UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA INTRODUÇÃO AOS MAT. AERONAÚTICOS LIGAÇÕES QUÍMICAS ESTRUTURA CRISTALINA DIREÇÃO E PLANOS DEFEITOS E DIFUSÃO PROPRIEDADES MECÂNICAS LIGAS METÁLICAS MATERIAIS COMPÓSITOS MATERIAIS POLÍMEROS MATERIAIS CERÂMICOS Materiais Aeronáuticos Prof.

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA

INTRODUÇÃO AOS MAT. AERONAÚTICOS LIGAÇÕES QUÍMICAS ESTRUTURA CRISTALINA DIREÇÃO E PLANOS DEFEITOS E DIFUSÃO PROPRIEDADES MECÂNICAS LIGAS METÁLICAS MATERIAIS COMPÓSITOS MATERIAIS POLÍMEROS MATERIAIS CERÂMICOS Materiais Aeronáuticos

Prof. Dr. FERNANDO CRUZ BARBIERI S.J. dos Campos

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA

LIGAS METÁLICAS AERONÁUTICAS

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 1 – Introdução Metal é, genericamente toda substância mineral que se apresenta em estado sólido à temperatura ambiente — com a única exceção do mercúrio; Se caracteriza por brilho característico, opacidade, dureza, ductilidade (que permite que o material seja esticado em arames finos) e maleabilidade (que possibilita sua redução a lâminas delgadas); Incluem-se nessa definição tanto os metais propriamente ditos (ouro, prata, ferro, etc.), como algumas ligas (bronze e latão por exemplo); Outras propriedades físicas que caracterizam o metal são sua elevada densidade, boa fusibilidade e, principalmente, os altos coeficientes de condutividade térmica e elétrica; Do ponto de vista químico, metal é todo elemento eletropositivo , ou seja, aquele cujos átomos formam íons positivos em solução;

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 1 – Introdução Os metais constituem cerca de 75% do sistema periódico dos elementos ; Possuem, em seu nível mais externo, denominado nível de valência, no máximo três elétrons, excetuados o estanho e o chumbo (que possuem quatro elétrons) e o bismuto e o antimônio (cinco elétrons); O metal é profundamente afetado pela presença de quantidades relativamente pequenas de outros elementos.

Quase sempre os metais são encontrados em forma de óxidos ou sulfetos (minerais) e devem ser separados; O principal problema é reduzi-los de seus compostos à forma elementar.

Dificilmente os mesmos processos podem ser aplicados a todos os metais, em virtude das grandes diferenças físicas e químicas entre eles.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 2 – Aços: liga ferrosa O aço é um dos mais importantes indústria mecânica e geral; materiais metálicos usados na aeronáutica . É usado na fabricação de peças em Os aços constituem a categoria de materiais metálicos principalmente porque podem ser especificações muito precisas, e produzidos em larga escala relativo baixo custo ; mais utilizadas , e Eles ainda apresentam larga faixa de propriedades mecânicas, como por exemplo, o limite de escoamento que varia desde 200 MPa até 1700MPa.

Aços são ligas Fe-C que podem conter outros elementos:

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 3 – Classificação e especificação das ligas metálicas

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4 – Aços amplamente utilizado na ind. aeronáutica Aços de baixa liga e alta resistência; Aços inóx.

4.1 – Aços de baixa liga e alta resistência Aços de baixa liga fazem parte de uma categoria de materiais ferrosos que exibem propriedades mecânicas superiores às dos aços carbonos, devido a adições de elementos tais como níquel, cromo, e molibdênio ; Para muitos aços de baixa liga a principal função das adições é aumentar a temperabilidade de modo otimizar as propriedades mecânicas após tratamentos térmicos; Estes aços podem ser classificados como: aços ao níquel - aços níquel-cromo - aços molibdênio e aços cromo-molibdênio Aceitam tratamentos térmicos e possuem alta soldabilidade.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.1.2 – Aços de baixa liga e alta resistência – aplicações / características

LIGA (AISI) 300M

0,38 – 0,45 %C, 0,7-0,95%Cr, 0,7-0,9%Mn, 0,3-0,65%Mo, 1,65-2%Ni, 1,45-1,8%Si

4340

0,40 %C, 0,5-0,80%Cr, 0,25%Mo, 1,80%Ni

APLICAÇÃO

Trem de pouso, algumas partes de estruturas protetoras, engrenagens e eixos (boa tenacidade temperaturas moderadas) a Engrenagens, pinhões, haste de pistões, trem de pouso e parafusos.

4330

0,30 %C, 0,5-0,80%Cr, 0,25%Mo, 1,80%Ni

Amplamente utilizadas em uma variedade de aplicações militares, comerciais e aeroespaciais, mas largamente utilizada em trem de pouso.

DISPONIBILIDADE

Barras, tubos, placas, chapas arames e fundidos (fornecidos de forma recozida, normalizada e temperada) Barra, haste, placas folhas e tubos (fornecidos de forma esferoidizada, normalizada, temperada, forjada e fundida) Grande variedades de tamanhos na forma de barras, forjados, placase tubos (fornecidos de forma recozida, normalizada e forjada) 8

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.1.2 – Aços de baixa liga e alta resistência – aplicações / características

LIGA (AISI) 4130

0,30 %C, 0,50-0,95%Cr, 0,12-0,20%Mo

APLICAÇÃO DISPONIBILIDADE

Componentes de aeronaves em geral, cilindros de gás, linhas hidráulicas e parafusos.

Trilhos de superfícies de comando, ferragens estruturais.

Grande variedades de tamanhos na forma de tarugos, barras, varetas forjados, placas e tiras e tubos (fornecidos de forma recozida, normalizada e temperada) Barra, tarugo, placas chapas forjadas e arames Maraging

250

0,030 %C, 7,5%Co, 4,85%Mo, 0,4%Ti

1090

0,90 %C

Molas, peças resistentes ao desgaste, discos e lâminas Barra e arame 9

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.3 – Aços Inoxidáveis 4.3.1 Aços inoxidáveis austeníticos

• •

s aços inoxidáveis apresentam uma boa resistência a corrosão, porém, em alguns casos outras características além da resistência à corrosão são necessários, para a utilização dos mesmos em determinadas aplicações; Estrutura CFC; Teores de Carbono entre 0,030 a 0,25%, e resistência e tenacidade).

cromo propriedades é conseguira com a introdução de entre 15 a 26%,uma grande melhoria em muitas Níquel como elemento de liga. Consegue-se uma mudança na estrutura, transformando ligas ferríticas em ligas austeníticas (estrutura de alta • Os aços inoxidáveis austeníticos são conhecidos pela sua excelente resistência à corrosão em muitos meios agressivos.

Exemplos de aços austeníticos são 304, 304L, 316 e 316 L

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.3.2 – Aços Inoxidáveis: matensíticos Aços inoxidáveis martensíticos

•

Estes aços, após resfriamento rápido de alta temperatura, mostram uma estrutura caracterizando alta dureza e fragilidade, denominada Martensítica.

Possuem uma estruturas cristalina distorcida (martensítica) CCC;

•

Contém de 12 a 17% de Cromo e 0,l a 0,5% de carbono (em certos casos até 1% de carbono – AISI 440) e podem atingir diversos graus de dureza pela variação das condições de aquecimento e resfriamento (tratamento térmico).

57 HRC);

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 4.3.3 – Aços Inoxidáveis: Ferriticos Aços inoxidáveis ferríticos

•

Os aços inoxidáveis ferríticos tem uma estrutura cristalina cúbico de corpo centrado , que é o mesmo do ferro puro a temperatura ambiente;

•

O principal elemento de liga é o carbono é mantido baixo na faixa de 0,08 a ,020%, o que resulta nestes aços uma limitada resistência mecânica.

cromo Não são endurecíveis pelo tratamento térmico e no estado recozido o limite de escoamento é de 275 a 350 MPa; com teores tipicamente entre 11 e 27%. O teor de Em relação aos martensíticos, o teor de cromo é em geral maior e o de carbono, menor. Isso faz as estruturas sempre ferríticas e, portanto, não são endurecidos por têmpera;

Exemplos de aços ferríticos são 405,430 e 443.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.3.4 – Aços Inoxidáveis: endurecidos por precipitação São essencialmente ligas de cromo-níquel, contendo elementos precipitadores como cobre, alumínio e titânio ; São aços com de carbono cromo , em teores na faixa de baixo cerca de 0,04 a 0,1%C; 11 a 17% Cr e o conteúdo Os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação similaridades com os aços martensíticos; (PH) têm dureza aumentada por tratamento de envelhecimento e assim têm algumas Estes aços são capazes de atingir resistência a tração até 1700 MPa ; Os aços endurecíveis por precipitação (PH) têm boa ductilidade e tenacidade,dependendo do tratamento térmico; Sua resistência à corrosão é comparável ao aço austenítico 304; Podem ser soldados mais facilmente que os aços martensíticos comuns; Foram desenvolvidos e são usados de forma ampla, nas aeroespaciais; aplicações Exemplo de aços PH são 17 – 4 PH, 15 – 5 PH e A286.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.3.5 – Aços Inoxidáveis: aplicações / características

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 5. METAIS NÃO FERROSOS – DEFINIÇÃO

 Apesar da diversidade de propriedades das ligas ferrosas, facilidade de produção e baixo custo, elas ainda apresentam limitações: Alta densidade, baixa condutividade elétrica , corrosão e etc;  As ligas não ferrosas exibem uma serie de vantagens, tais como: leveza, alta condutividades elétrica, resistência a corrosão e etc.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 6. METAIS NÃO FERROSOS – GENERALIDADES

•Em geral mais caras que as ligas ferrosas •Usadas para aplicações específicas: • Resist. à corrosão (Cu, Ni) • Alta condutividade (Cu, Al) • Baixo peso (Al, Mg, Ti) • Resistência a altas temperaturas (Ni) •Utilização desde utensílios domésticos até aplicações aeroespaciais Tungsténio (W) Estanho (Sn) Cobre (Cu) Niquel (Ni) Ferro (Fe) Zinco (Zn) Titânio (Ti) Alumínio (Al) Berílio (Be) Magnésio (Mg) 0 2 4 6 8 10 12

Densidade (ton/m^3)

14 16 18 20 18

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 7. METAIS NÃO FERROSOS – CLASSIFICAÇÃO

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 8. METAIS NÃO FERROSOS – UTILIZAÇÃO EM AERONAVES

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 9. METAIS NÃO FERROSOS – LIGAS AERONÁUTICAS

 Ligas de alumínio;  Ligas de níquel;  Ligas de titânio;  Ligas de cobre 21

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.1. ALUMÍNIO – GENERALIDADES

 O alumínio é o metal mais abundante na crosta terrestre;  O seu processamento é caro , tendo restringido a sua aplicação até meados do século, mas é um dos materiais mais usados atualmente;  Forma ligas com Mn, Cu, Mg, Si, Fe, Ni, Li, etc;  A resistência mecânica pode ser aumentada através da adição de elementos como Cu, Mn, Si, Mg e Zn;  O alumínio tem sido o material predominante na indústria aeronáutica com cerca de 80% em peso, devido ao desenvolvimento de ligas com resistência mecânica mais elevada;  A rigorosa exigência dos mais o uso deste metal.

foguetes espaciais tem demandado cada vez 22

       

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.2. ALUMÍNIO – PROPRIEDADES GERAIS

O alumínio é pouco denso ( 2,7 g/cm 3 , 1/3 da densidade do aço) Boa condutibilidade térmica e elétrica Elevada resistência específica; Alta ductilidade graças á estrutura CFC; Fácil fundição, soldagem e processamento em geral; Boa resistência à corrosão; Custo moderado; Baixo ponto de fusão ( 660 0 C) 23

      

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.3. ALUMÍNIO – APLICAÇÕES

Construção civil e arquitetura; Embalagens e contentores;

Aeronáutica e aeroespacial;

Indústrias automóvel, ferroviária e naval; Condutores elétricos alta voltagem; Utensílios de cozinha; Ferramentas portáteis; 24

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.4. ALUMÍNIO – LIGAS COMERCIAIS

 Podem ser divididos em dois grupos: Ligas de trabalho mecânico Ligas para fundição.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.5. ALUMÍNIO – NOMENCLATURA DE FAMILIAS

 Possuem designação padronizada que as distribuem em dependendo do principal elemento de liga presente;  Também possuem designação padronizada que as distribuem em condições de tratamentos térmicos ; famílias 26

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.5. ALUMÍNIO – NOMENCLATURA DE FAMILIAS XXXX - Ligas de trabalho mecânico

X1  elemento majoritário da liga; X2   zero se é liga normal 1, 2 e 3 indica uma variante específica da liga normal (como teor mínimo e máximo de um determinado elemento); X3 e X4  são para diferenciar as várias ligas do grupo (arbitrários)

EX: Alumínio não ligado



1065

• O segundo algarismo indica modificações nos limites de impurezas • Os dois últimos algarismos representam os centésimos do teor de alumínio (Al com 65% de pureza) 27

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.5. ALUMÍNIO – NOMENCLATURA DE FAMILIAS XXX.X - Ligas fundidas

X1  elemento majoritário da liga; X2 e X3  teor mínimo de alumínio; X4  zero indica composição das peças fundidas 1 e 2 indica composição dos lingotes    

Famílias que não podem ser tratadas termicamente: 1xxx, 3xxx, 4xxx e 5xxx; Além de algumas ligas das famílias 7xxx e 8xxx como 7072,8001, 8280 e 8281; As ligas não tratáveis só podem ser endurecidas por deformação a frio; Famílias que podem ser tratadas termicamente: 2xxx, 6xxx, 4xxx e 7xxx;

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     

10.6.1. ALUMÍNIO – FAMILIAS 1XXX (Al puro) São constituídas por 99% de alumínio; São as mais resistentes ao ataque químico; Baixo custo; Fáceis de serem conformadas e soldadas; Possuem níveis de resistência da ordem de 80 MPa; Boa condutividade elétrica; 10.6.2. ALUMÍNIO – FAMILIAS 3XXX (Manganês)

 

São as mais populares e de maior uso em geral; Possuem maior resistência que as ligas 1XXX, porém com as mesmas ductilidade e soldadibilidade;

     

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.6.3. ALUMÍNIO – FAMILIAS 2XXX (Cobre) Liga mais utilizada e conhecida na indústria aeronáutica 2024 devido as excelentes propriedades mecânicas; é a Resistência mecânica pode atingir 480 MPa na condição T3; Resistência a corrosão baixa; Na forma de alclad (camada de Al puro na superfície) aumenta significativamente a resistência a corrosão e se torna ainda mais desejável na ind. Aeronáutica; Outra liga que se destaca na família é a 2219 por excelente estabilidade térmica; Algumas ligas dessa família (ex:2024) não podem ser soldadas por fusão.

