Compósitos: Testes para aplicações aeroespaciais

Compósitos: Testes para aplicações aeroespaciais

Fig. 4. Ensaio de cisalhamento short-beam

Materiais compósitos estão mudando a face da manufatura e do desenvolvimento de produtos e nenhuma indústria presenciou isso mais do que a aeroespacial. Projetistas da indústria aeroespacial incorporam os materiais compósitos para ajudar na diminuição de peso de seus veículos, junto do aumento de sua velocidade e da sua eficiência de combustível.

Boeing e Airbus, duas líderes da indústria de aviação, estão à frente da investida dos compósitos. Metade das aeronaves Boeing 787 e Airbus A350 são construídas com materiais compósitos. Outros fabricantes estão usando cada vez mais os compósitos em várias seções dos aviões e componentes.

Os gigantes da aviação e organizações específicas aeroespaciais, como a SpaceX e a NASA, são atraídos pelos compósitos por causa da alta razão rigidez-peso apresentada por esses materiais e por suas excelentes resistências à fadiga e à corrosão.

Em um sentido mais amplo, um compósito é formado por dois ou mais materiais diferentes, que possuem propriedades distintas entre si. Quando estes componentes são combinados, originam o compósito, cujas características devem ser melhores do que as de seus constituintes individualmente.

Os vários tipos de materiais compósitos usados em aplicações aeroespaciais incluem os compósitos termofixos e termoplásticos, laminados, compósitos reforçados com fibras, sandwich-core, resinas, filmes e adesivos. Graças aos cientistas de materiais, essa classe de materiais está evoluindo e melhorando a uma taxa incrivelmente alta. O futuro da ciência dos materiais parece envolver um intenso foco em compósitos.

Ensaios Mecânicos de Compósitos

Materiais compósitos usados em aplicações aeroespaciais irão encarar condições de serviço extremamente severas e devem ser testados exaustivamente para garantir segurança e confiabilidade. Como os materiais compósitos são anisotrópicos e heterogêneos, uma completa caracterização de suas propriedades precisa ser conduzida se a sua aplicação for para estruturas aeroespaciais.

A determinação das propriedades da massa requer testes de tração, compressão e de cisalhamento. Nas áreas de qualidade e de desenvolvimento de materiais, outros tipos de testes – como tração/compressão em fenda (open-hole), tenacidade à fratura interlamelar, compressão após impacto e fadiga – são usados para explorar propriedades mais complexas. Os ensaios são conduzidos em faixas de temperaturas determinadas e em materiais que podem ter sido condicionados em uma variedade de condições ambientais (por exemplo, alta umidade e imersão em fluidos).

Ensaio de Tração

O ensaio de tração em laminados é um dos testes mecânicos mais comuns usados nos materiais compósitos. Outros tipos de compósitos que passam pelo ensaio de tração são os feixes de fibras impregnados com resina e as seções dos materiais sandwich-core.

Exemplos de normas comuns para ensaios de tração de laminados são a ASTM D 3039, EN 2561, EN 2597, ISO 527-4 e ISO 527-5. As amostras são posicionadas paralelamente e contêm alças ligadas em suas extremidades para evitar que as garras do equipamento de tração danifiquem o material e causem falhas prematuras. Mecanismos de gripagem incluem alças manuais ou hidráulicas.

Ensaio de Compressão

Nos métodos usados para os ensaios de compressão de compósitos, uma carga compressiva é introduzida no material com os devidos cuidados para que o mesmo não sofra flambagem. Os compósitos mais usados nesse ensaio são os painéis laminados e as amostras para o teste de compressão, normalmente, apresentam forma de retângulos finos e planos (Fig. 1). Os métodos de aplicação de carga na amostra são os seguintes:

• Carregamento final: toda a carga é introduzida nas extremidades planas da amostra;

• Carregamento cisalhante: a carga é introduzida pela extensão das faces da amostra;

• Carregamento combinado: uma combinação dos carregamentos cisalhante e final é usada.

Ensaio de Cisalhamento

As propriedades de cisalhamento podem ser medidas em corpos de prova para ensaios de tração que contenham as fibras orientadas a ± 45°. As deformações axiais e transversais sofridas pelo corpo de prova são medidas com medidores de deformação ou extensômetros biaxiais. As normas usadas para esse tipo de teste são a ASTM D3518 e a ISO 14129.

O teste de resistência ao cisalhamento interlamelar, às vezes chamado de cisalhamento short-beam, é um procedimento simples que usa uma pequena amostra que é carregada segundo a configuração de flexão em três pontos (Fig. 4). A razão da espessura da amostra pelo comprimento do suporte é alta. Isso ajuda a gerar altas cargas de cisalhamento ao longo da linha central da amostra. As normas para o teste de resistência ao cisalhamento interlamelar são a ASTM D2344, EN 2563 e ISO 14130.

