Autor: Raphael Elias      | Publicado: 2015-07-03T09:58:00-07:00

&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; MATERIAIS COMPÓSITOS  NA AVIAÇÃO
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(E o desenvolvimento de suas aplicações)
Gamaliel Brum &nbsp;
Lídia Farias
Pedro Henrique&nbsp;
Rafaela Pereira
Raphael Elias

Alunos do curso de engenharia aeronáutica,
Universidade Fumec,


Faculdade de engenharia e arquitetura.

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Resumo

&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;Os compósitos são materiais que apresentam duas ou mais fases físico-químicas distintas, não miscíveis arranjadas e separadas por uma interface ,cuja criação surgiu da necessidade de se construir objetos mais resistentes e essenciais a vida do ser humano.  Materiais compósitos são constituídos por uma fase matriz,de caráter continuo responsável por definir e resguardar a estrutura de carga ou reforço, enquanto a fase de reforço se caracteriza por ser descontínua e resistente. A combinação destes elementos permite alcançar propriedades complementares não atingíveis quando isolados. As propriedades físico-químicas apresentadas pelos compósitos estruturais dependem da quantidade de material utilizado, o grau de adesão e o arranjo existente entre estes materiais. Uma vez que esses compósitos estruturais apresentam inúmeras vantagens dentre elas, maior resistência à corrosão, menor peso e baixa expansão térmica ,além do baixo custo  de produção, a utilização destes matérias no ramo aeronáutico vem se destacando cada vez mais devido a essas vantagens.
Palavras chave:  Avanços ,compósitos, aviação.

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Introdução

&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;A união de materiais de natureza diferente ,com a finalidade de se construir algo, remonta os tempos mais antigos, do elementar  tijolo de barro e fibras de capim, ao radome da mais moderna aeronave, os materiais compostos tem permitido grandes avanços nos sistema mecânicos. E por recente que  pareça o tema, a idéia de se combinar materiais pela união destes (sem modificação de suas estruturas individuais),  está intimamente ligada ao nascimento da aviação, o fato é que a vertente de se construir aeronaves inteiramente metálicas proposta por  Hugo Junkers(1919), e o conseqüente desenvolvimento dessas ligas, parece ter desviado o olhar  da indústria aeronáutica, daquela que é sua vocação primeira:  O uso de material composto em suas estruturas(as primeiras aeronaves eram feitas de madeira , e  tecido embebido ,numa espécie de resina ,o dope). 
    São inegáveis os avanços conquistados a partir do desenvolvimento  das ligas metálicas,mas os sistemas reforço/matriz ressurgem ainda mais  atraentes. Respaldados pela ciência dos materiais e as modernas técnicas construtivas, o “composto” tem assumido importantes posições ,o que lhe falta é tempo de serviço, em funções estruturais primárias de maior vulto.

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1.0 O desenvolvimento de suas aplicações

&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;O desenvolvimento das aeronaves modernas em termos de performance, tem se dado principalmente por dois caminhos, a redução de peso e os avanços  aerodinâmicos,  e é sobre esse aspecto que  reside a grande vantagem em se usar materiais baseados em fibras de alto desempenho, são mais leves e permitem melhor acabamento superficial. 
Encabeçam essa lista de materiais as fibras de carbono/grafite , fibras aramidas , e  fibras de vidro (para menores requerimentos),cujo uso em componentes de pequena  e média importância estrutural, já passa de alguns lustros.


&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;Figura 1: Pá de hélice,feita de fibra cuja estrutura falhou.

&nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp;Mas afinal, o que são os pró e os contra dessa tecnologia nas aplicações aeronáuticas? Que fatores mantém divididas as opiniões nessa indústria e até onde vai o “receio” dela em aplicar largamente esse material?

&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;As fibras de alto desempenho, surgiram com impressionantes características de resistência e leveza frente a materiais tradicionais como o aço, e as ligas de alumínio. As peças se tornaram mais leves e com resistência à tração final, muito superiores(no caso da fibra de carbono) e com maior  resistência à pressão normal (no caso das fibras aramidas), no entanto essas fibras quando falham o fazem de forma abrupta, sem gerar indícios anteriores que pudessem ser plenamente detectados por alguma inspeção, como ocorre com as ligas metálicas através dos ensaios não destrutivos, e isso é um fator preocupante para as inspeções.
   Nos metais (material isotrópico),os sinais de fadiga , trincas ou estiramentos, frente a esforços próximos do valor limite, nos dão um claro indício das reais condições da peça, mas no caso de partes feitas utilizando-se material composto, o comportamento ante a um esforço crescente atende a  um outro padrão, segundo (Agarwal &amp; Broutman,1990) do primeiro momento de sujeição a esse esforço até a ruptura(falha) do material o sistema reforço/matriz passa por quatro estágios de deformação  a se saber:

&nbsp; 

-No primeiro estágio, a fibra e a matriz se deformam de forma elástica(deformação reversível)

&nbsp;-No segundo estágio, a fibra continua a se deformar de forma elástica, mas a matriz passa a se deformar plasticamente(deformação irreversível).

