MATERIAIS COMPÓSITOS NA AVIAÇÃO Os materiais que prometem reduzir o peso e o consumo das aeronaves modernas 24 de maio de 2012 por Rodrigo por Rodrigo Zanatta 63 Comentários Última atualização: 2 de maio de 2015
O Proteus, aeronave de exploração para altas altitudes, foi desenvolvido pela Scale Composites, e faz amplo uso de materiais compósitos. Certamente um leitor que se interesse por aviação já terá ouvido falar de materiais compósitos (ou compostos) e de sua importância para uso aeroespacial. Derivados (em sua versão moderna) da corrida espacial, sua adoção é cada vez maior pela indústria
aeronáutica, e os exemplos mais recentes são o Boeing 787 e o Airbus A380, cujos projetos estruturais incluem muitos componentes componentes críticos feitos feitos a partir de tais materiais. materiais. Porém a velocidade com que a adoção dos compósitos se deu pela indústria não foi como se estimava nos anos 70. Pode-se dizer que esta ocorreu de forma bem mais rápida no campo da aviação experimental e militar que na aviação comercial e executiva. Em geral, é bem difundida a ideia de que os materiais compósitos são a última palavra em tecnologia de materiais para uso aeronáutico, principalmente por reunirem duas propriedades de suma importância para o setor: baixo peso e alta resistência. No entanto, para que se possa tirar algum benefício benefício de tais propriedades é necessário necessário que estes materiais sejam bem compreendidos e usados em projetos que levam em conta suas especificidades, caso contrário eles podem ser dramaticamente piores que os materiais mais tradicionais. Não se trata simplesmente de substituir alumínio por fibra de carbono, por exemplo. Existem peculiaridades peculiaridades que que diferenciam o uso desses materiais, e apesar das inúmeras vantagens que introduzem, os compósitos têm também os seus pontos fracos e seus limites.
Montagem da fuselagem do cargueiro X-55A. Com 18 m de comprimento e feita com compósitos de carbono/epoxy, carbono/epoxy, reduziu-se em 10 vezes a quantidade de partes e em mais de 100 vezes a quantidade de fixadores. Imagem: CompositesWorld (www.compositesworld.com). A apresentação que segue está longe de ser completa ou exaustiva. Apesar de relativamente longa, nela fazemos apenas um apanhado geral do que são e como funcionam os materiais compósitos, o que poderá dar ao leitor uma ideia da complexidade do assunto. Não entramos nos detalhes quantitativos de suas propriedades (módulo elástico, resistência a tração, etc.), muito menos exploramos os métodos de cálculo que permitem o design apropriado apropriado de componentes componentes e peças. Mas Mas acreditamos poder criar criar um panorama geral que permitirá permit irá ao leitor compreender sua aplicabilidade e a razão r azão de tal aplicabilidade na indústria aeroespacial. Esperamos Esperamos que possa servir a essa finalidade. A matéria é longa. O leitor pode usar o sumário acima, ou a paginação que aparece abaixo para facilitar a leitura e o tempo de carregamento. A próxima página responde à pergunta: o que são materiais compósitos?. compósitos? .
Os materiais que prometem reduzir o peso e o consumo das aeronaves modernas 24 de maio de 2012 por Rodrigo por Rodrigo Zanatta 63 Comentários Última atualização: 2 de maio de 2015 O que são materiais compósitos?
É muito provável que ao seu redor, neste momento, existam algumas estruturas feitas com materiais compósitos. Não é certo que sejam os materiais apropriados para uso aeronáutico, no entanto evocá-los como exemplo pode ser útil para introduzir o conceito. Todos sabem o que é “concreto armado”. Normalmente, nossos muros, lajes, prédios e casas são feitos com vergalhões de aço mergulhados em um determinado volume (uma “matriz”) de concreto – este este último, em si, uma composição de areia, cimento e água. água. A idéia por trás tr ás dessa técnica é a de combinar as propriedades mecânicas dos vergalhões de aço com as propriedades mecânicas do concreto e obter estruturas com propriedades mecânicas que não são simplesmente a “soma” das propriedades dos materiais
constituintes, mas propriedades novas que surgem dessa combinação. Não se trata de uma novidade. As “indústrias” bélica e civil da antiguidade, por exemplo, já a conheciam,
como testemunham os arcos feitos em compósitos de madeira, pele e tendões animais ou as “paredes” armadas com madeira e argila.
Uma viga de concreto armado, por exemplo, tem a característica de ser significativamente estável em sua forma ao mesmo tempo em que é resistente ao cisalhamento (corte) e à compressão. Por isso são usadas para formar os esqueletos de casas e muros. Se usássemos apenas os vergalhões de aço, perceberíamos rapidamente que apesar de resistentes à tensão, seriam inapropriados para resistir à compressão devido a um fenômeno conhecido como “buckling” (o vergalhão se dobraria sobre si mesmo). Por isso
dificilmente conseguiríamos manter um desses vergalhões em pé e equilibrado sem alguns apoios laterais para suportá-lo. Da mesma forma, se a viga fosse feita apenas com concreto, não seria de surpreender que algum impacto inesperado pudesse trincá-la facilmente, de um lado a outro, comprometendo completamente a estrutura, e uma pequena solicitação de cisalhamento (uma solicitação vertical em uma viga horizontal, por exemplo) facilmente romperia a estrutura. Mas ao combinar os dois materiais, mergulhando os vergalhões de aço (um material da família dos metais) em uma matriz de concreto (da família dos cerâmicos), pode-se fazer com que as deficiências de cada material sejam compensadas pelas virtudes do outro, criando assim um material composto com propriedades particulares. A estrutura em concreto armado será resistente a um impacto ou à solicitação de cisalhamento por ter dentro dela os vergalhões de aço, que ajudam a “firmar” o concreto e evitar trincas e
rachaduras. Ao mesmo tempo, o concreto ao redor dos vergalhões os mantém no lugar, fazendo com que a resistência a tração e compressão da estrutura aumente ainda mais pois os vergalhões não se dobrarão sobre si mesmos. Para tornar a coisa ainda mais clara, que o leitor imagine uma viga de laje apoiada em suas duas extremidades. Se essa viga fosse feita apenas de concreto, é provável que cedesse e se quebrasse ao meio com seu próprio peso. Mas graças aos vergalhões que ali dentro correm, poder-se-ia inclusive caminhar sobre ela e talvez se arriscar a dar alguns saltos sobre a viga. É esse o princípio básico por trás do sucesso e da eficiência dos materiais compósitos. É pouco provável que o concreto armado venha um dia a ser utilizado em construções aeronáuticas, mas a ideia de um elemento de reforço imerso em um elemento de forma, combinando as suas propriedades, já é conhecida e usada a muito tempo e em muitos campos de nossa vida. No caso dos materiais de uso aeronáutico, parte-se do mesmo princípio. No lugar dos vergalhões de aço usam-se em geral fibras, extremamente leves e resistentes à tração, mas que são como qualquer pedaço de linha: não se comportam de forma muito interessante em relação à compressão. No lugar do cimento, usa-se uma matriz tipicamente de natureza polimérica (mas podem ser também metálicas ou cerâmicas, como se verá adiante), que em geral são bem menos resistentes às solicitações mecânicas, porém capazes de manter as fibras no lugar, transmitir as forças entre elas e definir a forma do componente.
Auto explicativo: reforço mais matriz é igual a material compósito Alguns cientistas se referem aos materiais reforçados com fibras como “madeira artificial”. De fato, pode-se pensar na madeira como um “compósito natural”, em que as
“fibras” de celulose estão imersas em uma matriz de lignina. A principal difer ença reside no fato que no caso dos materiais compósitos “artificiais” pode-se ter maior controle sobre a disposição das fibras, ao passo que na madeira, o melhor que se pode fazer é “escolher”
um bom pedaço. Antes de seguirmos adiante, vejamos uma questão de nomenclatura: fala- se de “materiais compósitos” mas também de “materiais compostos” como se fossem sinônimos. De fato,
de um certo ponto de vista, os materiais compósitos são materiais compostos, e não há nenhum problema com essa dupla terminologia que, na realidade, é bem comum. Porém, para evitar equívocos, convém fazer uma distinção. Que o internauta pense por exemplo na água. Esta é feita essencialmente de moléculas “compostas” de dois átomos de
hidrogênio e um de oxigênio. Em condições normais de temperatura e pressão, hidrogênio e oxigênio se encontram em estado gasoso, mas ao se combinarem quimicamente fara formar água, seu estado (e logo, as propriedades físicas e químicas do material resultante) mudam significativamente. O que diferencia no caso a água do concreto armado é o fato de que na primeira há uma interação química entre os elementos constituintes, ao passo que no segundo não. Isto é: os vergalhões de aço não se combinam quimicamente com o concreto. Assim, pode-se reservar o termo “compostos” para materiais onde há interação química entre os constituintes e “compósitos” para quando não há. Evidentemente, na interface entre as fibras e a matriz podem ocorrer reações químicas – o que constitui um fator crítico
no design de componentes em materiais compósitos -, no entanto, não há nada semelhante a uma “razão estequiométrica” entre os constituintes e, no final das contas, as relações
entre tais são basicamente de natureza física (mecânica, térmica, etc.). Em suma, as fibras contribuem basicamente como reforçadores. São o elemento responsável pela resistência mecânica de uma peça. A matriz serve principalmente como comunicador de forças entre as fibras e é responsável pela forma da peça. A seguir apresentamos mais detalhadamente o papel dos vários tipos de fibra e matriz nos compósitos. As próximas páginas tratam das fibras. As fibras
As fibras podem ser de diversos tipos, no entanto as mais comuns são as fibras de carbono, as fibras aramidas (ou Kevlar – que é o nome comercial das fibras aramidas produzidas pela DuPont) e as fibras de vidro. O leitor pode fazer uma experiência muito simples para entender as excepcionais propriedades das fibras. Tenha em suas mãos um pedaço de plástico dútil, como o de uma sacola de lixo. Experimente tensionar esse pedaço de plástico sem deformálo e sentir o quanto ele “resiste” ao seu esforço sem deformar -se. Tensione-o novamente na mesma direção, porém dessa vez deformando-o (esticando-o) mas sem rompê-lo. E agora tente esticá-lo novamente, na mesma direção, e sinta o quanto ele resiste ao seu esforço sem deformar-se ulteriormente. Se o experimento foi feito adequadamente, o leitor terá percebido que após a deformação inicial, o material se tornou mais “resistente”.
