I. Materiais de substrato
1.1 Resina
1.1.1 Resina Termofixa
Resina é o termo genérico para polímeros. A resina e sua composição química e propriedades físicas afetam fundamentalmente o processamento, a fabricação e as propriedades finais do material compósito. A resina termofixa é o mais diverso e amplamente utilizado de todos os materiais-fabricados pelo homem. É fácil de moldar ou moldar em qualquer formato, é compatível com a maioria dos outros materiais e cura facilmente (por calor ou catalisadores) em um sólido insolúvel. A resina termofixa também é um excelente adesivo e agente de ligação.
1.1.2 Resina de Poliéster
A resina de poliéster é uma resina relativamente barata e fácil de processar, frequentemente usada em aplicações de baixo custo. A resina de poliéster com baixo teor de fumaça é usada em peças internas de aeronaves. O poliéster-reforçado com fibra pode ser processado de diversas maneiras. Os métodos de processamento comuns incluem formação de molde de metal correspondente, formação de laminação úmida (ensaque a vácuo), moldagem por injeção, enrolamento de fibra, pultrusão e vapor de alta pressão.
1.1.3 Resina Éster Vinílica
A resina éster vinílica tem a mesma aparência, propriedades de manuseio e características de cura das resinas convencionais que as resinas de poliéster. No entanto, a resistência à corrosão e as propriedades mecânicas dos compósitos de éster vinílico são muito melhoradas em relação aos compósitos de resina de poliéster padrão.
1.1.4 Resina Fenólica
A resina fenólica foi utilizada comercialmente pela primeira vez no mercado no início do século XX. A ureia formaldeído e a melamina formaldeído surgiram nas décadas de 1920 e 1930 como alternativas de menor custo para uso em baixas temperaturas. A resina fenólica é usada em componentes internos devido às suas características de baixa emissão de fumaça e baixa inflamabilidade.
1.1.5 Resina Epóxi
A resina epóxi é uma resina termofixa polimerizável que possui uma ampla gama de viscosidades, de líquida a sólida. Com muitos tipos diferentes de resina epóxi, o técnico deve usar um manual de manutenção para selecionar o tipo correto para um reparo específico. A resina epóxi é amplamente utilizada em pré-impregnados e adesivos estruturais. As vantagens dos epóxis são alta resistência e módulo, baixo teor de voláteis, boa adesão, baixo encolhimento, boa resistência química e facilidade de processamento. Suas principais desvantagens são a fragilidade e a degradação das propriedades na presença de umidade. A resina epóxi é mais lenta para processar ou curar do que a resina de poliéster. As técnicas de processamento incluem moldagem em autoclave, enrolamento de fibra, moldagem, ensacamento a vácuo, moldagem por transferência de resina e moldagem por pultrusão. As temperaturas de cura variam da temperatura ambiente até aproximadamente 350 graus F (180 graus). A faixa de temperatura de cura mais comum é entre 250 graus e 350 graus F (120-180 graus). Conforme mostrado na Figura 10.
Figura 10: Ambos os sistemas de disposição de dispensadores de epóxi úmido com bombas
1.1.6 Resina de Poliimida
A resina de poliimida se destaca em ambientes-de alta temperatura, onde sua resistência ao calor, estabilidade oxidativa, baixo coeficiente de expansão térmica e resistência a solventes facilitam o projeto. Seus principais usos são placas de circuito, motores térmicos e estruturas de fuselagem. A resina de poliimida pode ser uma resina termofixa ou termoplástica. A resina de poliimida requer altas temperaturas de cura, geralmente superiores a 550 graus F (290 graus). Como resultado, os materiais de ensacamento compostos epóxi comuns não estão disponíveis e as ferramentas de aço tornam-se uma necessidade. É muito importante utilizar ensacamento de poliimida e filmes de liberação como o Kapton®. upilex® em vez de mangas de náilon de baixo custo e filmes de liberação de politetrafluoroetileno (PTFE) é um procedimento comum para processamento de compósitos epóxi.
A cobertura de fibra de vidro, devido ao baixo ponto de fusão das fibras de poliéster, deve ser substituída por um material respirável descartável como material de cama.
1.1.7 Resina de Polibenzimidazol (PBI)
O PBI é usado em materiais resistentes a altas temperaturas devido à sua resistência extrema a altas temperaturas. As resinas são utilizadas como adesivos e fibras.
1.1.8 Resina Bismaleimida (IMC)
O BMI tem maior resistência à temperatura e maior tenacidade do que as resinas epóxi e oferece excelente desempenho em temperaturas ambientes e elevadas. O IMC é processado de forma semelhante às resinas epóxi. O IMC é usado em motores-aéreos e em componentes-de alta temperatura. Os bMIs são adequados para processamento padrão de latas prensadas a quente, moldagem por injeção, moldagem por fundição de resina e moldagem de compósito moldado (SMC), entre outros.
1.1.9 Resina termoplástica
Os materiais termoplásticos podem ser amolecidos repetidamente pelo aumento da temperatura e endurecidos repetidamente pela diminuição da temperatura. A velocidade de processamento é a principal vantagem dos materiais termoplásticos. Nenhuma cura química ocorre durante o processamento e os materiais podem ser moldados ou extrudados quando macios.
