O campo de aplicação dos materiais compósitos

Os materiais compósitos são preparados combinando dois ou mais materiais de forma que se complementem e se aprimorem mutuamente, mantendo, no entanto, suas características únicas no produto final.

máquina extrusora de folha de plástico

máquinas para reciclagem de plástico

Devido ao seu excelente desempenho, os materiais compósitos têm sido amplamente utilizados em diversos campos, e esta série de artigos fará um levantamento abrangente dos principais campos de aplicação dos materiais compósitos, incluindo: aeroespacial, indústria automotiva, construção civil, energia, armazenamento de energia, infraestrutura, setor naval, dutos e tanques de armazenamento, esportes e entretenimento, transporte e outros dez campos.

1

Indústria aeroespacial

Grandes fabricantes de equipamentos originais (OEMs) aeronáuticos, como a Airbus da Europa e a Boeing dos EUA, demonstraram potencial para a aplicação em larga escala de materiais compósitos na aviação, enquanto a NASA busca fabricantes de compósitos para foguetes e outras espaçonaves com soluções inovadoras em compósitos.

A proporção de materiais compósitos em cada nova geração de aeronaves desenvolvida pela Boeing tem aumentado, e a proporção de materiais compósitos no Boeing 787 Dreamliner ultrapassou os 50%. Os principais componentes estruturais do Boeing 787 Dreamliner são feitos de compósitos de fibra de carbono do tipo "sanduíche" e laminados avançados de fibra de carbono, abandonando os arcaicos compósitos de fibra de vidro.

Por outro lado, as fibras de aramida são amplamente utilizadas na construção de conjuntos de bordo de ataque e de fuga de asas, bem como em anteparas, tanques de combustível e pisos muito rígidos e leves. Além disso, materiais compósitos avançados, compostos por fibras rígidas e de alta resistência incorporadas em materiais de matriz comuns, também são amplamente utilizados na indústria aeroespacial.

2

Indústria automobilística

Sendo o maior mercado consumidor final de materiais compósitos, a indústria automotiva está familiarizada com esses materiais. Além de serem pioneiros no design de veículos, os materiais compósitos contribuem para torná-los mais leves e com maior eficiência de combustível. Os automóveis exigem mecanismos confiáveis ​​e sincronizados, com componentes capazes de resistir ao atrito, à corrosão e às variações de temperatura.

Imprecisões no projeto ou na produção afetam o desempenho e podem custar negócios ao fabricante. Comparado ao aço metálico, o desempenho dos materiais compósitos atende e supera as exigências da indústria automotiva. Essas propriedades exclusivas incluem:

baixo coeficiente de expansão térmica

Excelente estabilidade dimensional para retenção de forma e confiabilidade.

Resistência à corrosão em condições úmidas e secas.

Alta resistência a impactos para suportar uso repetido.

Peso relativamente leve para reduzir a massa total do veículo.

Melhor isolamento acústico e melhor desempenho.

Aceitabilidade para pintura, incluindo a capacidade de atender aos requisitos de superfície da Classe A, processos de pintura e secagem.

Fácil de fabricar e de custo relativamente baixo.

Aplicações típicas de materiais compósitos em estruturas internas e externas de automóveis.

Os materiais compósitos têm sido amplamente utilizados em uma série de peças estruturais automotivas, desde as carcaças dos faróis até os componentes de isolamento elétrico e térmico sob o capô, passando por peças externas da carroceria, estruturas internas e peças de acabamento. As aplicações mais comuns de materiais compósitos em peças automotivas estão listadas abaixo:

Defletores e spoilers

coletor de admissão

Caixa e tampa da bateria

Para-choques e barras de proteção

Tampas dos cabeçotes (ex.: válvulas, balancins, comandos de válvulas)

Moldura da janela/teto solar

Placa de abertura da grade frontal

alojamento do farol dianteiro

Protetores térmicos (ex: motor, transmissão)

Escoras e Revestimentos

3

Setor de construção

O setor da construção civil está vivenciando um crescimento substancial na compreensão e utilização de materiais compósitos. Os compósitos oferecem aos arquitetos e designers alto desempenho e valor em projetos de grande escala, e seu uso em construções comerciais e residenciais está aumentando.

