Noções básicas sobre materiais compósitos:tipos, aplicações e benefícios

Os materiais compósitos combinam dois materiais diferentes com propriedades químicas e físicas variadas. Essa combinação leva à criação de um material projetado para realizar uma tarefa específica, como tornar-se resistente à eletricidade, mais leve, mais forte ou melhorar a rigidez. 

Uma razão pela qual os usuários preferem materiais compósitos em contraste com os materiais tradicionais é devido à sua capacidade de melhorar as propriedades do seu material base. Outra razão é a sua utilidade em diferentes aplicações.

Breve História

O uso humano de compósitos pode ser datado de mil anos atrás. A criação dos primeiros compostos ocorreu em 3.400 a.C. no Iraque. Esta sociedade antiga uniu tiras de madeira umas às outras em ângulos variados para criar compensado. Então, por volta de 2.181 a.C., os egípcios começaram a produzir máscaras mortuárias de linho ou papiro embebido em gesso. Depois disso, ambas as sociedades começaram a reforçar os seus materiais com palha para ajudar a fortalecer barcos, cerâmica e tijolos.

1200 d.C., os mongóis começaram a projetar arcos compostos que eram muito eficazes naquela época. Eles foram fabricados com osso, madeira, seda, chifre, tendões de gado e bambu colados com resina de pinheiro.

Após a revolução industrial, as resinas sintéticas assumiram formas sólidas através da polimerização. Durante a década de 1900, esse conhecimento sobre produtos químicos resultou na criação de diversos plásticos como vinil, fenólico e poliéster. O desenvolvimento dos produtos sintéticos logo começou e Leo Baekeland, um químico, criou a baquelite. Devido à sua natureza resistente ao calor e incapacidade de conduzir eletricidade, é útil em diversos setores.

Na década de 1930 chegou um grande momento para o desenvolvimento de materiais compostos, denominados “compósitos”. A Owens Corning desenvolveu a fibra de vidro e esteve envolvida na criação da indústria de polímeros reforçados com fibra. Essas resinas projetadas ainda são úteis hoje e o patenteamento de resinas de poliéster insaturadas ocorreu em 1936. Dois anos depois, sistemas de resina com desempenho superior tornaram-se acessíveis.

Em 1961, a fibra de carbono (primeira) foi patenteada; estava então disponível comercialmente. Em meados da década de 1990, os compósitos tornaram-se muito comuns nos processos de construção e fabricação devido ao seu baixo custo em contraste com o material utilizado anteriormente.

Os compósitos do Boeing 787 Dreamliner em meados da década de 2000 provaram sua utilização em aplicações de alta resistência.

O que é um material composto?

Composto é um material composto feito pela combinação de dois ou mais constituintes, cada um com características químicas e físicas diferentes. Esse tipo de combinação geralmente produz um material projetado para desempenhar uma determinada função. Por exemplo, eles poderiam ser mais leves, mais fortes ou mais resistentes à eletricidade. Consequentemente, um material compósito também pode melhorar a resistência, rigidez e durabilidade.

Eles são mais preferidos aos materiais tradicionais, pois são conhecidos por aprimorar as características de seus materiais de base e são úteis na maioria das aplicações industriais, automotivas, aeroespaciais, marítimas, energéticas, etc.

Apesar das propriedades físicas ou químicas diferentes de cada material constituinte, eles são combinados para produzir um material com propriedades únicas, diferentes dos seus elementos individuais. Dentro da estrutura combinada, esses elementos individuais são separados, distinguindo assim os compósitos das soluções e misturas sólidas.

Exemplos de compósitos projetados incluem:

• madeira composta como compensado
• compósitos com matriz metálica
• Concreto armado e alvenaria
• compósitos de matriz cerâmica 
• Plásticos reforçados como fibra de vidro ou polímero reforçado com fibra. 

