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 Pesp, 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.
Digenildo Melo disse:
Gostaria de uma opinião referente a fabricação de flutuadores para avião ultraleve preciso de resina que não absorva água .
Tem que ser resinas com bom preço beneficio os flutuadores devem ficar leves e resistente.
Barracuda Composites disse:
Bom dia, Digenildo
As resinas epoxy não sofrem com o fenômeno de hidrólise porque não possuem em sua composição as moléculas de estireno que são suscetíveis a esse fenômeno. Como você vai construir um laminado que precisa de boas propriedades mecânicas, selecione sempre as resinas que possuem funções estruturais, com proporções resina e endurecedor entre 100:25 e 100:33.
O site da e-composites tem algumas opções para você, que deve selecionar o melhor produto de acordo com o processo de fabricação que vai utilizar, além do tempo de trabalho que você pretende ter. A resina AR260 é uma boa opção para fabricação por infusão e a AR720 é destinada à laminações manuais. Mais informações você pode obter no datasheet de cada produto.
Lucas Melo disse:
E onde o custo entra no conceito de eficiência estrutural?
Barracuda Composites disse:
Olá, Lucas
Essa é uma pergunta bastante complexa. Você pode simplesmente utilizar um coeficiente onde divide a propriedade específica pelo custo por kg de material e criar uma figura de mérito, mas isso vai acabar negligenciando diversos fatores.
Economizar no custo de matéria-prima pode ter uma série de consequências tanto no processo produtivo, que pode ficar mais lento, quanto na durabilidade do produto, que pode precisar de manutenções mais frequentes ou até menos apresentar um ciclo de vida mais curto. É sempre necessário olhar para o todo quando se realiza uma análise de custos e existe um grande conjunto de ferramentas a disposição do projetista em relação a isso.
Paulo André disse:
Utilizar núcleos de espuma PVC não torna o laminado mais caro?
Barracuda Composites disse:
Olá, Paulo
Não necessariamente. Isso depende de cada caso, é claro, mas em geral você terá um laminado mais leve com melhor custo benefício que será processado mais rapidamente e com melhor qualidade e maior durabilidade.
Quando se compara com núcleos de madeira, inclusive, acaba sendo mais barato porque permite o uso de resinas poliéster, muito mais baratas que as epoxy, além de economizar tempo de mão de obra possibilitando que as embarcações sejam construídas por meio do processo de infusão a vácuo.