Materiais aeroespaciais: Tipos, seleção e aplicações

Ambiente de serviço dos materiais aeroespaciais

Os materiais aeroespaciais têm de suportar tensões mecânicas extremas, incluindo forças de tração, compressão e corte elevadas, bem como cargas dinâmicas complexas. Estes materiais estão sujeitos a vibrações intensas, fadiga cíclica e forças de impacto durante a descolagem, a aterragem e as manobras em voo. A rotação rápida das pás das turbinas, as alterações atmosféricas súbitas e as cargas aerodinâmicas agravam ainda mais as exigências mecânicas destes materiais.

O ambiente térmico dos materiais aeroespaciais é igualmente exigente. A exposição aos gases quentes de escape dos motores e à intensa radiação solar a grandes altitudes cria um ambiente de alta temperatura, frequentemente superior a 1000°C em certos componentes. Por outro lado, a velocidades supersónicas e hipersónicas, o aquecimento aerodinâmico torna-se um fator crítico, com temperaturas que podem atingir 2000°C ou mais nos bordos de ataque e nos cones do nariz.

Os extremos de temperatura não se limitam ao calor. Os materiais têm de manter a sua integridade a temperaturas criogénicas, descendo até cerca de -60°C quando se deslocam a velocidades subsónicas na estratosfera, e descendo até -80°C ou menos nas regiões polares durante as operações de inverno. Esta vasta gama de temperaturas (-80°C a +2000°C) exige uma estabilidade térmica e uma resistência ao choque térmico excepcionais.

O ambiente químico coloca desafios adicionais. Os componentes metálicos enfrentam riscos de fissuração por corrosão sob tensão e fragilização por hidrogénio, particularmente na presença de vapor a alta temperatura e alta pressão nos motores. Os materiais elastoméricos, como os vedantes e os pneus, têm de resistir à fissuração pelo ozono e manter a flexibilidade em temperaturas extremas. Os combustíveis, os fluidos hidráulicos e os agentes de degelo podem causar corrosão nos metais e degradação ou inchaço nos polímeros e compósitos.

Os factores ambientais aceleram ainda mais a degradação dos materiais. A exposição prolongada à radiação UV a grandes altitudes pode induzir a fotodegradação em polímeros e compósitos. O voo hipersónico sujeita os materiais à erosão provocada por partículas de alta velocidade e pelo oxigénio atómico na atmosfera superior. Além disso, os materiais devem suportar o armazenamento a longo prazo em diferentes níveis de humidade sem comprometer o seu desempenho ou integridade estrutural.

Para responder a estes desafios multifacetados, os materiais aeroespaciais requerem um equilíbrio sofisticado de propriedades, incluindo elevados rácios de resistência/peso, excelente resistência à fadiga, estabilidade térmica, resistência à corrosão e dureza por radiação. Este ambiente de serviço exigente impulsiona a inovação contínua na ciência dos materiais, alargando os limites do design de ligas, engenharia de compostos e tratamentos de superfície para garantir a segurança e a eficiência dos sistemas aeroespaciais.

Seleção e aplicação de materiais aeroespaciais

Os veículos aeroespaciais têm estado a funcionar na atmosfera ou no espaço exterior durante um longo período de tempo. Para garantir a sua elevada fiabilidade, segurança e desempenho de voo ótimo, têm de ser concebidos para funcionar eficazmente em ambientes difíceis.

Para atingir estes objectivos, é essencial otimizar a estrutura para satisfazer os requisitos aerodinâmicos, tecnológicos e de manutenção. No entanto, também requer a utilização de materiais que possuam excelentes características e funções.

1. Princípio da seleção de materiais

Em serviço, os componentes estruturais devem ser capazes de suportar vários tipos de forças externas sem exceder o nível aceitável de deformação ou rutura dentro de um período de tempo especificado.

Um dos objectivos do projeto de estruturas aeroespaciais é minimizar o seu tamanho e peso. No passado, o foco principal era a resistência estática dos componentes, muitas vezes negligenciando ou dando pouca consideração à sua resistência plástica. Isto resultou em acidentes catastróficos.

