Material composto
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).