Existem várias razões pelas quais novos materiais podem ser incluídos nesta categoria. Esses materiais são mais fortes, mais baratos, mais leves ou mais duráveis ​​que os materiais comuns.

Os pesquisadores começaram a incluir recursos avançados como computação, detecção, comunicação e atuação em compósitos, comumente conhecidos como materiais robóticos.

Os materiais compósitos são conhecidos pela sua ampla gama de aplicações, especialmente em edifícios e pontes. Eles também são geralmente usados ​​​​para estruturas como painéis de piscinas, tanques de armazenamento, bancadas, chuveiros, carrocerias de carros de corrida, imitações de granito, pias de mármore cultivado e cascos de barcos. Além disso, eles estão se tornando mais populares em aplicações automotivas. Outros exemplos avançados são ótimos para uso em ambientes exigentes, como aeronaves e espaçonaves.

Do que são feitos os Compósitos?

Os compósitos são fabricados a partir de uma matriz polimérica específica, que foi reforçada com uma fibra natural artificial, como aramida, vidro-carbono, entre outros materiais de reforço.

A matriz oferece proteção às fibras contra quaisquer danos externos ou ambientais e auxilia na transferência de carga entre essas fibras. Além disso, as fibras oferecem rigidez e resistência à tração para reforçar a matriz e também auxiliam na resistência a fraturas e trincas.

Na maioria dos produtos da indústria, a matriz é resina de poliéster enquanto o reforço é fibra de vidro. No entanto, existem muitas misturas de materiais de reforço e resinas utilizadas em compósitos. No entanto, muitas combinações de reforços e resinas são utilizadas em compósitos, com cada material contribuindo para as propriedades especiais do produto final. A fibra é poderosa, mas quebradiça, e oferece rigidez e resistência à tração, enquanto as resinas mais flexíveis oferecem forma e protegem a fibra.

Compósitos Sintéticos e Naturais

Os materiais compósitos podem vir na forma natural ou sintética. Por exemplo, a madeira é um composto natural que consiste em fibra de madeira e lignina. As fibras contribuem para a resistência da madeira enquanto a lignina a liga e oferece estabilidade. 

Por outro lado, o compensado é um compósito composto por materiais sintéticos e naturais. No caso do compensado, finas camadas de folheado formam folhas planas e mais resistentes em comparação com a madeira natural.

Os plásticos são compostos? 

Embora alguns plásticos sejam compostos, alguns são plásticos puros.  Por exemplo, os plásticos reforçados com fibra de aramida são populares na fabricação e imitam de perto as propriedades dos plásticos Kelvar, que são usados ​​em placas de blindagem e capacetes. Consequentemente, outros plásticos como poliéster e resinas epóxi são reforçados com material secundário em pequenas quantidades. Assim, aumentam a resistência mecânica e a durabilidade sem perder as propriedades originais do plástico base.

Como os compósitos são feitos nas fábricas? 

Você pode ser confundido com compósitos artificiais e compósitos industriais, eles são essencialmente a mesma coisa.  Todos os compósitos que não estão disponíveis por natureza são chamados de feitos pelo homem, quer você os coloque manualmente ou use uma máquina para fazê-los.

Nas fábricas existem métodos diferentes; Moldagem por transferência de resina (RTM), pulverização, pultrusão, processamento em autoclave, soldagem de filamentos, etc. No entanto, as próprias empresas fabricantes não fabricam os compósitos. Eles escolhem o compósito certo dos fornecedores e os usinam em peças ou produtos compostos acabados de acordo com as especificações projetadas.

Principais propriedades dos materiais compósitos

Os materiais compósitos apresentam algumas propriedades distintas que os tornam úteis nas aplicações mais exigentes. Estas propriedades dos compósitos contribuem para o seu desempenho.

Vamos discutir várias propriedades que são altamente benéficas para projetos de manufatura. 