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   

10.6.4. ALUMÍNIO – FAMILIAS 4XXX (silício) Apresenta baixo ponto de fusão; Boa fluidez; Tonalidade cinza agradável quando anodizada; Aplicações arquitetônicas 10.6.5. ALUMÍNIO – FAMILIAS 5XXX (magnésio)

 

Possuem em geral elevada resistência mecânica (250MPa na condição de recozimento); Em aplicações aeroespaciais, são largamente utilizadas em tubulação de baixa temperatura, devido as boas características de conformação e soldagem.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.6.6. ALUMÍNIO – FAMILIAS 6XXX (silício e magnésio)

    

Fáceis aos processos de fabricação Boa combinação de resistência mecânica e a corrosão; Fácil de estampar; Bom acabamento; Aplicações também na aeronáutica , entre outras.

10.6.7. ALUMÍNIO – FAMILIAS 7XXX (zinco e magnésio)



Possuem em geral a maior resistência mecânica (550MPa na condição de solubilização);

 

Boa tenacidade e boa resistência a corrosão sob tensão; Elevado custo;

 

Não podem ser soldadas por fusão; Ideais para aplicações que requerem maior desempenho estrutural de aeronaves.

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      

10.6.8. ALUMÍNIO – FAMILIAS 2XX.X

O Cu é o principal constituinte endurecedor; Aumenta a resistência à tração; Até 5,65% de Cu é tratável termicamente; O Cu diminui a contração; Cu melhora a usinabilidade; Essas ligas tem baixa resit. à corrosão; A introdução de Si melhora a fundibilidade.

10.6.9. ALUMÍNIO – FAMILIAS 3XX.X e 4XX.X

 

São largamente utilizadas;



O Si aumenta a fluidez, reduz a contração e melhora a soldabilidade A altos teores o Si dificultam a usinagem

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      

10.6.10. ALUMÍNIO – FAMILIAS 5XX.X Boas propriedades mecânicas; Apresentam a maio resistência à tração de todas as ligas fundidas; Usinabilidade; Boa resistência à corrosão; São as mais leves; A soldabilidade não é boa; Tem alta tendência a se oxidar durante a fusão 10.6.11. ALUMÍNIO – FAMILIAS 8XX.X

 

Usada na fabricação de buchas e mancais; Apresenta grande resistência à fadiga e à corrosão.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.7. ALUMÍNIO – NOMENCLATURA DE TRATAMENTOS

Uma letra seguida de um ou mais algarismos,definindo a condição final F – sem controle, como fabricado W – tratamento de solubilização O – recozido (trabalho mecânico) H – deformado a frio (idem) 1x – deformação a frio simples 2x – parcialmente recozido 3x – estabilizado por tratamento térmico a baixa temperatura T – tratado termicamente T1- Envelhecido naturalmente T2- Recozido (fundição apenas) T3- Solubilização e deformação a frio T4- Solubilização e envelhecimento natural T5- Envelhecido em forno T6- Solubilização e envelhecimento forno T7- Solubilização e estabilização T8- Solubilização, deformação frio e envelhecimento em forno T9- Solubilização, envelhecimento forno e deformação a frio...

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   

10.8. ALUMÍNIO – ALCLAD Foi desenvolvida para melhorar a resistência à corrosão dos duralumínios; São chapas de duraalumínio revestidas em ambas as faces com alumínio puro; Promovem uma diminuição de cerca de 10% da resistência à tração; O revestimento compreende cerca de 10% da seção transversal

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.9. ALUMÍNIO – DURAALUMINIO

    

DURALUMÍNIO (2017) Com 4% de Cu, 0,5% de Mg e 0,7% de Mn; Aplicações na indústria aeronáutica Resistência à tração no estado recozido= 18kgf/mm 2 Resistência à tração depois de envelhecida= 43kgf/mm 2 Alongamento= 28 kgf/mm 2

    

DURALUMÍNIO (2024) 4,4% Cu e 1,5% Mg Aplicações na indústria aeronáutica (substituiu a 2017) Resistência à tração no estado recozido= 19 kgf/mm 2 Resistência à tração depois de envelhecida= 49kgf/mm 2 Alongamento= 35 kgf/mm 2

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.10. ALUMÍNIO – ANOS USADOS EM AERONAVES

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10.11. ALUMÍNIO – CONDIÇÕES DE TRATAMENTOS

1100 3003 5052 2024 6061 7075 295.0

356.0

2090 8090 A C-D A A C-D A A C-D A C B-C B-C B C-D A C B-D D

Propriedades mecânicas

UNS

A91100 A93003 A95052

Composição

LIGAS DE TRABALHO MECÂNICO - NÃO TRATÁVEIS

0.12Cu

Recozido(O) 90 35 35-45 0.12Cu, 1.2Mn,0.1Zn

Condição

Recozido(O) 2.5Mg, 0.25Cr Def. Frio (H32)

Rot. (MPa) Ced.(MPa) Ext.Rot(%) Aplicações/Características

110 230 40 195 30-40 12-18 Alimentos, produtos químicos, permutadores de calor, reflectores de luz Utensílios culinários, reservatórios de pressão e tubagens, latas de bebidas Tubagens de óleo e combustível em aeronaves, tanques de combustível, rebites, arame A92024

LIGAS DE TRABALHO MECÂNICO - TRATÁVEIS TERMICAMENTE

4,4Cu, 1.5Mg, Tratado 470 325 20 0.6Mn

termic. (T4) Estruturas aeronauticas, rebites, jantes de camião, parafusos A96061 A97075 A02950 A03560 -- -- 1.0Mg, 0.6Si, 0.3Cu

5.6Zn,2.5Mg, 4.5Cu, 1.1Si

Tratado termic. (T4) Tratado 240 570 145 505 1.6Cu,0.23Cr

termic. (T6)

LIGAS DE FUNDIÇÃO - TRATÁVEIS TERMICAMENTE

110 22-25 11 8,5 7.0Si, 0.3Mg

2.7Cu,0.25Mg

2.25Li,0.12Zr

1.3Cu,0.95Mg

2.0Li,0.1Zr

Tratado termic. (T4) Tratado 221 228 termic. (T6)

LIGAS DE LÍTIO

455 Trat. termic. e def. frio (T83) Trat. termic. e def. frio (T651) 465 164 455 360 3,5 5 -- Camiões, canoas, automóveis, mobiliário, tubagens Estruturas aeronauticas e outras de elevado carregamento Volantes, jantes de camiões e aviões, carters Caixas de transmissão, blocos de motor Estruturas aeronauticas e de tanques criogénicos Estruturas aeronauticas e outras de elevado carregamento 39

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10.12 – ALUMINIO – APLICAÇÕES / CARACTERÍSTICAS

LIGA (AISI) 5052 APLICAÇÃO DISPONIBILIDADE 2024 2219

Tubos de flanges.

combustíveis, calço e Grande variedades de tamanhos na forma de barras, forjados, placas e tubos.

Barra e chapas Partes estruturais de fuselagens, membros de tensões das asas e nervuras onde fadiga e rigidez são requeridas.

Chapas ( revestimentos de asas e fuselagens e áreas dos motores onde temperaturas elevadas (250 0 C) são encontradas.

Aplicações que requerem a exposição de até 315 0 C Barra, chapa, clad, tira placa arame, forjado tudo estrudado.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10.12 – ALUMINIO – APLICAÇÕES / CARACTERÍSTICAS

LIGA (AISI) 2524 APLICAÇÃO DISPONIBILIDADE 2618 6061 7050 7175

Partes estruturais de aeronaves que requerem resistência ao crescimento de trincas por fadiga.

Partes estruturais, forjados estruturais.

Estruturas para trabalho robusto, que requerem alta resistência a corrosão Revestimento de asas e cavernas de pressão de 2 a 6 polegadas.

Enquadramentos de janelas Chapas clad e placa forjados chapa, tira, placas,barra, arame, tubo, forjado tudo estrudado e perfis estruturais.

Forjados, placas, arame, tubo, forjado e rebites.

Forjados 41

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 11. NÍQUEL – GENERALIDADES



10º material mais consumido;



É das ligas de aplicação industrial mais recente ;



Existem várias séries de ligas com várias designações – Inconel, Incoloy, Nimonic, Hastelloy, etc; Monel,



O níquel se apresenta como um muitos aspectos ao metal ferro, porém com uma boa resistência à oxidação e à corrosão; metal branco prateado , similar em



É utilizado principalmente na melhoria de resistência mecânica a altas temperaturas, resistência à corrosão e outras propriedades, para uma ampla faixa de ligas ferrosas (aços) e não-ferrosas;



Outras propriedades que se destacam são: as condutividades térmica e elétrica, como também uma excelente propriedade magnética, propriedades que fazem do níquel e suas ligas, metais bastante valiosos.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 11.1. NÍQUEL – LIGAS



Somando cerca de 14% do níquel usado, as ligas de níquel são empregadas principalmente em serviços submetidos a altas temperaturas e à corrosão;



As ligas contendo cromo apresentam uma boa resistência à oxidação em temperaturas elevadas e também resistem à corrosão;



Variedades contendo quantidades apropriadas de alumínio e titânio são endurecíveis por precipitação e apresentam uma alta resistência mecânica a temperaturas elevadas;



As ligas são melhores reconhecidas pelo seus nomes comerciais, tais como Monel, Inconel e etc.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 11.1. NÍQUEL – LIGAS

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 11.2. NÍQUEL – NOMENCLATURA DE FAMILIAS



Ligas de níquel possuem designação pela letra N0 seguida de 4 dígitos (N0XXXX);



Os dois primeiros dígitos indicam o grupo a que a liga pertence, tomando-se como base o elemento da liga majoritária;



As ligas N02XXX 99,5% de Ni); correspondem a liga de níquel pura (mínimo de



As ligas N03XXX Ni e adições de correspondem as de baixa liga 4% de Al e até 1% de Ti ); (mínimo de 94% de



As ligas N04XXX e N05XXX , também conhecidas como como elemento de liga o cobre ; monel tem



As ligas Cr N06XXX e N07XXX possuem adições de no mínimo melhorando a resistência a oxidação acima de 760 0 C; 15% de



N08XXX e N10XXX , encontram-se as superligas (resistência mecânica em altas temperaturas).Alguns ex: Nimonic, inconel, waspalloy e o Hastelloy.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 11.3. NÍQUEL – APLICAÇÃO NAS FAMILIAS



As ligas N02XXX e N03XXX indústria alimentícia, química e papel. Possuem excelente resistência a corrosão em atmosferas redutoras, como vapor de soda caustica e soluções alcalinas;



são extensivamente usadas na



As ligas N02XXX e N03XXX



como possuem coef. de expansão térmica próxima do aço, essas ligas podem ser empregadas como um “clad” para melhorar a resistência a corrosão de aços,



As ligas N04XXX e N05XXX



além de grande resistência a corrosão em atmosfera redutoras em meio ácidos, também possuem excelentes comportamentos a meios salinos;



As ligas N04XXX e N05XXX ( monel ) são empregadas na confecção de rebites em substituição de rebites de Al para montagem mecânicas envolvendo Ti/aço em ambientes mais corrosivos.



na indústria aeroespacial essas ligas

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 11.3. NÍQUEL – APLICAÇÃO NAS FAMILIAS



As ligas N06XXX e N07XXX



possuem elevada resistividade elétrica que associada a boa resistência a corrosão, apresentam grande aplicação como elementos de aquecimento ou resistência elétrica em aquecedores industriais;

  

As superligas Nimonic, inconel, waspalloy e o Hastelloy elevada resistência mecânica



possuem resistividade elétrica que associada a boa resistência a corrosão, apresentam grande aplicação como elementos de aquecimento ou resistência elétrica em aquecedores industriais; Uma grande aplicação para as superligas de componentes de turbinas à gás e na está relacionada à produção indústria aeronáutica ; Uma turbina, cujas palhetas estão submetidas a altas temperaturas e tensões, devido a forças centrífuga e vibracional.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 11.4 – NÍQUEL – APLICAÇÕES / CARACTERÍSTICAS

LIGA (AISI) INCONEL 600 N06600 INCONEL 625 N06625 INCONEL 718 N07718 APLICAÇÃO

Duto de escape

DISPONIBILIDADE

Grande variedades de tamanhos na forma de chapas, tiras, barras, placas e tubos.

Duto de escape Aplicações estruturais na indústria aeroespacial, além discos de turbinas, espaçadores e parafusos.

Grande variedades de tamanhos na forma de chapas, tiras, barras, placas e tubos, também é encontrado como vareta de solda; Grande variedades de tamanhos na forma de chapas, tiras, barras, placas e tubos, também é encontrado como vareta de solda; 48

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA



11.5. NÍQUEL – PROPRIEDADES Elevadas propriedades mecânicas são conseguidas por solução sólida, endurecimento por dispersão de carbonetos e/ou por envelhecimento.

Propriedades mecânicas

Nome

Ni puro Monel 400 Monel K500 Inconel 600 Inconel 625 Inconel X750 Hastelloy B-2 Hastelloy C276 Incoloy 800 Incoloy 825 N04400 N05500 N06600 N06625 N07750 N10665 N10276 N08800 N08825

UNS

N02200

Composição

99.9Ni

31.5Cu

Condição

Recozido Recozido 29.5Cu,2.7Al, 1.0Fe,0.6Ti

15.5Cr, 8Fe 21.5Cr,2.5Fe, 9Mo, 3.6Nb

15.5Cr, 7Fe, 2.5Ti

28Mo Envelhecido Carbonetos dispersos Deformado a frio Envelhecido Carbonetos dispersos 16Cr, 16Mo, 6Fe, 4W 46Fe, 21Cr Carbonetos dispersos 21.5Cr,30Fe, 3Mo, 2.2Cu

Rot. (MPa) Ced.(MPa) Ext.Rot(%) Aplicações/Características

350 665 546 1050 112 560 273 770 4 37 30 para resistência a corrosão Válvulas, bombas e permutadores de calor Veios, molas e pás de turbina 560 896 1241 950 792 623 690 203 483 827 520 531 287 310 49 50 25 55 60 37 45 Equipamentos para tratamento térmico Componentes estruturais resistentes à corrosão e processamento químico Permutadores de calor 49

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 12. TITÂNIO – GENERALIDADES

 Metal mais recente (a partir da década 50) para aeroespacial ;  Abundante – custo elevado de processo;      aplicação Possui uma transformação alotrópica Fase a  880ºC  Fase b; Fase a – HC – pouco dúctil; Fase b – CCC – muito dúctil; O Ti é pouco denso (4.5 g /cm 3 ); Muito reativo    Ligas com Al, Sn, V, Mo, Nb, Mn, Cr, Fe, Co, Ta; Recozimentos; Algumas ligas permitem tratamento térmico de envelhecimento.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 12. TITÂNIO – GENERALIDADES

 Grande aplicação na resistência à corrosão; indústria aeronáutica devido as excelentes combinações de resistência / densidade / propriedades de  A excelente resistência à corrosão das ligas de titânio resulta na formação de filmes de óxidos muito estáveis, contínuos aderentes na superfície do metal; 51

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 12.1. TITÂNIO – PROPRIEDADES

 Baixa densidade (4.5 ton/m 3 );  Alto ponto de fusão (1668ºC);     Grande resistência mecânica; Grande resistência específica; Excelente resistência corrosão abaixo de 550ºC; Acima de 550ºC tem baixa resistência corrosão e à fluência.

