Introdução ao Kevlar

Estrutura química do Kevlar


Kevlar®, ou poliparafenileno de tereftalamida, é uma poliamida sintetizada pela primeira vez pela química Stephanie kwolek, em 1965, quando trabalhava para a Dupont.

É uma fibra sintética muito resistente e leve com aplicações muito variadas sendo muito resistente ao calor e 7 vezes mais resistente que o aço por unidade de peso.

Esta poliamida contêm grupos aromáticos, e há interacções entre estes grupos, assim como interacções por pontes de hidrogénio.

Combinando n vezes a fórmula básica (-CO-C₆H₄-CO-NH-C₆H₄-NH-), teremos a formulação do polímero Kevlar. O seu valor de Tg e Tm é de 375ºC e 640ºC respectivamente.

O polímero é cristalino, as fibras têm alto módulo, é resistente quimicamente e tem estabilidade dimensional.

Podemos ter dois tipos de Kevlar consoante a aplicação e propriedades pretendidas, embora ambos partilhem uma elevada resistência mecânica e baixa densidade.

Kevlar 29- utilizado em vestes balísticas sendo mais rígido que o Kevlar 49 e 5 vezes mais resistente a impactos que o aço convencional. Não se funde e pode ser usado sem degradação em temperaturas por nós insuportáveis.

Kevlar 49- utilizado na indústria aeronáutica, aeroespacial e carros de corrida.

Materiais Compósitos

Materiais compósitos


Os materiais compósitos são definidos como uma combinação macroscópica de dois elementos principais. Uma matriz e um material de reforço constituído por fibras.

As fibras suportam a maior parte da carga. A matriz assegura a distribuição das cargas pelas fibras. Permite também manter as fibras na orientação apropriada, e, ligar as fibras entre si; separando-as, para evitar a propagação de fendas e contacto com outras fibras em meio ambiente.

O comportamento e propriedades dos materiais compósitos defendem da natureza, da forma do arranja estrutural e da interacção dos componentes. Naturalmente, as propriedades e características intrínsecas de cada componente ajudam na determinação das propriedades gerais dos compósitos. Entretanto, a interacção dos componentes resultará num novo grupo de propriedades, derivadas da combinação das propriedades gerais de cada componente.

Os compósitos constituídos com fibras são os mais eficientes, uma vez que a forma fibrosa dos materiais é mais resistente do que o mesmo material. Na sua forma original, tornando-as assim muito interessantes sob o ponto de vista estrutural. Os materiais compósitos possuem também baixo peso.


Materiais compósitos

Kevlar como material compósito

Propriedades típicas de algumas fibras


Os materiais compósitos são formados por 2 ou mais componentes de forma relativamente sequencial, macroscopicamente distinguível, constituídos por mais de uma fase, juntos de forma artificial, com filosofia de obter um material final de propriedades melhores que cada m deles individualmente, inibindo algumas suas carências.

O Kevlar é um compósito, que pode ser constituído por umas fibras curtas, ou longas de pequeno diâmetro. Por isso o Kevlar pode ser fabricado tendo por base uma matriz que pode ser reforçada por fibras de aramido de pequeno diâmetro ou por fibras de aramido. As fibras curtas de aramido são distribuídas de forma dispersa permitindo a obtenção de Kevlar agregado a partir de uma massa relativamente homogénea. A peça final de compósito agregado pode ser obtida por injecção em molde seguida de polimerização. As fibras longas de aramido podem ser incorporadas numa matriz segundo uma só direcção ou na forma de uma malha tecida. Obtêm-se assim um material primário em forma de folha, com fibras de reforço impregnadas na matriz de forma sequencial e ordenada.

Constituição de um material compósito


Para a obtenção de plásticos, a resina mais usada como matriz é a de poliéster porque são as mais baratas, embora não tão resistentes. Esta resina apresenta baixa tolerância à temperatura e uma contracção significativa resultando do processo de cura. As fibras de aramido e a resina como matriz produzem o Kevlar (compósito) com aplicações em aeronáutica e aeroespacial.

Uso de compósitos estruturais na industria aeroespacial e aeronáutica

A partir da década de 60, os materiais compósitos de alto desempenho foram introduzidos de maneira definitiva na indústria aeroespacial e aeronáutica. O desenvolvimento de novas fibras ofereceram ao projectista a oportunidade de flexibilizar os projectos estruturais, atendendo às necessidades de desempenho em voo de aeronaves.

Os avanços dos compósitos criaram novas oportunidades para estruturas de alto desempenho, com baixo peso.

