
FONTE: www.airliners.net
56
FIGURA 41 – EPIC AIRCRAFT ELITE
FONTE: www.airliners.net
A recente introdução de resinas de alta performance preenchidas com
longas fibras de vidro, tem permitido a moldagem por injeção, de componentes
estruturais.
Espumas rígidas têm sido usadas para formar núcleos estruturais de baixo
peso e altíssima resistência. Esse tipo de projeto permitirá com que a fabricação de
uma aeronave, combinando esses dois métodos, seja feita em poucos, e baratos
passos. Toda a estrutura, a carenagem da aeronave e os membros de reforço serão
moldados por injeção, utilizando longas fibras de vidro. Os núcleos estruturais de
espuma, serão montados com o método “foam-in-place” que consiste na injeção da
espuma (foam) rígida já no lugar. Esses métodos, tem como resultado esperado, um
menor custo de fabricação e custo por ciclo de vida, além de melhor performance
geral da aeronave.
57
6.2. AERONAVES MILITARES
Em sua constante busca por superior performance, os projetistas de
aeronaves militares foram os primeiros a experimentar o uso dos compostos na
indústria aeroespacial, muitos aviões da década de 1930 eram construídos com um
material composto bruto, formado por madeira, tecido e resina. Uma fuselagem
experimental para o Spitfire, desenvolvida no ano de 1940, em fibra de vidro
reforçada, que na época ganhou o nome de “Aerolite”, surgiu em decorrência de
uma ameaça ao suprimento de alumínio, cortado pelos alemães, porém o
suprimento não acabou de fato, e a aeronave com fuselagem em Aerolite não
precisou entrar em linha de produção.
Até o final da década de 1960, quase todas as aeronaves militares eram
compostas primeiramente de alumínio e suas ligas. Aviões de alta velocidade como
o Lockheed SR-71 Blackbird, utilizavam uma quantia considerável de titânio em sua
fabricação, mas o alto custos e demanda desse material para produção, limitaram a
a produção da aeronave, e sua aplicação apenas para operações cuja temperatura
era relativamente alta, no caso, operações de vôo em altíssima velocidade.
Nos dias de hoje, a grande necessidade por designs otimizados, permitindo
aos pilotos executarem manobras avançadas, eleva o uso de materiais compostos
na indústria aeronáutica militar, a níveis nunca vistos anteriormente, e que
aumentam a cada novo projeto. Entorno de 16% do peso de um Boeing F/A-18E/F
(Figura 42), 22% de um Lockheed F/A-22 (Figura 43), 26% de um AV-8 Harrier, 35%
de um Lockheed F-35 JSF, devem-se às estruturas feitas em material composto.
58
FIGURA 42 – AERONAVE BOEING F-18
FONTE: www.kboing.com.br
FIGURA 43 – AERONAVE LOCKHEED F-22
FONTE: www.kboing.com.br
Atualmente, a maioria dos programas de desenvolvimento de aeronaves
militares no continente Europeu, e nos Estados Unidos, dentre eles EADS, Boeing,
BAE Systems, Dassault, Lockheed Martin, Vought e Saab contam com a empresa
Hexcel para suprir suas necessidades em materiais compostos. 70% do caça
Eurofighter Typhoon (grande destaque no uso de compostos), incluindo asas, seção
frontal e traseira da fuselagem, são feitas de prepreg epóxi, da combinação de uma
matriz de resina termoplástica, no caso o epóxi, pré impregnado a fibras de alta
performance, resultando em um material com altíssima resistência e baixo peso, o
59
restante é composto de 12% de plásticos especiais reforçados, 15% de ligas de
metais de baixo peso e titânio, 3% de outros materiais.
Abaixo, um diagrama do uso dos compostos no Eurofighter Typhoon
(Figuras 44, 45 e 46):
FIGURA 44 – AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON
FONTE: Manual Aerospace Brochure - www.hexcel.com
1 - Radome
2 - Asas tipo Canard
3 - Painéis de fuselagem
4 - Dispositivos do bordo de ataque
5 - Polaina da “espinha” de entrada do estabilizador vertical
6 - Painéis de asa
7 - Polaina da ponta do estabilizador vertical
8 - Leme
9 - Painéis laterais do estabilizador vertical
10 - Superfícies de controle de vôo
60
FIGURA 45 – AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON
FONTE: //quicklink.all.googlepages.com/eurofighter.htm
FIGURA 46 – AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON
FONTE: //quicklink.all.googlepages.com/eurofighter.htm
6.3. HELICÓPTEROS
Helicópteros civis e militares consomem grandes quantias de materiais
compostos, para construção de diversas partes estruturais dentre elas, cone de
cauda, fuselagem, e componentes do rotor principal. Os helicópteros militares NH-90
(Figura 47) e Tiger (Figura 48), têm as carenagens de motor, pás das hélices,
fuselagem, cockpit e o tail boom, feitos completamente com compostos.
