Materiais Compostos

Você já deve ter lido sobre como é formada a estrutura de um avião. A aviação é vanguarda na utilização de diversas tecnologias, e na área de materiais não poderia ser diferente. Várias aeronaves atuais possuem grande parte da sua estrutura feita de materiais que são chamados de compósitos (ou materiais compostos). Dentre eles podemos destacar aqueles reforçados por fibra de carbono, fibra de vidro ou fibra de aramida (conhecida comercialmente como Kevlar).

Nesse artigo, vamos entender o que são os materiais compostos, sua importância na indústria aeronáutica e os desafios inerentes no projeto de estruturas em compósitos.

• O que são materiais compostos?

Materiais compostos, também chamados de compósitos, são materiais formados por duas ou mais fases com propriedades físico-química distintas que, quando combinados, produzem propriedades superiores aos seus constituintes. Uma das fases geralmente é descontínua mais rígida e resistente, que chamamos de reforço enquanto a fase mais flexível e menos resistente é contínua e é chamada de matriz. Dependendo das interações químicas entre matriz e reforço, uma terceira fase se forma, entre as duas que é denominada interfase.

Nas aplicações aeronáuticas, o reforço é estruturado na forma de fibras, para obtenção do melhor aproveitamento na resistência e rigidez do compósito. As fibras podem ser dispostas em diferentes orientações de para modificar o comportamento do componente.

As matrizes podem ser poliméricas, metálicas ou cerâmicas e suas principais funções estruturais no componente são:

1. Transferir o carregamento entre as fibras.
2. Separar as fibras para prevenir falha abrupta do componente quando uma fibra falha.
3. Proteger as fibras do ambiente.

• Análise de estruturas em Materiais Compostos

A seguir mostrarei um panorama geral de estruturas em materiais compostos laminados. Laminados se deve à forma construtiva do material, feita através das disposições de camadas ortotrópicas com diferentes orientações possibilitando à estrutura resultante diferentes graus de anisotropia.

Vamos entender melhor o que essa terminologia:

• Isotropia: é a propriedade que caracteriza as substâncias que possuem as mesmas propriedades físicas independentemente da direção considerada. Materiais metálicos podem ser considerados isotrópicos, já que suas propriedades não variam (ou variam muito pouco) com as direções. São necessárias somente duas constantes elásticas para descrever o comportamento linear elástico.
• Anisotropia: as propriedades variam com as direções fazendo com que em um comportamento elástico linear, sejam necessárias 21 constantes para relacionar tensão e deformação!
• Ortotropia: propriedade de um corpo que tem simetria de características em relação a três planos ortogonais. Nesse caso, o número de constantes cai para 9. Para somente as propriedades no plano das lâminas, o número de constantes cai para 4.

A análise de materiais compostos se divide em duas abordagens:

• Abordagem micro-mecânica

Estabelece relações entre as características dos constituintes com as características das lâminas do compósito. Existem relações empíricas para que as relações possam ser utilizadas, baseadas em lei de misturas, ou mesmo modelos em elementos finitos, como o mostrado na figura abaixo:

• Abordagem macro-mecânica

Estabelece relações constitutivas entre tensões e deformações, bem como relação entre carregamentos na lâmina e deformações.

A relação constitutiva na camada pode ser escrita como:

Onde:

Como as camadas são dispostas em diferentes orientações, vale a pena  escrever a relação constitutiva em relação a um referencial comum a todas as camadas. Para isso, faz-se uma rotação no sistema de coordenadas.

Para relacionar os esforços com as deformações, basta integrar as tensões ao longo do laminado e igualar aos esforços solicitantes.

Fazendo a integração, obtêm-se a relação constitutiva do laminado, também conhecida como matriz ABD.

Finalmente, para caracterização do compósito, deve-se definir um critério de falha. Para isso, existem diversas abordagens, sendo que as mais famosas se baseiam na falha de primeira lâmina. Isso significa, que após o cálculo das deformações e curvaturas do laminado, deve-se calcular também as deformações e/ou tensões em cada uma das camadas, e, através de um critério de falha, determinar se ela irá falhar. Existem diversos critérios disponíveis na literatura, alguns que definem tensões ou deformações máximas e outros que definem leis de interação entre as tensões nas diferentes direções na lâmina. Entre os critérios de interação, os mais famosos são os de Tsai-Hill, Tsai-Wu e Hashin.

Para determinação do critério mais adequado, é necessário que ensaios sejam realizados durante o desenvolvimento, pois, dependendo da aplicação, um critério poderá ser mais preciso do que o outro.

Existem ainda critérios de falha do laminado. Esses critérios se baseiam na probabilidade de um laminado com uma determinada configuração de camadas (definido como AML) chegue a falhar. Para determinação desse tipo de critérios geralmente uma campanha de ensaios detalhada deve ser realizada.

• Qual a importância dos materiais compostos na aviação?

Fibras de alta resistência estão disponíveis desde a década de 1960 e sua utilização foi empregada em diversas áreas. Na década de 1990 diversas aeronaves já possuíam a maior parte de sua estrutura em compósitos. Entretanto, na aviação comercial, estruturas como asas e fuselagens só começaram a ser construídas em compósitos recentemente. A figura abaixo mostra uma tendência dos maiores fabricantes de construir aeronaves com cada vez mais estruturas em compósitos.

Agora que mostramos a importância dos materiais compostos e sua evolução, vou deixar uma pergunta para vocês:

• Quais as vantagens e as desvantagens de materiais compostos? Dê um exemplo de estrutura onde o uso de compósitos é vantajoso e outro onde é desvantajoso.