MATERIAL COMPOSTO (QUÍMICA)

MATERIAL COMPOSTO

MATERIAL COMPÓSITO

COMPOSITE (EM INGLÊS)
FIBRA DE VIDRO
FIBRA DE CARBONO

INTRODUÇÃO

Logo acima, linda imagem de um pedaço de fibra de carbono, um material nobre, que unido à resina e processado industrialmente em autoclave, a altas temperaturas e pressão controlada, dá origem ao CFRP - Carbon Fiber Reinforced Plastic, material de alta resistência bastante usado na indústria aeronáutica moderna. Logo abaixo, um exemplo típico de material composto usado na construção civil, a telha de fibrocimento NT.

De modo geral, os materiais compostos, como o próprio nome diz, são materiais formados por uma combinação de dois ou mais materiais, compatíveis quimicamente mas totalmente ou quase totalmente diferentes na sua estrutura química, uma combinação com pelo menos dois componentes ou, como se costuma dizer no meio científico, acadêmico e industrial, com duas ou mais fases, ou seja, uma matriz e um reforço, com propriedades físicas e químicas claramente distintas entre si em sua composição.

A lógica dos materiais compostos é que, analisados separadamente, os componentes que os formam mantêm suas características químicas e físicas, mesmo quando combinados. Entretanto, quando unidos ou combinados, não exatamente misturados, formam um composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles isolado, separado. Atualmente, os principais elementos usados na fabricação de materiais compostos são a resina, o fibrocimento, a fibra de vidro e a sofisticada fibra de carbono.

Os materiais compostos são uma nova e importantíssima tendência na indústria mundial em geral. O futuro é dos materiais compostos, e no presente eles já estão sendo usados intensivamente na fabricação / construção de uma grande variedade de produtos, incluindo aeronaves, telhas, mísseis e lançadores de satélites, embarcações de pequeno e médio portes, coletes à prova de balas e blindagens de automóveis, instrumentos musicais, capacetes militares e esportivos, cintos de segurança em automóveis, pranchas de surf e skates, raquetes de tênis, cordas e redes, vários produtos para pesca, caixas dágua e piscinas residenciais, tubulações hidráulicas e mangueiras de alta pressão, pneus e freios de automóveis, entre outros.

HISTÓRIA

Logo acima e logo abaixo, dois produtos também nobres, fabricados a partir do material composto em fibra de aramida Kevlar, o colete a prova de balas, para uso militar e civil, e o capacete para uso militar

Não há consenso sobre a origem exata do que chamamos de material composto, material compósito ou composite, em inglês. Se todo o rigor científico, tecnológico e cultural fosse aplicado para identificar a origem do material composto poder se ia dizer que eles tiveram origem nos tempos bíblicos. No antigo Egito, por exemplo, se usava intensivamente o barro e a palha para fabricação semi-artesanal de tijolos para aplicações na construção civil daquele tempo.

Considerando os séculos mais recentes, o produto que pode ser considerado um dos primeiros materiais compostos de alta tecnologia, fabricados em larga escala, é o Kevlar, nome comercial patenteado pela DuPont para a fibra sintética de aramida, um polímero resistente ao calor e cinco vezes mais resistente que o aço, entretanto muito mais leve que ele.

O Kevlar é usado na fabricação de cintos de segurança em automóveis, velas para embarcações, coletes a prova de balas e blindagem de automóveis, cordas e redes para usos variados, raquetes de tênis, pneus de automóveis, peças e componentes de aeronaves, telefones celulares, tanques de combustível para carros da Fórmula 1, entre outros usos.

