Tirando a fabricação de aeronaves de dentro dos fornos de cura

Nova técnica usa película de nanotubos de carbono para aquecer diretamente e curar materiais compósitos.

Os materiais compósitos usados em asas de aviões e fuselagens normalmente são fabricados em grandes fornos industriais: múltiplas camadas de polímero são aquecidas a temperaturas de até 400°C e se tornam um material sólido e resistente. Para essa técnica é necessária uma energia considerável, primeiro para aquecer o forno, em seguida o gás em torno dele e, finalmente, o composto em si.

Engenheiros aeroespaciais do MIT desenvolveram um filme de nanotubos de carbono (carbon nanotube - CNT) que ajuda no processo de cura na fabricação com materiais compósitos, sem precisar de fornos enormes. Quando conectado a uma fonte de energia elétrica e envolvido sobre um polímero de múltiplas camadas, o filme se aquece e estimula a solidificação deste.

Quando ligada a uma fonte de tensão, a película gera calor e cura compósitos
sem a necessidade de grandes fornos comerciais.
Imagem: Jose-Luis Olivares/ MIT
O grupo testou o filme em fibra de carbono comum, utilizado em componentes de aeronaves, e descobriram que o filme havia criado um compósito tão forte quanto o fabricado em fornos convencionais - utilizando apenas 1% da energia.

A nova abordagem "out-of-oven" (fora do forno) pode oferecer um método mais direto e eficiente para a fabricação de praticamente qualquer composto industrial, diz Brian L. Wardle, professor associado de aeronáutica e astronáutica no MIT.

"Normalmente, se você precisa cozinhar uma fuselagem para um Airbus A350 ou Boeing 787, você usa um forno de quatro andares que custa dezenas de milhões de dólares em infraestrutura que você não precisa", diz Wardle. "Nossa técnica coloca o calor onde é necessário, em contato direto com a parte que está sendo montada. Pense nisso como uma pizza que se autoaquece. Em vez de um forno, basta ligar a pizza na parede e ele cozinha".


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Wardle diz que o filme de nanotubos de carbono também é incrivelmente leve: depois que fundiu as camadas de polímero subjacentes, o filme em si - uma fração do diâmetro de um fio de cabelo humano - adere ao compósito, acrescentando peso insignificante.

A pesquisa foi publicada na revista ACS Applied Materials e Interfaces.

Nanotubos de carbono descongeladores

Wardle e seus colegas têm feito experiências com filmes CNT nos últimos anos, principalmente para degelo de asas de avião. A equipe reconhece que, em adição ao seu peso insignificante, nanotubos de carbono aquecem de forma eficiente quando expostos a uma corrente elétrica.

Primeiro, o grupo desenvolveu uma técnica para criar um filme de nanotubos de carbono alinhados, composto por minúsculos tubos de carbono cristalino, em pé como árvores em uma floresta. Os pesquisadores usaram uma barra para rolar a "floresta" de forma plana, criando um filme denso de nanotubos de carbono alinhados.

Em experimentos, Wardle e sua equipe integraram o filme em asas de avião por meio de métodos de cura convencionais à base de forno, mostrando que quando a tensão foi aplicada o filme gerou calor, prevenindo a formação de gelo.

Os testes de degelo inspiraram uma pergunta: Se o filme CNT poderia gerar calor, por que não usá-lo para fazer o próprio composto?

Quão quente pode chegar?

Em experimentos iniciais, os pesquisadores investigaram o potencial do filme para fundir dois tipos de compostos de padrão aeroespacial, tipicamente usado em asas de aviões e fuselagens. Normalmente, o material, composto por cerca de 16 camadas, é solidificado em um forno industrial de alta temperatura.

Os pesquisadores fabricaram um filme CNT do tamanho de um post-it e colocaram o filme sobre um quadrado de Cycom 5320-1. Eles conectaram eletrodos à película, em seguida, aplicaram uma corrente para aquecer tanto a película quanto o polímero subjacente nas camadas compósitas do Cycom.

A equipe mediu a energia necessária para solidificar as camadas de polímero e fibra de carbono, descobrindo que o filme CNT usou um centésimo da energia necessária para curar o compósito em métodos baseados em fornos tradicionais. Ambos os métodos geraram compósitos com propriedades semelhantes, tais como a densidade de reticulação.

Wardle diz que os resultados motivaram o grupo a testar ainda mais o filme CNT: como diferentes compósitos necessitam de diferentes temperaturas para fundir, os pesquisadores se ativeram a ver se o filme CNT poderia resistir a estas temperaturas.

"Em algum momento, os aquecedores fritam", diz Wardle. "Eles oxidam, ou falham de diferentes formas. O que queríamos era ver o quão quente este material poderia ir", fala.

Para fazer isso, o grupo testou a capacidade do filme para gerar temperaturas cada vez mais altas e descobriu que ele pode chegar a mais de 537°C. Para a solidificação dos polímeros aeroespaciais que demandam maiores temperaturas, são necessários aproximadamente 400°C.

"Nós podemos processar a essas temperaturas, o que significa que não há compósito que não possamos processar", diz Wardle. "Isso realmente abre todos os materiais poliméricos para esta tecnologia", completa.

A equipe está trabalhando com parceiros da indústria para encontrar maneiras de ampliar a tecnologia para fabricação de compósitos grandes o suficiente para fazer fuselagens e asas de avião.

*Tradução livre CIMM, texto original e na íntegra aqui.




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