‘Nano pontos’ permitem materiais compósitos mais leves e resistentes

Para economizar combustível e reduzir as emissões das aeronaves, os engenheiros procuram construir aviões mais leves e mais fortes a partir de compósitos avançados. Esses materiais projetados são feitos de fibras de alto desempenho incorporadas em folhas de polímero. As folhas podem ser empilhadas e prensadas em um material multicamadas e transformadas em estruturas extremamente leves e duráveis.

Mas os materiais compósitos têm uma vulnerabilidade principal: o espaço entre as camadas, que normalmente é preenchido com “cola” de polímero para unir as camadas. No caso de um impacto ou golpe, as fissuras podem facilmente espalhar-se entre as camadas e enfraquecer o material, mesmo que não haja danos visíveis nas próprias camadas. Com o tempo, à medida que essas rachaduras ocultas se espalham entre as camadas, o compósito pode desmoronar repentinamente sem aviso prévio.

Agora, os engenheiros do MIT mostraram que podem evitar que fissuras se espalhem entre camadas compostas, usando uma abordagem que desenvolveram chamada “nano costura”, na qual depositam florestas microscópicas de nanotubos de carbono cultivadas quimicamente entre camadas compostas. As fibras minúsculas e densamente compactadas prendem e mantêm as camadas unidas, como velcro ultraforte, evitando que as camadas se descasquem ou se separem.

Em experimentos com um compósito avançado conhecido como laminado de fibra de carbono de camada fina, a equipe demonstrou que as camadas unidas com nano costura melhoraram a resistência do material a rachaduras em até 60% em comparação com compósitos com polímeros convencionais. Os pesquisadores dizem que os resultados ajudam a resolver a principal vulnerabilidade dos compósitos avançados.

“Assim como a massa folhada se desfaz, as camadas de compósitos podem se separar porque essa região interlaminar é o calcanhar de Aquiles dos compósitos”, diz Brian Wardle, professor de aeronáutica e astronáutica no MIT. “Estamos mostrando que a nano costura torna esta região normalmente fraca tão forte e resistente que uma rachadura não crescerá ali. Portanto, poderíamos esperar que a próxima geração de aeronaves tivesse compósitos unidos com este nano-Velcro para tornar as aeronaves mais seguras e têm maior longevidade.”

Wardle e seus colegas publicaram seus resultados na revista Materiais e interfaces aplicados ACS. O primeiro autor do estudo é a ex-aluna visitante de graduação e pós-doutorado do MIT Carolina Furtado, juntamente com Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen e Pedro Camanho.

Crescimento florestal

No MIT, Wardle é diretor do Nestled (pronuncia-se “próximo laboratório”), onde ele e seu grupo desenvolveram pela primeira vez o conceito de nano costura. A abordagem envolve “cultivar” uma floresta de nanotubos de carbono alinhados verticalmente – fibras ocas de carbono, cada uma tão pequena que dezenas de milhares de milhões de nanotubos podem ficar numa área menor do que uma unha.

Para cultivar os nanotubos, a equipe usou um processo de deposição química de vapor para reagir com vários catalisadores em um forno, fazendo com que o carbono se depositasse em uma superfície como suportes minúsculos, semelhantes a cabelos. Os suportes são eventualmente removidos, deixando para trás uma floresta densamente compactada de rolos microscópicos e verticais de carbono.

O laboratório já havia demonstrado que as florestas de nanotubos podem ser cultivadas e aderidas a camadas de material compósito e que este composto reforçado com fibra melhora a resistência geral do material. Os pesquisadores também observaram alguns sinais de que as fibras poderiam melhorar a resistência do compósito às rachaduras entre as camadas.

Em seu novo estudo, os engenheiros analisaram mais profundamente a região entre camadas em compósitos para testar e quantificar como a nano costura melhoraria a resistência da região a rachaduras. Em particular, o estudo concentrou-se num material compósito avançado conhecido como laminados de fibra de carbono de camadas finas.

