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“Materiais Compósitos Inteligentes” – Potencial de aplicação em soluções de engenharia

15 mai 2017 Notícias

“Materiais Compósitos Inteligentes” – Potencial de aplicação em soluções de engenharia

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“Materiais Compósitos Inteligentes” – Potencial de aplicação em soluções de engenharia

Artigo de opinião de Paulo Antunes Critical Materials S.A

Materiais Inteligentes (Smart Materials) são aqueles capazes de responder, com alteração das suas propriedades intrínsecas, a um estímulo externo (tensão, deformação, temperatura, campo elétrico, campo magnético, etc…). Os materiais piezoelétricos, pela sua aplicação em tecnologia de sensorização e capazes de medir diferentes grandezas físicas (pressão, aceleração, deformação, etc…), são porventura aqueles com aplicação mais difundida no contexto da engenharia. No entanto, o leque de materiais inteligentes não se restringe aos materiais com características piezoelétricas e à capacidade intrínseca destes em gerarem corrente quando deformados mecanicamente ou alterarem a sua forma (deformando-se) quando uma diferença de potencial elétrico lhes é aplicada. Adicionalmente, merecem destaque no domínio dos materiais inteligentes: 1) os materiais (poliméricos ou metálicos) com efeito de memória de forma, cujas deformações podem ser induzidas (ou recuperadas) através da aplicação de campo térmico; 2) os materiais termoelétricos, cuja principal característica reside na conversão de um gradiente térmico numa corrente elétrica (efeito Seebeck), e vice-versa (efeito Peltier); 3) os materiais com características autorregeneráveis (Self-Healing) que permitem a “cura” do material através da regeneração local (por fenómenos intrínsecos ou extrínsecos ao material) da zona da fratura, e 4) os materiais com características magnetotérmicas que, quando expostos a um campo magnético oscilante, respondem com uma alteração (reversível) do campo térmico.

o leque de materiais inteligentes não se restringe aos materiais com características piezoelétricas e à capacidade intrínseca em gerar corrente quando deformados mecanicamente ou alterar a sua forma (deformando-se) quando uma diferença de potencial elétrico lhes é aplicada

No domínio mais aplicacional dos Smart Materials deverá ser salientada a sua aplicação na obtenção de estruturas/componentes com características de auto-sensorização (Self-Sensing). As características intrínsecas de fibras com capacidade de condução elétrica (p.e., carbono) e/ou matrizes dopadas com nano fibras de carbono (CNF), permitem dotar as estruturas com a capacidade de auto-sensorização, através da leitura da variação local da resistividade elétrica da fibra de reforço (ou da própria matriz), variação esta que é correlacionável com o campo de deformações local gerado no componente. O interesse no desenvolvimento de estruturas com características de auto-sensorização é evidente pois torna-se possível obter estruturas com uma elevadíssima resolução espacial de sensorização sem a necessidade de instalar equipamento de sensorização convencional, o que implicaria um número de sensores tal que seria fisicamente limitativo.

No domínio mais aplicacional dos Smart Materials deverá ser salientada a sua aplicação na obtenção de estruturas/componentes com características de auto-sensorização (Self-Sensing)

A Critical Materials S.A. (CMT) tem vindo a desenvolver trabalho no domínio dos materiais Self-Sensing, para a deteção, localização e avaliação da severidade de danos estruturais, provocados por cargas de impacto em estruturas aeronáuticas. Na Figura 1 é possível visualizar um protótipo de estrutura compósita auto-sensorizada utilizado para a deteção e localização de dano estrutural.

Protótipo de componente compósito
Figura 1 – Protótipo de componente compósito (reforçado com fibras de carbono) com características self-sensing.
No domínio da sensorização embebida, é de realçar o trabalho de investigação que está a ser realizado no sentido da obtenção de fibras piezoelétricas que permitirão, tal como já sucede com a utilização de fibras óticas (ver Figura 2), a monitorização de deformações e, adicionalmente, atuar mecanicamente sobre a estrutura de forma a ajustar de maneira ótima a sua forma geométrica ao desempenho pretendido (morphing estrutural).