Isso se deve ao alinhamento das moléculas que compõem o plástico na direção da solicitação devido à deformação sofrida no primeiro momento. Essa deformação,
em última instância, faz com que uma maior quantidade de moléculas do material se alinhe na direção de maior solicitação que, no caso, com o alinhamento, se torna a direção de maior resistência. Ora, tal “alinhamento” imprime uma anisotropia ao material (se depois da primeira parte da experiência acima o leitor tensionar o material na direção perpendicular à da deformação inicial, ele se mostrará menos resistente). Anisotropia se opõe a isotropia. Esta última quer dizer que o material tem as mesmas propriedades (resistência, elasticidade, etc) em todas as direções possíveis. Logo, a anisotropia quer dizer que as propriedades dependem da direção em que a solicitação é aplicada ao material. Com isso se entende o porque do uso de fibras. É que por terem em geral uma diâmetro extremamente pequeno (de ordem micrométrica), a densidade de ligações atômicas na direção longitudinal em um feixe de fibras é muito maior que em qualquer outra direção, aproximando as características de um feixe de fibras às características ideais de uma macromolécula individual. Em outros termos, é como se toda a resistência somada de todas as ligações atômicas do material se concentrassem na direção longitudinal do feixe, conferindo a este uma extrema anisotropia. Os processos de produção das fibras desde suas matérias primas variam de acordo com o tipo de fibra. Em alguns casos são complexos e envolvem segredos industriais quanto aos detalhes específicos. Faremos uma breve alusão a isso em cada caso. Mas aquilo que aqui nos interessa primariamente é tão somente o que os fabricantes nos fornecem. Em outros termos, o que é que compramos quando compramos essas fibras?
Microestrutura dos filamentos de fibra de carbono com ampliação de 2000 vezes. De (a) a (d (10000x)), é possível acompanhar o crescimento de “nódulos” em torno
dos filamentos, que derivam do processo de tratamento químico da superfície destes. Fonte: Bin, Sureshkumar e Kardos, Chemical Engineering Science, 56, 6563-75 (2001). O produto elementar são filamentos contínuos, reunidos em feixes que somam milhares desses filamentos (se especifica como 1k, 3k, 6k, 12k, etc. um feixe de mil, três mil, seis mil, 12 mil, etc. filamentos). Nestes feixes, conhecidos em inglês como “tows”, os filamentos podem estar ou não perfeitamente alinhados em paralelo;
podem ou não estar torcidos (girando em torno de um eixo como as roscas de um parafuso), e podem ou não terem sido pré-tratados quimicamente – em geral para protegê-los das adversidades do ambiente e melhorar a compatibilidade entre as fibras e as matrizes.
Um feixe ou “tow” de fibra de carbono reunindo milhares de filamentos. A régua ao
lado dá uma dimensão do material.
Estes feixes são então enrolados em bobinas e, literalmente, vendidos ao quilo! O fabricante do material, ou então algum produtor intermediário, pode então, através de tradicionais tecnologias têxteis, usar esse material como matéria prima para a produção de tecidos. Estes tecidos, por sua vez, podem ser feitos segundo diversos padrões e tramas diferentes. A mais simples é aquela bidirecional, também conhecida como “plain”, onde os feixes se cruzam em xadrez em ângulos de 0° e 90°. Variações desta incluem a trama “twill” e “satin”, em que o padrão “xadrez” é
substituído por outros, embora se mantenha o alinhamento de 0° e 90°. Podem ser também feitos tecidos unidirecionais, em que todos os filamentos são alinhados paralelamente uns aos outros, enquanto a intervalos regulares um filamento transversal é disposto de forma a manter as fibras unidirecionais na devida posição. Formas mais complexas envolvem direções diversas de 0° e 90°, ou a inclusão em uma trama “plain” de feixes que se cruzam tipicamente a 45°, 30° ou 60°.
Recentemente, foram desenvolvidas inclusive alguns tecidos tridimensionais.
Tecido de fibra de carbono unidirecional. Na prática, enfim, o tipo de trama é limitado apenas pela tecnologia têxtil e pela criatividade e demanda das respectivas indústrias. No entanto, o tipo de tecido a ser escolhido para a produção de um determinado componente ou a escolha de produzilo a partir dos “tows” é extremamente dependente da aplicação e das solicitações
mecânicas a que o componente estará sujeito, além da eficiência econômica que pode proporcionar. Vejamos ainda mais de perto algumas características das fibras. Continue para saber mais sobre as fibras de carbono. Última atualização: 2 de maio de 2015
Tecido de fibra de carbono com a tram a “twill” 2×2. Fibras de carbono
As fibra de carbono, erroneamente chamadas às vezes de “grafite”, são sem sombra
de dúvida as mais famosas e a mais cobiçadas. De coloração grafite escura (não existe fibra de carbono de outra cor!), uma de suas propriedades mais negativas, no entanto, é seu alto custo. O metro quadrado de um tecido “plain” de fibra de carbono
de qualidade aeroespacial pode custar mais de R$ 200,00 (em comparação aos R$ 5,00 ou R$ 10,00 da fibra de vidro), o que frequentemente limita seu emprego a componentes de extrema solicitação mecânica. Além disso, deve-se observar que as fibras de carbono são produzidas segundo especificações diversas, sendo que somente as mais rígidas, resistentes e caras tem propriedades adequadas ao uso aeroespacial. O elemento carbono, de fato, oferece o melhor exemplo sobre como diversos materiais feitos basicamente do mesmo elemento podem ter propriedade
significativamente diversas. Basta evocar a diferença entre o diamante e o grafite (usado como lubrificante). É desnecessário salientar as diferenças. Basta lembrar que ambos são carbono puro, porém dispostos e ligados entre si de forma diversa. No caso das fibras, segundo o princípio do “experimento” descrito na página anterior,
pode-se dispor de longas moléculas cujo esqueleto é composto de átomos de carbono ligados entre si, dando a estas as propriedades que tem. As fibras são produzidas basicamente a partir de precursores orgânicos. Entre estes, as fibras usadas em aplicações aeroespaciais são aquelas que derivam das fibras de poliacrilonitrila (PAN). Fibras de qualidade um pouco inferior são produzidas a partir de diversos tipos de “piche”. O processo de produção das fibras
de carbono a partir da PAN é relativamente complexo e envolve etapas de extrusão, tensionamento, tratamento térmico, oxidação, carbonização, e etc. Consequentemente, o resultado são fibras de alta qualidade (alto módulo elástico e resistência à tração) e alto custo. Já os processos de produção a partir do “piche”
são mais simples, porém as fibras resultantes não apresentam a mesma qualidade e não são adequadas para uso aeroespacial. O vídeo abaixo (15 minutos, em inglês) oferece um pequeno insight sobre o processo de fabricação das fibras de carbono. No caso, trata-se da SGL, fornecedora e subsidiária da BMW. Uma das principais vantagens das fibras de carbono é, sem dúvida, sua altíssima resistência específica (uma propriedade específica é a razão entre a propriedade e massa ou densidade) às solicitações de tensão, podendo superar em mais de 5 vezes a resistência específica das ligas de aço. Em outros termos, por exemplo, se um feixe de fibra de carbono cujo peso é de 0,1 kgf pode suportar um peso de 100 kgf, então para suportar o mesmo peso um cabo de aço pesaria em torno de 0,5 kgf. Trata-se, sem dúvida, de uma característica extremamente atraente, que permite uma redução de até 25% no peso máximo de decolagem de uma típica aeronave comercial que emprega ostensivamente os compósitos de fibra de carbono. Elas também costumam ter um módulo elástico muito alto. Isso quer dizer que são extremamente resistentes à deformação. Seguindo o exemplo acima, e partindo do pré-suposto de que o módulo elástico do aço seja menor que o da fibra de carbono (o que normalmente é o caso), o cabo de aço se deformaria (isto é, se esticaria) mais que o feixe de fibra de carbono sob solicitações idênticas. Quanto a isso, convém neste ponto distinguir entre a deformação elástica e a deformação plástica. A primeira é aquela que, retirada a solicitação, não impede que o material retorne às suas dimensões iniciais. No segundo caso, porém, a deformação altera a disposição microestrutural do material, e retirada a solicitação, o material permanece permanentemente deformado. Com isso podemos apresentar uma das principais desvantagens das fibras de carbono. Mas para isso é necessário introduzir ainda alguns conceitos elementares da mecânica dos materiais: chamam-se dúcteis os materiais que sofrem uma boa quantidade de deformação plástica antes de romperem-se, e de frágeis os materiais cujo limite elásticocoincide muito proximamente como a resistência máxima a tração. O limite elástico é a quantidade máxima de solicitação que pode ser aplicada a um material para que sua deformação permaneça em campo elástico. Pois bem: as fibras de carbono, e os compósitos com ela reforçados, são frágeis.
