2.celeste pereira comp sitos-desde o espa o ao planeta terra

Compsitos: Desde o Espao ao Planeta Terra

Celeste Pereira

Doutorada em Engenharia Qumica

Investigadora e Lder de Grupo

[email protected]

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)


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


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: 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.


carbocrete

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: [email protected]

Tel.: +351 22 957 87 13

Contactos

Obrigada!

2.celeste pereira comp sitos-desde o espa o ao planeta terra

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