Centro de Ciência e Tecnologia dos
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Materiais
Materiais comp
Materiais compóósisitos de matriz mettos de matriz metáállica ica -- perspectivas de usoperspectivas de uso
Jesualdo Luiz Rossi
jelrossi@ipen.br
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1. Introdução
Em diversas aplicações são utilizados materiais que possuem elevada razão resistência mecânica / densidade como materiais alternativos aos tradicionalmente empregados.
Deve ser citado que metais e ligas são por si mesmos bons materiais de engenharia. Muitas das propriedades destes materiais respondem à adição de elementos de liga, alguns materiais mais que outros. Entretanto, seu módulo de elasticidade pode ser somente variado em 15% (apesar de que, com transformações de fase pode-se chegar até 300%).
O trabalho experimental com materiais compósitos de matriz metálica começou na década de 60.
Sistema ligas de cobre reforçadas com fios de tungstênio de 150 µm de diâmetro ou em ligas de prata reforçadas com "whiskers".
Os fundamentos da teoria de compósitos reforçados por fibras originou-se nestes trabalhos, como por exemplo o de Kelly e Davies, 1965.
O entusiasmo pelo trabalho caiu a níveis bem baixos nos meados da década de 70.
O desenvolvimento destes primeiros materiais compósitos foi controlado pelo desenvolvimento das fibras e por uso da técnica de fabricação de aderência por difusão.
O alto custo destes materiais também retardou o uso destes materiais em ambas aplicações comercial e bélica.
No final da década de 70 surgiu o material compósito de matriz metálica baseado no sistema ligas de alumínio reforçadas com fibras de boro ou boro recoberto com carboneto de silício.
Previa-se também no final da década de 70 uma série de aplicações potenciais para materiais compósitos explorando o seu alto módulo específico, alta resistência específica, resistência a altas temperaturas, estabilidade ambiental e estabilidade dimensional.
rolamentos, mancais; equipamentos para processos químicos; ferramentas abrasivas outros
lançadeiras indústria têxtil
raquetes de tênis; esquis; hastes para esquis; caniço de pesca; tacos de golfe; quadros de bicicletas; quadros de motocicletas
esporte
mesas para raios X; próteses; cadeiras de rodas
médico
escovas de motor; cabos; contactos elétricos placas de baterias
elétrico
blocos; chassis; molas; bielas; placas de baterias
automotivo
aviões: pilão; esteios; portas de acesso; vigas caixão; encaixes; contrafortes; vigas de
assoalho; ventoinhas e compressores; aletas; aletas de turbina
helicópteros: caixas de transmissão;
estruturas de armação; varões; aletas de rotor; trem de aterrissagem
aeronáutica
estruturas espaciais; antenas aeroespacial
aplicação ramo
Aplicações potenciais de componentes feitos de compósitos de matriz metálica no final da década de 70.
Na década de 80 surgiu o interesse na fabricação de partes produzidas próximas a forma final, por processos envolvendo a solidificação. A tecnologia diferiu também da anterior por produzir materiais a partir de precursores mais baratos, a custos viáveis à aplicações mais prosaicas e consequentemente mais lucrativas.
Durante os a década de 90 o número de fontes de insumos e de fornecimento materiais aumentaram. Os materiais então produzidos encontraram nichos de aplicações comerciais na indústria automobilística, em materiais esportivos e em outros casos.
Depois, o desenvolvimento de fibras contínuas de alta qualidade como a alumina "FP" pela Dupont, fibras contínuas de SiC (Nicalon®) pela Nippon Carbon e o desenvolvimento de fibras descontínuas de alumina "Saffil" pela ICI resultaram em um renovado alento no desenvolvimento de materiais compósitos.
Dois métodos para a preparação de material de partida foram então desenvolvidos e avaliados. Um método baseado no processo Osprey onde o reforço é injetado num fluxo atomizado de alumínio fundido. O outro método, o processo Duralcan, mistura o reforço na forma particulada com o metal líquido.
chave contínuo descontínuo fios e fibras finas (diâmetro 20 µm)
"whiskers" grossos e alumina
fibras têxteis, vidro, Nicalon (diâmetro 10 µm)
substrato da fibra
"whiskers" finos fibras de nitreto de boro
fibras de carbono fios ultrafinos (feixe) fios Taylor microquartzo
"whiskers muito finos diâmetro 1 µm
SiC particulado 0,5 µm a 100 µm fibras produzidas por CVD
(B, TiB, SiC, etc diâmetro 100-150 µm
Áreas de seção transversal relativas e formas de diversos tipos de reforços.
caixa da transmissão disco de freio garfos do câmbio vários componentes da suspensão suspensão e tração pistão pino do pistão biela camisa de pistão motor componente aplicação
Aplicações potenciais de componentes automotivos feitos de compósitos de matriz metálica na década de 90 .
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 50 100 150
módulo específico (GPa/gcm )-3
-3 li ga s de A l isotrópico mais barato direcional mais caro compósito de Al B C A A = SiC ou "whisker" B = SiC ou B fibras
C = fibras de carbono de alto módulo
REFORÇO
p
Faixa de resistência específica longitudinal versus módulo específico, obtida em materiais compósitos baseados na matriz alumínio.
Aplicações potenciais de componentes automotivos feitos de compósitos de matriz metálica.
1995
Limitações:
- custo alto da matéria prima (compósito em si) 50 a 100 % mais caro - custo de processamento alto
- velocidade de produção de partes aquém do desejado
- falta de banco de dados sobre as propriedades do material - competição dos materiais convencionais
- competição de outros materiais mais atuais
- competição de componentes com design diferente feito de materiais convencionais
- necessidade de melhorias nas propriedades - falta de ductilidade e tenacidade
- técnicas de processamento secundário caras
- desenvolvimento de técnicas de processamento secundário para grande volumes
2011 2010
“ Finalmente, é questionado se as oportunidades e os perigos associados ao entusiasmo do uso e exploração destes materiais vale a pena. Isto é, se o uso destes materiais considerados em muitos casos como alternativos, estão movido a um interesse em proporcionar um avanço da tecnologia ou se o mercado consumidor está demandando produtos com tecnologias mais sofisticadas movidos por forças de marketing.
Os materiais compósitos de matriz metálica já tem demonstrado suas potencialidades. A sua aplicação parece ainda estar na infância. Isto pode ser devido a uma falta de tempo para que uma determinada aplicação possa ser lançada ou a inadequada coordenação de recursos em termos de pesquisa e desenvolvimento.”