Traduzindo: ao pendurarmos os 50 kgf no cabo de aço acima, ele terá se deformado um pouco, mas tal deformação permanecerá elástica. Ao dobrarmos a solicitação pendurando mais 50 kgf o cabo de aço estará em seu limite elástico. Ao acrescentarmos mais 0,1 kgf o cabo supera o seu limite elástico e começa a sofrer deformação plástica. Ao mesmo tempo, devido a fenômenos como o descrito no “experimento” sugerido anteriormente, sua resistência aumenta, e será necessário
solicitá-lo ainda mais para que continue a se deformar plasticamente. No entanto, em um determinado ponto, ao chegarmos aos 150 kgf por exemplo, o cabo se rompe definitivamente. Este é o limite último de resistência à tração. Repetindo o mesmo processo com o feixe de fibra de carbono, observa-se que esta se deforma elasticamente muito pouco até atingir o seu limite (que supomos acima de 100 kgf, mas que normalmente é bem maior que o do aço), quando, sem qualquer deformação plástica, se rompe definitivamente. Isso constitui uma desvantagem por duas razões básicas. A primeira é que a deformação plástica não implica em uma completa falha estrutural, e eventualmente é mais interessante que um componente se deforme antes de se romper, pois permite que a falha seja detectada através das inspeções de rotina. A segunda é que a deformação plástica é sinônimo de “absorção de energia”, o que implica que os compósitos reforçados com fibra de carbono são muito pouco capazes de absorver energia e logo, tem comportamento inaceitável em relação, por exemplo, a impactos (basta evocar uma imagem de um acidente de fórmula 1 em que o carro se despedaça aos ares e compará-la com um normal acidente rodoviário). O vídeo abaixo mostra o teste de solicitação com uma amostra de compósito carbono/epoxy solicitado em tração. A máquina de testes imprime um esforço cada vez maior, até que ao atingir o limite elástico da amostra, está se rompe subitamente. O mesmo teste efetuado com um metal provocaria primeiro uma deformação plástica considerável, e só depois o rompimento definitivo. A rigidez das fibras de carbono (alto módulo elástico) pode ser particularmente interessantes quando é extremamente necessário que um determinado componente não se deforme ou se deforme muito pouco sob uma determinada solicitação, como frequentemente ocorre no caso aeronáutico (lembremos que a deformação de uma asa, por exemplo, implica em uma alteração aerodinâmica que pode comprometer o desempenho da aeronave). Por outro lado, uma quantidade limitada de deformação (elástica) pode ser desejada, quando se quer por exemplo suavizar o impacto de rajadas de vento, e neste caso o uso da fibra de carbono como reforçador deve ser bem estudado. Apesar das desvantagens apresentadas, um bom projeto pode fazer uso das fibras de carbono satisfatoriamente, minimizando os riscos de se sair do campo elástico e assim desfrutando da sua resistência e baixo peso. Em seguida, trataremos das fibras aramidas (Kevlar) Fibras aramidas (Kevlar)
As fibras aramidas, normalmente chamadas de Kevlar, tem coloração amarelada e são menos conhecidas do público em geral, embora sejam muito famosas e apreciadas entre soldados e policiais. Isso porque muitas vezes são elas a matéria prima principal de seus coletes a prova de bala. No entanto, foram as primeiras a se mostrarem adequadas a aplicações estruturais em campo aeronáutico. Seu custo
normalmente é inferior ao das fibras de carbono de qualidade aeroespacial, mas é ainda bem superior ao das fibras de vidro.
Tecido de Kevlar trama twill 2×2. Uma de suas propriedades mais importantes é a sua altíssima resistência ao cisalhamento. Na verdade, é realmente muito difícil até mesmo cortar um feixe de Kevlar com uma tesoura comum sem danificá-la depois de muito pouco tempo de uso (a tesoura). Isso faz das fibras aramidas um material balístico importante, capaz de suportar fortes impactos localizados, além de serem significativamente leves e terem uma importante resistência à tração (no entanto, menor que a das fibras de carbono, mas superior à do alumínio). As fibras aramidas são capazes de absorver uma grande quantidade de energia durante a fratura. Isso resulta da sua resistência à fratura, evidentemente, mas também da sua capacidade de sofrer deformação plástica sob compressão e principalmente do fato que tendem a desfibrilar durante a fratura sob tensão. Seu uso aeronáutico principal é, como era de se esperar, em componentes e superfícies sujeitas a impactos (por exemplo, em polainas, carenagens, bordos de ataque de asas, empenagens, blindagem de hélices, etc.). Além disso, o Kevlar pode
ser um bom substituto das fibras de carbono em algumas partes da fuselagem, especialmente aquelas que alojam sistemas de comunicação, navegação e radares, visto que as fibras de carbono são eletro-opacas e prejudicam significativamente a passagem de ondas eletromagnéticas, ao passo que as fibras aramidas são boas dielétricas. Uma das principais desvantagens do Kevlar é a sua difícil manuseabilidade. Como dito, trata-se de um material muito resistente ao cisalhamento, e todo o trabalho de cortá-lo pode ser muito complicado. Além disso, sua capacidade de absorção de resinas (para a matriz) é bem reduzida, o que exige uma atenção especial e um rígido controle na produção de componentes. O processo de produção das fibras aramidas é relativamente complexo. Basta dizer que estas se baseiam em cadeias poliméricas aromáticas de poliamidas, semelhantes ao nylon, e são produzidas através de extrusão em uma solução de ácido sulfúrico. O resultado final é uma estrutura que consiste em grande parte em grupos de cadeias poliméricas alinhadas e cristalinas, separadas umas das outras e debilmente ligadas entre si. De uma maneira geral, o que foi dito acima a respeito de elasticidade e fragilidade em relação às fibras de carbono vale também para as fibras aramidas. Exceto que, no caso destas, pode-se contar com uma certa deformação plástica, que se manifesta muito rapidamente em compressão, e que ocorre como desfibrilação em tensão. Convém, portanto, tomar cuidado com o termo “frágil”, que não é sinônimo de “fraco”, mas sim de ausência de ductilidade ou de deformação plástica. As fibras
aramidas tem uma resistência última inferior à das fibras de carbono, porém são capazes de absorver muito mais impacto que estas. O vídeo abaixo (vídeo promocional da DuPont) mostra como paredes reforçadas com Kevlar podem resistir a fortes impactos (no caso, se trata de paredes projetadas para resistir a impactos derivados de escombros durante tempestades). Apesar de uma boa resistência à tensão, a interface entre o Kevlar e qualquer matriz tende a ser problemática, e ao trabalhar em tensão podem surgir problemas de delaminação indesejáveis que, em última instância, levam a falhas estruturais graves. Some-se a isso uma tendência a absorver umidade, que implica na necessidade de um rigoroso controle das condições ambientais durante a produção de um componente, e a tendência a ter suas propriedades degradadas sob efeito da radiação ultravioleta, o que não é um sério problema quando o componente reforçado tem um simples tratamento superficial, como por exemplo a pintura. Da mesma forma que com as fibras de carbono, as fibras aramidas são fornecidas em diferentes especificações, e deve-se selecionar bem o material a ser utilizado segundo os requisitos do projeto e a finalidade da aplicação. Os tipos mais comuns (entre os fornecidos pela DuPont) são o Kevlar 29, o 49 e o 149, caracterizados por terem boas propriedades balísticas, estruturais e de rigideza, respectivamente. Apresentamos em seguida as fibras de vidro.
Fibras de vidro
As fibras de vidro são, longe de qualquer dúvida, o material reforçador mais conhecido. Muito provavelmente o leitor terá alguma experiência com ela. Seja porque já construiu alguns aeromodelos, ou seja porque já fez algum reparo em alguma caixa d´água, carenagem ou caiaque. Infelizmente, estamos familiarizados a uma idéia de fibra de vidro muito ligada a um uso precário que se faz desse excelente material em outras aplicações que não as aeroespaciais. Qualquer um já terá tido contato c om uma “manta” (um emaranhado de fragmentos de fios dispersos aleatoriamente), ou algo do gênero. No entanto, assim como no caso da fibra de carbono e do Kevlar, também as fibras de vidro são produzidas com diferentes qualidades e especificações, e fornecidas em diferentes formatos.
Tecido de fibra de vidro com trama plain.
As fibras de vidro de alta prestação sem dúvida tem aplicação aeroespacial, e se tornaram muito usadas pela indústria aeronáutica desde os anos 60, seja no campo da aviação experimental mas também em aplicações secundárias tais como carenagens, graças a seu baixo custo. A matéria prima das fibras de vidro é, obviamente, o vidro. Para ser mais preciso, é o dióxido de silício (SiO 2) associado a outros óxidos. O material fuso é extraído da caldeira fazendo-o passar por um dispositivo feito de uma liga de platina e ródio cheio de pequenos furos micrométricos. A s “gotas” que surgem do outro lado são puxadas a alta velocidade e esticadas, formando as fibras que são reunidas nos feixes. Desnecessário dizer que tal processo ocorre sob um controle rigoroso da temperatura e de outros parâmetros ao longo de sua várias etapas. Distinguem-se basicamente dois tipos de fibra de vidro: o “E -glass” e o “S-glass”. As primeiras tem resistência específica e módulo elástico específico ligeiramente inferior às segundas. A fibras de vidro “E” derivam de um vidro ligado com cálcio, alumina e silicato de boro. O “E” se refere a “elétrico”, por serem essas fibras mais resistentes à condução elétrica que as fibras “S”. São longe de dúvida o tipo mais usado em aplicação não aeroespaciais. As fibras “S” por sua vez, baseiam -se em um vidro composto com magnésio e silicato de alumina, onde o “S” se refere a “resistência” (do inglês “strength”). São um pouco mais difíceis de se obter e, por
isso, mais custosas.
