Folheto de compósitos avançados (I): laminados, tipos de fibras e aplicações

Lestrutura aminada

Os compósitos consistem em uma combinação de materiais que são misturados para atingir propriedades estruturais específicas. Os materiais individuais não se dissolvem ou se fundem completamente no compósito, mas eles agirão juntos como um todo. Frequentemente, as interfaces entre os componentes podem ser fisicamente reconhecidas. As propriedades de um material compósito são superiores às propriedades dos materiais individuais dos quais ele é composto.

Um material composto avançado é feito de um material fibroso dissolvido em uma matriz de resina, geralmente laminado por fibras orientadas alternadamente para fornecer resistência e rigidez ao material. Materiais fibrosos não são comuns; a madeira é o material estrutural fibroso mais comum conhecido pelo homem.

As aplicações de compósitos em aeronaves incluem

-Defletor

-Superfícies de controle de voo

-Portas do trem de pouso

- Painéis de bordo de ataque e fuga da asa e do estabilizador

-Componentes internos

- Vigas de piso e painéis de piso

-Estruturas primárias estabilizadoras verticais e horizontais para aeronaves de grande porte

- Principais estruturas de asa e fuselagem da nova geração de grandes aviões

-Pás do ventilador do motor de turbina

-Hélice

Principais componentes dos laminados

Um material isotrópico tem propriedades uniformes em todas as direções (ou seja, propriedades isotrópicas do mesmo material). As propriedades medidas de materiais isotrópicos são independentes do eixo de teste. Alumínio e titânio, que são materiais metálicos, são usados ​​como exemplos para ilustrar a ilustração de materiais isotrópicos.

As fibras são os principais elementos de suporte de carga dos compósitos. Os compósitos têm resistência e rigidez apenas na direção das fibras. Os compósitos unidirecionais têm propriedades predominantemente mecânicas em uma direção, conhecida como anisotropia, onde as propriedades mecânicas ou físicas diferem da direção do eixo de referência natural inerente ao material. Os componentes feitos de compósitos reforçados com fibras podem ser projetados para que a orientação da fibra produza as melhores propriedades mecânicas, mas eles só podem se aproximar das propriedades verdadeiramente isotrópicas de metais, como alumínio e titânio.

A matriz composta suporta as fibras e as une no composto. A matriz transfere quaisquer cargas aplicadas às fibras, mantém as fibras em sua posição e orientação escolhida, fornece a resistência ambiental do composto e determina a temperatura máxima de serviço do composto.

Propriedades

As propriedades estruturais dos laminados compostos, como rigidez, estabilidade dimensional e resistência, dependem da ordem de empilhamento das laminações. A ordem de empilhamento descreve a distribuição das orientações de layup na espessura do laminado. Conforme o número de camadas com orientações selecionadas aumenta, mais ordens de empilhamento são possíveis. Por exemplo, um laminado simétrico de oito camadas com quatro orientações de layup diferentes tem 24 ordens de empilhamento diferentes.

Direção da fibra

A resistência e a rigidez de um compósito dependem da ordem em que as camadas são orientadas. A resistência e a rigidez reais das fibras de carbono variam de valores baixos a altos, como os fornecidos pelas fibras de vidro, a altos valores de resistência e rigidez fornecidos pelas fibras de titânio. Essa faixa de valores é determinada pela orientação do laminado em relação à carga aplicada. Em compósitos avançados, a seleção adequada da orientação de layup é necessária para fornecer um projeto eficiente da estrutura. A peça pode exigir cargas axiais reativas de camada de 0 graus, cargas de cisalhamento reativas de camada de ±45 graus e cargas laterais reativas de camada de 90 graus. Como os requisitos de projeto de resistência são uma função da direção das cargas aplicadas, a orientação e a sequência da camada devem estar corretas. Durante o processo de reparo, é essencial substituir cada camada danificada por uma camada do mesmo material e orientação.