1.1.10 Termoplásticos semi-cristalinos
Os termoplásticos semi{0}}cristalinos têm propriedades fixas de retardamento de chama, resistência superior, boas propriedades mecânicas para altas temperaturas e pós{1}}impacto e baixa absorção de umidade. Eles são usados em estruturas de aeronaves secundárias e primárias. Em combinação com fibras de reforço, elas podem ser usadas para compostos de moldagem por injeção, folhas aleatórias moldadas por compressão, moldes unidirecionais, pré-impregnados feitos de cabos de pré-impregnados (pré-impregnados) e pré-impregnados de tecido. As fibras impregnadas em termoplásticos semicristalinos incluem fibras de carbono, carbono niquelado, aramida, fibras de vidro, quartzo e outras.
1.1.11 Termoplásticos Amorfos
Os termoplásticos amorfos estão disponíveis em uma variedade de formas físicas, incluindo filmes, filamentos e pós. Em combinação com fibras de reforço, eles também são usados em compósitos moldados por injeção, folhas aleatórias moldáveis por compressão, moldes de borracha unidirecionais, pré-impregnados tecidos e outros. As fibras utilizadas são principalmente fibras de carbono, aramida e vidro. As vantagens específicas dos termoplásticos amorfos dependem do polímero. Normalmente, as resinas são conhecidas por sua facilidade de processamento, velocidade, capacidade de alta temperatura, boas propriedades mecânicas, excelente tenacidade e resistência ao impacto e estabilidade química. A estabilidade resulta em uma vida útil de armazenamento ilimitada, eliminando a necessidade de armazenamento refrigerado de pré-impregnados termofixos.
1.1.12 Polieteretercetona (PEEK)
PEEK é um termoplástico-de alta temperatura. Este material cetônico aromático possui excelentes características de alto calor e combustão e é resistente a uma ampla variedade de solventes e fluidos solúveis proprietários. O PEEK também pode ser reforçado com fibras de vidro e carbono.
1.2 Estágios de Cura de Resinas
A resina termoendurecível é curada por meio de uma reação química. Existem três estágios de cura, chamados A, B e C.
-Etapa A:Os componentes da resina (substrato e endurecedor) foram misturados, mas a reação química ainda não começou. Durante a aplicação úmida-, a resina está no estágio A.
-Estágio B: Os componentes da resina foram misturados e a reação química começou. O material fica espesso e pegajoso. A resina do pré-impregnado está no estágio B. Para evitar cura adicional, a resina é colocada no freezer a 0 graus F. No estado congelado, a resina do pré-impregnado permanece no estágio B. A cura começa quando o material é retirado da geladeira e aquecido novamente.
-Estágio C:A resina está totalmente curada. Algumas resinas curam à temperatura ambiente, outras requerem ciclos de cura em alta temperatura para curar completa e adequadamente.
1.3 Pré-impregnados
O pré-impregnado consiste em uma combinação de matriz e fibras de reforço. Está disponível na forma unidirecional (uma direção de reforço) e na forma de tecido laminado (várias direções de reforço). Todas as cinco principais famílias de resinas de matriz podem ser usadas para impregnar diversas formas de fibras. As resinas não estão mais no estágio de baixa viscosidade, mas foram avançadas para um nível de cura classe B para melhores características de manuseio. Os seguintes produtos estão disponíveis na forma pré-impregnada: moldes de borracha unidirecionais, artigos de fibra tecida, estopas contínuas e esteiras cortadas picadas. Os pré-impregnados devem ser armazenados em geladeira abaixo de 0 graus F para retardar o processo de cura. Os pré-impregnados são curados em temperaturas elevadas. Muitos pré-impregnados usados na indústria aeroespacial são impregnados com resinas epóxi que curam a 250 graus F ou 350 graus F. Os pré-impregnados são curados em autoclaves, fornos ou mantas quentes. Eles geralmente são comprados e armazenados em um saco plástico lacrado para evitar contaminação por umidade. Conforme mostrado na Figura 11.
Figura 11: Filme adesivo e pré-impregnado de tecido
1.4 Materiais de fibra seca
Materiais de fibra seca, como fibra de carbono, fibra de vidro e kevlar®, são usados em muitos procedimentos de reparo de aeronaves. O tecido seco é impregnado com resina antes do início dos trabalhos de reparo. Este processo é frequentemente referido como laminação úmida. A principal vantagem de usar o processo wet lay-up é que as fibras e a resina podem ser armazenadas em temperatura ambiente por longos períodos de tempo. O compósito pode ser curado à temperatura ambiente ou curado a altas temperaturas para acelerar o processo de cura e aumentar a resistência. As desvantagens são que o processo é confuso e as propriedades do material reforçado são inferiores às do pré-impregnado. Conforme mostrado na Figura 12.