Em geral, as fibras de vidro são significativamente menos resistente que as fibras de carbono, e possuem um módulo de elasticidade significativamente inferior, o que inviabiliza seu uso em estruturas que exigem rigidez. Já em termos de peso e resistência, elas são comparáveis em muitos aspectos ao alumínio. Outras fibras
Os materiais reforçadores não se limitam às fibras acima descritas. Estão sempre presentes no horizonte pesquisas e desenvolvimentos de outros materiais que podem aprimorar os aspectos negativos sem perder muito nos aspectos positivos das fibras apresentadas. Em primeiro lugar, podemos citar os “tecidos híbridos”, em geral feitos a partir das fibras acima referidas, em que se usam tipos diversos de fibras em direções diversas. No entanto, não se trata aí propriamente de um “outro tipo de fibra”, mas
simplesmente de uma combinação de fibras diversas na fabricação de tecidos.
Entre as outras fibras, podemos citar por exemplo as fibras de boro. Graças às suas propriedades de resistência à compressão, foram amplamente utilizadas na fabricação do estabilizador horizontal do F-111 e no leme do F-4, para citar apenas alguns casos. No entanto, seu altíssimo custo ainda limita muito o seu emprego. Há também fibras de carbeto de silício, fibras de polietileno, de nylon, etc. Mas não entraremos nos detalhes desses casos por serem escassamente utilizadas em campo aeronáutico. Passemos agora à outra parte dos compósitos, isto é, as matrizes.
Matrizes A matriz é o material no qual as fibras são “mergulhadas”. Elas po dem
ser subdivididas em 3 grandes grupos. O primeiro e mais comum é o grupo das matrizes poliméricas, popularmente conhecidas como “resinas” e que podem ser termoendurentes (em inglês: “themosetting”) ou termoplásticas. O segundo grupo é
o das matrizes metálicas que podem envolver virtualmente qualquer metal. Por fim, temos as matrizes cerâmicas. Cada grupo tem propriedades típicas distintas que apresentam vantagens e desvantagens. Em geral, costuma-se indicar como PMC (“Polymer Matrix Composites”) os compósitos cuja matriz é polimérica, como MMC (“Metal Matrix Composites”) os compósitos cuja matriz é metálica e, claro, como CMC os compósitos de matriz cerâmica (“Ceramic”). Uma forma mais precisa de indicar os constituintes do compósito é no formato “reforço/matriz”. Assim, “carbono/epoxy” quer dizer um
compósito reforçado com fibras de carbono em uma matriz polimérica de resina epoxy. Ou ainda: “carbono/alumínio”, ou “carbono/carbono”. A primeira se refere a uma matriz metálica, ao passo que o segundo “carbono” na segunda se refere a
uma matriz cerâmica. Outras siglas normalmente usadas para o caso de matrizes poliméricas são GFRP e CFRP, respectivamente para “Glass Fiber Reinforced Polymers (ou Plastics)” e “Carbon Fiber Reinf orced Polymers (ou Plastics)”.
Como já tivemos a oportunidade de indicar nas páginas anteriores, as funções primárias das matrizes são estabilizar a forma do componente e transmitir as forças entre as fibras. Acrescentamos ainda que ao manter separadas um fibra da outra, a matriz promove a resistência a fadiga do material, pois impede que fibras adjacentes propaguem uma falha. Isso é particularmente verdadeiro para as matrizes de tipo polimérico. Uma grande desvantagem destas últimas é sua baixíssima capacidade de cumprir sua função em ambientes cuja temperatura é pouco maior que 100º. Essa é uma das principais razões pelas quais a imensa maioria das aeronaves construídas com compósitos de vidro/epoxy ou de carbono/epoxy são pintados de branco, especialmente entre os experimentais. É que a cor branca é a que menos absorve calor através de radiação, impedindo que a temperatura nas superfícies em questão atinjam valores inaceitáveis. Essa é, também, uma das principais razões de se introduzir compósitos com matrizes metálicas e cerâmicas, muito mais tolerantes a altas temperaturas. De fato, é justamente de compósitos de carbono/carbono que é feita a barreira de proteção térmica do ônibus espacial, onde a temperatura pode chegar a 3000°C na reentrada. Matrizes poliméricas
As propriedades mecânicas de um componente que são particularmente afetadas pelas propriedades de uma matriz polimérica são a resistência a compressão longitudinal, a tração transversal e a resistência ao cisalhamento inter-laminar. Estas são normalmente chamadas de “propriedades dominadas pela matriz”. Como o nome indica, matrizes poliméricas são constituídas basicamente de polímeros. Estes, por sua vez são longas cadeias moleculares cujo esqueleto é geralmente feito de átomos de carbono. O arranjo geral dessas cadeias poliméricas é frequentemente descrito como um arranjo em “espaguete”, por se assemelhar
microscopicamente a um prato de espaguete. Entre os dois grupos que examinaremos abaixo a grande diferença reside no seguinte: no caso das resinas termoendurentes, os “espaguetes”, isto é, as moléculas, se ligam umas as outras em vários pontos através de ligações covalentes fortes – a isso se dá o nome de “cross-linking” -, ao passo que nos termoplásticos as ligações intermoleculares são fracas, conhecidas como ligações de Van der Waals. Isso determina que as primeiras tenham propriedades mecânicas mais atraentes que as segundas. No entanto, estas últimas tem a enorme vantagem de poderem ser “remodeladas” através de processos térmicos. De uma maneira geral, a principal desvantagem das matrizes poliméricas é sua baixa tolerência à temperatura. Vejamos agora as matrizes termoendurentes. Termoendurentes
A grande vantagem de se usar resinas termoendurentes como matriz é o fato de que os componentes podem ser fabricados sob condições de baixa temperatura e pressão (normalmente, temperatura e pressão ambientes), e passam por um estado de baixa viscosidade antes da polimerização e do “cross -linking”, permitindo que sua absorção pelas fibras seja muito boa. As resinas termoendurentes são normalmente fornecidas em dois componentes: a resina propriamente dita, e o endurecedor ou “catalizador”. Isolados, embora com “validade” (“shelf life”) limitada, tais componentes não se modificam, mas ao se misturá-los uma série de reações químicas se inicia, o que se chama “cura”, e o desfecho final é a mudança de estado de “líquido viscoso” para “sólido”. Assim toma
forma o componente.
Além do que já foi dito, podemos sintetizar as principais características das matrizes termoendurentes no que segue: 1- sofrem mudanças químicas no processo de cura; 2- baixa elasticidade; 3- são frágeis; 4- o “processamento” é irreversível; 5 absorvem umidade; 6- são altamente resistentes a solventes. Suas principais vantagens são: 1- podem ser moldadas em formas complexas e 2- são resistentes ao escorrimento. O método de preparo, a natureza das reações químicas em questão, as características mecânicas finais e outras propriedades são diferentes de acordo com o sistema de resina usado. As grandes representantes deste grupo são as resinas epoxy, de longe as mais usadas e as mais indicadas para aplicações de alto desempenho, o que inclui aplicações aeronáuticas. Mas existem outros tipos dos quais falaremos brevemente Resinas epoxy
O termo “epoxy” deriva do grego e quer dizer algo como “oxigênio no meio”, sugerindo a estrutura molecular dos “grupos epoxydicos” da resina, que ao reagirem
com o endurecedor formarão os polímeros da matriz.
Uma típica configuração da estrutura química de um grupo epoxídico Embora existam sistemas de resina epoxy que podem se auto-polimerizar, a grande maioria dos sistemas faz uso dos endurecedores. O processo de cura é complexo, e constitui-se em uma série de reações química individuais com diferentes velocidades. Damos aqui apenas uma descrição dos estados físicos pelos quais passa a resina durante o processo: em um primeiro momento, ela se encontra em um estado líquido de baixa viscosidade, o que é importante para banhar bem as fibras. Em seguida, tal viscosidade atinge um “mínimo”, devido ao calor externo ou
ao calor produzido a partir das próprias reações químicas, para então aumentar rapidamente graças ao crescimento das cadeias moleculares. Posteriormente a resina começa a ficar semelhante a um “gel”, pois começam a ocorrer os “cross linkings” e a resina deixa de fluir. Neste ponto, a velocidade das reações diminui consideravelmente, e o próximo passo é a “vitrificação”, que é quando o m ovimento
das cadeias moleculares praticamente cessa. Ao fim desta etapa, pode-se então considerar que a cura está finalizada. É importante observar que devido às especificidades químicas do processo de cura dos sistemas epoxy, é sempre importante seguir um protocolo específico para o processo (ditado pelo sistema de resina usado). Entre os elementos desse “protocolo”, é muito importante destacar o seguinte: entre a resina e o endurecedor
existe uma relação estequiométrica precisa. Em outras palavras, a fração de quantidade (geralmente em massa) de endurecedor por quantidade de resina deve ser respeitada rigorosamente. Isso está em contraste direto com as resinas de tipo poliéster (sobre as quais falaremos mais abaixo e com as quais em geral se está mais familiarizado), onde a quantidade de endurecedor a ser administrada tem relação com a velocidade da cura.
Curada, a resina epoxy tem em geral uma aparência transparente (às vezes um pouco “amarelada”, dependendo da formulação), como ilustra a imagem acima de “stickers” feitos com resina epoxy.