DEFINIÇÃO E CONTEXTO

Logo acima e logo abaixo, uma escultura alada, o belíssimo e sofisticado jato executivo para transporte intercontinental Beechcraft Hawker 4000, com fuselagem construída quase inteiramente em material composto de fibra de carbono e resina

Não há consenso no meio científico, acadêmico e industrial sobre uma definição unânime e totalmente aceita sobre o que são, afinal, os materiais compostos ou materiais compósitos. Uma definição básica e comumente citada em materiais científicos, acadêmicos e industriais é a de que os materiais compostos são, como o próprio nome diz, materiais compostos pela combinação ou soma, não exatamente uma mistura, de duas fases, uma matriz e um reforço, que podem ser de natureza polimérica, metálica ou cerâmica.

Outra definição possível seria a de que os materiais compostos são materiais formados por uma matriz e um reforço com excelente afinidade química, processados sinteticamente para alcançar excelentes propriedades mecânicas com a menor massa e peso possíveis, o que na grande maioria dos casos é impossível ser alcançado com materiais convencionais.

Os materiais que podem dar origem aos materiais compostos podem ser classificados ou divididos em dois tipos: matriz e reforço. O material matriz é o que confere estrutura ao material composto, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais de reforço e mantendo-os em suas posições relativas. Os materiais de reforço são os que realçam as propriedades mecânicas, eletromagnéticas e químicas do material composto como um todo.

Consegue-se com essa combinação uma sinergia entre o material matriz e os materiais de reforços que resulta em um material composto final, com propriedades não existentes nos materiais constituintes considerados individualmente ou isoladamente. A grande variedade de matrizes disponíveis e seus materiais de reforço permite que seja alcançada uma ótima combinação para os projetos.

Do ponto de vista químico, os materiais compostos podem ser divididos em três grupos:

Materiais compostos de matriz polimérica, que são os tipos mais comuns de materiais compostos da atualidade, subdivididos em termoendurecíveis e termoplásticos. Entre os termoendurecíveis estão as fibras longas unidirecionais, os tecidos e os multiaxiais. Ainda entre as termoendurecíveis ainda estão as fibras curtas;
Materiais compostos de matriz metálica;
Materiais compostos de matriz cerâmica;

Os materiais compostos podem ser classificados em três grupos:

Fibrosos, com fibras contínuas ou descontínuas, colocados em uma matriz. Por exemplo, polímeros reforçados com fibra de vidro ou fibra de carbono;
Laminados, com camadas alternadas de diferentes materiais, como metais, tecidos, vidros ou papéis, todos esses impregnados com polímeros.
Particulados, compostos de pequenas esferas, pedaços ou elementos, com matriz metálica ou polimérica.

Acrônimos usados na indústria de materiais compostos:

CMP – Compósitos de Matriz Polimérica;
CMC – Compósitos de Matriz Cerâmica;
CMM – Compósitos de Matriz Metálica;

Tipos de materiais compostos:

Compósitos de partículas, incluindo o concreto, o asfalto e o fibrocimento, todos esses usados com muita frequência na construção civil e infraestrutura logística;
Compósitos de fibra, incluindo a fibra de carbono, a fibra de vidro, a aramida, geralmente usados em combinação com a matriz de resina.
Compósitos laminares, incluindo o contraplacado, o laminado de fibras e resina, e os chamados sanduíches;
Compósitos naturais, incluindo a madeira;

Os materiais compostos de fibra são os mais importantes do ponto de vista tecnológico, eles representam a moderníssima tendência para futuro e já são o presente da indústria de veículos, de desportos e de segurança. O objetivo da indústria de materiais compostos é oferecer componentes com alta rigidez, baixo peso e longevidade do material, resistente à corrosão e que não enferruja.

A fibra de carbono faz parte da elite dos materiais compostos, é o reforço de resinas que formam uma grande variedade de produtos nobres usados na construção de aeronaves, bicicletas esportivas, raquetes de tênis e skates, automóveis esportivos de alto luxo, guitarras, entre outros. Os materiais compostos com fibra de carbono estão entre os mais resistentes que existem, não sofrem corrosão de ácidos ou solventes, não enferrujam sob umidade intensa, não derretem e não queimam facilmente. A fibra de carbono é usada também na fabricação de relógios premium.