Durabilidade  

O composto de materiais pode ser usado em condições climáticas adversas ou ambientes corrosivos. Além disso, eles funcionam bem sob estresse repetitivo, como choques mecânicos e vibrações. Tudo isso os torna a escolha perfeita para aplicações espaciais, automotivas e aeroespaciais, entre outras.

Resistência ao impacto 

Os compósitos são projetados para tolerar e dissipar forças de impacto sem danificá-los. Esta é uma propriedade importante para aplicações expostas a impactos. Sua resistência a danos causados ​​por colisões ou choques os torna essenciais em estruturas de colisão.

Força 

Os compósitos são conhecidos por serem mais resistentes do que os seus materiais constituintes. Eles aumentam a resistência e a robustez, tornando-os uma ótima opção para aplicações que necessitam de alta capacidade de carga.

Flexibilidade 

Os compósitos são flexíveis o suficiente para flexão e deformação. Eles podem ser projetados para dobrar em diferentes direções sem quebrar. Sua natureza flexível contribui para sua ampla utilização na produção de membros protéticos. Além disso, o composto de materiais oferece aos engenheiros e projetistas uma melhor opção em aplicações expostas a cargas dinâmicas ou vibrações.

Resistência química

Os compósitos podem sobreviver a ataques provenientes de produtos químicos ou ambientes agressivos. Portanto, eles são ideais para revestimentos resistentes a produtos químicos e equipamentos de processamento químico 

Leve

Os compósitos são materiais poderosos que permitem a produção de componentes e estruturas leves. Sua alta relação resistência/peso serve como uma propriedade crítica em indústrias onde a redução de peso é uma prioridade.

Estabilidade térmica

O material compósito pode resistir à deformação em condições térmicas elevadas. Esta capacidade de manter a sua integridade estrutural em tais condições é uma consideração importante para aplicações expostas a temperaturas extremas. 

Condutividade elétrica

Os compósitos têm excelente condutividade elétrica. Esses materiais são projetados para atingir excelentes propriedades elétricas, como isolamento ou condutividade.

Isolamento acústico 

Outra característica distintiva dos compósitos é a sua capacidade de reduzir ou prevenir a transmissão de ruído. Esta propriedade de isolamento acústico o torna perfeito para aplicações de isolamento acústico.

Quais são os benefícios dos compósitos?

Os compósitos se tornaram um material popular que usamos todos os dias. Desde os carros que conduzimos até ao equipamento de golfe que utilizamos e aos canos utilizados no nosso ambiente, estes materiais têm uma enorme função a desempenhar. Mesmo alguns dispositivos sofisticados, como foguetes, precisam de compostos para funcionar. A importância destes materiais no nosso ambiente e na vida quotidiana não pode ser subestimada.

Os compósitos, quando comparados aos materiais tradicionais, oferecem muito mais benefícios. Isto pode ser atribuído às suas propriedades únicas. Portanto, eles se tornaram uma escolha mais popular entre engenheiros, designers e arquitetos. Em alguns ambientes exigentes onde a estabilidade térmica ou a resistência extrema são uma prioridade, os compósitos são geralmente o material ideal.

Custos mais baixos

Os compósitos são mais econômicos do que materiais tradicionais como madeira e metal. Além de serem mais baratos, oferecem uma função maior. Além disso, são mais ecológicos, pois apresentam menos resíduos.

Menos tempo e esforço de produção

O uso de compósitos na produção diminui o tempo e o esforço utilizados na montagem de diferentes materiais tradicionais.

Flexibilidade de design 

Outro benefício dos materiais compósitos é que os engenheiros podem adaptá-los em quaisquer formas e formatos desejados. Portanto, eles podem criar componentes complexos a partir desses materiais.

Tipos de materiais compósitos

Vários tipos de compósitos estão disponíveis com base no tipo de matriz material e meio de reforço. Eles oferecem propriedades físicas e mecânicas distintas, tornando-os adequados para uma ampla gama de requisitos. 