No caso das resinas epoxy, aumentar ou diminuir a quantidade de endurecedor em relação à quantidade exata recomendada para o sistema adotado só ira prejudicar (significativamente) a qualidade final do componente. O tempo de cura das resinas epoxy depende de fatores externos, como a temperatura e a pressão, mas normalmente é relativamente longo. Pode-se, de fato, distinguir duas etapas práticas
importantes, relacionas aos estados físicos acima descritos. A primeira é a “pot life”, é o t empo que se tem antes que a resina passe ao estado de “gel” para preparar o
componente. Esse tempo varia de acordo com o tipo de sistema, podendo ser de alguns minutos até poucas horas. Em seguida, uma vez que a resina esteja no estado de gel, não se pode mais trabalhar no componente, e é quando ocorre o processo de solidificação. O tempo necessário para tal pode ser de muitas horas, ou ainda de poucos dias. Existem também sistemas epoxy em que a cura só ocorre quando o componente sendo fabricado é exposto a altas temperaturas (em torno de 80 a 100° C). Neste caso, é necessário o uso de fornos, estufas e/ou autoclaves para finalizar a peça. Trata-se do recurso preferencial quando se quer mais flexibilidade de tempo de preparo e mais qualidade na produção do componente. Logo, é o tipo de sistema epoxy mais usado, especialmente pelas médias e grandes indústrias do setor. As principais vantagens específicas das resinas epoxy são a resistência a fratura, a conveniência e a segurança no manuseio devido a baixas emissões gasosas, o baixo “encolhimento” (ao solidificar -se, as dimensões permanecem quase constantes), uma boa estabilidade dimensional e térmica. As principais desvantagens são o alto custo (especialmente para os sistemas avançados para uso aeroespacial), a sensibilidade à umidade, a cura lenta e a limitada temperatura máxima operativa. Na próxima página, descrevemos as resinas poliéster. Resinas poliéster
Um outro grupo de resinas amplamente difundido é o das resinas poliéster. Não se deve confundi-las com outros produtos de “base” poliéster, como por exemplo tintas e vernizes. Uma forma inconfundível de reconhecer as resinas poliéster é através de seu terrível odor. Qualquer um que já tenha estado por perto enquanto um componente (normalmente caixas d’ água, piscinas e reparos em geral) estava
sendo feito com essas resinas saberá reconhecê-la.
Elas se diferem das resinas epoxy tanto no que diz respeito aos métodos de manuseio e fabricação como também no que se refere às suas propriedades. E isso, evidentemente, se fundamente em diferenças químicas de base. Em primeiro lugar, é importante ressaltar o fato que assim como os sistemas epoxy, os sistemas poliéster incluem a resina propriamente dita, e um “catalizador”. No entanto, diferentemente do que ocorre com as resinas epoxy, aqui não há uma relação estequiométrica precisa entre resina e catalizador a ser respeitada. Pelo contrário, dentro de uma certa faixa de tolerância, o aumento ou a diminuição da quantidade de catalizador administrado no processo implica, respectivamente, em um aumento ou uma diminuição da velocidade do processo de cura. Normalmente a quantidade de catalizador administrada é muito pequena (em torno de 0,5 a 3% em peso da resina), e seu efeito é o de iniciar as reações químicas que promoverão o cross-linking dos radicais livres de base da resina e o conseqüente endurecimento do componente. Isso possibilita um maior controle sobre o tempo de cura que o que se pode ter com as resinas epoxy. No entanto, tal processo é extremamente exotérmico, o que pode danificar não só partes do próprio
componente que está sendo construído, como os moldes e outros acessórios usados para a fabricação. Embora a razão estequiométrica não seja um fator muito importante no caso dos sistemas poliéster, a variação na quantidade de catalizador também implica em uma variação nas propriedades do componente final. Com isso, podem ocorrer casos em que a cura final fique incompleta, especialmente nas superfícies expostas, o que pode ser verificado facilmente pelo toque, quando se percebe uma certa e constante “umidade” na superfície do componente.
O processo de cura é semelhante ao caso das resinas epoxy, exceto que no estado de gel, enquanto nestas últimas a velocidade do processo diminui, no caso das resinas poliéster essa velocidade aumenta. A isso corresponde a enorme liberação de calor (exotermia) que caracteriza a cura dessas resinas. As principais vantagens das resinas poliéster são 1) a baixa viscosidade, o que permite uma fácil impregnação das fibras e 2) baixíssimo custo. No entanto, o 1) alto nível de encolhimento e a elevada exotermia prejudicam a interface fibra/matriz, o que resulta em piores qualidades mecânicas, a 2) fragilidade e a 3) baixa tolerância a ataques químicos são desvantagens importantes que limitam enormemente o emprego dos sistemas poliéster em aplicações aeroespaciais. Outras resinas
Assim como no caso das fibras, existem outros sistemas de resina que, embora menos conhecidos não são por isso menos eficientes. Além disso, muita pesquisa é hoje voltada especialmente para o desenvolvimento de sistemas que possam melhorar o desempenho dos sistemas termoendurentes, especialmente no que diz respeito à tolerância a altas temperaturas. O primeiro grupo que mencionamos é o das resinas vinil-éster. São algo intermediário entre as resinas epóxy e poliéster, combinando a facilidade de manuseio das últimas com a resistência química das primeiras. Elas tem melhores qualidades mecânicas e não apresentam tantos problemas de interface com as fibras, como no caso das resinas poliéster. No entanto, tem alto custo e sua taxa de encolhimento é bem maior que nas resinas epóxy. As resinas fenolíticas são um segundo grupo. Apesar de apresentar propriedades mecânicas inferiores que as resinas epóxy, terem um alto custo e serem de difícil manuseio (é necessário usar pressões elevadas, criam- se muitas “bolhas” e ela tem uma coloração marrom escura que dificulta a inspeção visual), apresentam uma importante vantagem: são particularmente resistentes a altas temperaturas e, em especial, tem boas propriedades ablativas, sendo resistentes a chamas. Componentes feitos a partir de resinas fenolíticas podem não ter boas características mecânicas, mas podem ser apropriadamente usados como retardantes de chamas. Outros grupos que tem recebido muita atenção e fundos de pesquisa é o das resinas bismaleimidas e das resinas polimidas. Ambas apresentam características mecânicas e químicas comparáveis às resinas epóxy, no entanto são muito mais tolerantes a altas temperaturas. As primeiras tem uma temperatura de transição que pode chegar a 300ºC, ao passo que as segundas podem chegar a 400ºC
(dependendo da formulação específica). A maior desvantagem desses sistemas, no entanto, é seu altíssimo custo e dificuldade de processamento, especialmente em relação às polimidas, o que até hoje tem limitado seu uso a aeronaves militares de alta performance ou aeronaves conceituais futurísticas. Tratamos em seguida dos termoplásticos. Termoplásticos
Os termoplásticos são o que normalmente conhecemos como “plástico”. São os
materiais a partir dos quais são feitas as sacolas de supermercado, o seu teclado, as cadeiras de bar, o painel do seu carro e tantas outras coisas. O princípio geral do processamento dos termoplásticos é relativamente simples. O princípio geral consiste em aquecê- los de forma que se tornem “moles” e possam ser moldados. Ou ainda, em “de rretê-los”, transformando -os em um líquido viscoso para que assumam a forma de um molde. Nada de endurecedor ou catalizador: não ocorrem reações químicas, mas apenas mudança de fase. Os polímeros de natureza termoplástica podem ser classificados de uma forma geral como amorfos ou cristalinos, estes últimos apresentando propriedades mais interessantes para o uso como matriz em compósitos avançados. Comparados aos sistemas termoendurentes, os termoplásticos apresentam algumas vantagens: absorvem menos umidade e conseqüentemente mantém suas propriedades consideravelmente inalteradas em temperaturas mais elevadas, e apresentam maior resistência interlaminar e ao impacto. Graças ao fato que nenhuma reação química é necessária, o tempo de processamento é mais curto. No entanto, tal processamento requer temperaturas e pressões frequentemente muito mais elevadas que aquelas necessárias ao processamento dos termoendurentes, o que leva a um inevitável aumento nos custos. Uma grande vantagem dos termoplásticos é que, ao menos em teoria, bolhas e falhas na matriz podem ser reparadas e componentes diversos podem ser “soldados”.
São inúmeros os tipos de termoplásticos, e melhor que tratar de cada ou de alguns tipos em particular, pode ser mais útil abordar a questão a partir da classificação acima feita, isto é, os termoplásticos cristalinos e os amorfos. Quando se fala de um material cristalino, qualquer que seja a natureza do material, normalmente o que se tem em mente é uma estrutura atômica ou molecular ordenada , frequentemente em um padrão que se repete. Por outro lado, ao se falar de um material amorfo o que se tem em mente é exatamente o contrário. Já fizemos referência a isso neste artigo, aos usa rmos a analogia com o “espaguete” para ilustrar a microestrutura dos polímeros. Seguindo essa mesma analogia, podemos dizer que o “espaguete” servido em um prato é normalmente desordenado,
logo amorfo, ao passo que ainda dentro do pacote em que o compramos no supermercado, cada “espaguete” está perfeitamente alinhado em paralelo aos
outros, e assim falamos de um material cristalino.