12.2. TITÂNIO – APLICAÇÕES

 Devido à grande resistência específica:  Aeronáutica e aeroespacial   Motores a jacto (estrutura e componentes) Pás e discos de turbinas      Viaturas competição e artigos desportivos em geral Processamento químico Submersíveis Implantes biomédicos Permutadores de calor 52

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 12.3. TITÂNIO – CLASSIFICAÇÃO

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 12.4 – TITÂNIO – APLICAÇÕES / CARACTERÍSTICAS

LIGA (AISI) Ti PURO Ti-8Al-1Mo Ti-10Al-2Fe-3Al Ti-6Al-4V Ti-6Al-25Mo Ti-6Al-2Zn APLICAÇÃO

Suportes, revestimentos,dutos de escape e flanges Boa resistência a corrosão a temperaturas até 450 0 C Componentes de trem de pouso, trilhos de flaps, componentes de rotor Reforços, flanges e caverna do pilone.

DISPONIBILIDADE

Grande variedades de tamanhos na forma de chapas, tiras, barras, placas, forjados, estrudados e tubos.

È uma liga de difícil comercialização e é encontrada em todas as formas.

Disponível em forma de tarugos, placas, barra e forjados Disponível em forma de chapas, placas, barra, arame estrudados, forjados (todos na condição recozida, solubilizada e envelhecida 54

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.4 – TITÂNIO – APLICAÇÕES / CARACTERÍSTICAS

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 12.5. TITÂNIO – PROPRIEDADES

Tipo de liga

Comercial/ Puro

Comum (UNS)

(R50500) a - b b

Composição

99.1Ti

Condição

Recozido a Quase a a - b Ti-5Al 2.5Sn (R54520) Ti-8Al 1Mo-1V (R54810) Ti-6Al-4V (R56400) 5.0Al, 2.5Sn

8.0Al, 1.0Mo, 1.0V

6.0Al, 4.0V

Recozido Recozido (duplex) Recozido Ti-6Al-6V 2Sn (R56620) Ti-10V 2Fe-3Al 6.0Al, 2.0Sn, 6.0V, 0.75Cu

10.0V, 2.0Fe, 3.0Al

Recozido Dissolução e envelhec.

Propriedades mecânicas

Rotura Cedênci Extensão (MPa)

517 862 1000

a (MPa)

448 807 951

Rot. (%) Aplicações/Características

25 16 15 Blindagem de motores jacto, Cascas de aeronaves, equipamento resist à corrosão em navios e ind química Caixas de turbinas de gás, equipamento químico com resistência mecânica até 480ºC Peças forjadas para motores a jacto (discos de compressor, cubos, etc) 993 1069 924 1000 14 14 Implantes de elevada resistência, processamento químico, componentes estruturais de aeronaves Componentes estruturais de alta resistência em aeronaves 1276 1200 10 Melhor combinação de resistência e ductilidade, aplicações com uniformi. de propriedades em toda a peça, componentes estruturais de aeronaves 56

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 13. COBRE – GENERALIDADES

 Dos primeiros metais usados;  3- 4 vezes mais caro que o Al e 6-7 vezes mais caro que o aço-carbono;   Forma ligas com Sn, Zn, Al, Be, Ni, Si; Existem 3 grupos básicos de ligas: Latões: ligas Cu-Zn (existem ainda os latões de chumbo, Cu-Zn Pb, de estanho, Cu-Zn-Sn...

Bronzes: ligas Cu-Sn (existem ainda os bronzes de alumínio, Cu Al, de silício, Cu-Si, de berílio, Cu-Be) Cuproníqueis: ligas de Cu-Ni 57

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 13.1. COBRE – TRATAMEMENTOS TERMICOS

 Todas as ligas podem sofrer encruamento  Algumas ligas podem ser tratadas por envelhecimento

13.2. COBRE – PROPRIEDADES

 Excelente condutibilidade elétrica;  Elevada condutibilidade térmica;     Elevada resistência à corrosão; Algumas ligas podem atingir resistência elevada; Resistência específica inferior ao aço e Al; Resistência /custo inferior ao aço e Al; 58

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 13.3. COBRE – TRATAMEMENTOS TERMICOS

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 13.4. COBRE – APLICAÇÕES

 70-80% de uso no estado puro;  Coloração boa para arquitetura, decoração e joalharia;   A boa resistência à corrosão leva a aplicações na indústria naval; Tem as mais variadas aplicações em todo o tipo de indústria ; 60

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 13.5. COBRE – COMPOSIÇÃO

Nome

ETP Cobre Berílio

UNS

C11000 C17200 Latão de cartuchos C26000 Bronze fosforoso Cupro níquel C51000 C71500 Latão amarelo Bronze chumbo Bronze alumínio C85400 C90500 C95400

Composição

0,04 Oxig 1.9Be,0.2Co

30Zn 5Sn, 0.2P

30Ni 29Zn, 3Pb, 1Sn 10Sn, 2Zn 4Fe, 11Al

Propriedades mecânicas

Condição

LIGAS DE TRABALHO MECÂNICO

Recozido 220 69 Envelhecido

Rot. (MPa) Ced.(MPa) Ext.Rot(%) Aplicações/Características

1140-1310 690-860 45 4-10 Fio electrico, rebites, juntas, panelas, pregos, tectos falsos, decoração Instrumentos cirúrgicos e dentários, molas, válvulas, diafragmas, electrodos não consumíveis Recozido Def.frio (H04) 300 525 75 435 8 componentes de munições, casquilhos de lâmpadas, envólucros de lanternas Recozido Def.frio (H04) Recozido Def.frio (H02) ---- 325 560 130 19 380 515 125 485

LIGAS DE FUNDIÇÃO

234 83 10 15 35 diafragmas, fusíveis, molas calor, tubagens água salgada ---- ---- 310 586 152 241 25 18 Mobiliário, apoios de radiadores, iluminação Apoios, juntas, segmentos, chumaceiras, engrenagens Apoios, engrenagens, parafusos 61 sem-fim, juntas de válvulas

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 13.6. COBRE – LIGAS

LATÃO DE ALUMÍNIO

    Liga ternária Cu-Zn-Al; Maior resistência à tração; Maior resistência à corrosão; 22% Zn, 2%Al é usada em canalizações de água salgada na construção naval;

LATÃO DE ESTANHO

  Aumenta resistência à tração, rigidez e resistência à corrosão; bronze (70Cu-28Zn-1Sn-0,75Pb) tubos de condensadores.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA

LATÃO DE CHUMBO

13.6. COBRE – LIGAS

   O Pb é insolúvel no Cobre, formando pequenas bolsas; Efeito lubrificante, melhora usinabilidade; Usado em peças sujeitas a atrito

LATÃO DE SILÍCIO

   Aumenta a fluidez da fusão; Aumenta resistência tração; “Bronze silício” (85Cu-10Zn-5Si) é usado em bombas, válvulas, engrenagens, etc.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 14.6. LIGAS - APLICAÇÃO

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA

Materiais Compósitos

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 1 – O que são compósitos ?

American Society for testing and Materials (ASTM)



É um material estrutural que consiste na combinação de dois ou mais constituintes, combinados para formar um novo material de engenharia útil ( aeronáutica ), com propriedades diferentes aos componentes puros, podendo ser obtidos por combinação de metais, cerâmicas ou polímeros;



Os constituintes são combinados ao nível macroscópico e não são solúveis entre si;



Um dos constituintes é denominado de fase de reforço responsável pela impregnação do reforço, conhecido como e o outro é matriz ;

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 2 – Introdução O material utilizado no reforço pode estar na forma de ou flocos .

A matriz geralmente é um material contínuo ; fibras, partículas



Em resumo, o todo é melhor que o somatório de suas partes, formando assim uma sinergia. Os compósitos são soluções novas para problemas que demandam soluções otimizadas;



O material da matriz irá transmitir os esforços mecânicos aos irão suportar os esforços no compósito reforços (mantendo-os em posição e contribuindo com certa ductilidade) enquanto eles (são materiais de alta rigidez e resistência no geral);



O material utilizado no reforço pode estar na forma de ou flocos . A matriz geralmente é um material contínuo; fibras, partículas



Em resumo, o todo é melhor que o somatório de suas partes, formando assim uma sinergia. Os compósitos são soluções novas para problemas que demandam soluções otimizadas.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 3 – Matrizes x Reforços – Relação Volumétrica

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4 – Características típicas dos compósitos



Resistência mecânica aumenta quando o produto é aquecido em altas temperaturas: reações termoquímicas;

 

Alta dureza; Alta fragilidade;

   

Estrutura cristalina complexa; Elevado ponto de fusão; Bom isolante térmico e elétrico; Matéria prima de custo relativamente baixo.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5 – Constituintes típicos dos compósitos na aeronáutica



Os compósitos mais utilizados no mercado aeronáutico (exemplo a fibra de carbono) para seu reforço; atual são os formados por uma matriz termorrígida (exemplo a resina epóxi) e fibras



A fibra é incorporada pela matriz geralmente com o propósito de torná-la mais resistente .



os principais materiais compósitos empregados atualmente são: “prepreg” (resinas termofíxas) fibras secas (laminação manual e reparos em composto) núcleos (core): colméia e espuma rígida painel sanduíche

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 6 – Tipos de compósitos

            

Tecido de fibra de vidro / resina epóxi Tecido de fibra de vidro / resina fenólica Tecido de fibra de carbono / resina epóxi Tecido de fibra de carbono / resina fenólica Tecido de fibra de aramida (Kevlar



) / resina epóxi Tecido de fibra de aramida (Kevlar



) / resina fenólica Tape de fibra de carbono / resina epóxi Filme adesivo / adesivos pastosos Colméia de papel aramida (Noméx) Colméia de Alumínio Espuma rígida (Rohacell) Ambatex

Colméias

Compósitos Laminado fibra-metal (Glare



)

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7 – Constituinte: Matriz



É o material no qual os reforços de fibra de um sistema de compósito são embutidos.



O material matriz é o que confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas e podem ser:

   

Polimérica: Termoplástica Termorrígida Cerâmica Metálica Carbono Funções da matriz:

 

Distribuir e transferir tensões mecânicas para as cargas; Proteger a superfície da carga contra corrosão;



Ligar a carga uma a outra .

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7.1 – Constituinte: Matriz polimérica (resina)



RESINA EPÓXI CURA 120ºC: estruturais (superfícies de comando, por exemplo), apresentam elevadas propriedades mecânicas, boa adesão com colméia, atende aos requisitos de inflamabilidade; Geralmente empregadas em peças



RESINA EPÓXI CURA 180ºC: Sistema de resina epóxi com boas propriedades em condições de alta temperatura e umidade;



RESINA FENÓLICA : Geralmente empregadas em peças de interiores (overhead beam, armários, etc.) pois atendem aos requisitos de inflamabilidade, heat release e fumaça.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7.2 – Constituinte: Resina Epóxi



As resinas epóxi são as mais utilizadas em estruturas aeronáuticas devido às suas propriedades mecânicas, elongamento, adesão e baixo encolhimento durante a cura;



Propriedades obtidas por ensaio com resinas curadas são utilizadas para comparação entre diferentes sistemas de resina e para estimar propriedades de compostos por meio de análise micromecânica;



Fatores tais como conteúdo e distribuição da resina, ciclo de cura, contração da resina e condições de processo podem afetar os resultados;



Os reforços são, geralmente, pré-impregnados nestas resinas para a fabricação de laminados.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7.3 – Resina Epóxi: Propriedades mecânicas

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7.3 – Resina Epóxi: Propriedades diversas PROPRIEDADES ELÉTRICAS A constante dielétrica para epóxi convencional aumenta conforme se aumenta a temperatura, estando em torno de 3,8 na temperatura ambiente.

CONDUTIVIDADE TÉRMICA A condutividade térmica das resinas epóxi varia com o tipo de resina e a quantidade e tipo de agente de cura. A faixa normal está entre 0,147 e 0,190 W/mK.

EXPANSÃO TÈRMICA Como no item anterior, o coeficiente de expansão térmica depende do tipo de resina do agente de cura e da quantidade do mesmo. Para temperaturas de – 65ºF (-54°C) até aproximadamente 220F (104°C), há variação de 60 a 70.10-6 m/mK.

INFLAMABILIDADE As resinas epóxi não são anti-chama e requerem um aditivo para adquirir tal característica. Esta modificação resulta em um decréscimo das propriedades mecânicas, dependendo da quantidade de aditivos adicionados ao sistema.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA laminação manual 7.4 –Aplicação da matriz polimérica laminação em bolsa de vácuo.



A resina é aplicada ao tecido seco durante a laminação;



Processo que pode ser aplicado tanto com o tecido seco + resina quanto com o prepreg.



Depois o material é curado, resultando na peça pronta para o acabamento final (tirar rebarbas, furar, pintar, etc.).



A diferença é que no uso do prepreg há aplicação de pressão durante a cura.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Constituinte: Reforço (fase dispersa)



Os reforços estruturais num laminado são responsáveis pela resistência mecânica e rigidez, sendo que estes são geralmente em forma de fibras, podendo ser orgânicas, inorgânicas ou metálicas;



Um material composto é anisotrópico, ou seja, as suas propriedades variam de acordo com a orientação das fibras, pois elas são responsáveis pela garantia de resistência aos esforços atuantes;



A resina atua principalmente como um elemento de ligação, com pouca contribuição para as propriedades mecânicas.