Em um artigo recente, o Grupo Palari constrói comunidades e casas sustentáveis ​​impressas em 3D. A Mighty Buildings é uma empresa de tecnologia da construção que utiliza impressão 3D, robótica e automação para criar casas acessíveis e sustentáveis. O componente fundamental da casa é o Mighty Panel, um painel composto 100% de polímero impresso em 3D com estrutura, isolamento, integração de sistemas MEP (mecânicos, elétricos e hidráulicos), barreira contra ar/umidade/fogo e acabamentos internos/externos. A Mighty Buildings imprime os painéis individualmente em sua fábrica e, em seguida, os monta em casas no canteiro de obras.

Na construção civil, as propriedades de alta resistência da fibra de carbono têm desempenhado um papel fundamental. A fibra de carbono é extremamente resistente, flexível e fácil de aplicar, podendo ser utilizada para reparar e reforçar edifícios, conferindo-lhes uma aparência de novos. Os laminados de fibra de carbono são amplamente utilizados para aumentar a capacidade de carga de pisos e colunas. Além disso, a fibra de carbono é resistente a danos causados ​​por terremotos, podendo também ser utilizada para reforço estrutural de novas construções e como substituta do aço pré-fabricado.

4

Campo de armazenamento de energia

Os compósitos multifuncionais de armazenamento de energia (MESCs) são desenvolvidos incorporando camadas de bateria na estrutura, com rebites interligados fixando as camadas, o que contribui para a melhoria das propriedades mecânicas. Testes experimentais demonstram que os MESCs podem apresentar comportamento eletroquímico comparável ao de outros materiais. Em comparação com as células tipo pouch, os MESCs alcançam rigidez mecânica 15 vezes maior com 60% de eficiência de encapsulamento.

Outras aplicações representativas de compósitos no armazenamento de energia incluem:

Tanques de hidrogênio para o setor aeroespacial

Sistema de célula de combustível de hidrogênio

bateria de material compósito natural

5

campo de infraestrutura

Estritamente falando, não há uma distinção clara entre infraestrutura e edifícios. Nos últimos anos, com o surgimento de novos materiais compósitos estruturais de baixo custo e alto desempenho, a construção de infraestrutura entrou em uma nova fase. O plástico reforçado com fibra (PRF) não só pode substituir o aço em muitas estruturas de suporte de carga, como também se comprovou a viabilidade de reforçar vigas de concreto com PRF colado interna ou externamente.

Materiais compósitos feitos de fibras de vidro, aramida ou carbono estão sendo cada vez mais considerados para pré-tensão, pós-tensão ou reforço de concreto. Para substituir vergalhões corroídos, os sistemas de PRFV (Polímero Reforçado com Fibras) poderão eventualmente ser usados ​​em tabuleiros de pontes de concreto ou outras estruturas de piso de concreto ao ar livre.

A resistência à corrosão é um dos principais fatores que tornam a fibra de carbono tão atraente no setor de infraestrutura. A fibra de carbono não corrói nem enferruja, permitindo que a camada de concreto com fibra de carbono seja muito mais fina, pois não há necessidade de considerar a anticorrosão como no caso do núcleo de aço. Isso reduz significativamente a quantidade de concreto utilizada na construção, além de trazer outros benefícios, como redução de custos, aceleração do processo construtivo e diminuição do tempo de secagem. Ademais, devido à sua boa condutividade elétrica, a fibra de carbono pode ser utilizada para blindagem contra interferência eletromagnética, transmissão de informações sobre parâmetros da edificação e se tornar parte integrante de edifícios inteligentes.

6

Novo campo de energia

A utilização de materiais compósitos em energias renováveis ​​desempenhará um papel cada vez mais importante, criando estruturas capazes de aproveitar energia sustentável. Menor peso, menores custos de transporte e instalação e, principalmente, menores custos de manutenção ao longo da vida útil da estrutura, em comparação com estruturas metálicas, posicionaram os compósitos como o material de referência para projetos de grande escala, oferecendo soluções econômicas.

A leveza e os formatos aerodinâmicos complexos das pás das turbinas eólicas tornaram os materiais compósitos líderes no setor, utilizando moldes projetados para fabricar pás de forma econômica e com o mínimo de mão de obra. As pesquisas e o desenvolvimento atuais visam atender às crescentes exigências de tamanho para pás de turbinas e rotores em sistemas terrestres e marítimos.