Figura 2 – Secção transversal de laminado de fibra com fibra ótica embebida, in: (Department of Aerospace Engineering, TMU, 2017).
Figura 3 – Esquema de fibra piezoelétrica de secção circular e retangular, in: (Zheng Wang, 2011).
Figura 3 – Esquema de fibra piezoelétrica de secção circular e retangular, in: (Zheng Wang, 2011).
No domínio dos materiais autorregeneráveis com processos de regeneração extrínsecos, é importante salientar a importância da aplicação de fibras ocas na conceção de estruturas vasculares transportadora de agentes de reticulação e de iniciação da reação de cura, para uma efetiva regeneração da zona danificada. Na Figura 4 é visível a fibra transportadora de agente de reticulação e a sua disposição no núcleo do laminado de fibra. É importante salientar que os métodos para a obtenção de um material compósito (de matriz termoplástica ou termoendurecível) reforçado com fibras são baseados, quase exclusivamente, em sistemas extrínsecos (sistemas vasculares ou sistemas baseados em cápsulas contendo agente de cura).

é importante salientar a importância da aplicação de fibras ocas na conceção de estruturas vasculares transportadora de agentes de cura e de iniciação de reação, para uma efetiva regeneração da zona danificada

Figura 4b - Fibras ocas embedidas no laminado de fibras de carbono, in: (Trask RS, 2007)
No domínio dos materiais com processo de autorregeneração intrínseco (normalmente com propriedades mecânicas inferiores) é de salientar a importância que as fibras de reforço possuem para assegurar um comportamento mecânico compatível com as solicitações de serviço. Recentemente, a CMT participou num projeto europeu (www.selfhealingelastomers.eu/) cujos principais objetivos passaram pela criação e posterior caracterização mecânica (e modelação numérica) de um elastómero com capacidade intrínseca de autorregeneração (através da interação de cadeias moleculares com ligações não-covalentes), onde fibras de aramida foram consideradas para incorporação no material de base, de forma a proceder-se à otimização (aumento do módulo de elasticidade inicial e tensão de rotura) das características mecânicas do material, sem comprometer significativamente a sua capacidade de autorregeneração.

o caráter multifísico desta família de materiais implica um conhecimento agregado em ciência de materiais, modelação numérica e engenharia eletrónica que é importante dominar, de forma a promover uma adequada utilização desta tipologia de materiais em soluções de engenharia

Como evidenciado anteriormente, o campo de aplicação dos materiais inteligentes em soluções de engenharia é vasto e, do meu ponto de vista, especialmente indicado para a utilização em estruturas de desempenho crítico. De facto, as características de um material inteligente permitem, entre outro aspetos, a sua auto-sensorização, o controlo/otimização da geometria (morphing) e, em eventual caso de dano, a sua autorregeneração e consequente inibição de precursor de uma eventual falha estrutural catastrófica. No entanto, a incorporação destes materiais em estruturas/componentes em condições de serviço coloca novos desafios em termos de engenharia. De facto, o carácter multifísico desta família de materiais implica um conhecimento agregado em ciência de materiais, modelação numérica e engenharia eletrónica que é importante dominar, de forma a promover uma adequada utilização desta tipologia de materiais em soluções de engenharia.

o campo de aplicação dos materiais inteligentes em soluções de engenharia é vasto e, do meu ponto de vista, especialmente indicado para a utilização em estruturas de desempenho crítico

Referências
Department of Aerospace Engineering, TMU. (2017). TMU-TMG-JAXA Join Project. Retrieved from http://aeronautics.sd.tmu.ac.jp/en/research_facilities/structures.html
Trask RS, W. H. (2007). Self-healing polymer composites: mimicking nature to enhance performance. Bioinspiration & Biomimetics, 2(1)
Zheng Wang, N. C. (2011). Piezoelectric fibers for sensing and actuation at ultrasonic and audio frequencies. Retrieved from http://www.rle.mit.edu/media/pr152/39_PR152.pdf

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