"Materiais não tradicionais" é uma das áreas mais importantes de desenvolvimento de tecnologia nas indústrias militar e aeroespacial. Os materiais precisam fazer mais do que apenas servir como uma estrutura de suporte - eles precisam ser materiais inteligentes
Os materiais inteligentes são uma classe especial de materiais que têm a capacidade de atuar como atuadores e sensores, fornecendo as deformações mecânicas necessárias associadas a mudanças de temperatura, corrente elétrica ou campo magnético. Uma vez que os materiais compósitos são compostos por mais de um material e devido ao moderno progresso tecnológico, agora é possível incluir outros materiais (ou estruturas) no processo de fornecer funcionalidade integrada em áreas como:
- Transformando, - Autocura, - Percepção, - Proteção contra raios e
- Armazenamento de energia.
Vamos nos concentrar nas duas primeiras áreas deste artigo.
Materiais de transformação e estruturas de transformação
Os materiais Morphing incluem aqueles materiais que, seguindo os sinais de entrada, mudam seus parâmetros geométricos e que são capazes de restaurar sua forma original quando os sinais externos param.
Esses materiais, por sua reação na forma de mudança de forma, são utilizados como atuadores, mas também podem ser utilizados de forma oposta, ou seja, como sensores nos quais uma influência externa aplicada ao material se transforma em um sinal. As aplicações aeroespaciais desses materiais são variadas: sensores, atuadores, interruptores em instalações e aparelhos elétricos, aviônicos e conexões em sistemas hidráulicos. Os benefícios são: confiabilidade excepcional, longa vida útil, sem vazamentos, baixos custos de instalação e uma redução significativa na manutenção. Em particular, entre os atuadores feitos de materiais de transformação e ligas com memória de forma, atuadores para controle automático de sistemas de resfriamento de aviônicos e atuadores para fechamento / abertura de amortecedores de guia em sistemas de ar condicionado de cabine são de particular interesse.
Materiais que mudam de forma como resultado da aplicação de um campo elétrico incluem materiais piezoelétricos (o fenômeno da polarização de materiais com uma estrutura cristalina sob a ação de tensões mecânicas (efeito piezoelétrico direto) e deformações mecânicas sob a ação de um campo elétrico (efeito piezoelétrico reverso)) e materiais eletroestritivos. A diferença está na resposta a um campo elétrico aplicado: um material piezoelétrico pode se alongar ou encurtar, enquanto um material eletrostritivo apenas se alonga, independentemente da direção do campo aplicado. No caso dos sensores, a tensão gerada por esforços mecânicos é medida e processada para se obter informações sobre os mesmos esforços. Esses materiais com efeito piezoelétrico direto são amplamente utilizados em sensores de aceleração e carga, sensores acústicos. Outros materiais baseados no efeito piezoelétrico reverso são usados em todos os atuadores; eles são frequentemente usados em sistemas ópticos para satélites de reconhecimento, pois são capazes de ajustar a posição de lentes e espelhos com precisão nanométrica. Os materiais acima mencionados também são incluídos em estruturas de metamorfose, a fim de alterar certas características geométricas e conferir propriedades adicionais especiais a essas estruturas. Uma estrutura de metamorfose (também chamada de estrutura inteligente ou estrutura ativa) é capaz de detectar mudanças nas condições externas devido à operação do sistema de sensor / transdutor eletromecânico embutido nela. Desta forma (devido à presença de um ou mais microprocessadores e eletrônica de potência), mudanças adequadas podem ser induzidas de acordo com os dados provenientes dos sensores, permitindo que a estrutura se adapte às mudanças externas. Esse monitoramento ativo é aplicável não apenas a um sinal de entrada externo (por exemplo, pressão mecânica ou mudança de forma), mas também a mudanças nas características internas (por exemplo, dano ou falha). O escopo de aplicação é bastante amplo e inclui sistemas espaciais, aeronaves e helicópteros (controle de vibração, ruído, mudança de forma, distribuição de tensões e estabilidade aeroelástica), sistemas marinhos (navios e submarinos), bem como tecnologias de proteção.
