Soluções de Alta Temperatura: Integrando CFRP com Compósitos de Matriz Cerâmica

Materiais que permitem estruturas de alto desempenho em temperaturas de serviço acima de 500°F/230°C são limitados. Opções são basicamente metais como titânio e ligas como Inconel, poliamidas (PI) ou compósitos de matriz cerâmica (CMC). Todos são significativamente mais caros que compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) convencionais, mas CMCs vêm ganhando interesse devido à sua baixa densidade – aproximadamente um terço da do Inconel e metade da do titânio. O lado negativo dos CMCs tem sido os longos tempos de processamento para fazer peças – pouco menos de 30 dias, segundo artigo de abril 2019 no American Ceramic Society Bulletin.

Porém, a Pyromeral (Barbery, França) desenvolveu família de produtos que preenche esta lacuna, oferecendo desempenho até 1.500°C com processamento mais akin a CFRP, produzindo peças em aproximadamente uma semana. "Desenvolvemos nova química que permite matrizes vitrocerâmicas avançadas reforçadas com fibras contínuas sem a longa etapa de infiltração por fusão," explica Guillaume Jandin, diretor de vendas e marketing da Pyromeral. A empresa oferece PyroKarb, PyroSic e PyroXide materiais reforçados com fibras de alto módulo de carbono, carbeto de silício e óxido de alumínio, respectivamente, tipicamente na forma de tecidos twill dois a dois, resultando em compósitos com fração de volume de fibra (FVF) de 50%.

Fatores de desempenho térmico

Jandin explica que embora todos três materiais Pyromeral possam performar acima de 1000°C por menos de 1 hora, PyroKarb oferece serviço de longo prazo (menos de 1.000 horas) a 200°C, e até 100 horas a 500°C. PyroSic oferece serviço de longo prazo a 500°C e até 100 horas a 800°C. PyroXide oferece serviço curto até 1.500°C, muito próximo ao desempenho de CMC Ox-Ox, mas a custo menor.

"Desempenho térmico em peças reais depende de muitos fatores," diz Jandin. "Estes incluem tipo de calor (radiante, convectivo), se há fluxo de ar para ajudar resfriar algumas áreas da peça e também que propriedades estruturais são requeridas – por exemplo, escudo térmico não estrutural ou peça semi-estrutural. Se materiais trabalham em alta temperatura contínua ou em flashes de curta duração também é crítico," adiciona. "PyroSic e PyroKarb funcionam bem com o último, como ciclos repetidos de 1000°C por um décimo de segundo, resfriamento e repetição. Seu baixo coeficiente de expansão térmica (CTE) de aproximadamente 3,10⁻⁶ µm/m/K é benefício comparado a metais, que tendem a CTE maior que 10,10⁻⁶ µm/m/K. Estes metais incorrem em estresse para acomodar ciclagem térmica rápida de alta temperatura e degradam por fadiga, enquanto nossos materiais não."

Processamento tipo CFRP, aplicações de alta temperatura

"Inventamos nossos materiais de matriz para serem líquidos em temperatura ambiente e usamos máquinas de impregnação para criar pré-preg," nota Jandin. Os pré-pregs são colocados sobre ferramentas de CF/epóxi. "Não trabalhamos com ferramentas metálicas porque nossa matriz é alcalina e pode reagir," adiciona. "Próximo passo é densificação em autoclave a 100°C e 6 bar por aproximadamente 12 horas." Peças são desmoldeadas e então prosseguem, livres, através de processo térmico de dois estágios a 500-1.000°C que completa ceramização da matriz, resultando em componentes estruturais.

A Pyromeral encontrou sucesso inicial em carros de Fórmula 1. "Nossos materiais são usados em escudos térmicos ao redor de motores e também ao redor de freios, que atingem tempos de 500-700°C," diz Jandin. "Durante temporada 2012-13 de F1, todo carro exceto Sauber usou nossos materiais para partes para direcionar gás de escape do motor (800°C). Estas estruturas também resistiram vibração tanto do escape quanto do chassi. Agora temos componentes em todo carro correndo na F1."

"Também podemos integrar isolamento de alto desempenho em nossos materiais para suportar quedas de 700°C com espessura de 6 milímetros," continua. "Por exemplo, fazemos componentes que permitem caixa de câmbio de carro de F1 feita de CF/epóxi – que deve ficar abaixo de 180°C – sentar dentro de 20 milímetros do turbo a 900-950°C." Outras aplicações incluem escudo térmico PyroXide qualificado para veículo de lançamento Ariane 5 e partes para Ariane 6, bem como saídas de escape PyroSic para grandes veículos aéreos não tripulados (UAVs).

A Pyromeral fez parceria com Composite Resources (Rock Hill, Carolina do Sul, EUA) para expandir mercado nos EUA. Empresas são similares em tamanho e compartilham longa história em corridas. "Nossa experiência em design e manufatura de peças é complementar ao foco da Pyromeral em química e desempenho de materiais," diz Melvil Clauson, diretor de desenvolvimento de negócios da Composite Resources.

As duas empresas trabalham para atender demandas de clientes por resistência a temperatura ainda maior e caracterizar alta transparência de radiofrequência (RF) do PyroXide para uso em radomes e antenas. "Estamos vendo interesse sobre aeronaves supersônicas e aplicações de defesa muito amplas além da Força Aérea, bem como em motores a jato comerciais," nota Clauson.

"Produtos Pyromeral também são voltados para o futuro," diz Clauson, "porque não contêm substâncias baseadas em petróleo – apenas água como solvente. Os outros constituintes são minerais, permitindo processar peças fim de vida em pó que pode ser reutilizado em outras aplicações."