Principais componentes estruturais das aeronaves de linha principal

Para garantir a segurança dos componentes estruturais e tirar o máximo partido da desempenho dos materiaisA conceção das peças estruturais aeroespaciais passou de um "princípio de conceção de resistência" para um "princípio de conceção de tolerância aos danos" e evoluiu para um "princípio de conceção de ciclo de vida completo".

Na fase de conceção, todos os aspectos do ciclo de vida de um produto são tidos em conta, e todos os factores relevantes são considerados e optimizados de forma abrangente na fase de conceção do produto.

Os materiais devem não só ter uma elevada resistência e rigidez específicas, mas também apresentar uma certa resistência à fratura e ao impacto, resistência à fadiga, resistência a altas e baixas temperaturas, resistência à corrosão, resistência ao envelhecimento e resistência aos moldes, bem como melhores indicadores de desempenho.

Diferentes seleção de materiais são aplicados critérios de resistência em diferentes áreas de carga, sendo os materiais seleccionados com base nos requisitos específicos de cada componente. Para áreas de carga elevada, são utilizados critérios de resistência e são seleccionados materiais de elevada resistência. Para áreas de carga média, são utilizados critérios de rigidez e são seleccionados materiais com módulos elásticos elevados. Em áreas de carga reduzida, a estabilidade dimensional é a principal consideração para garantir que os componentes sejam maiores do que o tamanho crítico mínimo.

Ao selecionar e avaliar materiais estruturais, devem ser seleccionados métodos de ensaio adequados para as propriedades mecânicas (tração, compressão, impacto, fadiga, impacto a baixa temperatura) com base nas condições de serviço e nos estados de tensão. Deve ser feita uma consideração abrangente da resistência, plasticidade e tenacidade do material para diferentes modos de fratura, incluindo a fratura dúctil, a fratura frágil, a fadiga por tensão, a fadiga por deformação e a corrosão por tensão, fragilização por hidrogénio, fragilização por irradiação de neutrões, etc.

Para elementos sob tensão, a distribuição de tensões deve ser uniforme na superfície e no núcleo, e o material selecionado deve ter uma estrutura e um desempenho uniformes, com boa temperabilidade para elementos de grandes dimensões.

Para elementos sujeitos a cargas de flexão e torção, existe uma grande diferença de tensão entre a superfície e o núcleo, e podem ser utilizados materiais com baixa temperabilidade.

O limite de fadiga e a sensibilidade ao entalhe são critérios de avaliação importantes para a seleção de materiais para componentes sujeitos a cargas alternadas.

Para os componentes expostos a ambientes corrosivos, factores como a resistência à corrosão, a sensibilidade à fragilização por hidrogénio, a tendência para a fissuração por corrosão sob tensão e a corrosão resistência à fadiga são indicadores de avaliação importantes para a seleção de materiais.

A estabilidade da estrutura deve ser considerada para os materiais utilizados em serviços a alta temperatura e o desempenho a baixa temperatura deve ser tido em conta para os serviços a baixa temperatura.

A redução do peso tem significado prático para melhorar a segurança da aeronave, aumentar a carga útil e a resistência, melhorar a capacidade de manobra e o alcance e reduzir o consumo de combustível ou propulsor e os custos de voo. Quanto maior for a velocidade da aeronave, mais significativa se torna a redução de peso. Por exemplo, reduzir o peso de um caça em 15% pode resultar numa redução de 15% na distância de rolagem, num aumento de 20% no alcance e num aumento de 30% na carga útil.

Para as aeronaves descartáveis de curta duração, como os mísseis ou os veículos de lançamento, é necessário obter funções equivalentes com o mínimo de volume e de massa, procurando maximizar o desempenho dos materiais e seleccionando a menor margem de segurança possível para garantir uma fiabilidade absoluta durante toda a sua vida útil.

2. Principais materiais aeroespaciais

A redução da massa estrutural pode ser conseguida através da redução da densidade em 30%, que é mais do que a resistência em 50%.