Uma das tendências para reduzir a vibração (vibrações) que ocorre em sistemas estruturais é muito interessante. Sensores especiais (consistindo de cerâmicas piezoelétricas multicamadas) são colocados nos pontos mais tensos para detectar vibrações. Após analisar os sinais induzidos pela vibração, o microprocessador envia um sinal (proporcional ao sinal analisado) para o atuador, que responde com um movimento adequado capaz de inibir a vibração. O Escritório de Tecnologia de Aviação Aplicada do Exército dos Estados Unidos e a NASA testaram sistemas ativos semelhantes para reduzir as vibrações de alguns elementos do helicóptero CH-47, bem como dos aviões de cauda do caça F-18. O FDA já começou a integrar materiais ativos nas pás do rotor para controlar a vibração.
Em um rotor principal convencional, as pás sofrem de altos níveis de vibração causados pela rotação e todos os fenômenos relacionados. Por este motivo, e com o objetivo de reduzir as vibrações e facilitar o controle das cargas que atuam nas pás, foram testadas pás ativas com alta capacidade de flexão. Em um tipo especial de teste (denominado "circuito de torção embutido"), quando o ângulo de ataque muda, a lâmina é torcida ao longo de todo o seu comprimento graças ao composto de fibra ativa AFC (fibra eletrocerâmica embutida em uma matriz polimérica macia) integrado na estrutura da lâmina. As fibras ativas são empilhadas em camadas, uma camada acima da outra, nas superfícies superior e inferior da lâmina em um ângulo de 45 graus. O trabalho das fibras ativas cria uma tensão distribuída na lâmina, que causa uma curvatura correspondente em toda a lâmina, o que pode equilibrar a vibração do balanço. Outro teste (“ativação de oscilações discretas”) é caracterizado pelo amplo uso de mecanismos piezoelétricos (atuadores) para controle de vibração: atuadores são colocados na estrutura da lâmina para controlar a operação de alguns defletores localizados ao longo da borda de fuga. Assim, ocorre uma reação aeroelástica que pode neutralizar a vibração gerada pela hélice. Ambas as soluções foram avaliadas em um helicóptero CH-47D real em um teste chamado MiT Hower Test Sand.
O desenvolvimento de elementos estruturais morphing abre novas perspectivas no projeto de estruturas de maior complexidade, enquanto seu peso e custo são significativamente reduzidos. Uma redução acentuada nos níveis de vibração se traduz em: maior vida útil da estrutura, menos verificações de integridade estrutural, maior lucratividade dos projetos finais, visto que as estruturas estão sujeitas a menos vibração, maior conforto, melhor desempenho de voo e controle de ruído em helicópteros.
De acordo com a NASA, espera-se que nos próximos 20 anos, a necessidade de sistemas de aeronaves de alto desempenho que se tornarão mais leves e compactos exigirá o uso mais extenso de projetos de metamorfose.
Materiais de autocura
Os materiais autocuráveis pertencentes à classe dos materiais inteligentes são capazes de reparar de forma independente os danos causados por tensões mecânicas ou influências externas. No desenvolvimento desses novos materiais, sistemas naturais e biológicos (por exemplo, plantas, alguns animais, pele humana, etc.) foram usados como fonte de inspiração (na verdade, no início eram chamados de materiais biotecnológicos). Hoje, os materiais de autocura podem ser encontrados em compostos avançados, polímeros, metais, cerâmicas, revestimentos anticorrosivos e tintas. É dada particular ênfase à sua aplicação em aplicações espaciais (pesquisas em grande escala estão sendo realizadas pela NASA e a Agência Espacial Europeia), que se caracterizam por vácuo, grandes diferenças de temperatura, vibrações mecânicas, radiação cósmica, bem como para reduzir danos causada por colisões com detritos espaciais e micrometeoritos. Além disso, os materiais de autocura são essenciais para as indústrias de aviação e defesa. Compostos poliméricos modernos usados em aplicações aeroespaciais e militares são suscetíveis a danos causados por fogo mecânico, químico, térmico, inimigo ou uma combinação desses fatores. Como os danos dentro dos materiais são difíceis de notar e reparar, a solução ideal seria eliminar os danos que ocorreram nos níveis nano e micro e restaurar o material às suas propriedades e condições originais. A tecnologia