Post on 15-Sep-2015
description
Compsitos: Desde o Espao ao Planeta Terra
Celeste Pereira
Doutorada em Engenharia Qumica
Investigadora e Lder de Grupo
cpereira@inegi.up.pt
Agenda
Breve apresentao do INEGI Materiais compsitos Fibras de carbono
Aplicaes espaciais Histria e propriedades Aplicaes terrestres
INEGI uma Instituio de Investigao de
do SCTN, localizado no Porto, Portugal,
com actividades na investigao
orientada para a aplicao, transferncia
de tecnologia, suporte tcnico e servios.
INEGI foi fundado em 1986 tem
actualmente um quadro permanente de
100 colaboradores (investigadores,
engenheiros, tcnicos e pessoal
administrativo). Vista dos edificios do INEGI
reas de competncia: Projecto e Fabrico de Materiais Compsitos; Teste
de Materiais e Produtos; Simulao de Processo; Anlise da Integridade
Estrutural; Automao e Controlo; Tecnologias de Fundio, etc.
O grupo de Materiais Compsitos uma das maiores
unidades de investigao do INEGI, conta com um quadro
de 50 investigadores, engenheiros, tcnicos de
laboratrio, vrios estudantes de ps-graduao e lidera
ou est, actualmente envolvido em mais de 40 projectos
de I&D.
Novos materiais e Espao
Pr-formas de nanotubos de carbono Pr-impregnados em fibras de carbono Compsitos de fibras de carbono e nanotubos de
carbono
Estudos de reaco ao fogo
Materiais Compsitos
Materiais Compsitos: histria
Primeiros compsitos: madeira, tijolos de adobe, arcos de flecha laminados
1900-1970: Fibras de vidro, fibras sintticas e sistemas de resinas
Materiais Compsitos: definies
Definio: classe de materiais compostos por uma fase contnua (matriz: cermica, metlica e polimrica) e uma fase dispersa (carga: reforo ou
enchimento);
As propriedades so obtidas a partir da combinao das propriedades dos constituintes individuais (regra das misturas).
Compsitos funcionais: so materiais cujas propriedades de interesse principal so outras alm das mecnicas, tais como, as
propriedades elctricas, trmicas, magnticas ou pticas.
Materiais compsitos: tipos por organizao da carga
Reforados de partculas: alinhadas ou aleatrias
Reforados de fibra: monocamada (fibras continuas: unidireccional e
bidireccional ou tecido e fibras descontinuas ou curtas) ou multicamada
(laminados e estruturas sandwich)
Materiais Compsitos: tipo de matriz
Tipos de matriz num compsito
Metlica
Cermica
Polimrica
Termoplstica
Termoendurecvel Titanium matrix reinforced with SiC fibers
Carbon fiber reinforced SiC matrix Carbon fiber reinforced epoxy matrix Glass fiber reinforced PP matrix
INEGI INEGI
Materiais Compsitos: tipo de fibras
Fibras cermicas
(alumina, carboneto
de silcio)
Vidro Carbono (PAN e pitch)
Aramida ou kevlar Boro (boro/tungstnio)
As fibras de carbono tm
propriedades nicas:
Baixa densidade
Elevadas propriedades mecnicas
Baixo coeficiente de expanso trmica
Alta resistncia abraso e corroso
So tendncia
Fibras de carbono: propriedades
Principais desvantagens:
Baixa resistncia ao impacto
Frgil
Baixas deformaes na ruptura
Resistncia compresso inferior resistncia traco
Custo moderado a alto
Fiber
Tensile
Modulus,
GPa
Tensile
strength,
MPa
Density,
g/cm3
Fiber
Diameter,
micron
Cost,
/unit
Carbon (PAN) 200-350 2400-6900 1.75-1.90 4-8 15-80
Carbon (Pitch) 170-800 1350-3200 1.90-2.15 8-11 30-155
Carbon (Rayon) 40 1000 1.6 8-9 4-20
Glass 65-90 3000-4600 2.48-2.62 30 4-30
Aramid 140 2800 1.44 --- 20-60
Boron 400 5000-6900 2.3-2.6 100-200 75-200
Fibras de carbono: aplicaes espaciais
As fibras de carbono tm sido usados nas aplicaes espaciais desde os anos 50.
(Procura de novos materiais com propriedades superiores
dos metais)
(O custo de colocar 1 kg de material em orbita
geoestacionria superior a 20.000 )
Os laminados de fibras de carbono embebidas numa resina termoendurecvel (epxido) so, hoje em dia, os pilares da
tecnologia estrutural nas aplicaes espaciais.
(Os laminados de matriz termoplstica tm tido uma importncia menor devido sua baixa resistncia ao calor).
Principais requisitos:
Baixo peso (reduo de custos) Elevada resistncia e rigidez Elevada estabilidade dimensional Resistncia radiao Capacidade de dissipar calor (condutividade
trmica)
Capacidade de no acumular electricidade (condutividade elctrica)
Resistncia ao desgaste e fadiga Baixos nveis de desgasificao (em vcuo)
e fragilizao (por aco da radiao)
Fibras de carbono: aplicaes espaciais
Componentes estruturais dos veculos espaciais e lanadores
Exemplos de componentes: tubo em laminado do tipo sandwich de resina de epxido reforada com fibra de carbono e ncleo de alumnio; reservatrios de alta-
presso em resina de epxido reforada com fibras de kevlar e carbono.