Portanto, um termoplástico (que é um polímero) é cristalino se as moléculas que o compõem estão ordenadas, e é amorfo no caso oposto. Também já fizemos
referência às noções de anisotropia e isotropia, e do quanto estas são influenciadas pelo alinhamento ou ordenação – ou não – da microestrutura do material. De uma maneira geral, um material é sempre mais resistente mecanicamente na direção em que o alinhamento ocorre. Se não há alinhamento, então a resistência é a mesma em todas as direções, uma média estatística geral, certamente menor que a resistência máxima possível no caso do alinhamento. Com isso já está clara a diferença mecânica entre os termoplásticos cristalinos e amorfos. Há ainda o caso intermediário dos termoplásticos “semicristalinos”, que
são aqueles onde a ordenação ocorre em algumas regiões do material e se distribuem aleatoriamente por todo ele. Neste caso, como seria de se esperar, também as propriedades são intermediárias. Resta comentar um pouco sobre as outras propriedades dos termoplásticos, especialmente as propriedades térmicas e químicas. Em geral, em muitos casos, os termoplásticos se comportam melhor quanto a isso que os termoendurentes, mas somente no caso dos cristalinos. Os termoplásticos amorfos normalmente tem pouca ou quase nenhuma resistência a ataques químicos, o que é uma séria desvantagem em se tratando de aplicações aeroespaciais, onde fluídos solventes de toda natureza integram partes consideráveis dos sistemas. Além disso, mesmo que as propriedades térmicas dos termoplásticos sejam mais atraentes, não chegam a ser muito mais atraentes. De uma maneira geral, os termoplásticos são muito mais usados como materiais em si para a produção de componentes decorativos e funcionais em cabines e outras partes que como matrizes propriamente ditas para partes estruturais. Uma das grandes vantagens, no entanto, dos termoplásticos como matrizes para materiais compósitos é o fato que ao serem aquecidos, os termoplásticos simplesmente mudam de estado, do sólido ao líquido, o que permite que possam penetrar nas fibras (com a ajuda de mecanismos de pressão) e serem remoldados quantas vezes for necessário. A guisa de completude, damos por fim uma pequena e incompleta lista dos termoplásticos mais frequentes: entre os amorfos, podemos citar a polisulfona (PSU), a polietersulfona (PES) e a poliarilsulfona (PAS). Todos apresentam boas características térmicas e resistência a chamas. A polieterimida (PEI) tem relativamente boas características mecânicas isotrópicas, baixo encolhimento e estabilidade dimensional. Entre os cristalinos, citamos os vários tipos de polietercetonas (PEK, PEKK, PEEK, etc.), que tem excepcional tolerância térmica e química, e é um dos melhores para uso como matriz em compósitos. Os polisulfetos de fenileno (PPS) apresentam uma ótima combinação de propriedades, entre elas a estabilidade térmica, resistência química e ao f ogo. Apesar das vantagens térmicas, o limite de temperatura que se pode obter com os termoplásticos ainda é muito baixo para muitas aplicações aeroespaciais. Vejamos agora as matrizes metálicas.
Matrizes metálicas
Como salientamos mais de uma vez, tanto as matrizes termoplásticas quanto as termoendurentes, apesar de sua ampla aplicabilidade, sofrem de uma grande fraqueza: são muito pouco tolerantes a altas temperaturas. Em outras palavras, não suportam ou não podem trabalhar em temperaturas superiores a algo em torno de 120°C. Tal resistência pode ser aprimorada através de processos de cura refinados, mas ainda assim não superam os 170°C – exceção feita ao caso de matrizes poliméricas muito específicas (que podem chegar aos 400ºC). Evidentemente, isso limita consideravelmente sua aplicabilidade. Basta lembrar, por exemplo, que no interior dos motores (especialmente aqueles mais modernos) a temperatura ultrapassa facilmente os 1300°C, e que em voo supersônico, a Mach 2.0 por exemplo, a temperatura na superfície de uma aeronave pode chegar a mais de 300°C. Um caso exemplar é aquele do Condorde, ou ainda o SR- 71 “Black Bird”: ambos usavam uma complexa solução de projeto em que o próprio combustível da aeronave era feito circular sob a superfície dos bordos de ataque da asa de modo a trocar calor com estes e resfriá-los. Observe-se que tais superfícies eram feitas de ligas metálicas! O que dizer então de veículos de reentrada na atmosfera, em que a temperatura em torno de sua superfície é tão alta a ponto de ionizar os átomos de oxigênio do ar, após quebrar as moléculas de ozônio e oxigênio, formando um “plasma”, uma nuvem de elétrons em torno ao veículo que, inclusive, é a responsável pelo antigo “apagão” nas telecomu nicações?
A Mach 3.0, a temperatura nos bordos de ataque da asa do Lockheed-SR-71Blackbird supera os 400ºC. Neste caso específico, tais bordos de ataque são feitos com ligas de titânio. Imagem: USAF. Para dar conta dos problemas ligados às altas temperaturas nas aplicações aeroespaciais dos materiais compósitos têm sido recentemente desenvolvidas vários tipos de métodos de fabricação e uso de metais como matriz. Alumínio e titânio, graças a suas altas resistências à oxidação, tem sido os principais metais estudados. A tecnologia é promissora, pois a combinação das propriedades dos metais com as das fibras é quase que um “ideal” em muitos aspectos. No entanto, os processos de
fabricação de partes usando tal combinação são extremamente complexos e caros, constituindo um empecilho significativo não só ao desenvolvimento da tecnologia, mas também e principalmente à sua adoção.
Basta imaginar, por exemplo, que ao invés de um líquido com viscosidade semelhante à do mel à temperatura ambiente, como é normalmente o caso com resinas termoendurentes, se deve impregnar as fibras com um metal fundido a temperaturas entre 600°C e 1200°C (depende, basicamente, do metal), o que além de toda a dificuldade de absorção devida à alta viscosidade do metal fundido, este pode muito facilmente danificar de forma irreversível as fibras, o que evidentemente é algo muito indesejável. De qualquer forma, o processo de formação dos compósitos com matriz metálica implica em altas temperaturas (para a fusão do metal) e altas pressões (para a infusão do mesmo). Ambos requerem não só equipamentos mas principalmente um rígido controle de todos os parâmetros durante todo o processo. Embora existam casos de sucesso importantes, a tecnologia para tal ainda precisa ser muito mais desenvolvida para que seus custos justifiquem aplicações em maior escala.
Imagem metalográfica de de um compósito de titânio reforçado com fibras de carbeto de silício (SiC/Ti). Imagem: Touchstone Reaserch Laboratory (www.trl.com). Além disso, existem outros problemas ligados à compatibilidade química entre as fibras e o metal, ou em outros termos, à interface entre o reforço e a matriz. Por exemplo, em um compósito carbono/alumínio, se as fibras não forem previamente tratadas superficialmente, na região onde elas estão em contato com o alumínio ocorre corrosão galvânica, o que evidentemente prejudica consideravelmente o compósito. Tudo isso faz com que, na maior dos MMC encontrados na prática, o material de reforço não seja fibras, mas partículas dispersas de SiC (carbeto de silício), ou que em sendo fibras, que sejam outros tipos de fibra, como por exemplo as fibras de boro. Outro tipo importante de matrizes são as matrizes cerâmicas.
Matrizes cerâmicas
Provavelmente, no que diz respeito a compósitos capazes de suportar e trabalhar em ambientes extremamente hostis (alta temperatura, ataques químicos), não há nada mais indicado do que aqueles cuja matriz é de natureza cerâmica.
Nozzle para foguetes feito com CMC sendo testado. Imagem: Astrium Eads (http://cs.astrium.eads.net). O exemplo mais famoso são os compósitos de carbono/carbono. Neste caso, a matriz é um cerâmico a base de carbono reforçado com fibras de carbono. O custo de tais componentes é elevadíssimo, no entanto em algumas aplicações aeroespaciais não se pode não usá-los. Praticamente todos os discos de freio das
mais modernas e pesadas aeronaves são feitos com tais compósitos, assim como a barreira de proteção térmica dos veículos de reentrada atmosférica, e estudos estão em andamento para se poder usá-los como material de construção de paletas de turbina. Embora a matriz cerâmica apresente as vantagens acima relacionadas, elas também apresentam uma severa desvantagem. É que apesar de extremamente duros, os cerâmicos são também extremamente frágeis. Isso quer dizer que eles tem um módulo elástico normalmente muito alto, e sofrem muito pouca ou quase nenhuma deformação antes de seu rompimento, que é súbito. O reforço com as fibras melhora significativamente tais desvantagens ao aumentar significativamente o limite de resistência do compósito, mas sem porém melhorar em nada o aspecto da ausência quase completa de ductilidade.
Componente para câmara de combustão de foguetes feito com CMC. Imagem: Astrium Eads (http://cs.astrium.eads.net).