é baseada em um sistema segundo o qual o material inclui microcápsulas de dois tipos diferentes, uma contendo um componente de autocura e outra um determinado catalisador. Se o material for danificado, as microcápsulas são destruídas e seu conteúdo pode reagir entre si, preenchendo o dano e restaurando a integridade do material. Assim, esses materiais contribuem enormemente para a segurança e durabilidade de compostos avançados em aeronaves modernas, ao mesmo tempo que elimina a necessidade de monitoramento ativo dispendioso ou reparo externo e / ou substituição. Apesar das características desses materiais, há necessidade de melhorar a manutenibilidade dos materiais utilizados pela indústria aeroespacial, sendo propostos nanotubos de carbono multicamadas e sistemas epóxi para essa função. Esses materiais resistentes à corrosão aumentam a resistência à tração e as propriedades de amortecimento dos compósitos e não alteram a resistência ao choque térmico. Também é interessante desenvolver um material compósito com uma matriz cerâmica - uma composição de matriz que converte cada molécula de oxigênio (penetrada no material como resultado do dano) em uma partícula de silício-oxigênio de baixa viscosidade, que pode fluir para o dano devido ao efeito capilar e preenchê-los. A NASA e a Boeing estão experimentando fissuras de autocura em estruturas aeroespaciais usando uma matriz de elastômero de polidimetilsiloxano com microcápsulas embutidas.
Os materiais de autocura são capazes de reparar danos fechando a lacuna ao redor do objeto perfurado. Obviamente, tais capacidades estão sendo estudadas no nível de defesa, tanto para blindagem de veículos e tanques, quanto para sistemas de proteção individual.
Os materiais de autocura para aplicações militares requerem uma avaliação cuidadosa das variáveis associadas a danos hipotéticos. Neste caso, o dano por impacto depende de:
- energia cinética devido ao projétil (massa e velocidade), - projetos de sistema (geometria externa, materiais, armadura) e
- análise da geometria de colisão (ângulo de encontro).
Com isso em mente, a DARPA e os Laboratórios do Exército dos EUA estão experimentando os materiais de autocura mais avançados. Em particular, as funções restauradoras podem ser iniciadas pela penetração de balas, onde o impacto balístico causa aquecimento localizado do material, tornando possível a autocura.
São muito interessantes os estudos e testes de vidros com autocura, nos quais as fissuras causadas por alguma ação mecânica são preenchidas com líquido. O vidro autorrecuperável pode ser utilizado na fabricação de para-brisas à prova de balas de veículos militares, o que permitiria aos soldados manter uma boa visibilidade. Ele também pode encontrar aplicação em outros campos, aviação, monitores de computador, etc.
Um dos maiores desafios do futuro é estender a vida útil de materiais avançados usados em elementos estruturais e revestimentos. Os seguintes materiais estão sendo investigados:
- materiais de autocura à base de grafeno (nanomaterial semicondutor bidimensional que consiste em uma camada de átomos de carbono), - resinas epóxi avançadas, - materiais expostos à luz solar, - microcápsulas anticorrosão para superfícies metálicas, - elastômeros capazes de suportar o impacto de bala, e
nanotubos de carbono usados como um componente adicional para melhorar o desempenho do material.
Um número significativo de materiais com essas características está sendo testado e investigado experimentalmente.
Saída
Por muitos anos, os engenheiros frequentemente propunham projetos conceitualmente promissores, mas não podiam implementá-los devido à inacessibilidade de materiais apropriados para sua implementação prática. Hoje, o principal objetivo é criar estruturas leves com excelentes propriedades mecânicas. O progresso moderno em materiais modernos (materiais inteligentes e nanocompósitos) desempenha um papel fundamental, apesar de toda a complexidade, quando as características são frequentemente muito ambiciosas e às vezes até contraditórias. No momento, tudo muda com uma velocidade caleidoscópica, para um novo material, cuja produção está apenas começando, há um próximo, no qual fazem experimentos e testam. A indústria aeroespacial e de defesa pode colher muitos benefícios desses materiais incríveis.