Historicamente, estruturas aeronáuticas em compósitos têm sido fabricadas utilizando-se fibras longas. Dessa maneira ocorria a máxima transferência das propriedades mecânicas da fibra para o compósito (sob determinadas condições de carregamento das fibras).

No entanto, a fabricação de estruturas complexas utilizando fibras contínuas exige uma significativa quantidade de trabalho manual ou equipamentos complexos e caros de corte do reforço e laminação dos pré-impregnados.

Trabalhos recentes têm combinado o uso de pré-formas de fibras secas, picadas e processos de transferências de resinas.

O resultado desses trabalhos mostra vantagens de custo e processamento, peso/resistência em relação a componentes metálicos substituídos à utilização de compósitos poliméricos avançados em partes estruturais das aeronaves. Vai crescendo a cada ano, devido ás excelentes propriedades mecânicas que este material confere ao componente que está a ser projectado e por permitir flexibilidade no projecto de peças complexas e com propriedades específicas.

Uso de materiais compósitos na industria aeronáutica

Kevlar na industria aeronáutica

O Kevlar é um compósito constituído por uma matriz de resina de termoendurecível e fibras de aramido. Ao conjunto de fibras e resinas dá-se o nome de compósito.

Airbus A380

Recentemente foi lançado para o mercado o maior avião comercial do mundo. Evidentemente para mover o seu peso de 308 toneladas necessitou-se no seu fabrico de um conjunto de materiais ligeiros de alta tecnologia; mais precisamente fibras e materiais de alto rendimento para a construção de aviões. Este avião é o Airbus A380 e é denominado de “superjumbo”. Contudo este marco da aeronáutica só seria possível com a utilização do importante número de materiais de alto rendimento que proporcionam benefícios chave, como a durabilidade, resistência e menos peso.

A indústria aeronáutica precisa de produtos que sejam resistentes perante condições climáticas e adversas, e esses materiais devem durar, pesar pouco, serem fáceis de usar no seu fabrico e também devem ser resistentes ao fogo. O Kevlar é um dos muitos compósitos utilizados no fabrico deste avião.

Foi a Dupont® que proporcionou e desenvolveu os materiais, nomeadamente o Kevlar 49. O Kevlar encontra-se em muitos elementos do avião, como por exemplo, no solo, nas partes inferiores e nos ailerons. Substituiu também materiais pesados e aumentou resistência da estrutura até 37 vezes. Esta resistência permite aumentar o reforço estrutural que reduz o peso.

Rolos de fibra de Kevlar

Métodos de processamento de compósitos na industria aeronáutica e aeroespacial - Processamento do Kevlar

O Kevlar é um material compósito, constituído geralmente por uma matriz em resina termoendurecível e um reforço em fibras de aramido. Existem três tipos de fibras: as fibras de vidro que são as mais baratas e mais usadas. Temos também as fibras de aramido e também as fibras de carbono, que apresentam resistência mecânica elevada e baixa densidade.

O Kevlar, é uma poliamida aromática que tem uma excepcional relação resistência/peso, alta tenacidade, mas as propriedades em compressão e tensão de corte saem penalizadas devido à fraca resistência transversal da fibra.

Salientaremos de seguida os diferentes processos para a produção de plásticos reforçados por fibras. O Kevlar é um compósito reforçado com fibras que pode ser produzido industrialmente na aeronáutica e aeroespacial por estes processos.

Existem vários processos, dentro dos quais salientamos o processo de molde aberto e o processo de molde fechado.

.Processo de molde aberto

- Processo de deposição manual:



Processo de deposição manual

É um processo simples e barato. É utilizado para fabrico de peças com reforço por fibras, sendo adequado para peças grandes e em pequenas quantidades.

Em primeiro lugar aplica-se um revestimento em gel ao molde aberto. De seguida o reforço em fibras o qual consiste num tecido ou manta, é colado manualmente no molde. A resina plástica misturada com catalisadores e acelerador é então vazada ou aplicada com o auxílio de um pincel grosso. Através da passagem de rolo faz-se com que a resina molhe completamente o reforço, removendo-se o ar que possa ter ficado acumulado.

Construção de várias camadas utilizando o processo de deposição manual

Para se aumentar a espessura da placa que se quer produzir adicionam-se mais camadas de manta ou tecido de fibra e resina. Com este método podemos fabricar cascos de barco, …, peças com forma complexa; no entanto as fibras de aramido são as mais difíceis de serem molhadas manualmente. É também difícil de obter laminados com elevado teor de fibras, uma vez que ficam vazios incorporados. No entanto, a qualidade das peças depende do operador, há uma baixa cadência de produção e piores propriedades mecânicas quando comparadas com outros métodos. O produto é também pouco homogéneo havendo zonas com muita resina.

