Atualmente, os materiais compósitos se tornaram um dos quatro principais sistemas de materiais ao lado dos materiais metálicos, materiais poliméricos e materiais inorgânicos não-metálicos. O nível da indústria de materiais compósitos de uma nação tornou-se um indicador chave da sua força científica, tecnológica e económica. Os materiais compósitos avançados são uma fonte de vantagem competitiva para a segurança nacional e a economia. Prevê-se que até 2020, apenas os materiais compósitos terão potencial para alcançar uma melhoria de desempenho de 20% a 25%.
1. Aplicações em estruturas de fuselagem de aeronaves
Materiais compósitos avançados são usados para fabricar estruturas de suporte de carga primária-e estruturas de suporte de carga secundária-, oferecendo rigidez e resistência comparáveis ou superiores às das ligas de alumínio. Esses materiais são agora amplamente aplicados na fabricação de estruturas de fuselagem de aeronaves e estruturas integradas de pequenos veículos aéreos não tripulados (UAV). Os Estados Unidos adotaram extensivamente compósitos em jatos de combate e aeronaves de combate. Na década de 1960, os EUA utilizaram pela primeira vez plásticos reforçados com fibra de carbono-(CFRP) em aeronaves militares para componentes como portas de cabine, painéis de acesso, carenagens e superfícies de controle (por exemplo, ailerons e lemes) com requisitos de baixa ou nenhuma carga-de suporte. No início da década de 1980, os compósitos avançaram para os componentes da cauda, como estabilizadores verticais e horizontais (estruturas de suporte de carga-secundárias), como visto em aeronaves como o F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 e Mirage 4000. Durante esta fase, o uso de compósitos permaneceu limitado. como o F-22 e o F-35, o JSF começou a incorporar compósitos em “principais estruturas de suporte de carga”, como asas e fuselagens, acelerando a integração de compósitos em aeronaves militares. O uso de materiais compósitos continuou a aumentar (Tabela 1-2), representando agora 20% –50% da massa estrutural em aeronaves militares modernas.
A empresa britânica ICI usou GF/PA (provavelmente poliamida reforçada com fibra de vidro-) para produzir válvulas para aviões de combate, garantindo que essas válvulas mantenham o desempenho e a estabilidade dimensional mesmo após exposição prolongada ao combustível em uma ampla faixa de temperatura. A Du Pont também empregou materiais como GF, KF/PA e PPS (sulfeto de polifenileno) para fabricar componentes para aeronaves militares.
Tomando como exemplo o caça F/A-22 de quarta{0}}geração, os compósitos representam 24,2% de seus materiais estruturais. Entre estes, os compósitos termofixos representam 23,8%, enquanto os compósitos termoplásticos constituem aproximadamente 0,4%. Cerca de 70% dos compósitos termoendurecíveis são baseados em resina de bismaleimida (BMI), usada para produzir mais de 200 tipos de componentes complexos. Os materiais termofixos restantes consistem principalmente em compósitos à base de resina-epóxi, com uso adicional de compósitos à base de éster cianato e resina termoplástica-. As principais áreas de aplicação incluem asas, revestimentos no meio da fuselagem, armações e seções de cauda.
Os helicópteros militares também utilizam extensivamente compósitos. Por exemplo, a aeronave tiltrotor V-22 Osprey emprega compósitos em mais de 40% de sua massa estrutural, incluindo fuselagem, asas, cauda e mecanismos rotacionais, totalizando mais de 3.000 kg de materiais compósitos. O mais recente helicóptero de ataque europeu Eurocopter Tiger apresenta materiais compósitos em 80% dos seus componentes estruturais, aproximando-se de uma fuselagem totalmente composta. Em contraste, as aeronaves de transporte militar usam menos compósitos-C-17 em 8% e C-130J em apenas 2% - embora o transporte militar Airbus A400M incorpore uma asa totalmente composta, com compósitos representando 35% de sua massa estrutural quando vazia.
Na aviação civil, as aeronaves leves Star,-construídas-piloto único, do início da década de 1980, tinham uma massa estrutural de cerca de 1.800 kg, com compósitos excedendo 1.200 kg. A aeronave leve Voyager de 1986, com mais de 90% de sua estrutura feita de compostos de fibra de carbono, estabeleceu um recorde mundial de voo ininterrupto de nove-dias contínuos ao redor-do mundo. Hoje, a rivalidade entre os gigantes aeroespaciais Boeing e Airbus intensificou-se, com foco principal no aumento do uso de materiais compósitos (Figura 1-2).