A aramida também faz parte da elite dos materiais compostos, porém ela é não é recomendada para aplicações em que há exigência de alta resistência à torção, à flexão e à compressão. Por outro lado, ela é altamente resistente à tração, o que lhe dá grande vantagem no emprego na indústria de segurança privada, principalmente na confecção de coletes à prova de balas e blindagem de automóveis.

MATERIAIS DE REFORÇO

Fibras orgânicas (nylon ou poliéster, por exemplo);
Fibra de vidro;
Fibra de carbono;
Fibra de titânio;
Fibra de boro;
Fibras cerâmicas;
Fibras de carbeto de silício;
Fibras de alumina;
Fibras de quartzo;
Fibras metálicas;
Fibra de aramida;
Madeira (serradura);
Grafite;
Fibra de basalto;

MATERIAIS DE MATRIZ

Matriz polimérica;
Matriz metálica;
Matriz cerâmica;

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

Logo acima, uma escultura sobre rodas, o belíssimo automóvel esportivo de alto luxo Lamborghini Aventador, com carroceria com construção mista de fibra de carbono e alumínio. Logo abaixo, o emprego do fibrocimento tem sido, por décadas seguidas, um grande sucesso no Brasil e em outros países. Atualmente, a versão utilizada do fibrocimento é o fibrocimento NT.

Os materiais compostos modernos são o resultado de um grande investimento em estudos científicos direcionados para obter materiais com combinações que não podem ser atendidas pelas ligas metálicas tradicionais, cerâmicas e polímeros convencionais, todos esses já amplamente conhecidos no meio científico e industrial. Sendo assim, entre as principais características dos materiais compostos estão a tenacidade e a resistência mecânica. A maioria deles também é desejada no meio industrial porque não enferruja, é muito leve e ocupa pouco espaço estrutural.

Há décadas os materiais compostos são usados com sucesso na aviação militar, por exemplo. Já na aviação civil, a utilização dos materiais compostos foi iniciada em várias peças, partes e componentes, como flaps, hélices, estruturas de cauda e em estabilizadores verticais e horizontais. Nas décadas mais recentes, vários fabricantes de aeronaves comerciais e executivas decidiram ousar e inovar fortemente no mercado mundial de aviação, fabricando aeronaves executivas e comerciais com fuselagens e asas quase totalmente em materiais compostos.

O mundo é movido pela ousadia e pela inovação. O uso do material composto de fibra de carbono na construção de aviões e helicópteros, por exemplo, traz vários benefícios, pois ele é cerca de 30% mais leve que o alumínio, é três vezes mais resistente a choques mecânicos (um pouso de emergência ou pouso forçado, por exemplo) e é 70% mais rígido. Além disso, todo o processo produtivo em material composto possui várias diferenças em relação aos processos convencionais em alumínio, pois as fuselagens dos aviões de material composto não precisam de reforços estruturais, como longarinas e rebites, por exemplo.

FIBRA DE VIDRO

Como já citado acima, a fibra de vidro é um dos materiais mais utilizados para a fabricação de uma variedade de produtos industriais, incluindo aviões, piscinas, filtros de ar e caixas dágua, por exemplo. A fibra de vidro é um filamento fino de vidro utilizado na fabricação de materiais compostos e na fabricação de materiais têxteis. Além da fabricação de produtos de material composto, ela é utilizada também na fabricação de materiais isolantes térmicos, neste caso utilizados em refrigeradores e geladeiras, por exemplo, e na fabricação de fibras óticas utilizadas na transmissão de dados, utilizadas por empresas de telecomunicações.

Pelo que se sabe, a fibra de vidro teve origem na década de 1930, nos Estados Unidos e na Inglaterra, fabricada a partir de vidro derretido e extrudado, ou seja, introduzido sob pressão em uma máquina que o torna fino e contínuo. Esse fios são utilizados também para a fabricação de tecidos resistentes a temperaturas elevadas e materiais de isolamento elétrico. Já na fabricação de fibras óticas, a fibra de vidro é submetida a tratamento por gases, como o dióxido de silício, o que resulta em fibra íntegras e muito longas.