Existem muitos processos através dos quais se pode fabricar um CMC, mas todos eles tem em comum duas coisas: são muito demorados, e custam muito caro. Encerremos então o assunto matrizes, e passemos aos métodos de produção. Métodos de produção
Assim como são vários os materiais e as combinações possíveis entre eles, são vários os métodos de fabricação possíveis para cada peça, e provavelmente esse é o item mais delicado no que diz respeito à certificação de um componente feito com materiais compósitos. É que a certificação de um componente implica em um rigoroso controle do processo produtivo, o que é mais simples quando tal processo pode ser automatizado de alguma maneira. Embora muitos processos de produção de componentes com materiais compósitos sejam ou possam ser automatizados, essa automatização custo muito caro e só se justifica para quantidades muito grandes de produção (o que já ocorre em alguns casos da indústria automobilística mas que não é necessariamente o caso na indústria aeroespacial). Assim, uma boa parte da produção ainda é o que podemos qualificar de “artesanal”, e depende em grande parte das habilidades de seres
humanos. Com isso, o controle de qualidade fica mais difícil, e o custo de produção aumenta. Seja qual for o método empregado, o processo elementar consiste em banhar as fibras com a matriz, segundo uma determinada proporção. A matriz então se infiltra entre os filamentos, colando-os e mantendo-os no lugar. Assim o componente toma forma. Descreveremos sumariamente alguns dos processos mais importantes adiante, nos limitando ao caso dos PMC’s. Laminação manual
A laminação manual é longe de dúvida o mais comum e difundido método de fabricação de componentes em materiais compósitos. No entanto, exceto no caso da aviação experimental, é muito pouco usado na indústria aeroespacial. Consiste basicamente em banhar as fibras com a matriz sobre um molde, camada por camada, retirando o excesso de resina com uma espátula e distribuindo-a com um rolo, que ajuda também a evitar a formação de bolhas de ar que prejudicarão significativamente as propriedades mecânicas do componente. Podem ser usadas vários tipos de fibras e matrizes poliméricas, sendo as combinações mais comuns baseadas em resina epoxy ou poliéster com fibras de carbono, vidro ou Kevlar. Como o processo de banhar as fibras é normalmente feito a temperatura e pressão ambiente, matrizes poliméricas termoplásticas não são aplicáveis em tais casos. O vídeo abaixo mostra o processo na laminação de uma camada de fibra de carbono com epoxy para a construção de um caiaque. Com um pouco de experiência pode-se obter peças de qualidade razoável, curadas em uma estufa ou forno, ou ainda em temperatura ambiente. Qualquer aeromodelista por exemplo conhece o processo e, seja para um aeromodelo ou uma aeronave experimental “full -scale”, não há outra diferença que não o tamanho das
peças a serem produzidas e, talvez – mas muito importante – o cuidado e a atenção no processo. Laminação a vácuo
Também conhecido com a expressão em inglês “vacuum bagging”, a laminação a
vácuo é um refinamento, um aprimoramento do processo de laminação manual. Tudo acontece como em uma laminação manual normal. No entanto, a peça a ser produzida é selada em uma bolsa plástica que por sua vez é conectada através de tubos, mangueiras e válvulas, a uma ou mais bombas de vácuo. Uma vez acionadas as bombas, o ar é retirado de dentro da bolsa dentro da qual está contido o laminado, criando uma pressão em seu interior que é maior que a pressão atmosférica normal. Isso ajuda a compactar a peça, minimizar as bolhas de ar e, através de filmes absorventes, remover o excesso de resina. O vídeo abaixo ilustra o processo de laminação a vácuo. Primeiro se faz exatamente aquilo que se faz em uma laminação manual. Posteriormente são adicionados os equipamentos descartáveis. O material é empacotado e o vácuo é feito com uma bomba: Também a cura pode ser feita em temperatura ambiente ou em um forno ou estufa. O resultado final são peças de muito boa qualidade. A laminação a vácuo é amplamente usada pela indústria aeronáutica, no caso da produção de aeronaves experimentais e ultraleves, mas também no caso de componentes menos solicitados na grande indústria. Combinada com uma cura em auoclave (ver abaixo), se pode obter componentes de altísssima qualidade. Um outro método bastante sofisticado é o método de injeção de resina. Injeção
Ainda mais uma evolução dos métodos acima descritos é possível, trata-se da possibilidade de preparar o componente com os tecidos secos para posteriormente injetar ou “transferir” a resina. Existem dezenas de variações para tal método, mas podemos distinguir dois grandes grupos: aqueles que usam também o vácuo, e aqueles que não o usam. Os detalhes específicos e os equipamentos apropriados também podem variar, no entanto os princípios elementares são os mesmos. Trata-se, nas técnicas de transferência de resina ( RTM, de “Resin Transfer Molding”, ou VRTM, de “Vacuum Resin Transfer Molding”), de preparar o componente com os
tecidos antes que sejam banhados com a resina, como já dito. Prepará-los quer dizer basicamente dispô-los em um molde, também conhecido como “molde fêmea”. Posteriormente um outro molde, o “macho” é colocado sobre o componente, ambos
os moldes ficando separados pelos tecidos secos.
Então, após devidamente selar a montagem contra entrada ou saída indesejada de ar, a resina é injetada no espaço entre os moldes, preenchendo-o e banhando os tecidos apropriadamente. É possível e, de fato comum, aplicar uma certa pressão entre os dois moldes, para garantir a compacticidade da peça. O resultado final é um componente que tem tanto de um lado como de outro um acabamento que é tão suave quanto os moldes usados.
A injeção da resina pode ser feita através do exercício de pressão na extremidade injetora, de vácuo na extremidade ejetora, ou de ambos ao mesmo tempo. De qualquer forma, é sempre necessário um bom planejamento do fluxo da resina, isto é, dos os caminhos e da velocidade por onde a resina deve passar, de forma que sua distribuição por todo o componente seja apropriada. No entanto, é mais comum e mais simples ao invés de usar um outro molde (o “macho”), usar um sistema de empacotamento semelhante àquele usad o na técnica de laminação a vácuo. Isso permite um melhor monitoramento do fluxo de resina durante a transferência, e tende a ser mais eficiente do ponto de vista econômico. A principal desvantagem do uso do empacotamento à vácuo é de uma maneira geral o fato que a pressão que pode ser exercida é limitada à pressão ambiente absoluta. De fato, é uma desvantagem desprezível para os casos em questão. As vantagens desses métodos estão no fato que todo o trabalho de deposição dos tecidos é feito enquanto estes ainda estão secos. Isso garante uma maior flexibilidade de tempo e de tolerância a erros durante a deposição. Além disso, mas não menos importante, há o fato que um tal método, se bem planejado, garante uma melhor proporção entre a quantidade de resina e a quantidade de reforço, permitindo a produção de componentes de altíssima qualidade. Grande parte da indústria aeroespacial de médio e grande porte faz uso de tais técnicas, mesmo que não exclusivamente. Abaixo apresentamos dois vídeos (em inglês). O primeiro deles ilustra um método limpo e simples para a construção de pequenos componentes usando-se dois moldes (macho e fêmea) ao mesmo tempo em que vácuo e injeção. O segundo, um vídeo promocional (também em inglês), mostra de forma clara, simples e detalhada o processo de injeção usando vácuo apenas. Em seguida, vejamos os métodos automatizados. Métodos automatizados
Evidentemente, com os métodos manuais de produção, em que o controle da quantidade de resina, o alinhamento das fibras, a quantidade de pressão e outros detalhes podem variar significativamente de uma peça para outra, todo o processo de certificação pode ser muito complicado. Por isso mesmo, as grandes indústrias dispõem também de métodos mais caros e eficientes de produção. Com tais métodos, máquinas controladas por computador permitem que se obtenha uma combinação mais precisa entre a quantidade de resina e a de fibras, e uma disposição automatizada e mais precisa das fibras nos moldes. Um desses métodos, usado muito frequentemente na produção de tubos e outras peças cilíndricas (fuselagens inteiras podem ser fabricadas através desse método), é conhecido em inglês como “Filament Wounding” (algo como “enrolamento de filamentos”).
Através desse método, um mandril (um molde interno) gira em uma máquina (de forma semelhante a um torno), enquanto um cabeçote (ou vários) controlado(s) por computador enrola(m) os feixes de fibra, com precisão de alinhamento, pressão e
de mistura com a resina ao seu redor. Posteriormente, após a cura, o mandril interno é retirado e a peça está praticamente pronta. O vídeo abaixo ilustra o processo de “filament winding”, que como se verá é
razoavelmente simples.
Cumpre dizer que as direções e a quantidade de filamentos que podem ser depositados variam de acordo com o sistema (máquina, software e hardware) usado. Um outro método que merece destaque é o da deposição, ou laminação, automática. Nesta, um cabeçote que conduz as fibras já impregnadas com a resina as deposita na superfície apropriada, na orientação e na quantidade programada. De fato, existem inúmeros métodos de automação desse tipo, e tudo depende basicamente da complexidade do sistema e da complexidade do componente a ser fabricado. Outros métodos também existem para a produção de outros tipos de peças, como a extrusão, a pultrusão, e etc. De uma maneira geral, a grande vantagem dos métodos automatizados é o controle e a precisão no processo, além da reprodutibilidade do mesmo. Isso garante margens de tolerância a variação mais estreitas entre um componente e outro, o que por sua vez facilita a padronização do produto e sua consequente certificação. No entanto, como já frisamos, a automação é sempre cara, e só é vantajosa quando a quantidade de peças a ser produzida justifica o investimento em maquinário. Façamos agora uma breve discussão sobre os métodos de cura dos compósitos. Cura e autoclave
Já descrevemos nas páginas anteriores o processo da cura para as resinas termoendurentes. Em síntese, a cura é a etapa de solidificação da peça fabricada. É necessário agora acrescentar alguns comentários importantes sobre algumas variações nesse processo. Em primeiro lugar, temos a cura a temperatura ambiente, que quer dizer basicamente que após a preparação da peça, seja por algum tipo de laminação ou “filament wounding”, a peça é deixada ali, enquanto as reações químicas
apropriadas ocorrem. O tempo necessário para tal varia de acordo com o tipo de matriz utilizado. Além disso, para alguns casos de matrizes epoxy, a cura só pode ocorrer sob temperaturas elevadas, o que implica a adoção de um forno ou estufa. No caso do forno ou da estufa, a peça laminada (manualmente ou a vácuo), ou os moldes injetados ou ainda o mandril, enfim, é colocado dentro de um forno onde um cuidadoso controle da temperatura permite a otimização da cura, produzindo peças que tenham uma melhor resistência a temperaturas mais elevadas. No entanto, a cura a alta temperatura é particularmente eficiente quando também se usa um autoclave. Um autoclave é, em linhas de princípio, uma panela de pressão. Trata-se de um “tanque” devidamente fechado e lacrado, dentro do qual é colocada a peça recém trabalhada, que pode ainda estar sob vácuo, por exemplo.