Ligas de alumínioAs ligas de titânio, as ligas de titânio e os materiais compósitos são os principais materiais utilizados nas estruturas aeroespaciais devido à sua elevada resistência e rigidez específicas, que podem melhorar a carga útil, a capacidade de manobra e a resistência das aeronaves, reduzindo simultaneamente os custos de voo.

A utilização de aço de ultra-alta resistência (com um limite de elasticidade superior a 1380 MPa) na engenharia aeroespacial está limitado a menos de 10%.

Para as aeronaves modernas, como os caças supersónicos, a quantidade de aço de ultra-alta resistência é estável a 5% ~ 10%, a resistência à tração é de 600 ~ 1850MPa, por vezes tão elevada como 1950mpa, e a resistência à fratura K_Ic = 78 ~ 91MPa - m^{1 / 2}.

O aço resistente à corrosão de alta resistência é normalmente utilizado para a estrutura de suporte de carga da fuselagem em ambientes com corrosão ativa, enquanto o aço resistente à corrosão sem carbono é utilizado para componentes de aeronaves equipadas com motores a combustível de hidrogénio que utilizam hidrogénio líquido e meio de hidrogénio.

Os principais materiais estruturais utilizados nas fuselagens das aeronaves no século XXI são as ligas de alumínio, incluindo as séries 2XXX, 7XXXX e ligas de alumínio-lítio. A adição de lítio às ligas de alumínio pode melhorar a sua resistência e reduzir a sua densidade, aumentando assim a sua resistência e rigidez específicas.

As ligas de alumínio-lítio têm sido utilizadas em grandes aviões de transporte, aviões de combate, mísseis estratégicos, vaivéns espaciais e veículos de lançamento, e são utilizadas em componentes como cabeçotes, componentes de suporte de carga, tanques de armazenamento de hidrogénio líquido e oxigénio líquido, condutas e adaptadores de carga útil. São considerados um material promissor para o desenvolvimento aeroespacial.

As ligas de alumínio-lítio de terceira e quarta geração já não dão prioridade à baixa densidade e têm melhores propriedades gerais. Em comparação com as ligas de alumínio-lítio de terceira geração, as ligas de quarta geração têm maior resistência estática (especialmente a resistência ao escoamento) e tenacidade à fratura, mantendo uma taxa de crescimento de fendas equivalente, desempenho à fadiga, desempenho à corrosão e módulo de elasticidade.

Liga de titânioAs ligas de titânio têm uma resistência específica mais elevada do que as ligas de alumínio e são utilizadas para componentes de aeronaves, como a estrutura, a calha e o suporte da guia do flap, a base do motor, as peças da estrutura de aterragem e as peças de aquecimento, como o exaustor e a proteção contra incêndios. Para aeronaves supersónicas com números Mach superiores a 2,5, a temperatura da superfície pode atingir 200 a 350°C, e as ligas de titânio podem ser utilizadas como revestimento.

As ligas de titânio de alta pureza e alta densidade preparadas por métodos de solidificação rápida/metalurgia do pó têm boa estabilidade térmica e mantêm a sua resistência a 700°C, semelhante à sua resistência à temperatura ambiente. As ligas de titânio do tipo β de alta resistência e alta tenacidade desenvolvidas foram seleccionadas pela NASA como material de matriz para materiais compósitos SiC/Ti utilizados na fuselagem de aeronaves e nos painéis das asas.

A proporção de ligas de titânio utilizadas em aeronaves está a aumentar gradualmente, sendo o 20% utilizado nas fuselagens da aviação civil e o 50% nas fuselagens de aeronaves militares.

Os compósitos de matriz metálica, os compósitos de matriz de resina de alta temperatura, os compósitos de matriz cerâmica e os compósitos de carbono/carbono estão a desempenhar um papel cada vez mais importante na indústria aeroespacial.