A seguir estão alguns tipos comuns; 

Nanocompósitos

Este tipo de material compósito existe na forma natural ou artificial. Geralmente, o reforçador existe como um nanomaterial como grafema ou nanotubos de carbono que são adicionados à mistura de polímeros. Também poderia ser a adição de nanopartículas de silício ao aço para garantir um crescimento fino e perfeito do cristal. 

O talco ou o carbonato de cálcio podem ser eficazes para garantir compósitos poliméricos mais fortes e rígidos em algumas aplicações.

Os nanocompósitos típicos utilizam aditivos de nanomateriais para adicionar rigidez, resistência, bem como outras propriedades, incluindo condutividade térmica ou elétrica, a diferentes matrizes poliméricas. Seus exemplos naturais incluem conchas e ossos. Além disso, em algumas situações, os nanomateriais representam enormes riscos para a saúde, pelo que o fabrico destes materiais pode ser um problema.

Compostos de Matriz Metálica (MMCs)

Os compósitos com matriz metálica utilizam uma matriz metálica, como magnésio ou alumínio, bem como um reforçador de fibra de alta resistência na forma de bigodes ou partículas. 

Geralmente, os reforços são partículas de carboneto de silício ou fibra de carbono, o que cria propriedades especiais que ultrapassam os limites dos componentes metálicos básicos, o que inclui aumento na resistência à temperatura, aumento na resistência, antes do início de melhor resistência ao desgaste, enfraquecimento e redução do coeficiente de expansão térmica.

Além disso, os compósitos com matriz metálica são úteis nas indústrias automotiva e aeroespacial e oferecem baixo peso e alta resistência. Além disso, são úteis em artigos esportivos, dispositivos médicos e eletrônicos. O processamento destes compósitos é mais difícil em contraste com a maioria dos tipos de compósitos. Isto se deve às altas temperaturas, bem como aos problemas com a distribuição uniforme do reforçador.

Compósitos de matriz polimérica (PMCs)

Estas são as formas de material compósito mais facilmente compreendidas e predominantes. O termo inclui a disposição manual de tecidos de fibra de vidro e fibra de carbono, bem como resinas de poliéster e epóxi injetadas, manuais ou pré-impregnadas que formam a matriz.

Além disso, os materiais compósitos PMC oferecem diferentes benefícios, que incluem alta resistência e rigidez (em contraste com o peso da peça) e alta resistência química, térmica, à abrasão e mecânica. Além disso, os compósitos de matriz polimérica requerem mão de obra muito qualificada, o que significa custos mais elevados, embora geralmente não sejam excessivos para qualquer aplicação que exija resultados de alta resistência.

Além disso, os PMCs são muito úteis em artigos marítimos, automotivos, aeroespaciais e esportivos, aproveitando os benefícios de rigidez, alta resistência e leveza. Os PMCs de fabricação lidam com métodos de montagem como enrolamento de filamento e disposição manual, o que pode ser um processo lento. É necessário ter um controle preciso sobre todo o processo de cura para obter as propriedades mais adequadas do material.

Polímeros Reforçados com Fibra de Vidro (GFRPs)

Estes formam um grupo de compósitos de matriz polimérica que são específicos para materiais de fibra de vidro ligados com poliéster e epóxi. Estas fibras de vidro poderiam estar dentro de fios cortados, oferecendo alguma resistência anisotrópica às estruturas através da orientação mista destas fibras. 

Além disso, o reforço pode envolver tecido, o que tornará o processo mais ordenado, mas não adequado para componentes a granel, porque todas as fibras são colocadas num plano. Com a mecha tecida, você pode melhorar a qualidade da disposição e obter maior resistência.

Compostos Híbridos

Estes compósitos existem como pelo menos duas fibras de reforço diferentes, que são incorporadas no material eventual. A combinação poderia ser de fibra de carbono e vidro em uma disposição – para garantir melhor resistência. Na fabricação de raquetes, é prática comum utilizar fios ou malhas de titânio. Isso ajuda a melhorar o desempenho de flexão e tração.