As fibras em um material monolítico se movem em uma direção, com força e rigidez somente na direção das fibras. Fitas prepreg (filme prepreg) são um exemplo de orientação de layup unidirecional.

As fibras em um material bidirecional fluem em duas direções, geralmente 90 graus de distância. Estruturas simples são um exemplo de direções de lay-up bidirecionais. Essas direções de layup têm resistência em ambas as direções, mas não necessariamente a mesma resistência. Conforme mostrado na Figura 1

As camadas quase isotópicas têm sequências de camadas de 0 grau, -45 grau, 45 graus e 90 grau ou 0 grau, -60 grau e 60 graus. Esses tipos de orientações de camadas simulam as propriedades de materiais isotrópicos, conforme mostrado na Figura 2. Muitas estruturas compostas aeroespaciais são feitas de materiais quase isotrópicos.

Figura 1: Propriedades do material de pavimentação bidirecional e unidirecional

Figura 2: Disposições simétricas de materiais isotrópicos

Wdireção arp

A direção da urdidura se refere às fibras longitudinais do tecido. Devido à retidão das fibras, a direção da urdidura é a direção de alta resistência. A direção da urdidura da urdidura é usada para descrever a direção das fibras em um gráfico, folha de especificações ou folha do fabricante. Se não houver direção da urdidura no tecido, a direção da urdidura será definida como zero quando o tecido sair do rolo. Portanto, 90 graus a zero é a largura do tecido. Conforme mostrado na Figura 3

Figura 3: Trava de torção

Fconfiguração iber

Todas as formas de produtos geralmente começam com uma linha unidirecional de fibras brutas que são embaladas em fios contínuos. Uma fibra individual é chamada de filamento. O termo "fio" também é usado para denotar uma fibra de vidro individual. Os filamentos agrupados podem ser categorizados como fios fiados, fios ou rovings. Os fios de fibra de vidro são torcidos, enquanto os fios de kevlar® não são. Os feixes de filamentos e rovings não têm nenhuma torção. A maioria das fibras são fibras secas e precisam ser impregnadas com resina antes do uso (pré-impregnação) ou com material pré-impregnado onde a resina já foi aplicada às fibras.

Fibras grossas (feixes de fios)

Um roving é um grupo de filamentos ou extremidades de fibras, como o roving de vidro 20- ou 60-end. Todos os filamentos são orientados na mesma direção e não são torcidos. Os rovings de fibra de carbono são geralmente identificados como rovings de 3K, 6K ou 12K, com K denotando 1000 filamentos. A maioria das aplicações de produtos de roving utiliza um mandril para enrolamento de fibra e, em seguida, cura de resina para a configuração final.

Unidirecional (com)

Fitas pré-impregnadas unidirecionais têm sido o padrão na indústria aeroespacial por muitos anos, e as fibras são geralmente impregnadas com uma resina termoendurecível. O método de preparação mais comum envolve puxar fios crus (secos) colimados para uma máquina de impregnação, onde a resina hot-melt é ligada aos fios por calor e pressão. O produto de fita tem alta resistência na direção das fibras e quase nenhuma resistência nas fibras. As fibras são mantidas no lugar pela resina. As fitas são mais fortes do que tecidos. Conforme mostrado na Figura 4

Figura 4: Fitas e produtos de tecido

Tecido

Para laminações de formas complexas, a maioria das construções de tecido oferece mais flexibilidade do que fitas unidirecionais retas. Os tecidos oferecem a opção de impregnar a resina por meio de uma solução ou processo de fusão a quente. Normalmente, os tecidos para aplicações estruturais usam fibras ou fios do mesmo peso ou rendimento nas direções de urdidura (longitudinal) e trama (transversal). Para estruturas aeroespaciais, tecidos firmemente tecidos são frequentemente a escolha de economia de peso, reduzindo o tamanho dos vazios de resina e mantendo a orientação das fibras durante a fabricação.