61
FIGURA 47 – HELICÓPTERO NH-90
FONTE: www.airliners.net
FIGURA 48 – HELICÓPTERO TIGER
FONTE: www.airliners.net
Por exemplo, muitos outros helicópteros civis e militares fazem uso destes
materiais. Dentre os helicópteros civis, é possível citar como exemplos, os
Eurocopter EC-135 (Figura 49), EC-145, McDonnel-Douglas MD-600 e MD-900
(Figura 50).
62
FIGURA 49 – HELICÓPTERO EC-135
FONTE: www.airliners.net
FIGURA 50 – HELICÓPTERO MD-900
FONTE: www.airliners.net
A seguir, temos o diagrama de utilização dos compostos em um modelo
representativo de Helicóptero (Figura 51):
63
FIGURA 51 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM HELICÓPTEROS
FONTE: Manual Aerospace Brochure - www.hexcel.com
1 - Pás das hélices do rotor principal e de cauda;
2 - Hub de rotor, onde as pás estão conectadas;
3 - Barras estruturais da fuselagem,
4 - Assoalho;
5 - Assentos;
6 - Carenagens de motor e painéis de acesso;
7 - Fuselagem;
8 - Portas de acesso ao compartimento de carga;
9 - Cone de cauda;
10 - Estabilizadores horizontais;
11 - Painéis de fuselagem.
64
6.4. MOTORES DE AERONAVES
O Rolls-Royce RB108 foi um dos primeiros motores aeronáuticos a ser
construído utilizando tecnologia de materiais compostos, projetado em 1950. O
motor possui as pás e os alojamentos de compressor feitos em fibra de vidro. Nos
anos 70, projetistas voltaram-se ao uso de compostos a fins de redução de peso nas
grandes naceles necessárias para os potentes motores turbofan. Hoje, normalmente
metade do volume de uma nacele e sistema de reverso, é preenchida por
componentes em materiais por fibra de carbono e prepreg. O próximo passo, é
iniciar o uso de compostos em estruturas mais completas, como o motor
propriamente dito. O General Electric GE90 (Figura 52), é o primeiro grande turbofan
destinado a aviação comercial, que utiliza as pás do compressor de baixa, feitas de
um composto de epóxi e carbono.
FIGURA 52 – MOTOR GE90
FONTE: www.gasturbine.pwp.blueyonder.co.uk
65
Abaixo, temos um diagrama meramente ilustrativo, representando um motor
turbofan (Figura 53) de aeronave comercial, e sua utilização de materiais compostos:
FIGURA 53 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM MOTORES
FONTE: Manual Aerospace Brochure - www.hexcel.com
1 - Alojamento da ECU –Electronic Control Unit;
2 - Painéis acústicos de abafamento do som;
3 - Pás do fan;
4 - Spinner do Fan;
5 - Bocal de entrada;
6 - Portas de acesso ao motor;
7 - Defletores do sistema Reverso;
8 - Carenagem de compressor;
9 - Duto de by-pass do ar;
10 - Estatores;
11 - Anel de contenção do fan;
12 - Nacele;
66
Pesquisas têm mostrado uma variada gama de novos materiais compostos
em potencial. Carbono e fibras de grafite têm sido combinadas com uma matriz de
metal, ao invés de epóxi. Esse material tem se mostrado superior em operações de
altíssima temperatura, o que é bastante interessante para aplicação na seção
quente de um motor a reação, ou no cone de escape. A utilização de uma matriz de
cerâmica, está em fase de testes e pesquisa, e também revelou-se eficiente para
operações em alta temperatura. No entanto essas tecnologias ainda não são
perfeitas, e necessitam vários ajustes, os materiais mostraram-se quebradiços, e de
difícil “colagem” um no outro
6.5. AGÊNCIA ESPACIAL
O lançamento de satélites representa o último desafio no desenvolvimento
de compostos. Poupar peso é crucial, além de prover extrema resistência estrutural
e a altíssimas temperaturas. Este mercado, a gigante dos compostos, a Hexcel
domina quase que completamente. A empresa se especializou na construção de
fitas e malhas somente para aplicação em veículos espaciais. Em 1969, os primeiros
materiais compostos viajaram no espaço e pousaram na Lua, em forma de
absorvedores de energia feitos em honeycomb, nos “pés” dos trens de pouso do
módulo lunar da Apollo 11. O último foguete lançador de satélites Europeu, o Ariane
5 (Figura 54), contém compostos em todas as seções superiores do foguete.