Os materiais podem ser desafiadores porque problemas de compatibilidade podem afetar o comportamento de um material – por exemplo, uma fibra específica pode formar uma ligação melhor em comparação com outra. São necessários testes consideráveis ​​para confirmar a viabilidade da matriz híbrida. Os compósitos híbridos compartilham aplicações semelhantes aos PMCs; porém, devido aos seus custos mais elevados, seu uso é restrito.

Compósitos de Matriz Cerâmica (CMCs)

O composto de materiais como carboneto de silício, alumínio, carboneto de boro e carbono forma a matriz cerâmica. Então, esta matriz é reforçada com fibras fortes para formar CMCs. Essas matrizes cerâmicas oferecem extrema resistência à corrosão e à temperatura, bem como excelentes propriedades de desgaste. No entanto, as cerâmicas são geralmente frágeis quando não são reforçadas. A adição de filtros de carboneto de silício, carbono ou alumina pode tornar o material mais útil e combater sua fragilidade.

Os CMCs são úteis na fabricação de pás de turbinas a gás, trocadores de calor e componentes aeroespaciais/foguetes. Esses compósitos são muito caros e bastante frágeis, o que torna seu uso limitado. No entanto, este campo é de grandes pesquisas e as propriedades continuam melhorando.

Compostos de Fibra Natural (NFCs)

O uso de fibras naturais vem se tornando uma tendência na fabricação de compósitos. Isso reduz o impacto que esses materiais têm no meio ambiente durante seu uso. Algumas fibras naturais, incluindo madeira, juta, algodão e linho, são importantes de diferentes maneiras.

Fibras naturais ligadas com resina são úteis na fabricação de painéis internos de automóveis. Essas fibras passam por moldagem por compressão para adquirir um formato específico, após o que são estofadas em couro ou plástico para o revestimento final. 

Para garantir maior resistência e criar efeito de madeira, você pode adicionar fibras de madeira aos polímeros. Além disso, os decks de skate utilizam extensivamente reforços de fibra natural em matrizes de resina de poliéster.

Polímeros Reforçados com Fibra de Carbono (CFRPs)

Estes formam um subconjunto do compósito de matriz polimérica. Eles são específicos para fibras de poliéster e carbono com ligação epóxi. As configurações manuais exigem o uso de fibra de carbono como mecha tecida, usando padrões de trama para diferentes distribuições de tensão e tipos de carga. 

Aqui você impregna as fibras com as resinas termicamente ativadas. Isso deposita o material flexível e depois é comprimido para ajudar a liquefazer e curar a resina, o que produz um resultado rígido. Também é possível pultrudar filtros de carbono com diferentes polímeros para criar comprimentos contínuos de CFRP em diferentes seções complexas.

Polímeros Reforçados com Fibra de Aramida (AFRPs)

Estes formam outro grupo de compósitos de matriz polimérica, que utiliza aramida como reforçador. Os componentes de fibra de aramida são úteis em aplicações de alto impacto. Geralmente, a aramida é útil como tecido. Além disso, são pré-impregnados com resinas de poliéster e epóxi. 

Outro compósito aqui é o material alveolar de aramida/papel, que é útil em painéis de piso de baixo perfil – que são colados com epóxi e revestidos com folhas de alumínio.

Compósitos com classificação funcional (FGCs)

Os compósitos com classificação funcional fazem parte de todos os tipos de compósitos. Neste material compósito, é possível modificar as partes constituintes na aplicação através do desempenho da estrutura. Quando as propriedades transitam gradualmente, elas são úteis para evitar concentrações de tensões. 

Além disso, a classificação funcional poderia ser tão fácil quanto alterar ou adicionar o conteúdo de fibra em um ponto de tensão elevado; hibridização progressiva para ajudar a impactar a resiliência em algumas regiões; mudanças no padrão de trama na mecha para alterar a distribuição de carga.