&nbsp;-No terceiro estágio, a fibra  e a matriz deformam de forma plástica.

-No quarto e último estágio as fibras se rompem.

&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;Fica implícito, que sendo a matriz menos resistente à tensão em relação à fibra, após a ruptura dessa, no quarto estágio, o material se encontra na iminência de falhar. É preciso ainda que consideremos um outro fator ,a qualidade da impregnação e a posterior cura do material, pois os estágios descritos acima consideram a melhor interação mecânica, da matriz através dos recessos da fibra,assim se porventura a cura dessa matriz não houver se processado de forma eficiente, ou essa resina não houver fluido através das tramas da fibra, poderemos esperar resultados inferiores , ruptura mais breve que o descrito. Apesar dessa clara divisão de estágios, a ruptura de peças de material composto se processa num intervalo muito curto, as mudanças devidas à anisotropia&nbsp;não são comparáveis àquelas verificadas nos
metais, dessa forma, podemos dizer que o receio da indústria, até então ,num
uso mais amplo dessas tecnologias se deve, a incerteza da real condição
estrutural de determinada peça em serviço. Um exemplo clássico de&nbsp; risco financeiro representado à indústria
aeronáutica, devido a falha de tecnologia,foi o caso da gigante Rolls Royce,
que em meados de 1971 , sofreu um impacto financeiro grande , quase indo a
bancarrota devido as falhas recorrentes de uma família de motores cujas pás &nbsp;do rotor eram de fibra de carbono . Depois de
conseguir suporte financeiro do governo e se restabelecer a empresa se dedicou
a qualidade dos serviços junto aos clientes e principalmente , retornou os
projetos , e o desenvolvimento de seus motores baseados em ligas metálicas ,
historicamente mais confiáveis.




1.1
Frentes de desenvolvimento






É
nesse ponto, que&nbsp; nós estudantes de
engenharia, nos perguntamos:&nbsp;O que deve ser feito para que descobertas tão
importantes no campo da ciência &nbsp;dos materiais se tornem ,mais importantes e
aplicáveis em nossas aeronaves?
Desde as primeiras
aplicações dos materiais compostos modernos (advanced composites) , nos planadores
alemães ou nos caças da força aérea inglesa, o que tem ocorrido é uma mudança
não só no teor e na qualidade dessas fibras e resinas, como na forma em que
são aplicadas(técnicas construtivas),&nbsp;
e é nesse aspecto que acreditamos residir o caminho a se trilhar com os
compósitos daqui em diante, a isso chamamos de desenvolvimento de suas
aplicações. Mas&nbsp; cabe antes dividir esse
desenvolvimento em dois ramos, avanços aerodinâmicos ( novos conceitos e
configurações de aeronaves mais eficazes) e avanços construtivos (técnicas
construtivas)&nbsp;que
permitam ao material trabalhar sob suas melhores condições de resistência
específica.


&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;No
campo dos avanços aerodinâmicos, para que essa ideia se torne clara é preciso
que pensemos&nbsp; na seguinte&nbsp; questão,&nbsp;
seria possível construirmos uma aeronave das primeiras “eras da aviação”
de forma eficiente dispondo da&nbsp;
miscelânea de materiais utilizados atualmente na construção de aeronaves
leves? Rebites, chapas de alumínio aeronáutico,solda, longarinas e
reforçadores, em muitos casos não seriam capazes de reconstruir de forma fiel
essa aeronave, tampouco atenderiam ao requerimentos de peso e resistência desse
modelo.Nesse ponto concordamos que para o uso pleno desses novos matérias houve
paralelamente mudança de paradigma, desenvolveram se as ligas , e desenvolveram
–se &nbsp;suas aplicações. Por isso, é
necessário pensar no material composto não como algo excêntrico, mas algo
diferente (Foreman,2002), a maior parte dos esforços&nbsp; até então tem se&nbsp;&nbsp;voltado para tornar&nbsp; esse material aplicável aonde o metal o
é,&nbsp; e existem limitações naturais para
isso, mas se pensarmos em aeronaves desenhadas para o uso dos compósitos em
suas estruturas&nbsp;,então poderemos ter melhores resultados.


&nbsp;&nbsp;Figura 2: Boeing 797,
blended wings concept




&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;Os novos conceitos e configurações a exemplo, do Boeing
797, e a série D (“dupla bolha”) do MIT apontam para aeronaves
aerodinamicamente superiores, que voam com maior&nbsp; “facilidade” e menores esforços&nbsp;estruturais, menor consumo e peso final,&nbsp; e com um design favorável ao uso de modernas
técnicas de construção, por material composto ,como veremos adiante.




































