O que são os materiais compósitos?

Os materiais compósitos são materiais heterogêneos e multifásicos, sendo compostos por 2 materiais diferentes com propriedades complementares, orientadas pelo princípio da ação combinada. Esse princípio define que as melhores combinações de materiais são feitas por uma escolha racional de dois materiais distintos para uma composição resultante. 

Além disso, os materiais compósitos são compostos por 2 fases: a fase matriz e a fase dispersa (ou reforço). A fase matriz é contínua, abriga a fase dispersa e geralmente é responsável por dar liga ao material. Já a fase dispersa é responsável pelas propriedades mecânicas do material em função de sua forma, tamanho, distribuição e orientação. 

Ainda, é importante mencionar que a adesão fibra (ou partícula)/matriz é um fator importante a ser considerado, uma vez que o mesmo define a forma como o reforço se comportará quando solicitado na matriz. 

Quais são os principais materiais compósitos? 

Assim como já discutido, os compósitos são materiais heterogêneos e multifásicos compostos por uma matriz e a fase dispersa.
Em relação à matriz, temos que os principais componentes nesse caso podem ser metais, polímeros e cerâmicas. As resinas poliméricas são amplamente utilizadas nesse caso.

Já em relação à fase dispersa, os 3 materiais mais utilizados são a fibra de aramida, também conhecida comercialmente como Kevlar ® , a fibra de vidro e a fibra de carbono. 

Figura 1: Principais materiais constituintes da fase dispersa, em ordem fibra de carbono, aramida e vidro. 

Assim, após a junção da matriz com a fase dispersa, são produzidas as peças de material compósito, obtendo aspecto como observado na Figura abaixo.

Figura 2: Peça automotiva de material compósito.

Quais são as principais propriedades dos materiais compósitos? 

As propriedades dos materiais compósitos variam devido a diversos fatores, como por exemplo a presença de bolhas na resina ou má adesão da resina em relação às fibras. Tendo isso em vista, as principais propriedades avaliadas para os materiais compósitos são, a resistência à tração das fibras, assim como o limite de resistência à fadiga, essas propriedades podem ser obtidas através dos ensaios de tração e fadiga respectivamente.
Além disso, propriedades em relação à fabricação do compósito também podem ser analisadas utilizando-se ensaios não destrutivos (END’s), nesse caso avalia-se a presença de imperfeições, trincas, bolhas ou descontinuidades internas no material, que não podem ser detectadas a olho nu. Para esses casos, são utilizados os ensaios de ultrassom, líquidos penetrantes e inspeção visual.

Para saber mais sobre ensaios de materiais, acesse o artigo: (link)

Quais são as principais aplicações dos materiais compósitos? 

As principais aplicações dos materiais compósitos resumem-se aos seguintes setores e segmentos do mercado:

• Indústria aeronáutica

Nesse ramo, podemos citar a substituição das ligas de alumínio convencionais por materiais compósitos em partes como a fuselagem do avião.

Figura 3: Fuselagem de avião fabricada com material compósito

• Construção civil; 

Já na construção civil, temos a utilização de compósitos como concreto, reforço estrutural, isolamento térmico e acústico, uso como fachadas, entre outros. Na imagem abaixo, podemos observar seu uso para reforços em viga. 

Figura 4: Uso de fibra de carbono como reforço para vigas

• Indústria automobilística; 

Na indústria automotiva, temos a utilização de compósitos com o objetivo de reduzir o peso total dos automóveis e, com isso, aumentar sua eficiência, exigindo menos combustível para se locomover. 

Dessa forma, a leveza proporcionada pelo material é a principal vantagem nesse caso.

Figura 5: Ilustração carro de fórmula 1

• Área biomédica. 

Nesse setor, o material compósito proporciona maior leveza acompanhado de um desempenho mecânico otimizado, resistindo a ciclos de fadiga e sendo, portanto, ideal para substituição de membros ou partes do corpo. Sua utilização para a fabricação de próteses é amplamente difundida. 

Figura 6: Paratleta utilizando uma prótese feita com materiais compósitos

• Indústria aeroespacial e militar. 

As características determinantes para a aplicação dos materiais compósitos nesse setor são a baixa densidade desses materiais e a alta resistência à deformação, contribuindo para um aumento da vida útil e alta resistência mecânica.

A sua utilização envolve desde o colete à prova de balas até hélices e fuselagem de aeronaves.

Figura 7: Colete à prova de balas constituído de Kevlar

Figura 8: Hélice de aeronave em fibra de carbono.

Como são fabricados? 

Os métodos para a confecção de componentes de materiais compósitos é muito variável, assim, são utilizados diversos processos. Sendo os principais descritos abaixo:

• Hand lay-up

É um dos processos mais simples utilizados, nele a fibra é aplicada de forma manual no formato de manta em um molde aberto. A primeira etapa consiste na preparação do molde, retirando a poeira e aplicando o desmoldante sobre ele (PVA ou cera de carnaúba), para facilitar a desmoldagem após a cura.
A segunda etapa consiste na aplicação da manta de fibra e posterior aplicação da resina por meio de rolos. As camadas são aplicadas formando um reforço até que a espessura seja alcançada.
As duas últimas etapas compreendem a cura e a desmoldagem, na etapa de cura a peça é mantida em temperatura ambiente ou em estufa, e deve-se esperar a cura completa para que a desmoldagem ocorra de forma correta e que não haja deformações. 

Figura 9: Processo de hand lay-up.

• Spray-Up

Nesse processo, a aplicação da resina ocorre através de pistolas de spray. São utilizados rolos nesse processo também, de modo a retirar bolhas de ar e acomodar melhor a fibra à superfície. Utiliza-se também o roving, que consiste em fios de fibra de vidro picada, as quais são lançadas sobre a superfície e fixadas através da resina aplicada pela pistola.

Figura 10: Método spray-up

• Pultrusão

O processo de pultrusão combina várias etapas do processo em uma, contudo a oportunidade de verificar a qualidade é reduzida. Por isso, os requisitos de controle de qualidade são aumentados para garantir a boa qualidade. No entanto, o processo de pultrusão oferece uma taxa de produção rápida, por isso é amplamente utilizada. Nesse processo as fibras de reforço são puxadas em formato de fios, seguindo para a área de impregnação, onde são utilizadas as resinas, catalisadores, desmoldantes e corantes.
Essas fibras impregnadas são pré-moldadas de acordo com a forma do perfil a desejado em uma matriz aquecida, a qual contribui com a cura da resina.

Sendo assim, o perfil é “puxado” até sair do molde, e seu resfriamento se dá durante essa etapa. Por fim, o perfil é cortado na medida desejada e pronto para sua utilização.

Figura 11: Método de pultrusão.

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