Materiais Aeroespaciais: Alumínio e Compósitos

Há alguns observadores da aviação que prevêem compostos e titânio, que governará o poleiro quando se trata de estruturas e fuselagens aeroespaciais. Mas isso parece bastante improvável. O alumínio ainda é leve, tecnicamente avançado em termos de formação e ligas, e tem um custo relativamente baixo, especialmente quando comparado ao titânio e aos compósitos.

A Alcoa, por exemplo, prevê que 6% a mais de alumínio será usado em aviões em 2013 em comparação a 2011. A empresa, grande produtora de alumínio, também aponta que a atual frota de aviões e jatos militares são grandes usuários de alumínio e mais novos. projetos continuam a especificar lotes de alumínio. O Airbus A380, um dos maiores aviões de passageiros do mundo, contém 10 vezes a quantidade de alumínio usada no Airbus A320. E o 787 Dreamliner da Boeing, que é frequentemente descrito como uma aeronave composta, contém 20% de alumínio (em peso) que inclui o alumínio 7085, uma liga de alumínio relativamente nova.

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Outros segmentos da indústria aeronáutica também continuam a usar o alumínio em vez de compostos. Um jato regional sendo desenvolvido na Mitsubishi, por exemplo, inicialmente seria equipado com asas compostas. Eventualmente, a empresa admitiu que iria com asas de alumínio e eles seriam "uma solução global melhor". E a Mitsubishi fornece compostos para fabricantes de aeronaves comerciais.

Mesmo em jatos militares de alto desempenho, o alumínio continua tendo um papel significativo. Por exemplo, o alumínio é usado extensivamente no J-35 Joint Strike Fighter. Ela compõe seis anteparos forjados que formam a maior parte da estrutura da aeronave que suporta o peso.

Características do alumínio: Embora leve, o alumínio comercialmente puro tem uma resistência à tração de cerca de 13.000 psi. O trabalho a frio do metal praticamente dobra sua força. O alumínio geralmente é ligado com elementos como manganês, silício, cobre, magnésio ou zinco para aumentar ainda mais a resistência. As ligas podem ser fortalecidas pelo trabalho a frio. Algumas ligas são reforçadas e endurecidas por tratamentos térmicos. Em temperaturas abaixo de zero, o alumínio é mais forte do que a temperatura ambiente e não é menos dúctil. A maioria das ligas de alumínio perde força a temperaturas elevadas, embora algumas retenham uma resistência significativa a 500 ° F.

Além de uma alta relação resistência / peso e boa conformabilidade, o alumínio também possui seu próprio mecanismo anticorrosivo. Quando exposto ao ar, o alumínio forma um revestimento de óxido microscópico duro, que sela o metal do ambiente. A forte ligação química do óxido é a razão pela qual o alumínio não é encontrado na natureza; existe apenas como um composto.

Alumínio e suas ligas, numeradas às centenas, estão disponíveis em todas as formas comerciais comuns. A folha de liga de alumínio pode ser formada, desenhada, estampada ou fiada. Muitas ligas de alumínio forjado ou fundido podem ser soldadas, brasadas ou soldadas, e as superfícies de alumínio aceitam prontamente uma ampla variedade de acabamentos, mecânicos e químicos. Por causa de sua alta condutividade elétrica, as ligas de alumínio são usadas como condutores elétricos. O alumínio reflete a energia radiante em todo o espectro, e não é estacionado e não é magnético.

A liga de alumínio mais comum usada na indústria aeroespacial é a 7075, que tem o zinco como elemento primário de liga. É forte, com resistência comparável a muitos aços, e tem boa resistência à fadiga e usinabilidade média, mas tem menos resistência à corrosão do que muitas outras ligas de alumínio. Sua composição química inclui aproximadamente 5,6-6,1% de zinco, 2,1-2,5% de magnésio, 1,2-1,6% de cobre e menos de meio por cento de silício, ferro, manganês, titânio, cromo e outros metais. É comumente produzido em vários graus de temperamento térmico.

Compósitos com matriz de alumínio: Compósitos com matriz de metal (MMCs) consistem em ligas metálicas reforçadas com fibras, bigodes, partículas ou arames. Ligas de numerosos metais (alumínio, titânio, magnésio e cobre) têm sido usadas como matrizes até hoje. No Space Shuttle da NASA, por exemplo, 240 hastes são feitas de alumínio reforçado com fibras de boro.

Alumínio superplástico: A formação de metais superplásticos, um processo semelhante a folhas plásticas formadoras de vácuo, tem sido usada para formar alumínio de baixa resistência em peças não estruturais, como caixas registradoras, compartimentos de bagagem para trens de passageiros e componentes de aeronaves sem carga. Mas liga de alumínio de alta resistência superplástica-formable, um desenvolvimento relativamente recente, está disponível para aplicações estruturais e designada 7475-02. A resistência da liga 7475 está na faixa da liga aeroespacial 7075, que requer operações de conformação convencionais. Embora o custo inicial de 7475 seja maior, o custo da peça acabada é geralmente menor que o da 7075, devido à economia envolvida no projeto e montagem simplificados.

Composites

Nos primeiros dias de compósitos, fibras de vidro foram usadas para fortalecer uma matriz de resina epóxi. Este vidro reforçado com plástico (GRP) foi usado para radomes e lâminas de helicópteros, mas encontrou uso limitado em aviões por causa de sua baixa rigidez. Na década de 1960, novos reforços de fibra foram introduzidos, incluindo o Kevlar, um aramida com a força das fibras de vidro, mas mais rígido. Hoje, as fibras de carbono são o reforço preferido dos compósitos aeroespaciais.

As fibras de carbono nos compósitos aeroespaciais podem ser longas e contínuas, ou curtas e fragmentadas, e podem ser direcionadas ou orientadas aleatoriamente. Em geral, as fibras curtas custam menos e os custos de fabricação são menores. Mas, como acontece com o vidro, as propriedades dos compósitos resultantes são mais baixas do que as feitas com fibras mais longas ou contínuas.

As fibras trituradas são as fibras de carbono mais curtas usadas para reforço. Eles variam em comprimento de 30 a 3.000 microns, com uma média de aproximadamente 300 microns. A média da razão L / D (comprimento para diâmetro) é 30. Fibras curtas cortadas com uma relação L / D de cerca de 800 aumentos de resistência e módulo de compósitos mais do que as fibras moídas. O custo de um composto de moldagem reforçado com fibras curtas é cerca de duas vezes o de um contendo fibras de carbono moídas.

Fibras longas cortadas (até duas polegadas de comprimento) são frequentemente