MATÉRIAS PRIMAS: TECIDOS E TAPES PRÉ-IMPREGNADOS



Tecidos são materiais constituídos de fibras trançadas em padrões determinados;



Tapes são constituídos de fibras unidirecionais. Estes materiais, previamente impregnados com resina já misturada com catalisador, são conhecidos como prepregs.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Constituinte: Reforço (fase dispersa) FORMAS DE REFORÇOS ESTRUTURAIS



As principais formas disponíveis de reforços estruturais se dividem, basicamente, em reforços undirecionais , na forma de cabos ou fitas (denominados tapes ), e tecidos bidirecionais ;



Outro tipo bastante comum é a fibra picada (chopped), podendo ser usada na forma de manta, mas não é muito utilizada sob alto requisito estrutural;



Tanto os tapes quanto os tecidos podem ser utilizados em peças com carregamento multidirecional , sendo os tapes estruturalmente mais eficientes que os tecidos;



Os tecidos são mais utilizados pela facilidade de manuseio, principalmente em peças complexas. Um laminado com várias camadas de tecidos ou tapes, com orientações adequadas, se torna quase isotrópico.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Constituinte: Reforço (fase dispersa) Fibras Unidirecionais ou Tecido (com diversos estilos):



FIBRA DE CARBONO (8HS, PLAIN WEAVE);

   

FIBRA DE VIDRO (7781/8HS, 116/PLAIN); Fibra de Alumina (Al 2 O 3 ); Carbeto de Silício (SiC) ARAMIDA, CONHECIDO COMO KEVLAR (285-4HS, 220-Plain).

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Constituinte: Reforço (fase dispersa) tipos

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Constituinte: Reforço Plain Weave



As tramas tipo entrelaçamentos;

plain weave

geralmente apresentam espessura menor que as 8HS e são menos maleáveis e resistentes devido ao número de



Essa trama também apresenta a tendência de ter espaços nas interseções das fibras que devem ser preenchidas com resina.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Constituinte: Reforço 8 Harness satin (8HS)



A trama 8HS é muito maleável, com boa capacidade de encurvamento, sendo especialmente adaptável sobre regiões de curvatura acentuada ou de dupla curvatura.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.1 – Tipos de fibras

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.1 – Tipos de fibras: vidro



O vidro é composto basicamente de SiO 2 com B 2 O 3 , sendo que, para fins aeronáuticos , são mais usados na produção de fibras de vidro para compósitos são o vidro boro-silicato , designado por vidro E (elétrico) e o vidro de vidro S (elevada resistência mecânica); silício , designado por



O vidro E é o mais usado para obtenção de fibras continuas. Basicamente, é um vidro de boro-silicato contendo alumínio e cálcio, isento (ou teores muito baixos) de sódio e potássio; O vidro S tem urna relação resistência/peso mais elevada, e é mais caro; Geralmente é utilizado em aplicações militares e aeroespaciais. A resistência a tração do vidro S é superior a do vidro E. A composição básica é SiO 2 , Al 2 0 3 e MgO.

FABRIÇÃO



É feita por meio de trefilagem de monofilamentos de vidro, a partir do vidro fundido em forno;



A seguir promove-se a junção de grande número destes filamentos, de modo a formar um feixe de fibras de vidro e são encontradas na forma de feixes contínuos ou entrelaçados entre si formando um tecido. Na maior parte das vezes, os feixes são unidos entre si por meio de um ligante resinoso.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.1 – Tipos de fibras: vidro (propriedades)



usado para reforçar os plásticos.



(rigidez) mais baixo do que as fibras de carbono e as de aramido, embora apresentem maior alongamento.



carbono e de aramido.



A versatilidade e o baixo custo tornam as fibras de vidro o material mais Apresentam entretanto menor resistência a tração e módulo de elasticidade A densidade das fibras de vidro é maior do que a densidade das fibras de Os tecidos de vidro são tratados com agentes ativos de superfície para promover a resistência à umidade e ancoragem da resina de impregnação. São fornecidos normalmente pré-impregados com resina orgânica.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.2 – Tipos de fibras EX: FIBRA POLIACRILONITRILA (PAN)

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.2 – Tipos de fibras: Carbono



Os materiais poliméricos reforçados com fibra de carbono apresentam um conjunto de características que reúne baixa densidade , resistência mecânica muito elevada e elevada rigidez (módulo de elasticidade);



As fibras de carbono são fabricadas a partir de a partir de breu (ou piche); poliacrilonitrilo (PAN) ou



Em geral, as fibras de carbono são produzidas a partir de fibras de PAN, por meio de oxidação ao ar a 220 0 C, seguida de aquecimento entre 1000 e 1500 0 C para retirada dos átomos de nitrogênio, hidrogênio e oxigênio da cadeia do PAN;



Quando, se deseja maior rigidez (módulo de elasticidade) o processo inclui o aquecimento em temperaturas da ordem de 1800 0 C;



A densidade das fibras obtidas a partir do PAN situa-se entre 2,1 glcm 3 , sendo seu diâmetro final de 7 a 10



1,7 e

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.2 – Tipos de fibras: Carbono Propriedades mecânicas das fibras de carbono.

AM -> alto módulo e AR -> alta resistência O gráfico σ X ε das fibras de carbono em comparação com a fibra de vidro E. AM -> alto módulo e AR -> alta resistência

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.3 – Tipos de fibras KEVLAR® (Aramida) é uma marca registrada da Du Pont e foi desenhada para atender as necessidades das aplicações tecnologicamente mais avançadas da indústria.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.3 – Tipos de fibras: Aramido



Fibras de aramido é a designação genérica dada às fibras de poliamida aromática;



São produzidos dois tipos principais de Kevlar: o Kevlar 29 e o Kevlar 49, sendo este ultimo de maior aplicação na indústria aeronáutica;



Kevlar 29 é uma fibra de aramido de elevada resistência mecânica e baixa densidade, indicada para aplicações que incluem blindagens, cordas e cabos;



Kevlar 49 é caracterizado por possuir uma resistência mecânica e módulo de elasticidade elevados e densidade baixa. Suas propriedades tornam suas fibras úteis para aplicações nas indústrias aeroespacial, marítima e outras;



A resistência específica à tração do Kevlar é o dobro da do vidro "E" e 10 vezes maior que a do alumínio , tendo maior resistência específica à tração que qualquer outra fibra disponível comercialmente.

que o da fibra de carbono de alta resistência.

O módulo específico à tração é duas vezes maior que o da fibra de vidro mas menor

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.3 – Tipos de fibras: Aramido PROPRIEDADES TÉRMICAS



O Kevlar é resistente na faixa de 80 K (-320°F, -196°C) a 300°F (150°C) sem fragilização, decomposição ou Perda de resistência. Muitas propriedades do material são preservadas até 473 K (392°F, 200°C), sendo que a carbonização se dá entre 673 K (752°F, 400°C) e 693 K (788°F, 420°C). A estabilidade dimensional do Kevlar sob calor é boa, tendo coeficiente de expansão térmica de -1,5.10

-6 m/mK .

RESISTÊNCIA AO MEIO



O Kevlar tem equilíbrio higroscópico no nível de 3,5% a 4,5% em massa a 295 K (72°F, 22°C) e 55% de umidade relativa, sendo que a umidade tem pouco efeito sobre suas propriedades físicas. Entretanto, num composto, quando exposto diretamente a ela, onde ele é protegido através de um acabamento superficial, não ocorre degradação.

PROPRIEDADES MECÂNICAS



De um modo geral, o Kevlar apresenta excelentes valores de resistência à tração e boa resistência ao impacto, mas baixos valores de resistência à compressão e ao cisalhamento.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.3 – Tipos de fibras: Aramido PROPRIEDADES MECÂNICAS



As fibras apresentam resistência mecânica elevada resistência mecânica fraca conferem elevada rigidez.

segundo a segundo a direção longitudinal e direção transversal . Os anéis aromáticos

cadeia polimérica do Kevlar ->

poliamida aromática

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.4 – Formas das fibras

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.5 – Propriedades das fibras

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.6 – Relação Fração Volume X Fração Peso de Várias Fibras

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.7 – Calculo de Fração Volumétrica de Fibras

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.8 – Arranjo das camadas



A simetria em um projeto é importante devido à variação de expansão térmica com a orientação das camadas. Caso não haja simetria, a tendência do material é empenar após a cura.



Os laminados “a” e “b” são simétricos, tendo as mesmas propriedades em tração e compressão, mas diferentes em flexão;



Esses laminados são menos propensos a apresentar distorções devido à tensões residuais da cura. Já o laminado “c” é assimétrico, apresentando distorção e empenamento devido à grande diferença de expansão térmica das camadas a 45° e 0°;

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.9 – Raios limites para fabricação / Distribuição do reforço na matriz



É necessário um número mínimo de camadas para prevenir um esforço direto na matriz: DISTRIBUIÇÃO DAS FIBRAS



O laminado deve ter, pelo menos, três direções de fibras para evitar esforços diretos na matriz, como por exemplo: a) uma camada de tape, duas de tecido [(± 45°)/0/(± 45°)]; b) duas camadas de tape e uma de tecido [0°/(± 45°)/0°]; c) cinco camadas de tape [± 45/0°/± 45°]; d) três camadas de tecidos [(± 45)/(0,90)/(±45)].

 100

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.10 – Recomendação de direção

101

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8.11 – Esforço no tecido e no tape



Comparando-se os valores de resistência entre os tecidos e os tapes, observam-se valores maiores destes últimos, na direção das fibras, em virtude dos comportamentos mostrados a seguir:

 

Há variação de resistência também em função do estilo de tecido usado.

Além da tensões, a relação de volume de resina e fibras é mais favorável para os tapes devido estes não possuírem os interstícios das intersecções concentração das fibras de nas urdidura dos direções de tecidos.



Os tapes empacotamento camadas, relação.

possibilitam melhor otimizando um das essa

102

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 9 – Classificação dos compósitos



Os materiais compostos podem ser classificados de acordo com a morfologia da fase dispersa (cargas).

CLASSIFICAÇÃO MATERIAIS COMPÓSITOS Compósitos Fibrosos Compósitos Particulados Orientação Aleatória Orientação Preferencial Compósitos constituídos por uma única camada

(Inclui compósitos que possuem a mesma orientação e procedimento em cada camada)

Compósitos constituídos por múltiplas camadas Laminados Compósitos reforçados por fibras contínuas Compósitos reforçados por fibras descontínuas Reforço Unidirecional Reforço Bidirecional Orientação Aleatória Orientação Preferencial

103

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10 – Compósitos tipo colméia



As colméias para aplicações aeronáuticas são feitos de chapas finas de liga de alumínio, de tecido de fibra de vidro ou aramido resinado, de liga de aço inox, de ligas de titânio e de papel resinado.

As colméias mais utilizadas são :



As colméias de papel de aramido tratado com resina fenólica (NOMEX), de alta resistência mecânica e rigidez, numa pequena célula, assim como baixa densidade, sendo recomendadas para serviços de até 150ºC. São bons isolantes térmico.

Aplicação: Materiais Compostos (faces de materiais não metálicos).



As colméias de alumínio, com alta resistência mecânica, rigidez, boa absorção de energia e resistência a temperaturas elevadas.

Aplicação: Em colagem estrutural (faces de materiais metálicos).

104

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10 – Compósitos tipo colméia



A definição da orientação da colméia em uma peça é importante, pois ela possui propriedades superiores na direção da fita.

t W T L 105

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10 – Compósitos colméia



Para especificar um painel com núcleo ou com uma colméia, deve-se levar em consideração:

106

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10 – Compósitos tipo colméia (honeycomb)



Formato Hexagonal: Para aplicação geral e em peças de contornos suaves;



Formato Oxcore: Para aplicação em peças com curvatura simples (bordos);



Formato Flex-core: Para aplicação em peças de contornos complexos.

107

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11 – Compósitos tipo Sanduíche

108

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11 – Compósitos tipo Sanduíche (núcleo)

 

As estruturas com núcleo, também chamadas de estruturas sanduíche, são formadas por meio da colagem de um revestimento, metálico ou não, a um núcleo de baixa densidade; A estrutura com núcleo resistem aos esforços de tração e compressão assim como a flange da viga, sendo que o núcleo resiste aos esforços de cisalhamento entre as faces, estabilizando-as.

  

Colocando-se as faces o mais distante possível da linha neutra, o momento de inércia da seção é significativamente aumentado; Quando a estrutura com carregada conforme uma coluna, as faces resistem às forças, enquanto o núcleo as estabiliza, resistindo à flambagem; O núcleo se caracteriza por ser um material de baixa densidade, como madeira ou espumas, sendo, porém, mais usados os núcleos com construções celulares .

núcleo

109

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11 – Compósitos tipo Sanduíche (núcleo) COLMÉIA DE ALUMÍNIO

 

As folhas utilizadas para fabricação de colméia recebem um tratamento anticorrosivo, antes de qualquer processo de fabricação; LIGA 5052 => As colméias que utilizam as ligas 5052H39 são para aplicações gerais e têm uma grande faixa de combinação de tamanho de célula e densidade para diferentes formatos;

 

LIGA 5056 => As colméias feitas de liga de aluminio 5056H39 têm resistência superior às ligas de 5052 e também estão disponíveis em uma grande faixa de tamanhos de células e densidades para diferentes formatos; LIGA 2024 => A liga de alumínio 2024, tratada a quente, combina altas propriedades à temperatura ambiente com grande retenção de resistência a altas temperaturas. É produzida em vários tamanhos de células e densidades e ainda com os tratamentos de têmpera T3 e T8.

110

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11 – Compósitos tipo Sanduíche (núcleo) COLMÉIA REFORÇADA COM FIBRAS DE VIDRO HRP (1) => Esta colméia é feita de um tecido de vidro com resina fenólica de alta resistência ao calor. Este produto foi desenvolvido para uso à temperatura de serviço da ordem de até 163°C (325°F); HFT (1) => Esta colméia é feita de vidro com resina fenólica e a combinação de um material especial (FIBER TRUSS1), sendo que as características de resistência são as mesmas que as do tipo HRP, apenas com acréscimo das propriedades de cisalhamento; NP (1) => Esta colméia é feita de tecido de vidro com processos de impregnação com resina fenólica - nylon e cobertura final com banho de resina poliéster. Este tipo de núlcleo é indicado para aplicações onde a temperatura não excede 180°F (82°C) por longo periodo; HRH 327 (1) => Esta colméia é feita de tecido de vidro com sistema de impregnação de resina polimida, tendo resistência à exposição prolongada à temperaturas de até 260°C (500°F) e, por curto período, de até 372°C (700°F).