Figura 12: Materiais de tecido seco (de cima para baixo: material de proteção contra raios de alumínio, kevlar®, fibra de vidro e fibra de carbono)
1.5 Auxiliares (agentes tixotrópicos)
Os auxiliares (agentes tixotrópicos) apresentam-se na forma de gel quando em repouso e tornam-se líquidos quando agitados. Esses materiais têm alta resistência ao cisalhamento estático e baixa resistência ao cisalhamento dinâmico, enquanto perdem viscosidade sob tensão.
II. Adesivos
2.1 Adesivos de filme
Os adesivos estruturais para aplicações aeroespaciais são normalmente fornecidos em forma de filme, apoiados em papel removível e armazenados sob condições refrigeradas (-18 graus ou 0 graus F). Os adesivos de filme podem usar aminas aromáticas de alta temperatura ou agentes de cura catalisados com uma ampla gama de flexibilizantes e endurecedores. Os adesivos de filme epóxi endurecido com borracha são amplamente utilizados na indústria aeroespacial. O limite superior de temperatura de 121-177 graus (250-350 graus F) geralmente depende do grau de tenacidade necessário e da seleção geral de resina e endurecedor. Em geral, as resinas endurecidas resultam em temperaturas de serviço mais baixas. O material do filme é geralmente suportado por fibras para melhorar o manuseio do filme antes da cura, para controlar o fluxo do adesivo durante o processo de ligação e para auxiliar no controle da espessura da linha de adesão. As fibras podem ser transformadas em esteiras orientadas aleatoriamente ou em tecidos. As fibras comuns são poliéster, poliamida (náilon) e fibras de vidro. Adesivos contendo tecidos podem apresentar leve degradação ambiental devido à absorção de água pelas fibras. A esteira aleatória não é tão eficaz quanto os tecidos no controle da espessura do filme porque as fibras se movem sem restrições durante o processo de colagem. Os tecidos não tecidos Spunlace não se movem e, portanto, são amplamente utilizados. Conforme mostrado nas Figuras 13 e 14.
Figura 13: Uso de Adesivos de Filme, Kevlar®, Fibra de Vidro e Fibra de Carbono
Figura 14: Filme adesivo
2.2 Adesivos
Os adesivos são usados como substitutos dos adesivos de filme. Eles são frequentemente usados para colagem secundária para reparar partes danificadas de remendos e em áreas onde os adesivos de filme são difíceis de aplicar. No caso das resinas epóxi, utiliza-se principalmente uma pasta para aderir ao ligante estrutural. Estão disponíveis sistemas de uma-parte e de duas{4}}partes. A vantagem dos adesivos em pasta é que podem ser armazenados em temperatura ambiente e têm uma longa vida útil. A desvantagem é que a espessura da linha de adesão é difícil de controlar, o que afeta a resistência da ligação.
Ao aplicar o adesivo é possível manter o tecido colado durante o processo de colagem. Conforme mostrado na Figura 15.
Figura 15: Adesivos
2.3 Adesivos de Espuma
A maioria dos adesivos de espuma são resinas epóxi Classe B de 0,025 a 0,10 polegadas de espessura. Os adesivos de espuma curam a 250 graus F (121 graus) ou 350 graus F (176 graus). Durante o ciclo de cura, a espuma adesiva se desdobra. Os adesivos de espuma precisam ser armazenados na geladeira e, assim como os pré-impregnados, têm vida útil limitada. No pré-reparo, o adesivo de espuma é usado para emendar o favo de mel na estrutura sanduíche e reparar o núcleo existente. Conforme mostrado na Figura 16.
Figura 16: Usando Adesivo de Espuma
III. Descrição da estrutura sanduíche (descrição da estrutura sanduíche)
Teoricamente, a construção em sanduíche é um conceito de painel estrutural que consiste em duas faces paralelas relativamente finas, separadas por um núcleo relativamente espesso ou leve. O núcleo suporta o revestimento contra flexão e contra cargas de cisalhamento auto-planares. O núcleo deve ter alta resistência ao cisalhamento e rigidez à compressão. Estruturas sanduíche compostas são geralmente fabricadas por cura em autoclave, cura por prensa ou cura por saco a vácuo. As laminações de pele podem ser pré-curadas e depois combinadas em uma operação de co-cura ou uma combinação de ambos os métodos. Exemplos de estruturas em favo de mel são: spoilers de asa, talco, ailerons, flaps, nacelas, pisos e lemes. Conforme mostrado na Figura 17.
Figura 17: Estrutura sanduíche em favo de mel
4. Desempenho
Em uma comparação entre estruturas laminadas de alumínio e compósitas, a rigidez à flexão das estruturas sanduíche é muito alta. A maioria dos favos de mel são anisotrópicos, ou seja, as propriedades são orientadas. As vantagens do uso de estruturas em favo de mel são ilustradas na Figura 18. Aumentar a espessura do núcleo aumenta muito a rigidez da estrutura em favo de mel com aumento mínimo de peso. Devido à alta rigidez da estrutura em favo de mel, não há necessidade de utilização de painéis duros externos, como no caso de uma estrutura em viga.
Figura 18: Resistência e rigidez de materiais sanduíche em favo de mel em comparação com valores de laminação sólida