Mês: dezembro 2021

Muitos dos avanços tecnológicos da história foram impulsionados por grandes conflitos da humanidade. A história do desenvolvimento da resina poliéster, da invenção da fibra de vidro e até mesmo do uso de painéis sandwich já foram contadas no blog e estão intimamente ligadas aos acontecimentos da II Guerra Mundial. O post de hoje fala sobre como todos esses avanços criaram os elementos necessários para a construção do plástico reforçado com fibra de vidro, materiais que hoje dominam a indústria náutica.

Antes do desenvolvimento dos plásticos termofixos, os barcos eram em sua maioria construídos com materiais orgânicos como madeiras e peles de animais. Plywood estava começando a se popularizar no século XX, mas havia um ímpeto para a criação de um método que pudesse realizar a construção de toda a embarcação de uma só vez e permitir a moldagem de geometrias complexas com duplas curvaturas.

O responsável pelo criação desse procedimento é o engenheiro Ray Greene que, apesar de ter construído milhares de embarcações durante sua vida, gostava de se definir como um inventor e não como um construtor de barcos. Seu amor por embarcações se aprofundou principalmente depois que seu pai comprou uma propriedade no Michigan próxima da Transverse Bay, onde ele e seus irmãos aproveitavam tudo que a baía tinha a oferecer.

Seu vontade de entender os fenômenos da química criou episódios interessantes desde sua infância, quando destruiu a pia da cozinha tentando produzir refrigerante em sua casa utilizando gelo seco e desprezando a expansão dos gases em um recipiente fechado. Seu rigor e vontade de alcançar o melhor resultado possível podem ser explicados a partir da admiração que tinha pelo seu pai, que trabalhava como chefe de metalurgia e diretor de pesquisa em uma companhia em Ohio.

Herman Greene era seu incentivador ao mesmo tempo que era extremamente exigente com seu trabalho. O primeiro barco que Ray construiu quando tinha 12 anos foi imediatamente jogado fora depois que ficou pronto, já que seu pai ficou decepcionado com o resultado. Por outro lado, Herman deu as ferramentas e o apoio necessário para que o filho pudesse fundar o estaleiro Ray Greene & Company na garagem da família em 1929, o que permitiu que fabricassem os barcos que pagariam pelo seu curso superior em engenharia mecânica e química. Posteriormente, seria o que também permitiria que os irmãos de Ray fossem para faculdade após a morte de seu pai em 1934.

Foi na Universidade de Ohio que Ray começou a estudar resinas sintéticas, justamente com o objetivo de criar um método que permitisse a construção de embarcações leves e resistentes. As primeiras tentativas foram realizadas utilizando plásticos que necessitavam de curas em condições controladas de temperatura e pressão em autoclaves, limitando o tamanho das embarcações.

O resultado que buscava foi alcançado durante o desenvolvimento de sua tese de mestrado que originalmente se chamava “Choosing Plastics for Boat Building”. Ao receber o primeiro rascunho, seu orientador questionou se o trabalho era sobre engenharia mecânica ou arquitetura naval e sugeriu uma pequena mudança no título que se tornou “Chooosing Plastics for Large Objects”, sem mencionar em nenhum momento que o primeiro grande objeto construído em composites foi um barco.

Todas as matrizes poliméricas que Ray havia experimentado até o momento eram frágeis e apresentavam pouca resistência, deixando evidente a necessidade de um material de reforço. Depois de tentar uma infinidade de opções, suas conexões com a Owens-Corning lhe renderam a metade do primeiro lote de fibra de vidro que a empresa produziu em 1941.  

Por meio de colegas pesquisadores que trabalhavam na American Cyanamid, Greene conseguiu também um galão da primeira resina termofixa capaz de ser curada em temperatura ambiente. Sendo o primeiro homem no mundo com esses dois elementos em mãos simultaneamente, ele foi o responsável por criar os procedimentos para construção da primeira grande peça estrutural de plástico reforçado com fibra de vidro, dando o primeiro passo em direção aos composites como se conhece hoje em 1942 e revolucionando a indústria náutica.

Décadas mais tarde, seu orientador contou que o tema de sua tese, a seleção de plásticos para construção de peças estruturais, foi motivo de dúvida entre os professores do departamento, que permitiram que o trabalho prosseguisse apenas por conta do entusiasmo do estudante. Vários fabricante de polímeros na época responderam aos pedidos de Ray Greene informando que a ideia de utilizar plásticos em peças estruturais era simplesmente impossível.

Com seu ímpeto de cientista-físico-inventor, conhecimento profundo sobre construção náutica e disciplina desenvolvida pelos altos padrões de exigência de seu pai, Ray Greene não encontrou apenas uma maneira de construir embarcações com plásticos reforçados com fibra, como criou uma indústria que revolucionou a construção de estruturas de alto desempenho.