Marca Registrada da Hexcel

111

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11 – Compósitos tipo Sanduíche (núcleo) COLMÉIA REFORÇADA COM ARAMIDA HRH 10 (1) => Este produto, denominado NOMEX (2), consiste de um papel de aramida tratado com resina fenólica de alta resistência ao calor.

Esta colméia se caracteriza por alta resistência e rigidez numa única célula (porém menor que a do alumínio), assim como baixa densidade, sendo recomendada para serviço de até 150°C (793°F); HRH 310 (1) => Feita da mesma fibra que a HRH 10, mas com excelentes propriedades dielétricas.

(1) Marca Registrada da Hexcel (2) Marca Registrada da Du Pont.

112

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11 – Compósitos tipo Sanduíche (núcleo) ESQUEMA DE ESFORÇOS EM ESTRUTURAS COM NÚCLEO

113

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12 – Compósitos Laminado fibra-metal



Nova família de compósitos estruturais projetados para produzir materiais de alta resistência mecânica e tolerantes ao dano, para a indústria aeronáutica;



Taxas de propagação de trincas muito pequenas quando comparadas com as ligas de alumínio aeronáuticas tradicionais;



Fabricados com chapa finas alternadas (0,3 a 0,5 mm de espessura) de ligas de alumínio 2024 e 7475 coladas por pré-impregnados de epóxi reforçado por fibras de aramida ou de vidro.

12.1 – Compósitos Laminado fibra-metal: Tipo



ARALL®: Reforçado por fibras de aramida unidirecionais. Aplicações secundárias como em asas de aeronaves;



GLARE®: Reforçado por fibras de vidro uni ou bi-direcionais do tipo S2.

Aplicações primárias como em fuselagens.

114

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12 – Vídeo sobre o Glare no A380

115

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.2 – Compósitos Laminado fibra-metal: Configuração Configuração de um laminado GLARE 3/2 A configuração é designada por uma seqüência do tipo m/n, onde: m n é o numero de camadas de liga de Al.

é o numero de camadas do pré-impregnado m = n+1 .

116

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.2 – Compósitos Laminado fibra-metal: Configuração

LFM unidirecional com configuração 3/2 LFM bi-direcional com configuração 3/2 117

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.3 – Compósitos Laminado fibra-metal: Propriedades

 Densidade - pode ser até 16% menor do que das ligas de Al;  Durabilidade - corrosão - as ligas de alumínio são anodizadas e recobertas com primer antes da adesão. As camadas externas são protegidas por primer. Elas protegem as camadas internas dos pre impregnados e alumínio;  Resistência ao fogo - resistência muito elevada. Sem penetração de chama/vazamento após 15 min com chama de 1100ºC;  Resistência ao impacto - superior a dos compósitos de fibra de carbono e ligas de Al como a 2024 - T3.

118

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.4 – Compósitos Laminado fibra-metal: Características

119

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.5 – Compósitos Laminado fibra-metal: Propriedades mecânicas

120

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.5 – Compósitos Laminado fibra-metal: Propriedades mecânicas

121

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.6 – Compósitos Laminado fibra-metal: Redução de peso

122

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.7 – Compósitos Laminado fibra-metal: Aplicação Usos do GLARE: Partes da fuselagem superior do Airbus A380

123

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12.8 – Compósitos Laminado fibra-metal: Vantagens



GLARE é 10% mais densa, apesar de ser mais leve que o metal;



Uma redução de mais de 800 kg foi conseguida (o equivalente a 8 passageiros), além do material ser muito mais resistente à corrosão;



Nas gigantescas asas do gigante, cuja corda na base mede nada menos que 17,7 metros (3,2 metros a mais que a asa de um A320) a redução de peso foi fundamental, permitindo uma estrutura forte e leve, com a utilização de dezenas de ligas de metais e materiais diferentes, como alumínio, fibra de carbono e até mesmo titânio;



Airbus A380 é menos barulhento e menos poluente do que o Boeing 747, com um consumo de combustível cerca de 13% inferior (menos de três litros de combustível por passageiro a 100 quilômetros por hora) e um custo por quilômetro de 15 a 20% menor.

124

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13 – Processo de fabricação

125

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13.1 – Processo de fabricação Corte:



As camadas desenhadas pelo Catia Composite covering passam pela avaliação do módulo de fabricabilidade e são planificadas.

126

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13.2 – Processo de fabricação Laminação :

 

O molde é definido de acordo com a especificação da peça a ser fabricada.

Em seguida é feita sua preparação passando um produto chamado Stack para facilitar na sua desmoldagem.



Após a preparação do molde o material é retirado da câmara fria e começa o processo de laminação.

127

Laminação: UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13.2 – Processo de fabricação

128

Laminação: UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13.2 – Processo de fabricação

129

Cura: UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13.3 – Processo de fabricação

130

Cura: UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13.3 – Processo de fabricação

131

Desmoldagem: UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13.4 – Processo de fabricação

132

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 14 – Vantagens e desvantagens dos Materiais Compostos

133

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 15 – Evolução da utilização de compósitos na industria aeronautica

Aço 13% Titânio 6%

Ontem (Airbus A300/310)

Diversos 5% Aço 13% Titânio 6%

Hoje (Airbus A320/340)

Diversos 5% Compósitos 9% Compósitos Ligas leves 67% Aço

Amanhã (A380)

Titânio Diversos 18% Ligas leves Ligas leves 58% Compósitos 134

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 16 – Porcentagem em Peso

135

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica Emprego de materiais compósitos na aeronave ERJ145

136

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica Emprego de materiais compósitos na aeronave EMB-314

137

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica Fibra de carbono Fibra de aramido Fibra de vidro

138

Perspectiva explodida de um Airbus A320, mostrando os componentes em compósito desta aeronave .

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica Fibra de carbono e aramido Fibra de vidro

139

Perspectiva explodida de um Airbus A310, mostrando os componentes em compósito desta aeronave .

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica Boing 737-300, mostrando os componentes em compósito desta aeronave .

140

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica Compósitos híbrido Fibra de carbono e aramido Ligas de alumínio As aplicações estruturais de compósitos num Boeing 767 rondam os 3% em peso, mas esta pequena compósito, trazendo benefícios em termos de corrosão e resistência à fadiga.

141

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica Grafite Fibra de vidro Compósitos híbrido Boing 777-200, mostrando os componentes em compósito desta aeronave .

142

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica A 380-800, mostrando os componentes em compósito desta aeronave .

143

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica Aeronaves Militares - Rafale .

144

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica Alumínio Titânio Compósitos Outros

Uso de compósitos num Harrier AV-8B II. Cerca de 26% do peso desta aeronave é em compósito, na sua grande maioria de carbono/epoxy.

145

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica

Sikorsky S-92

(versão civil)

Sikorsky H-92

(versão militar)

SPONSON

Material: Colméia Noméx 146

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica 1 Radome: Specialized glass Prepregs. Flexcore® honeycomb 2 Landing Gear Doors and Leg Fairings: Glass/carbon Prepregs,honeycomb and Redux® bonded assembly. Special process honeycomb.

3 Galley, Wardrobes, Toilets: Fabricated Fibrelam® panels 4 Partitions: Fibrelam® panel materials 5 Wing to Body Fairing: Carbon/glass/aramid Prepregs. Honeycombs. Redux® adhesive.

6 Wing Assembly: (Trailing Edge Shroud Box) Carbon/glass Prepregs. Nomex® honeycomb. Redux® bonded assembly 7 Flying Control Surfaces - Ailerons, Spoilers, Vanes, Flaps: Glass/carbon/aramid Prepregs. Honeycomb. Redux® adhesive 8 Passenger Flooring: Fibrelam® panels 9 Engine Nacelles and Thrust Reversers: Carbon/glass Prepregs. Nomex® honeycomb. Special process parts. 10 Pylon Fairings: Carbon/glass Prepregs. Bonded assembly. Redux® adhesives 11 Winglets: Carbon/glass Prepregs 12 Keel Beam: Carbon Prepregs 13 Cargo Flooring: Fibrelam® panels 14 Flaptrack Fairings: Carbon/glass Prepregs. Special process parts 15 Overhead Storage Bins: Prepregs/fabricated Fibrelam panels 16 Ceiling and Side Wall Panels: Glass Prepregs 17 Airstairs: Fabricated Fibrelam® panels 18 Pressure Bulkhead: Carbon Prepregs 19 Vertical Stabilizer: Carbon/glass/aramid Prepregs 20 Rudder: Carbon/glass Prepregs. Honeycomb bonded assembly 21 Horizontal Stabilizer: Carbon/glass Prepregs 22 Elevator: Carbon/glass Prepregs. Honeycomb bonded assembly 23 Tail Cone: Carbon/glass Prepregs

147

3 Galley, Wardrobes, Toilets: Fabricated Fibrelam® panels 4 Partitions: Fibrelam® panel materials 5 Wing to Body Fairing: Carbon/glass/aramid Prepregs. Honeycombs. Redux® adhesive.

148

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria aeronáutica 1 Electronic Control Unit Casing: Epoxy carbon Prepregs 2 Acoustic Lining Panels: Carbon/glass Prepregs, high temperature adhesives, aluminum honeycomb 3 Fan Blades: Epoxy carbon Prepregs or Resin Transfer Molding (RTM) construction 4 Nose Cone: Epoxy glass Prepreg, or RTM 5 Nose Cowl: Epoxy glass Prepreg or RTM construction 6 Engine Access Doors: Woven and UD carbon/glass Prepregs, honeycomb and adhesives 7 Thrust Reverser Buckets: Epoxy woven carbon Prepregs or RTM materials, and adhesives 8 Compressor Fairing: BMI/epoxy carbon Prepreg. Honeycomb and adhesives 9 Bypass Duct: Epoxy carbon Prepreg, non-metallic honeycomb and adhesives 10 Guide Vanes: Epoxy carbon RFI/RTM construction 11 Fan Containment Ring: Woven aramid fabric 12 Nacelle Cowling: Carbon/glass Prepregs and honeycomb

149

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 17 – Aplicações de compósitos na indústria espacial

150

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA

POLÍMEROS

151

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 1 – O que são polímeros ?



O TERMO “POLÍMERO” SIGNIFICA MUITOS “MEROS”, UNIDADES DE FORMAÇÃO DE UMA MOLÉCULA LONGA Polímeros: são compostos formados, geralmente, de moléculas grandes, macromoléculas, obtidas pela combinação de moléculas pequenas, os monômeros;



Esta combinação é denominada Polimerização e é realizada através de reações químicas.

2 – Propriedades físico-químicos dos polímeros



Eles possuem propriedades diferentes dos monômeros que os constituem. As características mais importantes são: - Não são atacados por ácidos, bases ou agentes atmosféricos; - Suportam ruptura e desgaste; - Possuem alta resistência elétrica e baixa densidade (em geral entre 0,9 g/cm³ e 1,5 g/cm³); - Quanto à temperatura, reagem de forma variável.

152

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 3 – Introdução



Polímeros substituem diversos materiais de engenharia devido às propriedades mecânicas, elétricas, ópticas, térmicas e químicas;



No início da industrialização era considerado material de baixo desempenho mecânico e dificilmente substituiria os metais;



Atualmente, plásticos exibem elevada resistência mecânica- ex: resinas plásticas reforçadas com fibras de vidro, carbono e kevlar (indústria aeronáutica);



Constituinte principal é um polímero, principalmente orgânico e sintético (resina) apresentando em sua composição vários tipos de aditivos;



Em função de sua natureza química e/ou dos aditivos podem ser: semi-rígidos, semi-flexíveis ou flexíveis.

153

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 3 – Introdução – Os polímeros na Tabela Periódica

154

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4 – De onde vem o plástico ?

155

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5 – Classificação dos polímeros



Os polímeros são classificados de acordo com o processo de preparação, de estrutura e de ocorrência.

5.1 – Quanto a origem



Naturais

- madeira, borracha natural; 

Artificiais (preparadas com matéria-prima natural)

- acetato de celulose; 

Sintéticos (obtidos de matéria-prima artificial)

- pvc, polietileno 156

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.2 – Quanto a aplicação



Elásticos: apresentam moléculas grandes e flexíveis, que tendem a se enrolar de maneira caótica. Quando submetidos a uma tensão, as moléculas desses polímeros se desenrolam e deslizam umas sobre as outras. Quando a tensão cessa, suas moléculas voltam à estrutura inicial. Exemplos: borracha natural e artificial;



Plásticos – quando submetidos a aquecimento e pressão, amolecem e podem ser moldados. Quando essas condições são retiradas, o plástico endurece e conserva a forma do molde. São subdivididos em dois grupos: - termoplásticos, termorrígidos e fibras.

157

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.2 – Quanto a aplicação



Termoplásticos – podem ser PVC, PVA, polimetacrilato de metila; amolecidos e remoldados repetidamente. Industrialmente, podem ser reaproveitados para a produção de novos artigos. Exemplos: poliestireno, polietileno,



Termofixos ou termorrígidos fórmica, poliuretanas; – não podem ser amolecidos pelo calor após terem sido produzidos. Normalmente sua produção e moldagem devem ser feitas numa única etapa. Exemplos: baquelite,



Fibras – se prestam à fabricação de fios e apresentam grande resistência à tração mecânica. Exemplos: poliamidas, poliéster, celulose (polímero natural)

158

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.3 – Quanto ao tipo de monômero a) Homopolímeros na estrutura do polímero.

b) Copolímeros – somente uma espécie de monômero está presente – espécies diferentes de monômeros são empregadas.

Monômero A B A + B Polímero Homopolímero Homopolímero Copolímero Alternado Em bloco Graftizado ou enxertado Aleatório Cadeias ....A – A – A – A – A – A ....

....B – B – B – B – B – B ....

....A – B – A – B – A – B....

....A – A – A – B – B – B....

B – B ....

...A – A – A – A – A – A ...

...B – B – B – B – B ...A – B – B – A – A – B – A ...