- Processo de Spray:

É um processo semelhante ao anterior e pode ser utilizado para se obterem cascos de barcos. Consiste na deposição simultânea, sobre um molde de resina e de pedaços de feixes de fibra usando-se para tal uma pistola de corte e projecção. A camada depositada sobre o molde é em seguida densificada através da passagem do rolo que remove o ar que possa ter ficado aprisionado e que assegura a impregnação das fibras de reforço pela resina. Podem também adicionar-se várias camadas.

Processo de spray


- Processo de autoclave em embalagem de vácuo:

Este processo é utilizado no fabrico de laminados de elevado desempenho, mas geralmente em sistemas fibra-resina epoxídica. Em seguida a folha de pré-impregnado é cortada em peças que são colocadas umas sob as outras no molde, com a forma desejada obtendo-se um laminado. As várias camadas de folha podem ser colocadas em diferentes orientações, de modo a obter-se o tipo de resistência desejado, uma vez que cada camada tem a sua máxima resistência na direcção paralela ás fibras.

Processo de autoclave em embalagem de vácuo

O laminado é fechado conjuntamente com o molde numa embalagem, na qual se faz vácuo, a fim desse remover o ar que está no interior da peça. De seguida é colocado numa autoclave para se fazer a cura da resina.

-Processo de enrolamento de fio:

Este processo permite por exemplo, fabricar invólucros de reservatórios para armazenagem de combustíveis, motores de foguetões e mísseis. É um processo importante para o fabrico de tubos de elevada resistência. Neste processo a fibra é alimentada através de um banho de resina e enrolada através de um mandril de dimensões adequadas. Após se ter aplicado um número de camadas considerado suficiente, o enrolamento sobre o mandril, é sujeito à temperatura ambiente ou a uma temperatura mais elevada numa estufa. A peça moldada é depois extraída do mandril. O elevado grau de orientação das fibras e o grau de conteúdo das mesmas permitem obter resistências à tracção extremamente elevadas nestes tubos cilíndricos.

Processo de enrolamento do fio


.Processos de molde fechado

- Moldação por compressão e moldagem por injecção:

Estes processos são importantes em termos de volume de material produzido. Estes processos são essencialmente iguais aos utilizados para plásticos, excepto em que antes de se dar início ao processo o reforço da fibra é misturado com a resina.

- Moldação estrutural por injecção:

A resina é injectada numa cavidade do molde onde se encontra o pré-impregnado, ocorrendo reacções que levam a que a solidificação ocorra.

Moldação estrutural por injecção

Embora possa ser utilizado no vácuo para facilitar a impregnação dos reforços. A força neste processo deve-se á injecção de resinas sob pressão.

- Processo de pultrusão em contínuo:

Processo utilizado para o fabrico de plásticos reforçados por fibras, com a formação de perfis de secção constante.

Neste processo usam-se fibras contínuas que passam por um banho de resina sendo a seguir trefiladas através de uma fieira aquecida, a qual determina a força que terá a secção da peça final.

Com estes materiais obtêm-se resistências mecânicas muito elevadas, devido à grande concentração de fibras e a sua orientação paralela ao comprimento das peças trefiladas

Processo de pultrusão em continuo

Processo de Autoclave em embalagem de vácuo na produção de peças de Kevlar para aviões

As fibras de aramido são fibras de poliamida aromática que apresentam como vantagens baixo custo e elevada resistência ao impacto e tracção.

As resinas epoxídicas têm boa adesão a materiais, é uma resina termoendurecivel, com boa resistência química e ao meio ambiente, boas propriedades mecânicas também. Esta resina é aplicada no fabrico de laminados e como matriz nos materiais reforçados por fibras. Este é o material predominante para a maior parte dos componentes de elevado desempenho.

O composto de Kevlar é formado pela associação destes componentes e é um compósito polimérico avançado. Este é o processo mais utilizado na fabricação de compostos poliméricos termoendureciveis. Este processo já foi anteriormente abordado e salientaremos de seguida os principais aspectos deste processo. Suponhamos que estamos a tratar de fibras de aramido em uma resina epoxídica e através deste processo transformaremos a matéria inicial no aileron, estrutura de alto desempenho do recente avião airbus A380. Para obtenção de boas propriedades do material, o processamento deve ser controlado para se obterem peças prontas a serem utilizadas e com as características que lhe são devidas.

Uma das particularidades dos compósitos poliméricos avançados, é que, ao se fabricar um laminado, fabrica-se simultaneamente o material final e o produto.