Para produzir a primeira fuselagem de aeronave 787 totalmente composta, a Boeing adotou um método de posicionamento de fibra semelhante ao usado pela Raytheon. O processo criou um componente composto da fuselagem medindo 7 metros de comprimento e 6 metros de largura. Esta estrutura foi fabricada usando a tecnologia Automatic Fiber Placement (AFP) em um enorme mandril giratório. O mandril foi pré-usinado com ranhuras correspondentes ao formato e às dimensões das longarinas e longarinas da fuselagem. Longarinas e vigas pré-formadas (feitas de camadas pré-impregnadas de fibra de carbono e curadas por pressão) foram colocadas nessas ranhuras antes do enrolamento. Durante a produção, o mandril girava ao longo de seu eixo, permitindo o enrolamento contínuo da fibra no molde para formar a carcaça da fuselagem, deixando as aberturas das janelas abertas. A carcaça da fuselagem, juntamente com as vigas e longarinas, foi então curada-em autoclave para criar uma seção de fuselagem composta monolítica, que mais tarde foi desmoldada como produto final.
A seção composta da fuselagem do Boeing 787 não é apenas o maior componente de fuselagem enrolado em filamento do mundo, mas também é reconhecido como o maior vaso de pressão de fibra de carbono já produzido. A excepcional resistência à tração/aro do material compósito permite que ele suporte maior pressão na cabine, mantendo uma pressão interna equivalente a uma altitude de 6.000 pés (1.830 metros)-em comparação com os típicos 7.000–9.000 pés em aeronaves convencionais-melhorando significativamente o conforto dos passageiros. Além disso, os compósitos resistem à corrosão (um grande ponto fraco das fuselagens metálicas), permitindo que a umidade da cabine permaneça estável em 10–15% (contra 5–10% em fuselagens metálicas), aumentando ainda mais o conforto.
Sob a crescente influência da tecnologia composta, a Airbus redesenhou completamente o A-350, renomeando-o como A-350 XWB (Extra Wide Body). A aeronave aumentou o uso de materiais compósitos dos 40% originais para 52%. A fuselagem do A-350 XWB é 13 cm mais larga do que a do 787, permitindo uma configuração de 9 assentos lado a lado em layouts de alta densidade (em comparação com o máximo de 8 lado a lado do 787). Assim como o 787, o A-350 XWB manterá a pressão da cabine a uma altitude equivalente a 6.000 pés.
Em 14 de junho de 2013, a Airbus conduziu com sucesso o voo inaugural de sua nova aeronave-de fuselagem larga A350 XWB, marcando outro marco na indústria de aviação global após o B-787 "Dreamliner" da Boeing. O A350 XWB e o B-787 usam 52% e 50% de materiais compósitos, respectivamente, significando uma nova era no desenvolvimento de compósitos aeroespaciais.
O-assento A-380 de 555, a maior aeronave do mundo, alcançou feitos inovadores na história da aviação ao utilizar extensivamente plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP). Os materiais compósitos constituem 25% da massa da aeronave, sendo 22% CFRP e 3% sendo GLARE laminado de fibra metálica (um híbrido em camadas de compósitos de alumínio e fibra de vidro), o primeiro uso deste último em aeronaves civis. Os componentes CFRP incluem: freios de velocidade, estabilizadores verticais e horizontais (que também funcionam como tanques de combustível), elevadores, ailerons, spoilers de flap, portas do trem de pouso, carenagens, caixas verticais de cauda, vigas superiores do piso da cabine, anteparas de pressão traseiras, seções traseiras da fuselagem, estabilizadores horizontais e ailerons.
Seguindo o uso pioneiro de fibra de carbono pelo A-340 para a viga da quilha e anteparas de pressão traseiras compostas-quebrando barreiras de design tradicionais-o A-380 desafiou ainda mais as normas de engenharia ao adotar CFRP para sua caixa central da asa (conectando as asas à fuselagem). Somente esta inovação reduziu o peso em 1,5 toneladas métricas em comparação com ligas de alumínio avançadas. A economia de peso do CFRP, combinada com a resistência à fadiga e à corrosão, melhorou a eficiência do combustível em 13% em relação aos modelos concorrentes e reduziu as emissões. O A-380 tornou-se a primeira aeronave de longo curso a atingir menos de 3 litros de combustível por passageiro a cada 100 km, com custos operacionais 15–20% mais baixos do que as aeronaves mais eficientes de sua época.
O jato executivo Falcon 7X da Dassault Aviation, capaz de navegar a 12.000 metros com velocidade máxima de Mach 0,8, acomoda 8 passageiros e possui um alcance de 10.560 km (5.700 milhas náuticas). O jato leve Beechcraft Premier 1 da Raytheon atinge uma velocidade de cruzeiro de 835 km/h com um alcance de 2.759 km-ambos com fuselagens todas-compostas avançadas.