Os materiais compósitos de carbono/carbono combinam as propriedades refractárias do carbono com a elevada resistência e rigidez das fibras de carbono. Têm uma excelente estabilidade térmica e condutividade, bem como uma elevada resistência e tenacidade a 2500°C com uma densidade que é apenas um quarto das ligas de alta temperatura.

Os compósitos híbridos ganharam uma atenção significativa, como a adição de fibra de vidro a compósitos de fibra de carbono para melhorar o desempenho do impacto ou a adição de fibra de carbono a plásticos reforçados com fibra de vidro para aumentar a rigidez.

Os materiais compostos em camadas estão também a ser cada vez mais utilizados na engenharia aeroespacial, como é o caso da utilização do GLARE, um novo laminado, no A380. O laminado é um material composto fabricado através do empilhamento de dois materiais diferentes sob pressão.

Um laminado é normalmente constituído por um painel superior, uma camada de ligação superior, um material de núcleo, uma camada de ligação inferior e um painel inferior. A sua resistência e rigidez são superiores às do painel individual ou do material do núcleo. Tem sido utilizado em aviões de transporte e de combate.

O laminado GLARE é formado por prensagem a quente de várias placas finas de alumínio e fibra de vidro unidirecional pré-impregnada com adesivo epóxi sob pressão ou numa prensa quente como indicado na Figura 1. O placas de alumínio devem ser corretamente pré-tratados para facilitar a adesão à camada pré-impregnada de fibras.

O quadro 1 apresenta os tipos de laminados GLARE produzidos comercialmente, que podem ser transformados em placas de diferentes espessuras, conforme necessário. As fibras podem ser de 2, 3, 4 camadas ou mais, e o seu conteúdo e direção podem satisfazer os requisitos do quadro. Cada tipo de laminado GLARE pode ter formas diferentes e pode ser ajustado para satisfazer necessidades específicas.

Fig. 1 Diagrama esquemático do laminado antirreflexo

Quadro 1 Tipos de laminados antirreflexo disponíveis no mercado

A tecnologia de emenda dos laminados GLARE resolve o problema da largura limitada da placa. Como mostra a Figura 2, existe uma costura estreita entre a mesma camada de placas de alumínio, com juntas entre diferentes camadas localizadas em diferentes posições. Estas juntas podem ser ligadas a outras camadas de placas de alumínio através de camadas de fibra, permitindo o fabrico de placas de parede ou de todo o revestimento da fuselagem com excelente resistência à fadiga, resistência à corrosão e resistência ao fogo, eliminando a necessidade de orifícios para rebites e as concentrações de tensão daí resultantes.

Para garantir a transferência segura de carga, pode ser adicionada uma camada de reforço na junção, como uma camada de placa metálica ou uma camada de fibra de vidro pré-impregnada com resina.

Fig. 2 diagrama de emenda do laminado de brilho

Os materiais compósitos tipo sanduíche em favo de mel são constituídos por um núcleo e um revestimento (painel) tipo sanduíche. O revestimento pode ser feito de alumínio ou de materiais compósitos de carbono/epóxi, enquanto o núcleo da sanduíche se assemelha a um favo de mel e é constituído por uma série de células hexagonais, quadrilaterais ou de outra forma, feitas de metal, fibra de vidro ou materiais compósitos. As superfícies superior e inferior da sanduíche são ligadas ou soldadas aos painéis mais finos.

O material do núcleo dos compósitos em sanduíche de favo de mel de alumínio é fabricado através da colagem de folhas de alumínio de diferentes formas e da formação de favos de mel de várias especificações através do estiramento. O desempenho do material do núcleo é determinado principalmente pela espessura da folha de alumínio e pelo tamanho das células.

Estes materiais têm uma elevada resistência e rigidez específicas, boa resistência ao impacto, redução da vibração, transmissão de micro-ondas e forte capacidade de conceção. Em comparação com as estruturas rebitadas, a eficiência estrutural pode ser aumentada de 15% a 30%.

