Centro de Ciência e Tecnologia dos
Materiais - CCTM - IPEN
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Materiais compósitos de matriz metálica - perspectivas de uso
Jesualdo Luiz Rossi
[email protected]
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.
Aplicações potenciais de componentes feitos de compósitos de
matriz metálica no final da década de 70.
ramo
aplicação
aeroespacial
estruturas espaciais; antenas
aeronáutica
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
automotivo
blocos; chassis; molas; bielas; placas de
baterias
elétrico
escovas de motor; cabos; contactos elétricos
placas de baterias
médico
mesas para raios X; próteses; cadeiras de
rodas
esporte
raquetes de tênis; esquis; hastes para esquis;
caniço de pesca; tacos de golfe; quadros de
bicicletas; quadros de motocicletas
indústria têxtil
lançadeiras
outros
rolamentos, mancais; equipamentos para
processos químicos; ferramentas abrasivas
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.
"whiskers muito finos
diâmetro 1 µm
microquartzo
substrato da fibra
fios Taylor
fios ultrafinos
(feixe)
fibras produzidas por CVD
(B, TiB, SiC, etc
diâmetro 100-150 µm
fibras de carbono
fibras de nitreto de boro
"whiskers"
finos
fibras têxteis, vidro, Nicalon
(diâmetro 10 µm)
SiC particulado
0,5 µm a 100 µm
fios e fibras finas (diâmetro 20 µm)
"whiskers" grossos e alumina
chave
contínuo
descontínuo
Áreas de seção transversal relativas e formas de diversos tipos de
reforços.
Aplicações potenciais de componentes automotivos feitos de
compósitos de matriz metálica na década de 90 .
aplicação
motor
suspensão e tração
componente
pistão
pino do pistão
biela
camisa de pistão
caixa da transmissão
disco de freio
garfos do câmbio
vários componentes da
suspensão
0.7
-3
REFORÇO
A = SiC p ou "whisker"
B = SiC ou B fibras
C = fibras de carbono de alto módulo
0.6
0.5
B
C
mais caro
direcional
0.4
0.2
0.1
0
0
ligas de Al
0.3
compósito de Al
mais barato
isotrópico
A
50
100
módulo específico
150
(GPa/gcm-3)
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.
2001
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
- serias duvidas sobre reciclabilidade
2010
2011
“ 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.”
ABM 1993