159

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.4 – Quanto a estrutura molecular a) Estrutura linear b) Estrutura ramificada c) Estrutura em rede (reticulada)

Representação de cadeias poliméricas

a) Cadeia sem ramificações b) Cadeia com ramificações c) Cadeia reticulada

160

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.4 – Quanto a estrutura molecular



Os polímeros lineares e ramificados



chamam-se termoplásticos;



estrutura meio cristalina náilon, polietileno, policloreto de vinila, poliestireno, etc. Ao serem aquecidos, estes polímeros amolecem e por esta razão,



Os polímeros de rede tridimensional (ou resinas)



são reticulados para formar uma estrutura tridimensional rígida, mas irregular, como nas resinas fenol-formaldeído. Uma amostra de tal material é essencialmente uma molécula gigante: por aquecimento não amolece, visto que o aquecimento exigiria a ruptura de ligações covalentes. Na realidade, o aquecimento pode causar formação de mais ligações reticulantes e tornar o material ainda mais duro. Por esta razão, estes polímeros chamam-se termofixos.

161

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA



5.5 – Quanto a morfologia no estado sólido Amorfos – as moléculas são orientadas aleatoriamente e estão entrelaçadas – lembram um prato de spaghetti cozido. Os polímeros amorfos são, geralmente transparentes;



Semicristalinos – as moléculas exibem um empacotamento regular, ordenado, em determinadas regiões. Devido às fortes interações intermoleculares, os polímeros semicristalinos são mais duros e resistentes; como as regiões cristalinas espalham a luz, estes polímeros são mais opacos. O surgimento de regiões cristalinas pode, ainda, ser induzido por um “esticamento” das fibras, no sentido de alinhar as moléculas.

162

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.6 – Quanto ao método de preparação a) Polímeros de adição b) Polímeros de condensação c) Por reticulação 5.6.1 – Adição



São polímeros formados por sucessivas adições de monômeros;



As substâncias entre carbonos; utilizadas na produção desses polímeros apresentam, na maioria das vezes, pelo menos uma dupla ligação



Durante a polimerização, na presença de catalisador, aquecimento e aumento de pressão, ocorre à ruptura de uma ligação e a formação de duas simples ligações, como mostra o esquema: n(A = A)



monômero ( - A – A - ) n polímero

163

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.6.1 – Adição Algumas propriedades da polimerização por adição:



Radical livre com ligação livre de “poli”. Ex: -CH2 -CH2 -

 

cadeia molecular longa chamada radical etileno



polietileno;



Funcionalidade de um monômero existentes no monômero;



é o número de ligações ativas



Funcionalidade de um monômero



para que o monômero polimerize, deve possuir 2 ligações químicas ativas e reagir como outros monômeros formando os polímeros.

164

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.6.1 – Adição Algumas propriedades da polimerização por adição:

 

Etapas da reação monômeros



3 etapas -iniciação => radical livre é o iniciador da polimerização -propagação => crescimento da cadeia pela adição sucessiva dos -finalização => adição de um radical e impureza interrompe a reação de polimerização. Grau de polimerização





massa

molar

lim

ero massa

molar

monomero



Massa molar média dos termoplásticos



termoplásticos com cadeias poliméricas com diferentes número de átomos;



Estrutura dos polímeros lineares e não cristalinos laterais favorece a formação da estrutura não cristalinas diminuindo a resistência à tração do polímero.



ramificações

165

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.6.1 – Adição

166

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.6.2 – Condensação



Esses polímeros são formados, geralmente, pela reação entre dois monômeros diferentes, com a eliminação de moléculas pequenas, por exemplo, a água;



Nesse tipo de polimerização, os monômeros não precisam apresentar dupla ligação entre carbonos, mas é necessária a existência de dois tipos de grupos funcionais nos dois monômeros diferentes.

167

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.6.2 – Condensação

168

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5.6.2 – Condensação

169

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 6 – Cristalinidade



Resfriamento de um termoplástico pode originar num sólido cristalino ou parcialmente cristalino;



Com o resfriamento



o termoplástico atinge temperatura de transição vítrea no qual os termoplásticos não cristalinos tem comportamento viscoso semelhante o da borracha;

 

Devido a esse comportamento Região do cristalinidade; material



o material se torna dúctil-fragil; polimérico nunca atinge 100% de



Exemplo de polímero cristalino cristalino;



polietileno



máximo 95%



Em suma, quanto maior a cristalinidade, maior a resistência à tração.

170

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7 – Propriedades mecânicas

171

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7 – Propriedades mecânicas



Em geral: quanto maior o comprimento da molécula,maior a resistência mecânica e maior a resistência ao calor;



As propriedades mecânicas são fortemente dependentes da temperatura, do peso molecular e da umidade relativa.

Polimeta-acrilato de metila PMMA - termoplástico por adição (PMMA)

172

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7 – Propriedades mecânicas



A formação de estricção não é estável como nos metais, alastrando a todo o corpo de prova antes da fratura;



Fenômeno “semelhante” ao endurecimento por deformação plástica nos metais.

173

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Propriedades térmicas



Diferentes dos metais, os polímeros são extremamente sensíveis às mudanças de temperatura;



As propriedades mecânicas, elétricas, químicas ou gerais dos polímeros não podem ser observadas sem o conhecimento da temperatura na qual tais valores foram obtidos;



Os polímeros apresentam valores mais elevados para o calor específico do que os metais e as cerâmicas;



Os polímeros são maus condutores de calor e os metais são bons.

174

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Propriedades térmicas



Temperatura de fusão e vitrificação:

175

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA



Em função de sua natureza química e/ou dos aditivos podem ser: semi-rígidos, semiflexíveis ou flexíveis

PIGMENTOS

• Para dar cor ao polímero

9 – Aditivos

ANTIESTÁTICOS

• Melhoram a condutividade eléctrica, reduzindo o perigo de faísca

ESTABILIZADORES

•Contra a deterioração por acção de agentes ambientais • Antioxidantes • Estabilizadores ultra-violeta

DE ENCHIMENTO

• Mais baratos que o polímero, melhoram a resistência e a dureza (1/3 de um pneu é enchimento de Carbono)

PLASTIFICANTES

• Para aumentar a ductilidade e a tenacidade • Podem liquefazer o polímero se adicionados em excesso (tintas)

RETARDANTES DE INFLAMAÇÃO

• Para reduzir a capacidade de inflamação (em roupas e brinquedos) 176

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.1 - Polietileno (PE)



O polietileno é um dos polímeros mais comuns, de uso diário freqüente devido ao seu baixo custo.



É obtido pela reação entre as moléculas do eteno (etileno).

Ponto de fusão: 110 a 137 0 C



O polietileno apresenta alta resistência à umidade e ao ataque químico boa flexibilidade, baixa resistência mecânica.

Dependendo das condições de pressão, temperatura e do catalisador, o polietileno pode apresentar cadeia reta ou ramificada, o que determinará propriedades diferentes.

177

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.1 - Polietileno (PE)

Polietileno de cadeia reta => Polietileno de alta densidade (PEAD ou HDPE)

  

Possui cadeias lineares.

É um material rígido e com alta cristalinidade - até 95%.

Material termoplástico, branco, opaco. Propriedades mecânicas moderadas.

Aplicações: fabricação de garrafas, brinquedos, tubos externos de canetas esferográficas , contentores, fita-lacre de embalagens, material hospitalar.

Nomes comerciais: Eltex, Hostalen, Marlex, Polisul.

Polietileno de cadeia ramificada => Polietileno de baixa densidade (PEBD ou LDPE)

   

Possui cadeias ramificadas.

Forças intermoleculares mais fracas Material macio e bastante flexível, com baixa cristalinidade - até 60%.

Material termoplástico, branco, translúcido a opaco. Boas propriedades mecânicas.

Aplicações: filme plástico para embalagens de produtos alimentícios, farmacêuticos e químicos, nos sacos de lixo, nas sacolas plásticas dos supermercados, na produção de lâminas, em revestimentos de fios, utensílios domésticos, brinquedos.

Nomes comerciais: Alathon, Petrothene, Politeno

178

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.2 - Polipropileno (PP)



É obtido pela adição sucessiva do propeno (propileno).

Ponto de fusão: 165 a 177 0 C

  

Esse polímero é incolor e inodoro, material termoplástico.

Tem baixa densidade, ótima dureza superficial, tem alta cristalinidade (60-70%).

Excelente material para resistir às radiações eletromagnéticas na região de microondas,tem boa resistência química e boa resistência térmica.



Propriedades mecânicas moderadas.

Aplicações: São utilizadas para produzir objetos moldados, fibras para roupas, cordas, tapetes, materiais isolantes, bandejas, prateleiras, pára-choques de automóveis,, fita-lacre de embalagens válvulas para aerossóis, material hospitalar e equipamento médico (pode ser esterilizado), componentes eletrônicos, tubos e dutos.

Nomes comerciais: Propathene, Pro-fax, Prolen, Brasfax.

179

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.3 - Poliestireno (PS) Esse polímero é obtido pela adição sucessiva do vinil-benzeno (estireno).

Ponto de fusão: 150 a 243 0 C

  

Material amorfo, termoplástico, o poliestireno tem baixo custo.

Facilidade de processamento, transparência e versatilidade, resistência aos ácidos e bases, amolece pela adição de hidrocarbonetos ( baixa resistência aos solventes), baixa resistência ao risco. Propriedades mecânicas moderadas.

180

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.3 - Poliestireno (PS) Aplicações: É usado na produção utensílio rígido, como pratos, copos, xícaras, seringas, material de laboratório, brinquedos, embalagens para comésticos e alimentos e outros objetos transparentes. Aplicações: vapores.

Quando sofre expansão provocada por gases, origina um material conhecido por isopor, que é utilizado como isolante térmico, acústico e elétrico. Mais de 97% do volume do isopor é constituído de ar. A expansão ocorre pela ação do pentano, que aumenta até 50 vezes o tamanho inicial pela liberação de Nomes comerciais: Lustrex, Styron, Styropor, EDN.

181

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.4 - Policloreto de vinila (PVC) Esse polímero é obtido a partir de sucessivas adições do cloreto de vinila (cloroeteno).

Ponto de fusão:



204 0 C

       

O PVC possui resistência química.

Facilidade de processamento. Baixo custo de produção.

Não queima.

E tem a capacidade de se compor com outras resinas. Cristalinidade: 5-15%.

Material termoplástico. Rigidez elevada. Propriedades mecânicas elevadas.

182

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.4 - Policloreto de vinila (PVC) Aplicações: tubulações para água e esgoto, discos fonográficos, pisos, passadeiras, capas de chuva, garrafas plásticas, toalhas de mesa, cortinas de chuveiro, calcinhas de bebê.

Aplicações: filmes (finas películas) para embalar alimentos, Calçados, bolsas e roupas imitando couro, carteiras transparentes para identificação, bonecas.

Uma de suas principais características é o fato de que ele evita a propagação de chamas, sendo usado como isolante elétrico.

Nomes comerciais: Geon, Norvic, Solvic.

183

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.5 - Polimeta-acrilato de metila (plexiglass ou acrílico) (PMMA)

 É o polímero obtido pela adição sucessiva do meta-acrilato de metila.

Ponto de fusão:



160 0 C

184

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.5 - Polimeta-acrilato de metila (plexiglass ou acrílico) (PMMA)

 Amorfo, material termoplástico, tem semelhança ao vidro, resistência às intempéries elevada, resistência à radiação UV, boa resistência química, boa resistência ao impacto e à tensão, resistência ao risco elevada.    Sofre despolimerização a partir de 180°C.

É em geral fabricado como placas, por polimerização em massa.

Termoformado (faz-se com que a reação ocorra até que se forme uma massa pastosa, a qual é derramada em um molde ou entre duas lâminas verticais de vidro, onde ocorre o fim da polimerização).

Aplicações:

É utilizado para produzir lentes de contato, painéis transparentes, lanternas de carro, painéis de propaganda, semáforos, vidraças, etc. Fibras óticas de PMMA podem ser empregadas em substituição às fibras de quartzo, em painéis de carros.

Nomes comerciais:

Perpex, Lucite, Plexiglas .

185

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10. Características e propriedades de alguns termoplásticos (adição).

10.6 - Politetrafluoretileno (PTFE)

  É o produto de adição sucessiva do tetrafluoretileno.

Possuem monômeros contendo um ou mais átomos flúor.

Ponto de fusão:

    

260 0 C

Material termoplástico, cristalinidade: 95%.

É um polímero especial, insolúvel e infusível.

È moldado por sinterização sob forma de tarugos ou placas, dos quais as peças são cortadas e usinadas.

Possui excepcional inércia química, resistência ao calor (não combustível) e baixo coeficiente de atrito. Propriedades mecânicas elevadas.

Aplicações:

O teflon é usado na forma de fitas para evitar vazamentos de água, válvulas, torneiras, gaxetas, engrenagens, anéis de vedação, como revestimento antiaderente de panelas e frigideiras, isolante elétrico, canos e equipamentos para indústria química etc.

Nomes comerciais:

Teflon, Fluon, Poyflon.

186

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11. Termoplásticos estruturais (condensação).

11.1 - Poliéster

 Esse polímero é caracterizado por vários grupos de ésteres, que são produtos da reação entre ácidos carboxílicos e álcoois, com a eliminação da água.

 A formação desse polímero exige que cada monômero apresente os dois grupos funcionais em quantidades iguais para a sua produção, portanto, deve-se usar um diácido e um diálcool na reação.

PET

- Um dos tipos de poliéster mais comum é o dracon, obtido pela reação ente o ácido tereftálico 187

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11. Termoplásticos estruturais (condensação).

11.1 - Poliéster

      Cada grupo carboxila ( - COOH) do ácido reage com o grupo hidroxila ( - OH) do álcool, originando um grupo éster com a eliminação de uma molécula de água.

Esse processo se repete muitas vezes e origina, 500 grupos de ésteres.

É um material termoplástico, com brilho, alta resistência mecânica, química e térmica.

Possui grande versatilidade, baixo custo de processamento.

Pode ser apresentado no estado amorfo (transparente), parcialmente cristalino e orientado (translúcido) e altamente cristalino (opaco).

Esse polímero é conhecido por polietilenotereftalato (PET), e costuma ser comercializado com os nomes de dracon e terilene. Anualmente, são produzidos cerca de 5 milhões de toneladas de dracon.

Aplicações:

tergal.

fabricação de tecidos, cordas, filmes fotográficos, fitas de áudio e vídeo, guarda-chuvas, embalagens, garrafas de bebidas, gabinetes de fornos, esquis, linhas de pesca. É usado na construção civil, em massas para reparos e laminados; A maior aplicação de PET é em garrafas descartáveis de refrigerante. O volume de plástico consumido constitui um problema ambiental.

Esse polímero, quando misturado ao algodão, forma um tecido muito conhecido, denominado

Nomes comerciais:

Dracon, Mylar, Techster, Terphane, Bidim, Tergal.