Então aumenta-se a temperatura (por meios eletrotérmicos ou por difusão de gases quentes) no interior do “tanque” e este funciona como um forno. O aumento da
temperatura pode também provocar um aumento de pressão, ou então esta é aumentada por meios mais diretos.
Um autoclave com as dimensões apropriadas para “cozinhar” os componentes do
A350. Origem da imagem: AeroTek (http://www.premium-aerotec.com/).
Esse aumento de pressão leva à compactação dos laminados, contribuindo assim para a melhora de sua qualidade. Praticamente toda produção de materiais compósitos avançados, o que inclui a indústria aeroespacial, faz uso de autoclaves, que em termos de cura, constituem o que é há de mais sofisticado. Convém lembrar ainda que, seja qual for o método, é essencial o controle da umidade do ar, pois esse fator interfere diretamente não só no processo de cura, mas também na qualidade do produto, pois como vimos, alguns tipos de fibra ou matriz tendem a absorvê-la.
Prepregs
Um outro caso importante de se observar é o dos prepregs. O termo é uma abreviação para “pré impregnados” e se refere a tecidos, geralmente de fibra de
carbono, que já são fornecidos pelo fabricante impregnados de resina termoendurente, normalmente de tipo epoxy. São resinas especiais que, ao se manter o material sob condições de baixa temperatura (literalmente abaixo de zero), tem um tempo de vida útil relativamente alto (algo em torno de 15 dias). Ao serem expostos a altas temperaturas, ocorre o processo de cura e endurecimento. Custam muito mais caro que os tecidos de fibra secos, inclusive pelas necessidades especiais de transporte e armazenamento. No entanto, a pré- impregnação “de fábrica” garante uma proporção ótima entre as fibras e a matriz, propor cionando assim uma maior eficiência na relação entre o peso e a resistência, e são bem mais práticas, por eliminar o trabalho de impregnação. Geralmente os prepregs são a solução adotada pela grande indústria aeroespacial. Estruturas sanduíche
Um dos tipos de componentes mais comuns e eficientes nos quais os materiais compósitos tem um papel importante são as estruturas em sanduíche. A ideia de sanduíche se deve ao fato de que um tal componente apresenta duas camadas externas feitas, no caso, em laminados de materiais compósitos, e um núcleo (ou recheio, alma) normalmente feito com alguma forma de espuma expansível (poliestireno, poliuretano) ou o f amoso “honeycomb”, ou “colméia”.
Normalmente, as camadas externas são responsáveis pela resistência à tensão e à compressão, enquanto o núcleo contribui com os esforços de cisalhamento, a solidez da peça e a transferência de solicitações mecânicas entre as camadas externas. Se pode facilmente perceber que quanto maior o espaçamento entre as camadas externas, maior será a resistência da peça à flexão.
Painel feito com pele em fibra de vidro e núcleo com “honeycomb” de alumínio.
Imagem: Nasa.
Esse método de construção é extremamente comum na aviação experimental, em que asas inteiras são feitas com espumas expansíveis como núcleo e algum composto de fibra/matriz como “pele”. Também muitas pás dos rotores de
helicópteros, superfícies de comando, estabilizadores, painéis em geral da aviação geral são feitos através dessa técnica. Um caso em particular, o do Voyager, a primeira aeronave a circunavegar o globo sem paradas e sem reabastecimento, é notável. A aeronave foi toda construída com painéis em sanduíche com fibra de carbono e usando como núcleo um material inacreditável: papel. Por fim, vejamos como fica o problema do design dos componentes em materiais compósitos. Design e aplicações
O uso dos materiais compósitos na industria aeroespacial é cada dia mais comum. Provavelmente, além dos limitadores já citados, sua adoção é limitada apenas e em
grande parte por questões de custo. Não se trata simplesmente dos custos dos materiais, mas principalmente dos custos de renovação de equipamentos e pessoal de produção e, principalmente, os custos de homologação e certificação dos materiais, peças, métodos e pessoal em questão. No entanto, convém chamar a atenção para uma coisa muito importante. Os materiais compósitos, como salientamos no início dessa matéria, não são “bons” em
si mesmos, e é somente através do seu uso adequado que, onde convém, podem oferecer resultados mais interessantes que os materiais tradicionais, como o alumínio e o aço. Isso se liga às questões de resistência térmica já esboçadas, mas também à isotropia e anisotropia, além de problemas típicos ligados a furos e junções, entre outras coisas. Os materiais compósitos são normalmente produzidos em laminados. Diversas camadas de tecido, fita ou feixes de filamento, de espessura extremamente pequena, são dispostas umas sobre as outras criando algo muito parecido com um “compensado”, de maior espessura. Isso quer dizer que se eu produzo um laminado
com fibras unidirecionais, tal laminado, na direção longitudinal às fibras terá uma determinada resistência. No entanto, na direção perpendicular às fibras, sua resistência será dramaticamente inferior. Esta é a razão pela qual, na verdade, é possível economizar peso com os materiais compósitos. É que muitos componentes, especialmente no caso de componentes estruturais, são solicitados em apenas uma ou duas direções. Portanto, posso produzir uma peça em que as fibras estejam alinhadas única e exclusivamente em tais direções. Com isso, economizo material e, consequentemente, peso. Em outras palavras, criar uma peça em materiais compósitos que tenha propriedades isotrópicas implica em colocar tantas camadas de tecido, cada uma delas com as fibras alinhadas em direções diversas, que no final, a peça pesará tanto quanto uma equivalente feita em alumínio ou ainda mais. Em outras palavras, a disposição e o alinhamento das fibras e, consequentemente, das diversas camadas de tecido, dependerão dos tipos de tecido utilizados mas, principalmente, do tipo de solicitação a que o componente a ser produzido estará sujeito. Ilustremos com algumas figuras:
Uma ilustração do diferente comportamento mecânico de um laminado em função da direção das solicitações e do alinhamento das fibras. Imagem: www.aviação.org. Podemos ilustrar melhor o problema com alguns exemplos práticos e reais. Uma longarina, dependendo do tipo de estrutura geral da asa, sofrerá solicitações unicamente em uma direção, que é aquela paralela ao eixo da asa e à longarina. Portanto, o uso de fibras na mesma direção da solicitação em sua construção é uma opção a ser considerada. Da mesma forma, não convém que em voo e devido às forças aerodinâmicas as asas sofram alguma torção. Se pensamos então em uma disposição e localização de fibras capaz de resistir a essa solicitação, a solução mais simples é a de usar fibras dispostas em 45° relativamente ao eixo da asa. No primeiro caso, no entanto, temos que pensar que se usarmos fibra de carbono, as asas serão muito pouco flexíveis, o que pode comprometer um pouco o “conforto”
em situações um pouco turbulentas. Por outro lado, se usarmos fibras de vidro, as
asas podem ficar demasiado flexíveis e pouco resistentes. Assim surgem as soluções híbridas, em que se combinam fibras diversas. Pode-se por exemplo usar feixes de fibra de carbono e de fibra de vidro, que combinadas, dependendo do projeto, podem permitir um balanceamento satisfatório entre resistência, flexibilidade e peso. No segundo caso, as fibras de carbono, graças à sua rigidez, podem ser a melhor opção. No entanto, uma “pele” construída em fibra de carbono pode ser muito frágil e facilmente perfurável, por exemplo por uma chave de fenda que caia sobre a asa. Assim, talvez um laminado de Kevlar externo possa contribuir para a resistência ao impacto das asas. O importante de se observar é que a grande vantagem dos materiais compostos é que, com eles, o projetista tem controle sobre muitas das propriedades do material “final”, na medida em que é ele que também projetará a sua composição e o
alinhamento das fibras. Se o projeto é bem feito e executado, então e só então, os materiais compósitos apresentam vantagens sobre os metais. E para concluir, nossas considerações finais. Considerações finais
Ao longo do que dissemos já salientamos muitos prós e contras relativos ao emprego de materiais compósitos na aviação. Destacamos, em especial, a grande vantagem de redução de peso que podem proporcionar, que pode chegar a diminuir em mais de 25% o MTOW de uma aeronave. Acrescentaríamos a isso o fato de o s materiais compósitos não serem sujeitos à corrosão (um cuidado especial deve ser tomado na interface entre a fibra de carbono e os metais, pois tende a ocorrer aí um tipo de oxidação chamado de oxidação galvânica. Por isso, frequentemente, se usa sempre uma camada leve de fibra de vidro em toda interface entre carbono e metal). Além disso, os materiais compostos (às vezes apelidados de “madeira artificial”) são
significativamente mais resistentes à fadiga que os metais. Também sua “moldabilidade” é muito maior e simples, o que permite a construção de formas mais aerodinamicamente eficientes e complexas. No entanto, como já destacamos, a resistência a altas temperaturas das matrizes típicas é precária, e num caso extremos de, por exemplo, incêndio em vôo, a aeronave, ou seus componentes em materiais compósitos, literalmente derreteria (exceção feita aos casos ainda raros em que a matriz é metálica o cerâmica). No entanto, convém destacar ainda outras fraquezas dificuldades. Todo tipo de junta, conexão e encaixe, em que seja necessário o uso de fixadores como parafusos ou arrebites será precário. Por isso mesmo, é necessário que se tome medidas especiais em relação a isso, o que na maioria das vezes implica em um aumento no peso do componente. Em especial, a fixação de uma asa que seja estruturalmente feita em materiais compósitos pode ser muito complicada. Além disso, os reparos e a manutenção de componentes podem ser muito mais difíceis, complexos e caros. A menos que uma estrutura seja toda construída em partes (o que implicaria em inúmeras conexões e juntas, e consequentemente, um