A nova aeronave de transporte do Japão, ALELEX, também incorpora significativos compósitos de fibra de carbono.
A China também utilizou extensivamente materiais compósitos no projeto e produção de aeronaves. Por exemplo, o pré-impregnado de fibra de carbono unidirecional de bismaleimida QY8911/HT3 e o material compósito desenvolvido e fabricado pelo Instituto de Pesquisa de Tecnologia de Fabricação Aeronáutica de Pequim foram aplicados a componentes como a seção dianteira da fuselagem, estabilizador de cauda vertical, painéis externos das asas, spoilers e carenagens aerodinâmicas de aeronaves. O pré-impregnado de fibra de carbono unidirecional de resina termoplástica PEEK/AS4C e o material compósito desenvolvido pelo Instituto de Materiais Aeronáuticos de Pequim apresentam excepcional tenacidade à fratura, resistência à água, resistência ao envelhecimento, retardamento de chama e resistência à fadiga. Adequados para a fabricação de estruturas de aeronaves que suportam carga primária-, esses materiais podem operar por longo-prazo a 120 graus e têm sido usados nos revestimentos frontais dos painéis do compartimento do trem de pouso de aeronaves.
A aeronave militar chinesa "Flying Leopard", que incorpora significativos componentes compostos de fibra de carbono, tem um comprimento total de aproximadamente 22,3 metros, uma envergadura de 12,7 metros, um peso máximo de decolagem de 28,4 toneladas, uma capacidade máxima de carga útil externa de 6,5 toneladas, uma velocidade máxima de Mach 1,70 e um alcance de balsa de cerca de 3.600 quilômetros. Com capacidades de combate superiores às das aeronaves Jaguar, Tornado e Su{9}}24, o Flying Leopard demonstra características consistentes com os caças de terceira geração.
2. Aplicação de materiais compósitos em aeronaves furtivas
Nas últimas décadas, um progresso significativo foi feito na pesquisa de materiais compósitos furtivos, que estão evoluindo em direção a características de "fineza, leveza, absorção de banda larga (espectral) e resistência (resistência ao impacto, alta-resistência à temperatura)." Os compósitos reforçados-de fibra de carbono não são apenas materiais estruturais leves e de alta{3}}resistência, mas também possuem funcionalidade furtiva crítica. Por exemplo, CF/PEEK ou CF/PPS apresentam excelente desempenho de absorção de banda larga, absorvendo efetivamente as ondas de radar. Os Estados Unidos foram os pioneiros no uso de materiais furtivos em aeronaves, sendo o F-117 e o F-22 os mais revestidos. O revestimento furtivo do F-117 era altamente complexo, incorporando até “sete materiais diferentes”.
A estrutura primária do caça supersônico F{3}}22 dos EUA utiliza plásticos de engenharia especiais reforçados com fibra de carbono de módulo médio--. Da mesma forma, as tampas do pára-quedas de desaceleração do caça Mirage III e os componentes do assento ejetável são feitos desses materiais, que foram aplicados com sucesso em peças que absorvem-radar, como costelas, revestimentos, conectores e fixadores de aeronaves. O invólucro do míssil de cruzeiro Tomahawk, o substrato da fuselagem do bombardeiro stealth B-2 e seções da aeronave stealth F-117A também empregam materiais de absorção de radar de polímero modificados com fibra de carbono.
Em 2000, a Força Aérea dos EUA atualizou os materiais furtivos do F-117, substituindo o revestimento original de sete-camadas por um único material. Essa mudança padronizou os procedimentos de manutenção e materiais absorventes de radar em todos os F-117, reduzindo as especificações técnicas em aproximadamente 50%. Após a-atualização, o tempo de manutenção por hora de voo do F-117 foi reduzido em mais da metade, e os custos anuais de manutenção de todos os 52 F-117 caíram de 14,5 milhões e 6,9 milhões. Ao contrário do F-117, o F-22 evita revestimentos absorventes de radar em todo o corpo, mas aplica “revestimentos absorventes de radar de ferrite” a todos os componentes metálicos internos e externos. Este revestimento é durável, resistente ao desgaste e mais fácil de aplicar em comparação com o sistema do F-117.
Os especialistas prevêem que, na década de 2030, compósitos avançados, como materiais eletrocrômicos poliméricos condutores, materiais semicondutores híbridos, nanocompósitos e tecnologias furtivas inteligentes serão praticamente implementados em aeronaves. Estas inovações poderão transformar fundamentalmente os sistemas aviónicos e as metodologias de controlo de aeronaves.
Fonte:Materiais Compósitos de Aviação e sua Análise Mecânicapor Haitao Cui e Zhigang Sun (Eds.)