Os FGCs são úteis para fabricar naves espaciais e componentes de aeronaves mais resistentes e leves, como bicos de foguetes e pás de turbinas.

Compostos macro 

Ao contrário das micro ou nanoformas, os macrocompósitos combinam os materiais constituintes numa forma maior. Você pode ver as camadas ou estrutura claramente. Eles são mais espessos e podem acomodar diferentes tipos de materiais em diferentes áreas de uma única chapa ou barra.

Os microtipos são utilizados em aplicações de alto desempenho como itens estruturais e acessórios de carga.  Consequentemente, eles podem ser customizados para atender a alguns requisitos específicos, como resistência mecânica e flexibilidade.

Quais são as aplicações industriais dos materiais compósitos?

Abaixo estão algumas das áreas onde os materiais compósitos são aplicáveis

• Madeira compensada durante a construção
• Plástico reforçado com vidro para garantir moldagem de alta resistência
• Cascos de barcos, caiaques, revestimentos de aeronaves e carenagens de motocicletas
• Armações de óculos (geralmente moldam plástico sobre uma estrutura metálica específica)
• Fibra de carbono (ligada com epóxi) em varas de pesca
• Concreto ferroso útil para fins de construção
• Pisos de aeronaves

Conclusão

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Além disso, nossa equipe dedicada para usinagem de compósitos cuida do seu projeto para atender a todas as especificações e requisitos projetados. Nossa abordagem de ferramentas personalizadas para serviços de usinagem CNC nos permite lidar com fibra de carbono, matriz polimérica, kevlar e outros compósitos resistentes. Então, envie-nos seu projeto se você procura peças de alto desempenho.

Perguntas frequentes

Os compósitos geralmente são plásticos?

Não, os compósitos geralmente não são plásticos. Embora um bom número de compósitos inclua polímeros como material básico, outros materiais, como cerâmica ou metais, podem servir como componente básico dos compósitos.  Alguns compósitos incluem até fibras naturais.

Qual é o material mais caro, composto ou tradicional?

O tipo de materiais combinados para produzir um material compósito determinará seu custo. Fatores como processos de produção e tipos de materiais podem tornar os compósitos mais caros do que os materiais tradicionais em alguns casos. No entanto, os compósitos são um material de baixo custo em termos de melhor desempenho, menor peso e maior durabilidade.

Quais são as principais categorias de materiais compósitos?

Os materiais compósitos estão em quatro categorias principais. Estes são compósitos de matriz de carbono (CMCs), compósitos de matriz polimérica (PMCs), compósitos de matriz cerâmica (CMCs) e compósitos de matriz metálica (MMCs).

Os compósitos são ecologicamente corretos?

Na maioria das vezes, os compósitos são ecologicamente corretos. No entanto, outros fatores como a composição do material podem ser determinantes. Embora alguns compósitos sejam bons para reciclagem, outros podem representar uma ameaça ao meio ambiente devido aos seus materiais constituintes. Pesquisas recentes visam desenvolver compósitos recicláveis. 

Quais materiais de matriz são comumente usados em compósitos?

Polímeros de diferentes tipos são materiais comuns usados na produção de compósitos. Outros incluem cerâmicas como alumina, metais como titânio ou alumínio e carbono.

Quais são as desvantagens dos materiais compósitos?

Assim como outros materiais, os compósitos têm suas desvantagens. Eles são difíceis de reparar e manter, suscetíveis à delaminação e muito complexos de fabricar para algumas aplicações específicas. Além disso, a resistência ao impacto é menor em comparação com materiais tradicionais como o metal.

Quais materiais de fibra são comumente usados em compósitos?

A maioria dos compósitos sempre inclui materiais como fibras de aramida como Kevlar, fibras de carbono, fibras de vidro, fibras metálicas como alumínio e fibras naturais como cânhamo ou linho.