As estruturas em favo de mel em sanduíche podem ser utilizadas para vários painéis de parede, tais como superfícies de asas, superfícies de cabina, coberturas de cabina, pavimentos, coberturas de motores, placas de silenciadores, placas de isolamento térmico, conchas de estrelas de satélites, antenas parabolóides, fundos de tanques de armazenamento de propulsores de foguetões, etc. No entanto, as estruturas em sanduíche alveolares são susceptíveis à corrosão em determinados ambientes.

Quando sujeita a um impacto, a sanduíche alveolar sofrerá uma deformação permanente e separar-se-á da pele.

3. Análise de materiais aeroespaciais

O quadro 2 mostra a percentagem de materiais estruturais utilizados nas aeronaves militares nos Estados Unidos. A tendência é que a utilização de materiais compósitos e ligas de titânio esteja a aumentar gradualmente, enquanto a utilização de ligas de alumínio está a diminuir.

Quadro 2 percentagem de materiais estruturais para aeronaves militares dos EUA

O quadro 3 apresenta a repartição dos materiais utilizados nas aeronaves típicas da linha principal. O B787 tem 50% de materiais compósitos e o A350 tem 52% de materiais compósitos. A utilização de materiais compósitos está a tornar-se uma tendência na indústria aeroespacial devido à sua capacidade de reduzir o peso, aumentar a resistência aos danos, proporcionar proteção contra a corrosão e aumentar a durabilidade.

No entanto, os materiais compósitos também têm desvantagens, como o custo elevado, a resistência limitada ao impacto, a falta de plasticidade, a dificuldade técnica acrescida, a fraca capacidade de manutenção e a dificuldade de reciclagem. Por conseguinte, a utilização de materiais compósitos não aumentou no A320neo e no B737MAX em comparação com o A320 e o B737.

Quadro 3 proporção de materiais típicos de aeronaves de linha principal (%)

A maioria das secções da cabina das naves espaciais tripuladas é feita de ligas de alumínio, ligas de titânio e materiais compósitos. Por exemplo, as órbitas do vaivém espacial são feitas principalmente de ligas de alumínio, enquanto a estrutura de propulsão que suporta o motor principal é feita de liga de Qin. A estrutura principal da fuselagem intermédia é composta por um material compósito de matriz metálica reforçado com liga de alumínio reforçada com fibra de boro, e a porta do compartimento de carga é feita de uma estrutura em sanduíche de favo de mel de papel especial com material compósito de resina epóxi reforçada com fibra de grafite como painel.

Os materiais ablativos são utilizados na superfície exterior da cabeça do míssil, na cápsula de reentrada da nave espacial e na superfície interior do motor do foguetão. Sob o fluxo de calor, estes materiais podem sofrer alterações físicas e químicas, incluindo decomposição, fusão, evaporação, sublimação e erosão. Isto resulta no consumo de massa da superfície do material, que retira uma grande quantidade de calor, impedindo que o fluxo de calor durante a reentrada na atmosfera entre na aeronave e arrefeça a câmara de combustão e o bocal do motor do foguetão.

Para manter a temperatura adequada na cabina, são tomadas medidas de proteção térmica contra as radiações para a secção de reentrada. O revestimento exterior é feito de uma liga à base de níquel resistente a altas temperaturas ou de uma placa de berílio, e a estrutura interior é composta por uma liga resistente ao calor. O revestimento exterior e a estrutura interior são preenchidos com materiais com boas propriedades de isolamento térmico, tais como fibra de quartzo e cerâmica composta de fibra de vidro.

Conclusão

Com a implementação e o avanço contínuo de projectos espaciais como os voos espaciais tripulados, a exploração lunar, a exploração do espaço profundo, os satélites de alta resolução, os veículos de alta velocidade, os veículos reutilizáveis e os veículos móveis espaciais, estão a ser colocados novos e mais exigentes requisitos nos materiais, oferecendo novas oportunidades e impulsionando o desenvolvimento de novos materiais aeroespaciais.

Foram alcançados avanços significativos na garantia independente das principais matérias-primas e aplicações de engenharia no domínio dos materiais.