O livro Processo de Infusão a Vácuo traz mais informações e curiosidades sobre a história dos materiais compostos, além de informações sobre as propriedades mecânicas dos composites e sobre os principais processos de fabricação.

Diversos posts no blog falam sobre quão eficiente são os materiais, mas afinal como é possível definir a eficiência estrutural? E finalmente fica a dúvida: os materiais compostos são eficientes em relação ao que?

Por definição, “eficiência” é a capacidade de evitar desperdícios de recursos para realizar uma tarefa ou produzir o resultado desejado. O requisito de uma estrutura é resistir a uma determinada tensão apresentando um nível de deformação dentro de um limite. Quanto menor o peso necessário para realizar essa tarefa, menor será o desperdício de recursos, sejam materiais ou financeiros, e assim sua eficiência será maior.

Antes de aprofundar o conceito de eficiência, é interessante mostrar os materiais com os quais os composites são comparados. O Gráfico 1 apresenta a resistência à tração das principais fibras de reforço em comparação com os materiais isotrópicos de engenharia mais comuns, incluindo aço, alumínio e madeira.

Todas as fibras de reforço superam os materiais isotrópicos, exceto o aço, que é superado apenas pela fibra de carbono HS, desenvolvida para fornecer a maior resistência à tração possível. O Gráfico 2 apresenta o módulo de elasticidade dos materiais, mostrando que o aço possui rigidez maior do que todos os outros materiais.

Alguns podem se perguntar porque seria interessante construir estruturas com plásticos reforçados com fibra de vidro se o aço apresenta comportamento mecânico melhor. É nesse contexto que o conceito de eficiência volta à cena, começando com uma comparação entre as densidades desses materiais feita no Gráfico 3.

As fibras de reforço são todas significativamente mais leves (baixa densidade) que os materiais metálicos. A madeira que apresenta as piores propriedades mecânicas em comparação aos demais materiais MAS é ainda mais leve que as fibras. Para comparar o quanto os materiais podem resistir por unidade de peso, é preciso então calcular as propriedades específicas P_esp, que são definidas pela razão entre um determinada propriedade P pela densidade ρ do material, ou seja:

O Gráfico 4 então apresenta a resistência à tração específica dos materiais analisados, mostrando que os materiais isotópicos são muito menos resistentes por unidade de massa do que as fibras de reforço. A madeira apresenta comportamento equivalente aos materiais metálicos nesse contexto.

Por fim, o Gráfico 5 apresenta a mesma comparação em relação aos módulos de elasticidade específicos, destacando que as fibras de carbono são muito mais rígidas por unidade de peso do que os materiais metálicos.

Essas são as razões pelas quais os materiais compostos em geral são muito mais eficientes estruturalmente do que os materiais metálicos. Eles são capazes de realizar as tarefas desejadas, que são resistir a grandes níveis de tensão com deformações dentro dos limites determinados pelos projetistas, com o menor gasto de recursos possível. Neste caso, significa menor peso.  

No contexto de uma embarcação, seja a vela ou a motor, isso significa que é necessária uma potência menor para levar o barco adiante na velocidade desejada, ou que o navegador pode levar mais carga.

Nas últimas semanas, um post do blog definiu os conceitos de rigidez e resistência utilizando um diagrama de tensão e deformação obtido a partir de um ensaio de tração. É muito frequente também dizer que o uso de materiais de núcleo aumentam a rigidez de painéis laminados.

A rigidez que tem um aumento significativo quando se utiliza materiais de núcleo é a rigidez à flexão. A flexão é causada quando um painel apoiado em suas laterais recebe uma carga normal a sua superfície, fazendo com que se deforme de uma maneira que uma das faces esteja submetida à tração, a face oposta à compressão e que a parte central esteja submetida a uma carga de cisalhamento. Esse tipo de carregamento é muito comum no fundo de embarcações como lanchas, por exemplo, que são frequentemente submetidos à pressão hidrodinâmica.

A rigidez, ou a resistência de uma viga à deformação por esse esforço, pode ser calculada como o produto do módulo de elasticidade do material que compõe a estrutura com o segundo momento de inércia da seção transversal, ou seja:

Enquanto o módulo de elasticidade é uma propriedade do material, o momento de inércia da seção transversal é uma característica que varia em função da geometria da estrutura. Como um exemplo, é possível considerar o painel de laminado sólido apresentado na Figura 1.

Nesse caso, é possível calcular a rigidez D₁ do painel sólido com as dimensões indicadas na figura por meio da equação:

Onde E_f representa o módulo de elasticidade do composto, enquanto b é a largura do painel e H é a espessura. É possível observar que a rigidez à flexão é função do cubo da variável H do painel, o que significa que aumentar a espessura aumenta significativamente essa propriedade.

