Os materiais compósitos têm sido utilizados pelo homem há milhares de anos, de forma empírica nossos ancestrais faziam misturas de materiais naturais para aumentar a resistência ou a durabilidade de seus utensílios e construções, por exemplo, misturando argila com palha. Ao longo do tempo esse conceito de misturar materiais diferentes para melhorar sua performance se ampliou e se especializou. Hoje os compósitos têm um papel fundamental em aplicações de altíssima tecnologia, como em aeronaves, satélites e foguetes, as quais não seriam possíveis sem a aplicação intensiva destes materiais.
Figura 1 – Lado a lado material compósito ancestral, tijolos fabricados com argila e palha e aplicação de compósitos modernos de alta tecnologia, motor aeronáutico GE90, com estrutura e pás fabricadas em fibra de carbono.
Mas afinal, o que é um material compósito?
Segundo a definição formal, um material composto (ou compósito) é uma combinação macroscópica de dois ou mais materiais diferentes, com uma interface entre eles. O composto resultante apresenta um equilíbrio de propriedades que é superior a cada um de seus componentes individualmente.
Figura 2 – Material compósito visto em detalhes através de microscopia eletrônica de varredura (compósito de fibra de carbono).
Nessa definição, encontramos três elementos essenciais: dois materiais distintos e uma interface. Nos compósitos amplamente utilizados na indústria, esses materiais são os reforços de fibras sintéticas, como fibra de vidro, carbono e kevlar, e as matrizes poliméricas, como resinas de poliéster, éster vinílicas e epóxi, entre muitas outras opções disponíveis. O comportamento do compósito é resultado da interação entre os reforços de fibra, a matriz polimérica e a interface fibra/matriz. A escolha adequada dos materiais, sua proporção em volume e orientação são extremamente importantes, pois afetam propriedades como densidade, rigidez, resistência à tração, resistência à compressão, resistência à fadiga, modo de falha, condutividade térmica e elétrica, flamabilidade, resistência química, além dos custos envolvidos.
Reforço, Matriz e Interface: Os Pilares dos Materiais Compósitos
No que diz respeito ao reforço, ele é o elemento responsável por conferir ao material compósito suas características mecânicas de rigidez e resistência à ruptura, por exemplo. Os reforços podem consistir em fibras orientadas, como nos casos de tecidos, ou apresentar uma orientação aleatória, como nas mantas. Além disso, os reforços podem ser compostos por fibras contínuas ou descontínuas. Existe uma ampla variedade de tipos de tecidos com fibras orientadas, como os tramados (WR, Twill, Satin), assim como os tecidos não tramados e costurados (biaxiais, triaxiais e multi-axiais).
Figura 3 - tipos diferentes de tecidos de fibra de carbono
A matriz desempenha um papel fundamental no material compósito. Sua função é manter as fibras no lugar desejado, transmitir as cargas entre as fibras e proteger as fibras contra danos ambientais. Além disso, a matriz desempenha um papel importante na resistência interlaminar, na resistência à compressão e na temperatura de operação. Existem diferentes tipos de matrizes, incluindo matrizes cerâmicas e metálicas, no entanto, as matrizes poliméricas encontram um campo de aplicação muito mais amplo na indústria. Estas podem ser resinas termoplásticas e termofixas. Entre as matrizes termofixas mais comuns, podemos citar resinas como poliéster insaturado (UPR), éster vinílica (VE), epóxi (EP), fenólica (PF), poliuretano (PUR) e Diciclopentadieno (DCPD). Quanto às matrizes termoplásticas, algumas das mais utilizadas são poliamida (PA), polipropileno (PP), polietileno (PE), polibutileno tereftalato (PBT), sulfeto de polifenileno (PPS), poliéter imida (PEI) e polieteretercetona (PEEK).
Figura 4 – Peça aeronáutica fabricada com prepreg de fibra de carbono e resina termoplástica PEEK.