O material pré-impregnado na fabricação dos laminados de Kevlar aeronáuticos devem ser realizados numa sala climatizada, adequadamente limpa, com a temperatura controlada na faixa 21±3 ºC e a humidade relativa do ar de 60% no máximo.

Esse recinto deve ficar isolado de outras áreas de fabricação, para evitar a entrada de poeiras, mantendo as portas sempre fechadas, abrindo somente quando necessário e no mínimo tempo possível, de modo a conservar o ambiente sempre climatizado e com o ar sempre limpo. Para prevenir a contaminação, os desmoldantes devem ser armazenados em salas separadas. Devem tomar-se os cuidados necessários para impedir que ocorra contaminação do pré-impregnado por partículas e impurezas do ar durante o seu processamento, o que causaria degradação das propriedades físicas, impossibilitando a sua utilização em aplicações de responsabilidade estrutural.

Por sua vez, o ferramental deve ter superfícies polidas para proporcionar aos laminados excelente acabamento superficial. Também todas as arestas devem ser arredondas e polidas para evitar danos na bolsa de vácuo durante a acção de pressão na cura. Além disso, o ferramental deve ser rígido para evitar empenamento e com baixa capacidade térmica, para permitir taxas de aquecimento mais elevadas.

Um dos materiais sugeridos para a fabricação do ferramental é o aço SAE 1020, que assegura aos laminados precisão e estabilidade dimensional. Na obtenção de bons laminados, é imprescindível compactar as camadas com o bolo para eliminar saliências ou rugas, evitar a retenção de ar ou o desalinhamento das fibras. Também todo o cuidado é tomado para evitar que objectos estranhos ao compósito fiquem retidos entre as camadas pois causam a rejeição destes laminados.

A aplicação de vácuo nos laminados é uma operação necessária para se obter a compactação uniforme das camadas e simultaneamente extrair compostos voláteis, solventes de humidade, evitando a formação de porosidades ou vazios, e remover o excesso de resina para evitar a presença de bolsas de resinas puras. Em razão disto, é necessário confeccionar uma bolsa de filme de plástico flexível cujo tipo de material escolhido seja compatível com o tempo de cura e a temperatura, e a espessura do filme seja resistente à pressão.

Na montagem dessa bolsa, além do filme plástico é necessário utilizar materiais auxiliares tais como tecido separador, tecido absorvedor do excesso da resina, tecido canalizador para a remoção de ar, chapa de compactação, tecido superficial removível, bico para o vácuo e fita isoladora para selar a bolsa em todo o contorno do ferramental, como também, para formar uma barreira de controle do excesso de resina.

A excelente qualidade de fabricação que se exige dos laminados estruturais aeronáuticos é conferida pelo controle adequado de resina e pela presença mínima de vazios. Um nível de 2% de vazios é tipicamente considerado como aceitável, mas o nível aceitável pode ser diferente dependendo do material, aplicação e tipo de carregamento.

O acabamento da borda livre é a operação que inclui o processo de fabricação deste tipo de laminados a vácuo e cura em autoclave.

Nos laminados com bordas moldadas esta operação é muito rápida e simples, consistindo em se fazer uma rebarbação manual ao longo da superfície da borda para remover o excesso de resina que flúi durante o ciclo de cura, tomando-se o cuidado para não descaracterizar o contorno geométrico da borda livre.

No fim, uma vez acabados, os laminados são enviados para a inspecção final da qualidade do produto.

Olhar para o futuro

Futuro da aviação

A crescente utilização dos compósitos estruturais tem estimulado a formação de recursos humanos cada vez mais capacitados, de modo a atingir com êxito os desafios da obtenção de componentes com funções múltiplas, atendendo requisitos de utilização, como menor peso, maior desempenho mecânico, transparência à radiação, …., resistência à erosão.

Ligas avançadas em geral, tornaram possível reduzir significativamente o peso estrutural das aeronaves o que possibilitou que os aviões pudessem voar mais rápido, com maior alcance e com maior segurança. Estes materiais e ligas avançadas, possibilitaram o aumento da rentabilidade de exploração de linhas aéreas devido ao aumento de capacidade de carga e diminuição do consumo de combustível.

Espera-se que através do processo de substituição de materiais e o aperfeiçoamento de materiais existentes, bem como da disponibilização de materiais mais leves, mais resistentes, mais tenazes, mais tolerantes aos danos, mais resistentes a altas temperaturas, recicláveis e fáceis de reparar, seja possível continuar o esforço de desenvolvimento para uma n0ova geração de aviões, mais seguros, eficientes, amigos do ambiente, quer em termos estruturais quer em termos propulsivos.