“Esta é uma tecnologia emergente de compósitos, em que cada camada, ou camada, tem cerca de 50 mícrons de espessura, em comparação com camadas compostas padrão de 150 mícrons, que é aproximadamente o diâmetro de um fio de cabelo humano. Há evidências que sugerem que elas são melhores que o padrão. E queríamos ver se poderia haver sinergia entre nossa nano costura e essa tecnologia de camadas finas, uma vez que poderia levar a aeronaves mais resilientes, estruturas aeroespaciais de alto valor e veículos espaciais e militares”, diz Wardle.

Aperto de velcro

As experiências do estudo foram lideradas por Carolina Furtado, que aderiu ao esforço no âmbito do programa MIT-Portugal em 2016, deu continuidade ao projeto como pós-doutoranda e hoje é professora na Universidade do Porto em Portugal, onde a sua investigação se centra na modelação rachaduras e danos em compósitos avançados.

Em seus testes, Furtado usou as técnicas de deposição química de vapor do grupo para cultivar florestas densamente compactadas de nanotubos de carbono alinhados verticalmente. Ela também fabricou amostras de laminados de fibra de carbono de camadas finas. O compósito avançado resultante tinha cerca de 3 milímetros de espessura e compreendia 60 camadas, cada uma feita de fibras horizontais rígidas incorporadas em uma folha de polímero.

Ela transferiu e aderiu a floresta de nanotubos entre as duas camadas intermediárias do compósito e depois cozinhou o material em autoclave para curar. Para testar a resistência à fissuração, os pesquisadores colocaram uma fissura na borda do compósito, logo no início da região entre as duas camadas intermediárias.

“Nos testes de fratura, sempre começamos com uma trinca porque queremos testar se e até que ponto a trinca se espalhará”, explica Furtado.

Os pesquisadores então colocaram amostras do compósito reforçado com nanotubos em uma configuração experimental para testar sua resiliência à “delaminação”, ou o potencial de separação das camadas.

“Há muitas maneiras de obter precursores de delaminação, como impactos, como queda de ferramenta, colisão com pássaros, levantamento de pista em aeronaves, e pode haver quase nenhum dano visível, mas internamente há delaminação”, diz Wardle. “Assim como um ser humano, se você tem uma fratura em um osso, não é bom. Só porque você não pode ver, não significa que não esteja afetando você. E os danos nos compósitos são difíceis de inspecionar.”

Para examinar o potencial da nano costura para evitar a delaminação, a equipe colocou suas amostras em uma configuração para testar três modos de delaminação, nos quais uma rachadura poderia se espalhar pela região entre as camadas e separar as camadas ou fazer com que deslizassem umas contra as outras ou um combinação de ambos. Todos esses três modos são as formas mais comuns pelas quais os compósitos convencionais podem lascar e desmoronar internamente.

Os testes, nos quais os investigadores mediram com precisão a força necessária para descascar ou cortar as camadas do compósito, revelaram que a nanocostura se manteve firme e que a fissura inicial que os investigadores fizeram não conseguiu espalhar-se ainda mais entre as camadas. As amostras nano-costuradas eram até 62% mais resistentes e resistentes a rachaduras, em comparação com o mesmo material compósito avançado que foi mantido unido com polímeros convencionais.

“Esta é uma nova tecnologia composta, turbinada pelos nossos nanotubos”, diz Wardle.

“Os autores demonstraram que camadas finas e nanocostura juntas aumentaram significativamente a resistência”, diz Stephen Tsai, professor emérito de aeronáutica e astronáutica na Universidade de Stanford. “Os compósitos são degradados pela sua fraca resistência interlaminar. Qualquer melhoria mostrada neste trabalho aumentará o projeto permitido e reduzirá o peso e o custo da tecnologia de compósitos.”

Os pesquisadores prevêem que qualquer veículo ou estrutura que incorpore compósitos convencionais possa se tornar mais leve, mais resistente e mais resistente com a nano costura.

“Você poderia ter reforço seletivo de áreas problemáticas, para reforçar furos ou juntas aparafusadas, ou locais onde possa ocorrer delaminação”, diz Furtado. “Isso abre uma grande janela de oportunidade.”

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.