O desempenho dos compósitos está profundamente ligado à relação entre matriz e reforço e essa relação é função da interface. Podemos dizer que a interface é a superfície delimitadora entre a matriz e o reforço, através da qual ocorre uma descontinuidade de propriedades. Nessa região propriedades como, módulo de elasticidade, densidade e coeficiente de expansão térmica, tem uma mudança abrupta de um lado para o outro dessa superfície delimitadora. Por exemplo, a elevada rigidez da fibra de um lado encontra a baixa rigidez da matriz de outro. Essa descontinuidade é compatibilizada através da interface. Fatores como molhabilidade, tensão superficial e rugosidade das fibras de reforço interferem diretamente no desempenho da interface e, portanto, nas propriedades finais de um compósito.
Lee, C.H.; Khalina, A.; Lee, S.H. Importance of Interfacial Adhesion Condition on Characterization of Plant-Fiber Reinforced Polymer Composites: A Review. Polymers 2021, 13, 438. https://doi.org/10.3390/polym13030438
Figura 5 - Esquema da interface entre fibra e matriz
Figura 6 - Difernaça de uma interface com falhas de adesão (à esquerda) e uma excelente interface entre fibra e resina (à direita)
A Interrelação entre Materiais, Projeto e Processos de Fabricação
Quando se trata de compósitos, é importante ter em mente que as propriedades de um laminado dependem da interação entre três áreas distintas da engenharia: materiais, projeto e processos de fabricação. Nos compósitos, o mesmo material com diferentes projetos resulta em propriedades finais distintas, uma vez que o laminado é projetado levando em consideração não apenas os materiais, mas também a orientação das fibras e o número de camadas. Da mesma forma, as propriedades obtidas a partir de um mesmo projeto de laminado podem variar dependendo do processo de fabricação escolhido. Por exemplo, ao utilizar diferentes processos de fabricação em um determinado projeto de laminado, as propriedades finais também serão diferentes.
No projeto de um produto em materiais compósitos, é crucial abordar algumas questões fundamentais que guiarão essas três áreas da engenharia. Quais são as propriedades mecânicas necessárias? Quais são as condições do ambiente em que a peça será utilizada? Qual é a escala de produção requerida? Com base nessas informações, é possível direcionar os esforços para atender a todos os critérios, lembrando que não há uma solução única para essa equação e sim uma infinidade de possibilidades.
Figura 7 - Diferença de propriedades mecânicas e porcentagem de fibra para diferentes processos de fabricação
Por que a FanTR opta por utilizar o material composto na fabricação das suas pás?
Os materiais compósitos oferecem uma série de vantagens, incluindo baixo peso estrutural, alta resistência, possibilidade de otimização das propriedades mecânicas, capacidade de criar geometrias complexas, redução do número de componentes e fixadores, resistência à fadiga e resistência à corrosão.
Na FanTR, nossa equipe de engenharia possui conhecimento e ampla experiência no projeto de ventiladores industriais de grande porte. A empresa dispões de ferramentas computacionais avançadas para projeto e dimensionamento de nossos produtos. Com isso, conseguimos extrair o máximo da liberdade geométrica que os materiais compósitos oferecem, utilizamos software de simulação fluidodinâmica (CFX) para o projeto de perfis aerodinâmicos de alto desempenho e baixo ruído. Da mesma forma, no cálculo estrutural, utilizamos software de simulação por elementos finitos (ANSYS Mechanical), com o qual conseguimos otimizar as estruturas, dimensionando a quantidades de material, assim como o direcionamento das fibras no sentido das maiores cargas mecânicas, produzindo dessa forma peças muito leves e resistentes.
Figura 8 - Processo de infusão à vácuo de resina em pá eólica e pá de ventilador.
Quanto ao processo de fabricação, utilizamos a infusão de resina à vácuo, que produz peças com uma alta relação de fibra/resina, ou seja, laminados mais leves, resistentes e com controle de repetibilidade excelente. Além disso, contamos com diversas bancadas de ensaio para validação de nossos produtos quanto a desempenho mecânico, em fadiga, temperatura de operação e de desempenho aerodinâmico e ruido de ventiladores. Assim, a FanTR oferece soluções de alta tecnologia, aplicando com excelência materiais compósitos e, dessa forma, se posiciona como um dos mais importantes fornecedores de ventiladores industriais do mercado global.