Aumentar a espessura de laminados sólidos é uma tarefa complicada que pode ser realizada aumentando o teor de resina ou aumentando o número de camadas de fibra. Como visto no post sobre micromecânica, aumentar o teor de resina prejudica muito as propriedades mecânicas do laminado, além de criar maior possibilidade de formação de vazios e aumentar o peso da estrutura. Por sua vez, aumentar o número de camadas de fibra torna o laminado mais caro, mais pesado e superdimensionado para tração sem de fato ter um aumento significativo de espessura.

A melhor solução para esse problema é aumentar a espessura do painel utilizando núcleos de baixa densidade. Para comparação, enquanto um laminado de sólido de fibra de vidro tem 1870 kg/m³, os núcleos de PVC possuem de 40 a 320 kg/m³ sendo que a maior parte das espumas utilizadas para construção náutica variam entre 60 kg/m³ e 130 kg/m.

Podemos utilizar a lógica das equações anteriores para estimar quanto que a inserção de um material de núcleo aumenta a rigidez de um painel sandwich como o ilustrado na Figura 2.

A rigidez D desse painel pode ser calculada a partir da soma das rigidezes das diferentes partes medidas a partir do eixo central da seção transversal, ou seja:

Onde E_c é o módulo de elasticidade do material de núcleo. O primeiro termo da equação diz respeito à rigidez das faces em relação aos seus próprios eixos centrais e pode ser desprezado quando a seguinte condição for satisfeita:

Já o segundo termo computa a transposição do cálculo do segundo momento de inércia das faces para o eixo central do núcleo sandwich. O terceiro termo é o cálculo da rigidez do núcleo em relação ao seu próprio eixo central e pode ser desprezado quando a seguinte expressão for verdade:

Dessa forma, o cálculo da rigidez de um painel sandwich pode ser realizado a partir da equação:

Que finalmente permite a avaliação do quanto o aumento da espessura pela inserção de um material de núcleo influencia a rigidez do painel. A Figura 3   mostra um painel cujas faces são compostas por metade da espessura do painel sólido da Figura 1, com um núcleo de espessura c = H.

A espessura da faces desse painel é de t = H/2 e a distância entre as linhas de centro das faces é de d = 3H/2. Dessa forma, a rigidez do painel pode ser calculada como:

A Figura 4 mostra um painel sandwich cuja espessura é duas vezes maior que a do painel da figura anterior, então, c = 3H. A espessura das faces permanece t = H/2 e, por isso, a distância entre as faces é d = 7H/2.

A rigidez desse painel pode ser calculada como:

Ou seja, multiplicando a espessura de um painel em duas vezes pela inserção de um material de núcleo, a rigidez aumenta 6,75 vezes. Quando a espessura quadruplica, a rigidez aumenta 36,75 vezes. O aumento de espessura não representa um aumento muito significativo de peso, o que torna a estrutura muito mais eficiente.

Depois de falar sobre a invenção do V Bottom e sobre os atores que colaboraram para a formulação da resina poliéster, o blog volta a discutir um pouco de história para contar sobre a invenção da fibra de vidro.

Apesar de fenícios, egípcios e até os gregos utilizarem uma versão rudimentar da fibra de vidro para confecção de artefatos de decoração desde a Antiguidade, a história da fibra de vidro utilizada no reforço de materiais compostos como se conhece hoje está muito ligada à história da empresa Owens Corning.

O primeiro passo em direção à fibra de reforço orginal ocorreu quando a empresa de Michael Owens, chamada Owens-Illinois, estava investindo em pesquisa para encontrar aplicações e maneiras de produzir fibra de vidro durante a Grande Depressão nos Estados Unidos. Nesse ambiente que buscava fomentar inovção, o engenheiro Games Slayter estava procurando maneiras de fundir uma logomarca colorida em uma garrafa de vidro. Quando pulverizou o vidro em uma chama, obteve um inesperado amontoados de fibra semelhantes a algodão, a primeira versão de fibra de vidro.

Esse emaranhado de fibras curtas e rudimentares era muito mais eficiente que o algodão para ser utilizado como filtros e ainda era barato o suficiente para ser substituído quando entupia, além de se mostrar um excelente isolante térmico. Com a popularização dos condicionadores de ar, os filtros da Owens-Illinois apresentaram recorde de vendas por décadas, representando a primeira forma comercial bem-sucedida de um produto feito a partir de fibra de vidro.

