MATERIAIS COMPÓSITOS: UM DOS MAIORES AVANÇOS

Já parou para pensar de que são feitos os aviões hoje em dia? E o que confere as propriedades fascinantes de certos materiais como a alta resistência a impacto dos coletes à prova de bala? Essas propriedades só conseguem ser alcançadas graças à existência dos materiais compósitos, que combinam características de dois materiais diferentes.

As conquistas da Engenharia Química e suas contribuições para a sociedade foram tantas que é difícil falar de todas elas em um único texto. Mas, quando pensamos nos avanços mais importantes da Engenharia Química até hoje, não é raro pensarmos nos plásticos. De fato, os plásticos e borrachas trouxeram inúmeras vantagens ao substituir outros materiais e hoje em dia é difícil imaginar a nossa vida sem eles. Mas os plásticos sozinhos não foram suficientes para permitir todos os avanços em termos de materiais que existem atualmente.

Se, por um lado, a baixa densidade dos plásticos fez com que esses materiais se tornassem bastante convenientes na substituição de outros materiais em embalagens, por exemplo, reduzindo gastos com transporte, por outro, sozinhos os plásticos não possuem certas propriedades mecânicas exigidas para aplicações mais complexas, tais como em aeronaves e automóveis. No entanto, a baixa densidade ainda é uma característica muito importante nessas aplicações e o papel dos polímeros não pode ser desprezada.

Na verdade, pode-se dizer que ainda mais importante que a descoberta dos plásticos, foi a descoberta dos chamados materiais compósitos. Materiais compósitos são materiais compostos de uma matriz e de fibras. A matriz pode ser metálica, orgânica ou cerâmica, mas os materiais compósitos com matrizes orgânicas representam cerca de 95% dos compósitos no mercado. Nesse caso, os materiais orgânicos utilizados são majoritariamente polímeros. Já as fibras podem ser fibras de carbono, fibras de vidro, aramidas e fibras naturais.

Hoje, esses materiais compósitos são utilizados nas mais diversas aplicações, sendo as mais importantes em aeronaves, automóveis e para aplicações militares. Um dos exemplos mais interessantes do uso de materiais compósitos é o famoso Kevlar®, nome comercial para um material compósito com fibras de aramida e utilizado na fabricação de coletes à prova de balas pela alta resistência a impacto que possui. Mas além dessas aplicações, os materiais compósitos também são utilizados na fabricação de tubulações, banheiras etc. Além disso, o carro elétrico da marca BMW, lançado recentemente, é o primeiro carro totalmente produzido com materiais compósitos.

Uma das características mais importantes dos materiais compósitos é a presença de uma interface entre os diferentes materiais (matriz e fibras). A matriz, além de conferir forma ao material, tem como principal função distribuir o estresse aplicado ao material entre as fibras. Por isso a adesão entre as fibras e a matriz é fundamental.  As fibras, por sua vez, são, na maior parte das vezes, as principais responsáveis pelas propriedades mecânicas do material e elas podem ser colocadas no material compósito sob os mais diversos arranjos.

As propriedades mecânicas do material são geralmente caracterizadas pela fração volumétrica de fibras, isto é, o volume ocupado pelas fibras em relação ao volume do material. Por essa razão, para certas aplicações, como no caso de aeronaves, em que as propriedades mecânicas são um fator-chave, geralmente escolhem-se arranjos que permitam aumentar a fração volumétrica das fibras. A Figura 1 esquematiza a estrutura de um material compósito e alguns exemplos de diferentes arranjos das fibras.

Figura 1.  Estrutura de materiais compósitos com alguns dos possíveis arranjos das fibras.

O tipo de matriz e de fibras depende das características desejadas, sempre levando em consideração o preço. Por exemplo, as fibras de vidro são mais baratas que as fibras de carbono, mas as fibras de carbono normalmente são utilizadas quando propriedades mecânicas e alta performance são obrigatórias para o material, como em aeronaves.

O que torna os materiais compósitos tão versáteis e importantes é justamente o fato de combinarem as características de dois materiais diferentes. Mais especificamente, eles combinam as baixas densidades dos polímeros com as altas propriedades mecânicas das fibras. O mais interessante é que ao comparar unicamente as densidades dos materiais compósitos com a densidade dos polímeros, a densidade dos polímeros é mais baixa. No entanto, os polímeros sozinhos não conseguem conferir certas propriedades mecânicas que os materiais compósitos, por terem as fibras, conferem. Da mesma forma, comparando-se as propriedades mecânicas, muitas vezes as propriedades mecânicas das fibras são melhores que aquelas do material compósito, mas as fibras são muito mais densas.

Assim sendo, a principal vantagem dos materiais compósitos é o balanço entre as suas propriedades e sua baixa densidade, que permite que esses materiais sejam utilizados em aplicações em que as propriedades mecânicas são importantes, mas ao mesmo tempo a baixa densidade também é fundamental, permitindo a redução de custos e do consumo de combustível.

Existem diversos processos de produção de materiais compósitos. Alguns são mais manuais e para baixos volumes de produção, enquanto outros são altamente mecanizados. Novamente, cada processo possui suas vantagens e desvantagens e depende da aplicação e das características desejadas.

A utilização dos materiais compósitos é cada vez mais comum e as fibras de carbono, que antes eram caríssimas, ainda são caras, mas hoje já permitem sua utilização em uma maior diversidade de aplicações. No entanto, o principal fator limitante ainda são os altos preços, que atualmente impedem que os compósitos sejam totalmente competitivos com outros tipos de materiais. Apesar disso, a tendência é que, com o passar do tempo e a otimização dos processos, eles passem a ser cada vez mais utilizados. De fato, os compósitos são bastante promissores para o futuro onde cada vez mais altas performances são exigidas.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

[1] AMS. Automotive Manufacturing Solutions.  Disponível em:

<http://www.automotivemanufacturingsolutions.com/pt-br/processos-e-materiais/compositos-em-boa-forma> [Acesso em 30 de abril de 2017].

[2] LAGARDERE, Mylène (École de Mines de Douai). Introduction to composite materials. Further Reading reserved exclusively to IFP School students. April, 2017.

[3] LAGARDERE, Mylène (École de Mines de Douai). Composite materials. Further Reading reserved exclusively to IFP School students. April, 2017.

Clarissa Alves Biscainho, estudante da IFP School – França

Setor acadêmico da BetaEQ

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