A percentagem de materiais compsitos usados nas estruturas dos lanadores aumentou dos 7 (Ariane 4) para os 16% (Ariane 5).
Composite Structures in AR5-ECA made by EADS CASA Espacio
Fibras de carbono: aplicaes espaciais
Estruturas de suporte e satlites
Exemplos subsistemas: painis solares, antenas, plataformas pticas e outras
Os materiais compsitos so muito usados nos (subsistemas) dos satlites e esto a substituir gradualmente o alumnio.
Primary structure and payload subsystems of Alphabus and Amazonas
Satellites made by EADS CASA Espacio.
Optical bench
Heat sink for RF Generators
Fibras de carbono: aplicaes espaciais
Fibras de carbono: definies e histria
A fibra de carbono proveniente da pirlise de materiais carbonceos que produzem filamentos de alta resistncia
mecnica.
So conhecida desde o sculo XIX. Thomas Edison usou as fibras de carbono como filamentos das primeiras lmpadas
incandescentes.
As primeiras fibras eram feitas de utilizando-se de bambu ou algodo enquanto as actuais tem como matria prima bsica o
petrleo.
Fibras de fontes renovveis Dependndia do petrleo
As fibras de carbono do tipo PAN podem ser agrupadas em 5 classes
principais:
Comercial (193-214 GPa)
Standard (221-241 GPa)
Mdulos de Elasticidade Intermdios (IM) (262-303 GPa)
Mdulos de elasticidade elevados (HM) (331-414GPa) e mdulos ultra-elevados (UHM) (> 414 GPa) (os mdulos elevados resultam da alta cristalinidade e alinhamento dos cristais na direco da fibra, enquanto que a resistncia principalemnte afecatda pelos defeitos e pelas morfologias
cristalinas das fibras)
Fibras de carbono: classes de fibras por propriedades mecnicas
Actualmente, todas as fibras qualificadas para o sector aeroespacial
so importadas para a EU ou, so produzidas por empresas
subsidirias de entidades estrangeiras.
A Toray o maior fornecedor de fibras do tipo PAN para o Espao.
No mercado das fibras HM e UHM a Toray no tem concorrentes.
Este monoplio responsvel pelo:
Preo elevado destas fibras (o preo destes materiais de 5 a 10x mais elevado que o dos materiais da aeronutica, 1000/kg)
Risco do fornecimento descontinuado. As fibras de HM e UHM so produzidas nas mesmas linhas que as da aeronutica
Fibras de carbono: principais aspectos crticos, dependncia
Nenhuma empresa Europeia (era) capaz de produzir materiais
percursores de fibra de carbono para as aplicaes espaciais.
Isto enfraquece a capacidade da Europa e a sua competitividade
nos sectores Espao e Defesa.
Fibras de carbono: principais aspectos crticos, dependncia
EUCARBON: European Space Qualified Carbon Fibres and
Pre-impregnated Based Materials (Starting date: 1/12/2011; 36months; 2M funding)
Project Coordinator: Celeste Pereira
Type of Funding scheme: Medium-scale integrating collaborative projects
Work program topics addressed: FP7-SPA.2011.2.2-02 Space critical technologies
Consortium: INEGI, FISIPE, EADS, CTL
Website: http://www.eucarbon-project.eu/overview.asp
Atualmente, as fibras de carbono so utilizadas em diversas reas: aeroespacial, automvel, usos industriais
(reservatrios, mquinas, ferramentas), equipamentos
desportivos, construo civil, energia, mobilirio, moda, etc.
A grande utilizao das fibras de carbono ocorreu aps a descoberta de sua grande resistncia a trao por volta dos
anos 60 do sculo passado.
Fibras de carbono: histria e aplicaes
Fibras de carbono: histria e aplicaes Ano Acontecimento principal
1970s Cana de pesca e tacos de golfe
1972 Eu nasci
1975 Aplicaes em satlites
1976 Estrutura aeroespacial
1980 Boom da guerra fria
1980s Estruturas secundrias dos Boeings 757 e 767
1984 Boom na industria dos equipamentos desportivos
1987 Estrutura primria do Airbus 320
1990s Boeing 777
2000 Expanso do uso das CF
2003 Airbus 380
2009 Recesso e decrscimo da economia global
2012 Aumento do uso na industria automvel e energia elica
Fibras de carbono: aplicaes terrestres
Actualmente o Airbus A380 tem 25% do seu peso em compsitos (23% em fibra de carbono).
O Boeing 787 Dreamliner ter 50% de compsitos, incluindo a totalidade da
fuselagem e asas.
Fibras de carbono: aplicaes terrestres
Fibras de carbono: aplicaes terrestres
carbocrete
Fibras de carbono: aplicaes terrestres
Fibras de carbono: aplicaes terrestres
Fibras de carbono: aplicaes terrestres
Fibras de carbono: evoluo do mercado
Crescimento estimado para a
procura de CF
Estima-se um crescimento muito acentuado na prximos anos
High Performance SpaceStructure Systems GmbH
Agradecimentos
Equipa: Marta Martins, Susana Silva, Dinis Dias, Ivo Costa
Celeste Pereira
Rua Doutor Roberto Frias 400
4200-465 Porto
E-mail: cpereira@inegi.up.pt
Tel.: +351 22 957 87 13
Contactos
Obrigada!