Figura 3: Aeronave
conceito D, MIT



&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;No campo dos avanços construtivos,&nbsp; a questão é: Será que o&nbsp; ideal a se buscar , são aeronaves, com
grandes seções inteiriças, feitas de composto,formando uma espécie de corpo
único?&nbsp; De fato, essa era a proposta
inicial ,observada nas primeiras formas de construção (como o hand-lay-up),na
busca de acabamento superficial impecável e leveza, o que atende muito bem a
aeronaves experimentais e de pequeno porte, devido às suas dimensões, mas se
torna muito complexo e criterioso em aeronaves maiores, sobretudo àquelas que
são&nbsp; pressurizadas. Em adição a isso é
preciso se considerar que os reparos numa estrutura única são sempre
temerários, risco análogo ao das aeronaves cuja estrutura é unicamente
moncoque.



&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;Nesse aspecto o desenvolvimento da aplicação
desses matériais (sobretudo a fibra de&nbsp;carbono
e Kevlar) se verifica em formas de construção inovadoras, que mesclam a
confiabilidade do conceito semi-monocoque ,e a praticidade&nbsp; dos amplos painéis de compósitos previamente
fabricados.Nesse sentido cabe aqui ressaltar duas técnicas interessantes, a
primeira delas é denominada SOFI sigla cujo significado é (Stringer Outside Frame Inside) ,reforçadores externos e&nbsp;
cavernas internas (Kolesnikov,2003), neste conceito de estrutura, os
reforçadores e as cavernas ficam de lados opostos ao revestimento interno
estrutural e é prevista a utilização de um núcleo de espuma e um revestimento
externo que completa essa estrutura. A construção SOFI se mostrou, eficiente e
mais leve para os mesmos requerimentos estruturais, em relação a uma fuselagem semi-monocoque
em alumínio, (peso 8% menor) conforme demostrado pelos alunos do ITA, para a
aeronave UNIQUE no (3rd CTA-DLR Workshop on Data Analysis &amp; Flight Control
Copyright © 2009 by AA&nbsp;September 14-16, 2009, S. J. Campos,SP, Brazil).































Figura 4:Painel construído na forma SOFI



&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; A segunda delas&nbsp;
denominada PRSEUS (pultruded rod, stitched, efficient, unitized
structure), em desenvolvimento conjunto entre Boeing e Nasa, prevê a construção de
painéis pré fabricados para aeronaves presurizadas, sua forma de construção
consiste em painéis pré formados de fibra de carbono, que são posicionados&nbsp; juntos&nbsp;
sobre&nbsp;&nbsp; a estrutura interna (reforçadores
verticais e longitudinais),sobre os quais um revestimento especial,cujo
núcleo&nbsp; também de espuma é fixado.





































Figura 5: Painel de
PRSEUS montado



&nbsp; &nbsp; &nbsp; A grande diferença porém está nessa fixação, o
conjunto é unido por uma espécie de&nbsp;costura
de pontos longos, que confinam a extensão de danos provocados por&nbsp; rasgos no revestimento, e previnem de forma
consistente as falhas por delaminação, superando nesse aspecto o uso de
fixadores mecânicos, segundo a engenheira Daw Jegley, integrante dessa divisao
de pesquisa da Nasa. Com o uso desses painéis, preve-se a construção de
aeronaves híbridas asa/fuselagem como o 797 já descrito, o que pode mudar a
aviação sobremaneira, daqui em diante.











Figura 6: Esquema de
montagem do PRSEUS



Conclusão



A partir dessa breve avaliação, das nuanças dos materiais compostos, no âmbito
da indústria aeronáutica,percebe-se que além do desevolvimento específico
desses materiais (aumento de resistência a diversos fatores), é necessário se
desenvolver soluções de engenharia nas aeronaves , para beneficiar o uso dos
compósitos,&nbsp; para que trabalhem em suas melhores
condições, e não somente naquelas previstas para o metais, para tal,&nbsp;conceitos
construtivos inovadores, e configurações novas de aeronaves, devem se aliar e “ajudar”
mutuamente. Essa mudança de foco poderá ainda abrir caminho a outros materiais
novos, ainda tímidos na aviação, como os nanomaterias (compósitos de grapheno,
nanotubos de carbono) e os sonhados&nbsp;
sistemas matriz/reforço inteiramente metálicos.





Referências



Irfan,Umair. Piper,Julia (2013). “U.S look to regain lead in
making Carbon fiber.”

Scientific American, junho de 2013.

Sloan ,Jeff (2011). “PRSEUS perform
for pressurized cabin walls.” 

Composite World&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; setembro de 2011.

Milmo,Dan(2011). “Why Rolls-Royce is seen as engine of recovery for UK
economy.”

The Guardian,11 de novembro
de 2011.

Agarwal,Bhargwan. Broutman, Lawrence.(1990). 

“Analysis and performance of fiber composites”

.
John Wiley &amp; sons.Inc 1990.

Iscold,José Henriques (2007) (dissertação). 

“
Desenvolvimento do processo de fabricação de laminados de material composto 

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; polimérico de fibra de vidro para
aplicação na construção aeronáutica.” 2007

Foreman,Cindy (2002). “Advanced
Composites” Jeppensen Sanderson.Inc.(2002) 



Kolesnikov,B.Y (2003): “Carbon Fiber
Composite Airplane fuselage: 


































concept and analysis.” German Aerospace center(DLR).
(2003)