A estrutura do tecido geralmente consiste em feixes de reforço reforçados, fios ou fios que são entrelaçados durante o processo de tecelagem. Os estilos de tecido mais comuns são trama simples ou trama acetinada. Estruturas de trama simples são formadas por fibras alternadas acima e abaixo de cada fio cruzado (feixe, cacho ou fio). Em estilos comuns de trama acetinada, como 5- ou 8-bundle, os fios de fibra se movem para frente e para trás na direção da urdidura e na direção da trama com menos frequência.

Esses tecidos de cetim são menos frisados ​​e mais facilmente deformados do que tecidos lisos. Em tramas lisas e na maioria dos tecidos de 5 ou 8 feixes, há números iguais de fios de fibra nas direções da urdidura e da trama. Por exemplo: tramas lisas 3K geralmente têm um nome adicional, como 12 x 12, o que significa 12 fios por polegada em cada direção. Essa designação de contagem pode ser alterada para aumentar ou diminuir o peso do tecido ou para acomodar fibras diferentes em pesos diferentes. Conforme mostrado na Figura 5

Figura 5: Estilo típico de tecelagem de tecido

Tecidos não tecidos (tecidos ou costurados)

Tecidos tecidos ou costurados podem oferecer muitas das vantagens mecânicas da fita unidirecional. O posicionamento das fibras pode ser reto ou unidirecional, sem as curvas para cima e para baixo dos tecidos tecidos. Após a orientação pré-selecionada de uma ou mais camadas de drywall, as fibras são costuradas com fios finos ou linhas para mantê-las no lugar. Esses tipos de tecidos fornecem uma ampla gama de orientações multicamadas. Embora algum peso possa ser adicionado ou algumas das propriedades finais da fibra de reforço possam ser perdidas, alguma melhoria nas propriedades de cisalhamento e tenacidade interlaminares pode ser alcançada. Alguns fios de costura comuns são poliéster, aramida ou termoplástico. Conforme mostrado na Figura 6

Figura 6: Materiais não tecidos (costura)

Tipos de fibras

Gfibra de vidro

A fibra de vidro é comumente usada em estruturas secundárias de aeronaves, como carenagens, radomos e pontas de asas. As fibras de vidro também são usadas em pás de rotor de helicóptero. Existem vários tipos de fibras de vidro usadas na indústria aeroespacial. A fibra de vidro eletrônica, ou E-glass, é reconhecida por tais aplicações eletrônicas. Ela tem alta resistência a correntes elétricas. O E-glass é feito de fibras de vidro de borosilicato. O S-glass e o S2-glass são fibras de vidro estruturais que têm maior resistência do que o E-glass. As fibras de vidro S-glass são feitas de silicatos de magnésio-alumínio. As vantagens das fibras de vidro são menor custo do que outros compostos, resistência química ou elétrica e propriedades elétricas (as fibras de vidro não conduzem eletricidade). As fibras de vidro são brancas e podem ser usadas como tecidos de fibra seca ou pré-impregnados.

Afibra ramida

Kevlar é o nome da fibra de aramida da DuPont. As fibras de aramida são leves, fortes e resistentes. Dois tipos de fibras de aramida são usados ​​na indústria aeroespacial; Kevlar® 49 tem alta rigidez e Kevlar® 29 tem baixa rigidez. Uma vantagem das fibras de aramida é que elas são altamente resistentes a danos por impacto, então elas são comumente usadas em áreas suscetíveis a danos por impacto. A principal desvantagem das fibras de aramida são suas deficiências gerais em compressibilidade e absorção de umidade. Relatórios de serviço indicam que algumas peças feitas de kevlar® absorvem até 8% de seu peso em água. Peças feitas de fibras de aramida, portanto, precisam ser protegidas do ambiente. Outra desvantagem é que as fibras de kevlar são difíceis de perfurar e cortar. As fibras soltam fiapos facilmente e requerem tesouras especiais para cortá-las.

Kevlar é comumente usado em aplicações militares balísticas e de armadura corporal. Ele tem uma cor amarela natural e está disponível como um tecido seco e prepreg. O tamanho de um feixe de fibras de aramida não depende do número de fibras como fibras de carbono ou vidro, mas sim do peso.