O desenvolvimento dos plásticos formulava o conceito de composites que se tem hoje. Há tempos se buscava a possibilidade de moldar geometrias complexas e grandes peças de uma só vez e os plásticos possibilitavam isso, mas pecavam em resistência e rigidez. Já se conhecia a necessidade de um material que reforçasse os novos polímeros que estavam sendo criados, seguindo a mesma lógica do concreto armado que utilizava barras de aço para reforçar as matrizes cimentícias.

A fibra de vidro já apresentava um potencial para essa aplicação, mas era limitada pelo seu formato de um emaranhado de fibras curtas e grossas. Já se tinha conhecimento que o reforço ideal para os plásticos deveria ter filamentos longos e individuais e o responsável por alcançar uma maneira de fabricar esse material foi Dale Kleist, estudante de mestrado da Universidade Estadual de Ohio que trabalhava meio-período na Owens-Illinois.

Kleist buscava uma maneira de selar duas metades de um bloco de vidro para formar uma peça que teria aplicações em trabalhos de arquitetura quando decidiu carregar uma pistola e pulverização de metal com vidro derretido no lugar do bronze normalmente utilizado. O resultado foi a obtenção de uma chuva de fibra de vidro ultrafina e filiforme que chamou a atenção de seus supervisores que rapidamente reconheceram o procedimento como uma excelente maneira de fabricar lã mineral para isolamento. Reconheceram também que o procedimento poderia facilmente ser adaptado para outras aplicações e em 1936, a Owens-Illinois patenteou a “Fiberglass”, mãe dos reforços de fibra de vidro que se conhece hoje.

 Um grande esforço de pesquisa foi então empregado para encontrar tratamentos térmicos que fornecessem flexibilidade suficiente às fibras para que fosse possível tramar um tecido adequado para que fosse possível utilizar o material como reforço em laminado de plástico.

Em 1938, quando a Owens-Illinois se fundiu com a Corning Glass e criou a Owens Corning, houve um investimento de milhões de dólares para encontrar maneiras de manufaturar os reforços de fibra de vidro em volume suficiente para aplicações industriais. Com isso, criou-se a maior fabricante mundial de reforços de fibra de vidro que até hoje é uma gigante no mercado, que criou primeira fibra de reforço.  

O post da última semana definiu o conceito de resistência à fadiga em materiais compostos e indicou algumas das variáveis ambientais que influenciam o fenômeno, além de explicar a dinâmica de propagação de defeitos ao longo do aumento de número de ciclos. A ideia agora é apresentar quais tipos de materiais são mais ou suscetíveis às falhas por fadiga e quais os motivos por trás disso.

É possível começar falando das resinas, já que a delaminação é uma das falha que se propaga ao longo da vida de uma estrutura submetida a ciclos de tensão. A delaminação está muito ligada com a falha da adesão entre a fibra e a matriz polimérica, portanto é de se esperar que resinas com maior capacidade de adesão sejam mais resistentes. O Gráfico 1 aponta exatamente isso, com a resina epoxy superando a resina poliéster por quase toda a extensão do eixo que indica o número de ciclos até a falha.

Outra questão a se observar é que, quanto mais a resistência do material depende das propriedades da matriz, pior será seu comportamento em fadiga. É por essa razão que laminados com fibras curtas apresentam menor resistência, já que absorvem uma quantidade de resina maior durante a laminação, como indicado no Gráfico 2.

Outra questão que piora o comportamento em fadiga de laminados de fibras curtas é que, pela natureza dos métodos de fabricação utilizados, é muito comum que eles apresentem um maior teor de vazios. Os vazios no laminado são causados por conta de ar aprisionado ou gases produzidos durante a cura da resina. Laminados fabricados sem o uso de gradientes de pressão apresentam uma quantidade maior desses espaços, que agem como concentradores de tensões e podem iniciar trincas. Por essa lógica, laminados estruturais produzidos por infusão ou prepregs apresentam performance melhores do que os produzidos por laminação manual, por spray-up ou laminação manual.

A configuração do reforço também influência a resistência à fadiga do laminado. O Gráfico 3 mostra três amostras da mesma gramatura ensaiadas, uma unidirecional, um cros-ply biaxial com filamentos orientados na direção 0° e 90° e um tecido bidirecional.

Como maior parte dos filamentos do tecido unidirecional estão orientados para uma direção, sua performance em fadiga é melhor do que de um tecido cross-ply que divide as fibras em duas direções. O tecido bidirecional ainda tem sua performance prejudicada pela pré-tensão criada pela trama do tecido que ainda aumenta o teor de resina e facilita o aparecimento de vazios (microbolhas).

É importante destacar também que os materiais compostos apresentam comportamentos em fadiga diferentes se estão sendo submetidos à ciclos com esforços de tração ou compressão. Em geral, a resistência é bem maior em tração, tanto em laminados sólidos como naqueles reforçados com núcleos de espuma.