188

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11. Termoplásticos estruturais (condensação).

11.2 - Poliamidas

 No náilon 6 ou policaprolactama (PA-6), a caprolactama (monômero) é aquecida na presença de água, o que provoca a ruptura do anel do monômero e, a seguir, a sua polimerização.

Propriedades: Aplicações:

Cristalinidade, até 60%. Material termoplástico, amarelado e translúcido.

Elevada resistência mecânica e química, boa resistência à fadiga, à abrasão e ao impacto, absorção de umidade.

Como fibra: Tapetes, carpetes. Roupas. Meias. Fios de pesca. Cerdas de escova. Como artefato: Engrenagens para limpador de pára-brisas. Material esportivo (como raquetes, bases de esqui). Rodas de bicicleta. Conectores elétricos. Componentes de eletrodomésticos e de equipamentos para escritório. Como filme: Embalagens para alimentos.

Nomes comerciais:

Grilon, Grilamid, Capron, Nytron, Ultramid.

189

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11. Termoplásticos estruturais (condensação).

11.3 - Policarbonatos (PC)

 Nesses polímeros encontramos um agrupamento de átomos similar ao que existe no ânion carbonato, derivando daí, o nome de tais polímeros.

 Um exemplo de policarbonato é o de nome comercial lexan, que é produzido a partir de uma reação de condensação entre o fosgênio (COCl 2 ) e o bisfenol A (4,4’-difenilol propano).

Propriedades:

cristalinidade muito baixa, termoplástico, incolor, transparente. Semelhança ao vidro, porém altamente resistente ao impacto, boa estabilidade dimensional; boas propriedades elétricas; boa resistência ao escoamento sob carga e às intempéries; resistente à chama.

190

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11. Termoplásticos estruturais (condensação).

11.3 - Policarbonatos (PC) Aplicações:

Essa espantosa resistência, aliada ao seu aspecto transparente semelhante ao vidro, torna-o de grande utilidade para a fabricação de janelas de avião e do chamado “vidro à prova de balas”. É também usado para confeccionar os visores dos capacetes

para astronautas, capacetes de proteção de motociclistas, componentes elétricos e

eletrônicos, discos compactos, conectores, recipientes para uso em fornos de microondas, anúncios em estradas, artigos esportivos, aplicações em material de cozinha e de refeitórios, como bandejas, jarros d’água, talheres, mamadeiras, aplicações médicas em dialisadores renais.

Nomes comerciais:

Lexan, Durolon, Makrolon.

191

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11. Termoplásticos estruturais (condensação).

11.4- Polissulfonas

 São termoplásticos estruturais com elevado desempenho, transparentes, tenazes e resistentes mecanicamente.

 Os anéis de fenileno da unidade de repetição da polissulfona restringe a rotação das cadeias poliméricas provocando grande resistência mecânica e rigidez.

 Os átomos de O entre os anéis (éter) dão flexibilidade e resistência ao impacto.

 Podem ser utilizados para suportar resistências a tração até 70 MPa e temperaturas de 150 à 175 0 C sem fluir.

Aplicações:

resistentes a meios aquosos ácidos e bases, bobinas, componentes para televisores, placas estruturais para circuitos, revestimentos para equipamentos químicos, tubulações bombas, torres de enchimentos.

192

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12. Plásticos termofixos (reticulação) 12.1- Polifenol : Resina Fenólica (PR)



Uma variedade de polifenol é a baquelite, sendo que a mais comum foi obtida em 1907 por Backenland, ao reagir por condensação, fenol comum com formol (metanal).



Material termorrígido, boa resistência mecânica e térmica.

Aplicações: isolante térmico e elétrico, as mais comuns são a fabricação de cabos de panelas, tomadas, interruptores elétricos e aparelhos de telefone, engrenagens, pastilhas de freio. Quando ela é produzida na forma de laminados, é usada para revestimentos de móveis, sendo conhecida como fórmica, usada para revestimentos de móveis.

Dentre as aplicações da baquelite, devido às suas propriedades de Caso o polímero obtido seja predominantemente linear e de massa molecular relativamente baixa, é denominado novolac e é empregado em tintas, vernizes e colas para madeira. Se a reação prosseguir, dando origem a um polímero tridimensional (termofixo), aí então, obtém-se a baquelite.

Nomes comerciais: Amberlite, Bakelite, Celeron, Fórmica, Formiplac.

193

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12. Plásticos termofixos (reticulação) 12.2- Resina Epoxídica (ER)

 É obtida pela reação entre epicloridrina e bisfenol A (4,4’-difenilol-propano).

Propriedades:

(após a reticulação) : Material termorrígido. Excelente adesividade.

Excelente resistência mecânica e à abrasão. Baixa contração.

Aplicações: tintas para diversos fins. Adesivos para metal, cerâmica e vidro. Compósitos com fibra de vidro, de carbono ou de poliamida aromática, para a indústria aeronáutica.

Componentes de equipamentos elétricos. Circuitos impressos. Encapsulamento de componentes eletrônicos. Moldes e matrizes para ferramentas industriais.

Nomes comerciais: Araldite, Epikote, Durepoxi.

194

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13. Elastômeros 13.1- Borrachas naturais

 A matéria prima para a produção da borracha natural é o látex da árvore Hevea brasiliensis.

 O líquido é diluído, coagulado no ácido fórmico, comprimido entre rolos, aquecido para promover uma secagem e laminados entre cilindros pesados provocando quebras de algumas cadeias poliméricas longa a fim de reduzir sua massa.

 Produção da borracha natural representa cerca de 30% da produção mundial da borracha.

 A borracha natural é basicamente o cis-1,4 poliisopropeno misturado com pequenas quantidades de proteínas, lipídeos, sais orgânicos.

 O prefixo cis indica que o grupo metil e um átomo de hidrogênio estão do mesmo lado da ligação dupla 1,4 indica que as unidades químicas de repetição se ligam ao primeiro e ao quarto átomo de carbono.

195

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13. Elastômeros 13.1- Borrachas naturais Vulcanização

 Em 1839, Charles Goodyear aqueceu essa massa viscosa com enxofre e um pouco de óxido de chumbo II (PbO) e produziu um material bastante elástico, que praticamente não se alterava com pequenas variações de temperatura. Deu a esse processo, o nome de vulcanização (Vulcano = Deus do fogo).

 A vulcanização da borracha é feita pela adição de 3% a 8% de enxofre à borracha.

Aumentando a porcentagem de enxofre, ocorrerá um aumento do número de pontes de enxofre, diminuindo a sua elasticidade. Quando essa porcentagem atinge valores próximos a 30%, obtém-se uma borracha denominada ebonite, que é rígida e apresenta grande resistência mecânica, sendo empregada como isolante elétrico e na produção de vários objetos, como pentes, vasos etc.

196

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13. Elastômeros 13.2 - Borrachas sintéticas

 As borrachas sintéticas, quando comparadas às naturais são mais resistentes a variações de temperatura e ao ataque de produtos químicos, sendo utilizadas para a produção de pneus, mangueiras, correias e artigos para a vedação, etc. As mais comuns são: 13.2.1) Polieritreno ou Polibutadieno (BR) butadieno (eritreno).

– formado pela adição sucessiva de 1,3-

Propriedades:

resistência à abrasão.

Aplicações:

Após a vulcanização: Material termorrígido, baixa elasticidade e alta Pneumáticos em geral.

Nomes comerciais:

Ameripol CB, Cariflex, Coperflex.

OBS.: A vulcanização é feita com enxofre. É essencial o reforço com negro-de-fumo.

197

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13. Elastômeros 13.2.2) Policloropreno (CR)

butadieno).

– formado pela adição sucessiva do cloropreno (2-cloro-1,3-

Propriedades:

Após a vulcanização: Material termorrígido. Aderência a metais. Resistência ao envelhecimento. Resistência à chama. Diferente das demais borrachas, CR é vulcanizada com óxido de magnésio. Não é necessário reforço. Permite a obtenção de artefatos de quaisquer cores, o que é importante em vestuários de mergulhadores e em esportes aquáticos. A presença de cloro torna CR uma borracha muito resistente ao ataque químico, especialmente à água do mar.

Aplicações:

Roupas e luvas industriais. Revestimento de tanques industriais. Mangueiras, adesivos. Correias transportadoras. Revestimento de cabos submarinos. Artefatos em contato com água do mar.

Nomes comerciais:

Neoprene, Perbunan C.

198

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13. Elastômeros 13.2.3) Copolímero de butadieno e estireno (Buna-S)

– o mais importante desses polímeros é uma borracha obtida pela copolimerização do 1,3-butadieno (eritreno) com vinil-benzeno (estireno), tendo sódio metálico como catalisador.

 O nome comercial buna-S vem de: BU = butadieno; Na = sódio ; S = estireno (styrene).

Essa borracha também é conhecida pelas siglas GRS (government rubber styrene) ou SBR (styrene butadiene rubber). Este polímero após a vulcanização, é um material termorrígido.

 Por ser muito resistente ao atrito, é usado nas bandas de rodagem dos pneus. Algumas tintas do tipo látex são misturas parcialmente polimerizadas de estireno e dienos em água.

 Após a aplicação desse tipo de tinta, a água evapora, permitindo a copolimerização e revestindo a superfície pintada com uma película.

 SBR é vulcanizada com enxofre. É necessário o reforço com negro-de-fumo.

199

Nomes comerciais:

Buna-S, Cariflex S, Polysar S, Petroflex.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13. Elastômeros 13.2.4) Copolímero de butadieno e acrilonitrila (NBR)

copolimerização de butadieno e acrilonitrila.

– este polímero é obtido pela

Propriedades:

Após a vulcanização: material termorrígido. Aderência a metais. Resistência a gasolina, óleos e gases apolares. NBR é a única borracha industrializada de caráter polar, e por isso, resistente de um modo geral a hidrocarbonetos.

Aplicações:

Após a vulcanização: mangueiras, gaxetas e válvulas. Revestimento de tanques industriais.

Nomes comerciais:

Buna N, Perbunan N, Nitriflex, Chemigum. É vulcanizada com enxofre.

Necessita de reforço com negro-de-fumo.

200

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13. Elastômeros 13.2.5) Poliuretanas



Uma poliuretana pode ser obtida pela reação entre um diiisocoanato e um diol.

Dióis do tipo éster são também usados.

201

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 13. Elastômeros 10.2.5) Poliuretanas Propriedades: material termoplástico ou termorrígido, conforme a funcionalidade dos monômeros e o emprego ou não, de agentes de cura. Alta resistência à abrasão.

Alta resistência ao rasgamento. Facilidade de fabricação de peças de grandes dimensões e formas; menor custo de processamento.

As poliuretanas podem ser rígidas, flexíveis ou, ainda, na forma de espumas, dependendo das condições em que ocorre a reação. Na produção de espuma, por exemplo, um dos reagentes é misturado ao gás freon que, durante a reação, tende a se desprender, provocando a expansão do polímero.

Aplicações: fibras.

seu uso pode ocorrer em várias áreas, dependendo das características: Espuma – colchões, estofados, isolante térmico e acústico.

Espuma rígida – peças de automóveis, amortecedores, diafragmas e válvulas de equipamentos industriais para processamento e transporte de minérios, solados e A lycra é um tecido que contém fios de poliuretana em sua composição.

Nomes comerciais: Vulkolane, Lycra, Estane, Duroprene, Adiprene.

202

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 14 – Considerações finais



Os materiais poliméricos mais importantes usados como matriz para obtenção de plásticos reforçados por fibra, são o poliéster insaturado e a resina epoxídica ;



O policarbonato é um material muito utilizado na confecção de janelas de aeronaves;



As resinas de poliésteres são mais baratas, porém são menos resistentes que as resinas epoxídicas;



Estes materiais que são usadas como matrizes de plásticos reforçados por fibra tem ampla aplicação como: cascos de barcos, estruturas de aviões e etc;



As resinas epoxídicas são mais caras, porém possuem boa resistência mecânica e são normalmente utilizadas como material para matriz de compósitos de fibra de carbono e aramido.

203

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA

Materiais Cerâmicos

204

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 1 – O que são cerâmicos ?



CERÂMICA VEM DO GREGO “KERAMICOS” QUE SIGNIFICA MATERIAL QUEIMADO.

São materiais inorgânicos, não metálicos, formados por elementos metálicos e não metálicos ligados quimicamente entre si, fundamentalmente por ligações iônicas e/ou covalentes;



Apresentam composições químicas variadas, desde compostos simples, até misturas de varias fases complexas ligadas entre si;



Suas propriedades variam muito devido a diferenças de ligação química;



Em geral, são duros e frágeis, com pouca tenacidade e pouca ductilidade, podem ser transparentes;



São bons isolantes elétricos e térmicos, devido a ausências de elétrons de condução;



Possuem ponto de fusão bem alto, são menos densos que os metais;



Grandes estabilidades químicas em meios agressivos devido a suas fortes ligações.

205

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 2 – A cerâmica na tabela periódica



Cerâmicas são formadas por combinações de metais com os elementos C, N, O, P e S;



O Si e o Germânio são semicondutores, mas são utilizados em cerâmicas de forma equivalente aos metais.

206

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 3 – Características típicas dos cerâmicos ?



Resistência mecânica aumenta quando o produto é aquecido em altas temperaturas: reações termoquímicas;



Alta dureza;

    

Alta fragilidade; Estrutura cristalina complexa; Elevado ponto de fusão; Bom isolante térmico e elétrico; Matéria prima de custo relativamente baixo.

207

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4 – Classificação dos cerâmicos

  

Tradicionais; Avançados; Vidros.

4.1 – Tradicionais



São normalmente obtidos a partir de três componentes básicos: Argila



(Al 2 O 3 -SiO 2 -H 2 O com outros óxidos (TiO 2 , Fe 2 O 3 , MgO, CaO, Na 2 O, K 2 O); Sílica

 (SiO

2 ); Feldspato



( K 2 O-Al 2 O 3 -6SiO 2 ).



Os tijolos e as telhas, usados na industrias de construção civil, e a porcelana elétrica, usada na industria elétrica, são exemplos de tradicionais.