Fibra de carbono/grafite

A primeira diferença entre essa fibra é entre fibras de carbono e grafite, embora os termos sejam frequentemente usados ​​de forma intercambiável. As fibras de carbono e grafite são baseadas em uma rede de camadas únicas de grafite (hexagonais) em carbono. Um material é definido como grafite se as camadas ou planos de grafite individuais são empilhados em uma sequência tridimensional. O processamento prolongado de tempo e temperatura geralmente é necessário para formar essa ordem, tornando as fibras de grafite mais caras. A ligação entre os planos é fraca. A desordem geralmente ocorre de forma que apenas uma ordem bidimensional existe nas camadas. Este material é definido como fibra de carbono.

A fibra de carbono é muito resistente e de 3 a 10 vezes mais rígida do que a fibra de vidro. A fibra de carbono é usada em aplicações estruturais de aeronaves, como vigas inferiores, estabilizadores, controles de voo e estruturas principais da fuselagem e das asas. As vantagens incluem alta resistência e resistência à corrosão. As desvantagens incluem menor condutividade elétrica do que o alumínio; portanto, para componentes de aeronaves que são suscetíveis a raios, uma grade de raios ou revestimento resistente a raios deve ser instalado. Outra desvantagem da fibra de carbono é seu alto custo. A fibra de carbono é cinza ou preta e está disponível como tecido seco e pré-impregnado. Quando usada com fixadores e estruturas de metal, a fibra de carbono tem um alto potencial para causar corrosão de acoplamento galvânico.

Figura 7: Fibras de vidro (esquerda), fibras de aramida (meio), material de fibra de carbono (direita)

Bfibra de oron

As fibras de boro são muito duras e têm alta resistência à tração e à compressão. As fibras são relativamente grandes em diâmetro e não dobram bem; portanto, elas só podem ser usadas como produtos de fita pré-impregnada. Matrizes de resina epóxi são frequentemente usadas com fibras de boro. As fibras de boro são usadas para reparar carcaças de aeronaves de alumínio rachadas porque a expansão térmica do boro é próxima à do alumínio e não tem potencial de corrosão de acoplamento galvânico. As fibras de boro são difíceis de usar se a superfície do substrato tiver um formato contornado. As fibras de boro são muito caras e podem ser perigosas para o pessoal. As fibras de boro são usadas principalmente na aviação militar.

Cfibra erarica

Fibras cerâmicas são usadas em aplicações de alta temperatura, como lâminas de turbina para motores de turbina a gás. Fibras cerâmicas podem ser usadas para temperaturas de até 2200 graus F.

Lfibra de proteção contra raios

Os planos de alumínio são muito condutores e podem dissipar altas correntes de raios. A fibra de carbono é 1,000 vez mais resistente à corrente do que o alumínio, e a resina epóxi é 1,000,000 vez mais resistente (ou seja, perpendicular à pele). A superfície dos componentes compostos externos geralmente consiste em uma ou mais camadas de material condutor para proteção contra raios porque os compostos são menos condutores do que o alumínio. Muitos tipos diferentes de materiais condutores são usados, variando de tecido de grafite niquelado a malha de metal, fibras de vidro aluminizadas e revestimentos condutores. O material pode ser usado como uma camada de lay-up úmida ou pré-impregnado.

Além dos reparos estruturais normais, os técnicos devem recriar o design para a condutividade do componente. Esses tipos de reparos geralmente exigem testes de condutividade com um medidor de resistência para verificar a resistência mínima de toda a estrutura. Ao reparar esses tipos de estruturas, é muito importante usar apenas materiais aprovados de fornecedores autorizados, incluindo coisas como compostos de encapsulamento, selantes e adesivos. Conforme mostrado nas Figuras 8 e 9

Figura 8: Material de proteção contra raios de malha de cobre

Figura 9: Material de proteção contra raios em malha de alumínio