FIBROCIMENTO NT

O fibrocimento NT é um tipo de material composto moderno produzido em larga escala pela indústria para produção em massa de materiais para construção civil, principalmente telhas de baixo custo. Em linhas gerais, as linhas de produção mais modernas do fibrocimento NT, inclusive as linhas de produção instaladas no Brasil, são baseadas na combinação de diversos materiais, dependendo de cada caso, entre eles o cimento, o fio de polipropileno, as fibras de PVA ou polivinil álcool, a fibra de celulose, a microssílica / silia amorfa e a wollastonita, entre outros.

Entre as vantagens apresentadas pelas telhas de fibrocimento NT, principalmente as chapas de telhas fabricadas com esse material, em relação às telhas de cerâmica convencional (francesa e romana, por exemplo), estão o baixo custo da obra e a rapidez na sua execução, já que se utiliza um madeiramento ou estrutura metálica galvanizada mais simples, portanto mais leves, os quais são usados para apoiar e fixar as telhas. A combinação dos componentes do fibrocimento NT torna a peça produzida a partir dele impermeável, durável, mais leve, incombustível, econômica, de uso prático e, em alguns casos, até esteticamente elegante, dependendo do projeto arquitetônico e do formato de telha escolhido pelo arquiteto e/ou engenheiro.

A característica mais importante do moderno fibrocimento NT é a ausência do componente amianto, conhecido também como asbesto, considerado um material causador de câncer nos seres humanos diretamente envolvidos na extração da matéria prima, no seu transporte e na fabricação das peças de fibrocimento AT ou fibrocimento comum, principalmente telhas e caixas dágua. Aliás, a produção do chamado fibrocimento comum está proibida no Brasil, por uma decisão do STF – Supremo Tribunal Federal em 2017, que derrubou a Lei Federal 9.055 de 1995. Além disso, mais de 60 países no mundo já proibiram em seus territórios ou restringiram a extração, o transporte, a fabricação e a comercialização do amianto e seus derivados.

No Brasil, as maiores fabricantes de telhas de fibrocimento NT são a Brasilit e a Eternit.

FIBRA DE CARBONO

A fibra de carbono é uma fibra sintética na forma de finos filamentos de 5 a 10 micrometros de diâmetro e composta principalmente de carbono. Cada filamento é a união de diversos milhares de fibras de carbono. Ele é considerado uma fibra sintética porque é produzido em larga escala a partir de poliacrilonitrila. Possui propriedades mecânicas semelhantes às do aço e é leve como madeira ou plástico. Ele tem, inclusive, maior resistência ao impacto do que o aço, embora, por outro lado, não suporte altas forças de tração.

Sua principal aplicação é a fabricação de polímeros de fibra de carbono reforçados. O polímero é geralmente de resina epóxi do tipo termofixa, mas também pode ser associado com outros polímeros, tais como poliéster ou viniléster.

APLICAÇÕES PRÁTICAS

Logo acima, capacete esportivo em fibra de carbono usado no futebol americano. A leveza e alta resistência são algumas das principais características de projetos que envolvem o material composto de fibra de carbono com resina. Logo abaixo, objetos de desejo, pranchas de surf fabricadas em material composto de fibra de vidro.

A aplicação prática dos materiais compostos é bem variada, vai desde simples e baratos produtos utilizados no dia a dia até aplicações em produtos de altíssima tecnologia e valor agregado muito alto. A aplicação desses materiais é uma realidade atual nas indústrias de tecnologia de ponta, com destaque para os segmentos aeroespacial, aeronáutico, esportivo e de veículos.