208

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.1 – Tradicionais

Sílica refratária Tijolo refratário Mulite refratária Porcelana elétrica Porcelana steatite Cimento Portland SiO 2 96 50-70 28 61 64 25 Composição (% em peso) Al 2 O 3 K 2 O MgO CaO 45-25 72 32 5 9 6 30 64

Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos não são usados como materiais estruturais (não são considerados cerâmicos avançados)

Outros 4 5 --- 1 1 2 209

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.2 – Avançados



São constituídas basicamente de:



óxidos: Al 2 nitretos: Si O 3 3 carbetos: SiC N 4 Al 2 O 3 : Desenvolvida como material refratário, atualmente tem diversos usos – velas de ignição;



SiC: é muito duro, tem alta resistência à oxidação e é usado como reforço em compósitos com metais ou cerâmicos e blindagem de sistemas aeronáuticos e aeroespaciais ;



Si 3 N 4 : Dentre os materiais cerâmicos, é o que exibe melhor conjunto de propriedades e é usado em componentes de motores;



ZrO 2 : Zircônia pura é polimórfica e se transforma de tetragonal para monoclínica em 1170 0 C, causando expansão de volume e trincas, combinando ZrO 2 com Y 2 O 3.

210

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA Nome comum Alumina, alumina refratária Magnésia, magnésia refratária 4.2 – Avançados Comp.

Al 2 O 3 Utilização Isolamento térmico e eléctrico MgO Resistência ao desgaste Spinel Óxido de Crômio Dióxido de urânio Zircônia (parcial.) estabilizada Titanato de Bário Ferrite de Níquel MgO.Al

2 O 3 Cr 2 O 3 UO 2 Idem Revestimentos para resist. ao desgaste Combustível em reactores nucleares ZrO 2 Isolamento térmico (estab. com 10%CaO) BaTiO NiFe 2 O 3 4 Componentes electrónicos Componentes “magnéticos”

211

Nome comum Carboneto de Silício Nitreto de Silício Carboneto de Titânio Carboneto de Tântalo Carboneto de Tungsténio Carboneto de Boro Nitreto de Boro UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.2 – Avançados Comp SiC Si 3 N 4 TiC TaC WC B 4 C BN Utilização Abrasivos Resistência ao desgaste Resistência ao desgaste Resistência ao desgaste Ferramentas de corte Abrasivos Isolamento

212

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.3 – Vidros



A combinação de transparência e dureza à temperatura ambiente, junto com suficiente resistência mecânica e excelente resistência à corrosão na maioria dos ambientes normais, tornam os vidros fundamentais para aplicações na engenharia;

 

O vidro e um material cerâmico, uma vez que é feita de materiais inorgânicos a altas temperaturas; Comportamento de transição vítrea e estrutura amorfa;



O comportamento de solidificação de um vidro é diferente de um metal ou polímero;

213

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 4.3 – Vidros



Quando a matéria-prima é fundida, forma um líquido e ao se resfriar, da origem a um vidro não cristalizado. Nesse resfriamento devido aos componentes formadores do vidro (Tabela abaixo), o liquido torna-se mais viscoso à medida que a temperatura diminui e passa do estado pastoso (facilmente deformável) para um estado vítreo rígido e frágil num intervalo estreitos de temperatura.

Sílica vítrea Borosilicato Vidro (janelas) Vidro (conten.) Fibra vidro E Verniz Enamel SiO 2 100 76 72 73 54 60 34 B 2 O 3 13 8 3 Al 2 O 3 4 1 2 15 16 4 Na 2 O 5 14 14 CaO 1 8 10 22 7 MgO 4 K 2 O 11 17 ZnO 6 PbO Utilização Vidro alta pureza(*) Vidro p/ química 42 Fibras p/ compósitos Revestimento p/ metais 214

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 5 – Tradicionais X avançadas

215

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 6 – Ligação química dos cerâmicos



Estruturas em cerâmicas dependem do tipo de ligação química predominante;



Altas durezas e elevadas temperaturas de fusão resultam da natureza dessas ligações;



Cerâmicas exibem combinação de ligações com caráter iônico e covalente e o tipo de estrutura cristalina depende do quantidade dessas ligações.

Compostos Átomos cerâmicos ligados Diferença de Caráter eletronegatividade iônico (%) Caráter covalente (%) MgO Al 2 O 3 SO 2 Si 3 N 4 Sic Mg-O Al-O Si-O Si-N Si-C 2,3 2,0 1,7 1,2 0,7 73 63 51 30 11 27 37 49 70 89 216

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7 – Caráter da ligação química dos cerâmicos



Fração do caráter iônico ou covalente depende da diferença de eletronegatividade dos átomos envolvidos;



Cálculo do % do caráter iônico é feito de acordo com a equação de pauling:

 

Xa – eletronegatividade do átomo A Xb – eletronegatividade do átomo B

217

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 7 – Caráter da ligação química dos cerâmicos



Compostos cerâmicos de alto % de caráter iônico exibem estrutura que depende do tamanho relativo dos íons e da necessidade de balanço eletrostático;



Compostos cerâmicos de alto % de caráter covalente exibem estrutura que depende da direcionalidade das ligações

218

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Estruturas dos cerâmicos O arranjo nos sólidos iônico é determinado por alguns fatores:

 

Tamanho relativo dos íons iônicos; Neutralidade eletrostáticas); elétrica no sólido iônico (equilíbrio das cargas



Os sólidos iônicos são formados por cátions e ânions, sendo que, na ligação iônica os metais sempre doam e os não metais sempre recebem elétrons. Geralmente os cátions são menores que os anions;

 

O número de anions que envolvem um cátion central é designado número de coordenação; Os compostos cerâmicos mais simples possuem igual número de átomos metálicos e não metálicos.

219

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Estruturas dos cerâmicos



Estruturas baseiam-se nas estruturas cristalinas principais, onde a ocupação das células é parcial



interstícios.

220

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 8 – Estruturas dos cerâmicos



Cátion da ligação localiza-se nos interstícios do arranjo formado pelos ânions;



Estrutura dos materiais cerâmicos é baseada no número de coordenação de íons intersticiais

221

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 9 – Comportamento mecânico dos cerâmicos

COMPORTAMENTO FRÁGIL

  

Resistência à tração varia entre 0,7 a 7x10 3 MPa (difícil de fazer); Apresentam grande diferença entre as suas resistências a tração e compressão, sendo geralmente as resistências á compressão cerca de 5 a 10 vezes superiores à tração.; Devido ao tipo de ligação (iônica e covalente) os materiais são muito duros e possuem geralmente baixa resistência ao impacto;

222

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 9 – Comportamento mecânico dos cerâmicos



Ensaio de flexão permite calcular o MOR semelhante à resistência à tração e o módulo de rigidez;



A obtenção de valores deve recorrer a métodos estatísticos .

ENSAIO DE FLEXÃO

223

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10 – Comportamento térmicos dos cerâmicos

CHOQUE TÉRMICO



Fenômeno freqüente nos cerâmicos, devido às elevadas temperaturas de trabalho e à sua fragilidade;



Quebram devido a fortes gradientes de temperatura durante o arrefecimento;



A sensibilidade ao choque térmico aumenta com a diminuição da condutividade térmica e o aumento do coeficiente de expansão térmica. Compostos cerâmicos TiC WC MgO SiC HfC Ponto de fusão ( 0 C) Compostos cerâmicos 4150 3120 2850 2798 2500 B 4 C Al 2 O 3 SiO 2 Si 3 N 4 TiO 2 Ponto de fusão ( 0 C) 2450 2050 1715 1900 1605

224

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 10 – Comportamento térmicos dos cerâmicos



Ônibus espacial: na reentradas, superfície atinge temperaturas superiores a 1000 o C;

 Proteção térmica é feita com placas cerâmicas de fibras de

quartzo, eficiência térmica dessas placas: 10 s após sua retirada de um forno a 1260 o C é possível tocá-las com as mãos.

225

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11 – Processamento dos cerâmicos



A maioria dos produtos em cerâmica é fabricada por aglomeração ou compactação de partículas, obtendo-se pecas com formas pretendidas, as quais são posteriormente aquecidas a uma temperatura suficientemente elevada para ligar as partículas entre si.



As etapas principais são: Preparação dos materiais Conformação Prensagem Vazamento de suspensões Extrusão Tratamentos térmicos Secagem e remoção do ligante Sinterização no estado sólido Vetrificação (ou sinterização na fase liquida )

226

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11.1 – Preparação dos materiais



As matérias primas variam com as propriedades exigidas para a peça cerâmica final;



As partículas e outros ingredientes tais como ligantes e lubrificantes, podem ser misturados úmidos ou secos;



Para produtos com menor nível de exigência de propriedades, como os tijolos, coletores de esgotos e outros produtos argilosos, o processo habitual consiste na mistura dos ingredientes com água;

 

Em outros produtos, as matérias-primas são moídas a seco junto com outros ligantes e aditivos; As matérias-primas, também podem ser misturadas com uma cera ligante, a fim de formar uma pasta onde é seca formando pequenos granulo.

227

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11.2 – Conformação

 

Os produtos obtidos por aglomeração de partículas podem ser conformados por vários métodos no estado seco, plásticos ou líquidos.

Os métodos de conformação mais utilizados são: Prensagem, vazamento de suspensão e extruzão.

11.2.1 – Prensagem



Prensagem unidirecional a seco



é geralmente usada para produtos tais como os refratários estruturais e componentes cerâmicos para eletrônica;



Prensagem unidirecional a seco



uma mistura de grânulos com pequenas quantidades de água ou ligante orgânico e, é submetida a uma compactação no interior da matriz;



Prensagem unidirecional a seco microestruturas;



após a prensagem a temperatura ambiente, as pecas são sintetizadas para adquirir melhores resistências



Prensagem isostáticas



o pó cerâmico é colocado no interior de um recipiente flexível e submetido a uma pressão;

228

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11.2.1 – Prensagem

 

Prensagem isostáticas



a peça é sintetizadas; Prensagem isostáticas



exemplos: refratários como um todo ( tijolos), cadinhos, ferramentas de corte.

11.2.2 – Vazamento de suspensões



É adicionado no pó cerâmico argila ou água, de modo a obter-se uma suspensão estável;



É feito um vazamento da suspensão para o interior do molde poroso, o qual absorve parte do liquido da suspensão;

  

Quando a parede tem espessura suficiente, interrompe-se o processo e remove-se o excesso da suspensão, ficando uma cavidade na peça; Deixa-se secar o material no interior do molde, de modo ter suficiente resistência para ser manuseado e ai retira-se a peça; Finalmente, a peça é cozida para adquirir as propriedades adquiridas.

229

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11.2.3 – Extrusão

 

Este método é normalmente usado para fabricar tijolos refratários, coletores de esgotos, cerâmicos técnicos e isolantes elétricos; O equipamento mais usado é a maquina de extrusão em vácuo do tipo fuso, na qual o material cerâmico no estado plástico é forçado pelo movimento fuso, a passar por uma matriz de aço ou liga de elevada dureza.

230

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11.3 – Tratamentos térmicos



O tratamento térmico é uma etapa essencial na fabricação da maioria dos produtos cerâmicos.



Os tratamentos empregados são: 11.3.1 – Secagem e remoção do ligante

 

Remoção da água do corpo cerâmico plástico antes de ser cozidos; Geralmente a secagem é realizada numa temperatura de 100 0 C num intervalo de tempo até 24 horas para componentes de grandes dimensões;



Para remover ligantes orgânicos é necessário um aquecimento de 200 a 300 0 C, embora alguns hidrocarbonetos necessitam de temperaturas mais elevadas.

231

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11.3.2 – Sinterização no estado sólido

 

Denomina-se por sinterização no estado sólido o processo por meio do qual as pequenas partículas de um material se ligam entre si por difusão no estado sólido; Este tipo de tratamento resulta na transformação de um compacto poroso, resistente e denso;



Este processo térmico e geralmente utilizado em peças feita a base de alumina, ferrrites, titanatos e oxido de berílio;

 

Na sinterização, as partículas coalescem (unem-se) devido à difusão no estado sólido que ocorre a temperaturas muitas elevadas (abaixo do Pto de fusão do composto sinterizados); Nesse fenômeno há a difusão atômica entre as superfícies de contato das partículas, de modo que elas ficam quimicamente ligadas entre si favorecendo um crescimento de partículas;



À medida que as partículas se tornam maiores com o tempo de sinterização, a porosidade dos compactados diminui.

232

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11.3.2 – Sinterização no estado sólido



No final do processo, atinge-se um tamanho de equilíbrio e a força motriz do processo é a diminuição de energia do sistema.

233

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 11.3.3 – Vitrificação (sinterização no estado líquido)



Produtos tais como, porcelanas, produtos argilosos, e alguns componentes eletrônicos contêm uma fase vítrea;



Durante o cozimento, para esses materiais acima, ocorre um processo denominado vitrificação, no qual a fase vítrea se liquefaz e preenche os poros do material.

234

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12 – Cerâmicos Técnicos: ALUMINA (Al 2 O 3 )

235

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12 – Cerâmicos Técnicos: CARBETO DE SILÍCIO (SiC)

236

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12 – Cerâmicos Técnicos: NITRETO DE SILÍCIO (Si 3 N 4 )

237

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA AERONÁUTICA 12 – Cerâmicos Técnicos: ZIRCÔNIA (ZrO 2 )

238

INTRODUÇÃO AOS MAT. AERONAÚTICOS LIGAÇÕES QUÍMICAS ESTRUTURA CRISTALINA DIREÇÃO E PLANOS DEFEITOS E DIFUSÃO PROPRIEDADES MECÂNICAS LIGAS METÁLICAS MATERIAIS COMPÓSITOS MATERIAIS POLÍMEROS MATERIAIS CERÂMICOS Materiais Aeronáuticos

LIGAS METÁLICAS AERONÁUTICAS

LIGA (AISI) 300M

4340

APLICAÇÃO

4330

DISPONIBILIDADE

LIGA (AISI) 4130

APLICAÇÃO DISPONIBILIDADE

250

1090

Aeronáutica e aeroespacial;

LIGA (AISI) 5052 APLICAÇÃO DISPONIBILIDADE 2024 2219

LIGA (AISI) 2524 APLICAÇÃO DISPONIBILIDADE 2618 6061 7050 7175

LIGA (AISI) INCONEL 600 N06600 INCONEL 625 N06625 INCONEL 718 N07718 APLICAÇÃO

DISPONIBILIDADE

LIGA (AISI) Ti PURO Ti-8Al-1Mo Ti-10Al-2Fe-3Al Ti-6Al-4V Ti-6Al-25Mo Ti-6Al-2Zn APLICAÇÃO

DISPONIBILIDADE

Materiais Compósitos

Colméias

Sikorsky S-92

Sikorsky H-92

POLÍMEROS

Materiais Cerâmicos

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