7

campo oceânico

Durante décadas, os compósitos de PRFV (Plástico Reforçado com Fibra de Vidro) têm sido usados ​​com sucesso em aplicações marítimas, como radomes e estruturas de sustentação, superiates, barcos de trabalho e barcos de recreio. Mais recentemente, o PRFV tem sido usado em aplicações menos conhecidas, como mancais, hélices, escotilhas comerciais, escapamentos e estruturas de cobertura.

A utilização de compósitos de fibra de vidro em aplicações marítimas foi uma das primeiras áreas significativas de aplicação do PRFV (Plástico Reforçado com Fibra de Vidro). Revolucionou a capacidade de projetar e fabricar grandes estruturas compostas em múltiplos domínios. O barco é fabricado no Reino Unido utilizando uma variedade de processos, incluindo PRFV laminado à mão, infusão de resina, termoplástico e pré-impregnado de fibra de carbono de alto desempenho para iates de competição.

As principais vantagens do PRFV (Plástico Reforçado com Fibra de Vidro) em aplicações marítimas são:

Resistência ambiental, incluindo ausência de apodrecimento, resistência à corrosão, etc.

Capacidade de processar estruturas contínuas e de formato complexo.

Capacidade de ajustar a força de acordo com as condições de carga.

Excelente relação resistência/peso - as estruturas marítimas em PRFV (Plástico Reforçado com Fibra de Vidro) geralmente têm metade do peso de estruturas equivalentes em aço.

Baixa manutenção e fácil reparo

excelente durabilidade

Os barcos a remo utilizam materiais compósitos mais amplamente do que qualquer outra estrutura marítima. Devido a requisitos especiais, os materiais utilizados não são materiais típicos de construção naval. Peso mínimo e rigidez máxima foram cruciais em seu projeto para que pudessem navegar em velocidade máxima e resistir aos efeitos das ondas e outros elementos do ambiente marinho.

Os compósitos de epóxi reforçados com fibra de carbono são comumente usados ​​em cascos com núcleo de favo de mel ou espuma, cavernas, quilhas, mastros, hastes e retrancas, tambores de guincho de carbono e eixos. O uso de PRFV (Plástico Reforçado com Fibra de Carbono) ajuda a melhorar o desempenho e minimizar o risco de defeitos de navegação e avarias em diversas condições de navegação internacionais.

8

Campo do sistema de tubulação

Sistemas de tubulação composta são utilizados em plantas químicas há mais de 25 anos. O uso de materiais compósitos em aplicações industriais tornou-se generalizado na década de 1970. Hoje, instalações de tubulação e tanques compostos estão em ascensão em aplicações acima e abaixo do solo, comerciais, municipais e residenciais. O gás natural de baixo custo está expandindo ainda mais o mercado à medida que novas instalações químicas são desenvolvidas e instalações mais antigas são ampliadas.

Aplicações e produtos típicos de tubos compósitos incluem:

controle de poluição do ar

aquicultura

processamento químico

dessalinização

Petróleo e gás natural

Tratamento de Água e Efluentes

oleoduto

Acessórios e Revestimentos

Sistema de dutos

Revestimento do tanque de combustível

tanque de armazenamento de óleo

Contêiner de processo

Scrubber

válvula

9

Campo de esportes e lazer

A fibra de carbono sempre teve um papel de destaque no setor de artigos esportivos, sendo amplamente utilizada em diversas modalidades, desde corridas e esqui até golfe, pesca e tênis. Com o aumento da popularidade e a queda do preço, seu uso em artigos esportivos tem crescido ainda mais.

A fibra de carbono é atualmente utilizada em raquetes, pranchas de snowboard, trenós, tacos de hóquei, varas de pesca, tacos de golfe, bicicletas, pranchas de surf, pipas, calçados e outros produtos esportivos.

Fibra de carbono em esportes e lazer

Atualmente, 7 dos 10 esportes e atividades de lazer ao ar livre mais populares utilizam materiais compósitos. Os compósitos reforçados com fibra de vidro e fibra de carbono continuam a substituir a madeira e o metal em varas de pesca, raquetes de tênis, mastros/eixos para remos de caiaque, mastros e pranchas de windsurf, tacos de hóquei, pipas e guidões de bicicleta.

10

Transporte

Há uma tendência na indústria de transportes de utilizar veículos maiores. Sejam ônibus, trens ou caminhões articulados, a ideia é simples: transportar mais carga. O desafio é encontrar maneiras de transportar cargas maiores com segurança, economizando combustível e reduzindo o impacto ambiental. Os materiais compósitos oferecem uma resposta impressionante a esse desafio.