Ensaio de Fadiga

Comparado à grande quantidade de ensaios “estáticos” e bem definidos para materiais compósitos, o ensaio de fadiga de laminados é muito mais aberto, com maior flexibilidade em suas condições de execução. É importante ter um alinhamento cuidadoso e correto do sistema de gripagem para evitar falhas em regiões próximas às garras. Ainda, uma elevada rigidez lateral é muito importante para prevenir a flambagem das amostras em ensaios que envolvem carregamento compressivo. Também vale notar que alguns dos guias antiflambagem usados em ensaios “estáticos” podem ser problemáticos se usados em testes cíclicos devido aos efeitos de fricção. Quando os testes de fadiga são conduzidos em compósitos poliméricos, a frequência máxima de teste é restrita, uma vez que existem limites para o aumento de temperatura das amostras (por exemplo, o aumento máximo de temperatura recomendado pela norma de fadiga ISO 13003 é de 10°C).

Outros Ensaios Mecânicos

Outros ensaios mecânicos que podem ser realizados em materiais compósitos são: ensaio de flexão; tração e compressão em amostras com fendas abertas e fechadas; ensaios de carga compressiva máxima (Fig. 2); e testes de tenacidade à fratura interlamelares.

Análises Térmicas

Análise térmica é o nome de uma categoria de ensaios que visam à determinação de propriedades químicas e físicas dos materiais, por meio de aquecimento, resfriamento e de uso de temperaturas constantes. Os ensaios de análise térmica típicos da indústria aeroespacial são a Análise Dinâmico-Mecânica (Dynamic Mechanical Analysis, DMA), Análise Termomecânica (Thermomechanical Analysis, TMA), Calorimetria Diferencial de Varredura (Differential Scanning Calorimetry, DSC) e Análise Termogravimétrica (Thermogravimetry Analysis, TGA).

Com a DMA são medidas as propriedades mecânicas e viscoelásticas de diferentes classes de materiais, como os termoplásticos, termofixos, elastômeros, cerâmicas e metais. Testes que medem a transição vítrea são realizados em materiais de grandes dimensões e, nesses casos, o número de variáveis do ensaio aumenta. Outras características importantes do DMA são as faixas de temperatura de trabalho, que variam de – 190°C a 600°C, controle de umidade e opções de fluidos. De modo similar aos ensaios mecânicos, o DMA pode realizar ensaios de tração, cisalhamento e flexão.

O instrumento de TMA, que pode alcançar temperaturas entre – 80°C e 1600°C, é usado para medir coeficientes de expansão térmica. Também mede a transição vítrea em amostras de pequenas dimensões.

Além de medidas da transição vítrea de materiais homogêneos, o DSC é capaz de medir mudanças na entalpia interna de uma amostra devido a variações em suas propriedades químicas e físicas em função da temperatura ou do tempo. Também pode determinar fluxo de calor. A faixa de temperatura em que o DSC opera é de – 80°C a 550°C.

O dispositivo de TGA detecta alterações no peso de uma amostra conforme o seu aquecimento, resfriamento ou permanência em temperatura constante. É primariamente usado para caracterizar a composição de um material e a sua faixa de temperatura de operação é de 23°C a 1600°C.

Um aspecto-chave dos equipamentos de TMA e DSC é a capacidade de serem purgados com gases inertes e secos como o hélio, argônio ou nitrogênio. Essa característica é muito importante quando são realizados ensaios em temperaturas abaixo da ambiente. O gás mantém o forno e as amostras secas da melhor maneira possível.

Testes de Propriedades Físicas

Ensaios para determinação de propriedades físicas de compósitos ajudam a garantir que o material se adeque às especificações da indústria e satisfaça normas de segurança. Os testes de propriedades mais comuns são de determinação de teores de resina, fibras e lacunas. Conhecer as frações volumétricas dos materiais que constituem o compósito é importante, pois, assim, é possível fazer o modelamento analítico correto de suas propriedades – estas últimas são influenciadas pelos teores de reforço e de matriz do compósito. Outros ensaios bastante usados são o de dureza, absorção de água, densidade, gravidade específica e de teor de umidade.

Ambientes dos Testes

A característica ambiental mais comum em um ensaio para materiais compósitos é a temperatura (normalmente na faixa de – 80°C a 250°C). As amostras são frequentemente pré-condicionadas em diferentes ambientes antes da realização do ensaio. O pré-condicionamento é feito, muitas vezes, em condições quentes e úmidas, mas a exposição a fluidos (como água, fluidos combustíveis e hidráulicos) também é utilizada. O tempo levado para que um compósito polimérico atinja o equilíbrio com o meio de condicionamento é de alguns dias ou semanas. Portanto, ensaios de curta duração, como a tração de materiais compósitos pré-condicionados, podem ser conduzidos, geralmente, em ambientes em que se tem apenas a influência de temperatura. Câmaras projetadas para ensaios em altas e baixas temperaturas são equipadas, na maior parte das vezes, com sistemas de convecção forçada para o aquecimento e de injeção de nitrogênio líquido para o resfriamento.

Para mais informações: Wetmoreland Mechanical Testing & Research, Caixa Postal 388, 221 Westmoreland Drive, Youngstown PA – EUA; tel: (+1) 724-537-3131; e-mail: us.sales@wmtr.com; site: www.wmtr.com.

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