Tecnologia não convencional aprimora compósitos importantes para as indústrias automotiva, aeroespacial e de energia renovável
Este gráfico mostra uma abordagem não convencional para tornar os materiais compósitos amplamente utilizados mais fortes e resistentes. As fibras termoplásticas são depositadas como teias de aranha no topo das fibras rígidas para formar quimicamente uma rede de suporte com uma matriz circundante ou substância aglutinante. Crédito:Adam Malin/ORNL, Departamento de Energia dos EUA Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia desenvolveram um método que demonstra como os materiais compósitos poliméricos reforçados com fibra usados nas indústrias automotiva, aeroespacial e de energia renovável podem ser tornados mais fortes e resistentes para melhor suportar tensões mecânicas ou estruturais ao longo do tempo.
O artigo que detalha esta pesquisa, intitulado "Enhancing Composite Toughness Through Hierarchical Formation", foi publicado na Advanced Science e aparece na capa interna da revista.
Os compósitos já têm muitas coisas boas a seu favor. Eles são fortes e leves em relação aos seus equivalentes metálicos. Eles também são resistentes à corrosão e à fadiga e podem ser adaptados para atender a requisitos específicos de desempenho industrial. No entanto, eles são vulneráveis a danos causados por deformação porque dois materiais diversos – fibras rígidas e uma matriz macia, ou uma substância aglutinante – são combinados para produzi-los. A interfase entre os dois materiais deve ser melhorada devido à sua influência nas propriedades mecânicas globais dos compósitos.
Sumit Gupta, do ORNL, disse que a equipe de pesquisa depositou nanofibras termoplásticas como teias de aranha para criar quimicamente uma rede de suporte que fortalece a interfase. A sua técnica difere dos métodos convencionais de revestimento das superfícies das fibras com polímeros ou de fornecimento de uma estrutura rígida para melhorar a ligação entre a fibra e a matriz, que se revelaram ineficientes e dispendiosos.
Gupta disse que ele e a equipe selecionaram cuidadosamente as nanofibras e o material da matriz para criar andaimes ou pontes de grande área superficial como uma via de transferência de carga, um mecanismo através do qual a tensão é passada entre as fibras de reforço e o material da matriz circundante.
“Nosso processo permite que o material resista a maiores tensões. Ao usar essa abordagem simples, escalonável e de baixo custo, conseguimos aumentar a resistência dos compósitos em quase 60% e sua tenacidade em 100%”, disse ele.
Compósitos fabricados com esse avanço poderiam melhorar inúmeras coisas aplicadas em nosso dia a dia, desde veículos até aeronaves.
"Assim que conhecemos a ciência básica e a química por trás do que desenvolvemos, ficamos confiantes de que tínhamos uma tecnologia aplicada valiosa", disse Christopher Bowland, do ORNL. "O pioneirismo em novas tecnologias e a compreensão da ciência fundamental são um aspecto do trabalho que fazemos. Ainda assim, outra faceta da pesquisa aplicada é explorar como a tecnologia pode ser traduzida para aplicações do mundo real para beneficiar a sociedade. Trabalhar com a equipe de Transferência de Tecnologia do ORNL, um foi registrada uma patente sobre esta pesquisa para potencialmente traduzir a tecnologia para parceiros comerciais."
Bowland disse que pesquisas futuras residem em diferentes sistemas de fibras e matrizes que possuem grupos químicos compatíveis, e os pesquisadores planejam realizar mais estudos nas próprias nanofibras para aumentar sua resistência.
Este estudo faz parte do recém-criado Composites Core Program 2.0 do Programa de Tecnologia de Materiais do Escritório de Tecnologias de Veículos do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, ou VTO-EERE. O programa, liderado pelo ORNL juntamente com os laboratórios participantes Pacific Northwest National Laboratory e National Renewable Energy Laboratory, se esforça para aumentar a eficiência dos veículos por meio do desenvolvimento de materiais avançados.
“Um caminho para atingir o objetivo do programa é substituir componentes de aço mais pesados por compósitos de fibra de carbono, que atualmente oferecem o melhor potencial de redução de peso”, disse Amit Naskar, líder do grupo Carbon and Composites do ORNL. "O desenvolvimento de interfases mais fortes e resistentes em compósitos reforçados com fibra de alto desempenho pode reduzir a fração de volume da fibra com melhor redução de massa e subsequente economia das estruturas compósitas."
A equipe de pesquisa usou recursos das instalações de usuário de Computação e Ciência de Dados do ORNL para estudos computacionais para compreender as forças de ligação fundamentais. A equipe também empregou microscopia de força atômica no Center for Nanophase Materials Sciences, ou CNMS, para caracterizar a rigidez ou rigidez da interfase projetada. O CNMS é uma instalação de usuário do DOE Office of Science no ORNL.