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FIGURA 54 – FOGUETE ARIANE 5
FONTE: www.fluent.com
Abaixo temos um diagrama do Ariane 5 (Figura 55) demonstrando o uso dos
compostos:
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FIGURA 55 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NO FOGUETE ARIANE 5
FONTE: Manual Aerospace Brochure - www.hexcel.com
1 - Painéis solares;
2 – Refletor;
3 - Estruturas do Satélite;
4 – Carenagens;
5 - Compartimento de carga externa;
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6 - Anel EPS;
7 - Saia dianteira;
8 - Capota dos Foguetes;
9 - Yoke;
10 - Protetor de Calor.
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7. CONCLUSÃO
Como vimos, o uso de materiais compostos, desde sua introdução no meio
aeroespacial em 1930, trouxe muitas vantagens ao desenvolvimento tecnológico
desta área. Atualmente não é mais possível pensar em projetar uma aeronave, sem
cogitar a utilização desses materiais; a cada novo projeto percebemos que a
utilização destes, aumenta significativamente, nos mais diversos componentes das
aeronaves.
A tecnologia de materiais, em especial como estamos tratando, os
compostos, só tende a evoluir ainda mais. Novas técnicas, a necessidade por novos
conceitos e idéias na ciência dos materiais, agora tomam por rumo a parte
aerodinâmica. O grande impasse que existia no começo da industria aeroespacial,
quanto a conseguir produzir um determinado componente com tal design, já é
praticamente inexistente, tendo em vista que a evolução nessa área trouxe domínio
quase que total da manufatura destes.
Assim como o metal substituiu o “arame e a madeira”, designers estão se
ajustando às novas realidades e possibilidades que as tecnologias atuais com
materiais compostos nos trazem, introduzindo assim uma nova era na fabricação de
aeronaves e motores.
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REFERÊNCIAS
SMITH, Zeke. Understanding aircraft composite construction: basics of materials and
techniques for the non-engineer. Napa: Aeronaut Press, 1996.
WEETON, John W., PETERS, Dean M., and THOMAS, Karyn L., eds. Engineers'
Guide to Composite Materials, Metals Park, Ohio: American Society for Metals, 1987.
TSAI, Stephen W. Introduction to Composite Materials, Westport, Conn.: Technomic
Publishing Company, 1980.
A REVOLUÇÃO DOS MATERIAIS. Aero Magazine, São Paulo, p.44,45,46,47,48.
jun.2005, ano 12.
TOHO TENAX CATALOGUE. Disponível em: http:// www.carbonfiber.gr.jp. Acesso
em: 02 set. 2008.
AEROSPACE BROCHURE: Composite materials for the aerospace industry.
Disponível em: http://www.hexcel.com. Acesso em: 15 out. 2008.
PREPREG TECHNOLOGY. Disponível em: http://www.hexcel.com. Acesso em: 15
out. 2008.
HONEYCOMB ATTRIBUTES AND PROPERTIES. Disponível em: http://www.hexcel.com. Acesso em: 15 out. 2008.
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IMAGEM HAWKER 400XP, PREMIER I, AIRBUS A340-600, A380, LANCAIR, EPIC, NH-90, EC-135, MD-900. Disponível em: http://www.airliners.net IMAGEM GRUMMAN X-29. Disponível em: http://www.fas.org IMAGEM BOEING 767, 787, . Disponível em: http://www.boeing.com IMAGEM BOEING F-18, F-22, . Disponível em: http://www.kboing.com.br IMAGEM TYPHOON. Disponível em: http://quicklink.all.googlepages.com IMAGEM GE90. Disponível em: http:// www.gasturbine.pwp.blueyonder.co.uk IMAGEM ARIANE 5 . Disponível em: http:// www.fluent.com