Diversos projetos militares e civis já foram desenvolvidos considerando-se suas propriedades, tais como os jatos militares de altíssimo desempenho Lockheed Martin F-22 Raptor, o Lockheed Martin F-35 Lightning e Dassault Rafale, os aviões comerciais para transporte de passageiros Airbus A350XWB, Airbus A380, Boeing 787 Dreamliner e os Airbus A220 / Bombadier C Series, os jatos executivos Beechcraft Hawker 4000 e Beechcraft Premier I, os helicópteros Airbus H-120 Colibri / Eurocopter EC-120 Colibri e MD 900 Explorer / MD Explorer, alguns modelos de automóveis esportivos de alto luxo da Aston Martin e da Lamborghini, entre outros exemplos.

Olhe ao seu redor, talvez você ainda não perceba ou não saiba mas, de modo geral, os materiais compostos estão mais presentes na sua vida do que você imagina. Talvez a caixa dágua de sua residência ou empresa seja fabricada em fibra de vidro, talvez a piscina de sua residência também seja em fibra de vidro, talvez o seu relógio tenha componentes em fibra de carbono, talvez o telhado de sua casa tenha sido construído com telhas de fibrocimento NT, talvez o painel e os freios de seu automóvel sejam de fibra de carbono, talvez a sua lancha ou iate seja construído (a) em fibra de vidro, talvez a prancha de surf de seu filho seja fabricada em material composto, talvez os implementos agrícolas de sua fazenda tenham componentes em fibra de vidro, entre outros exemplos.

Já os materiais compostos de matrizes metálicas, diferentes dos materiais compostos de fibra, são utilizados em projetos em que há uma alta exigência de resistência a altas temperaturas, principalmente em foguetes, satélites, sondas espaciais e telescópios espaciais, aeronaves, motores em liga de alumínio em automóveis, entre outros exemplos.

GALERIA DE IMAGENS

Logo acima e logo abaixo, dois bons exemplos práticos do emprego de material composto na fabricação em larga escala de aeronaves leves a pistão, o Cirrus SR22 e o Cessna TTX

Logo acima e logo abaixo, mais dois objetos de desejo, dois bons exemplos do emprego industrial em larga escala da fibra de carbono na fabricação de produtos para a prática de esportes, as raquetes e as bicicletas

Logo acima e logo abaixo, muita elegância e sofisticação em fibra de vidro, o iate RioStar Procion 120, desenhado por Fernando de Almeida e fabricado pelo estaleiro brasileiro RioStar

Logo acima e logo abaixo, lindas folhas de fibra de carbono (mais escura) e fibra de basalto (mais clara) que são combinadas com resina e curadas em uma máquina autoclave para dar origem a um material composto hibrido

Logo acima e logo abaixo, mais dois bons exemplos de uso da fibra de carbono, um relógio premium da marca Orient com dial em fibra de carbono e o jatinho executivo Beechcraft Premier I

Logo acima e logo abaixo, duas imagens bem representativas sobre o uso prático dos coletes balísticos e capacetes de proteção em fibra de aramida

Logo acima e logo abaixo, beleza esculpida em fibra de vidro, as confortáveis Intermarine Azimut 480 Full e Spirit Ferretti 460 Platinum

A fibra de carbono marca presença dentro da elite do automobilismo mundial. As duas mais badaladas categorias do esporte, a Formula 1 e a Formula Indy, recorrem ao material composto para a fabricação das carrocerias dos carros de corrida.

Logo acima e logo abaixo, trabalho e lazer, respectivamente: A fibra de vidro é um importante insumo usado na fabricação de implementos agrícolas e piscinas.

A fibra de vidro está presente também nos sistemas de geração de energia eólica. Logo acima e logo abaixo, aerogeradores da Pattern Energy e da Casa dos Ventos, instalados nos Estados Unidos e no Brasil, respectivamente, nos estados do Texas e de Pernambuco.

Até produtos simples e baratos, como caixas dágua, por exemplo, podem ser fabricados em fibra de vidro. Logo acima e logo abaixo, dois exemplos comuns de caixas dágua para usos residencial, comercial e industrial.