Saiba mais sobre compósitos de fibra de aramida, incluindo resistência ao impacto, leveza, rigidez, resistência à abrasão e principais aplicações militares e industriais.
A fibra de aramida, também conhecida como "poli(p-fenileno tereftalamida)", possui excelentes propriedades, como resistência ultra-alta, alto módulo, resistência a altas temperaturas, resistência a ácidos e álcalis e peso leve. A fibra de aramida foi desenvolvida e comercializada com sucesso na década de 1960 pela DuPont (sob o nome comercial Kevlar) e, portanto, antes do advento da fibra de carbono, a fibra de aramida dominava o mercado de fibras de alto desempenho.
1. Uma breve história do desenvolvimento da fibra de aramida
Na década de 1960, a DuPont foi a primeira empresa no mundo a introduzir e produzir fibra de aramida sob a marca registrada Kevlar. A fibra de aramida é vendida no mercado desde 1973. A aramida foi descoberta por uma química polaca, Stephanie Kwolek, que conduzia pesquisas na esperança de encontrar um material leve e excepcionalmente forte para substituir o náilon na fabricação de pneus.
A inventora da fibra Kevlar – a química polonesa Stephanie Kwolek
Hoje, o material compósito de aramida mais famoso é a fibra Kevlar da DuPont. Com o tempo, outros fornecedores também forneceram aramida sob diferentes nomes comerciais, incluindo: Nomex da DuPont, Twaron e Technora da Teijin do Japão, Arawin da Toray da Coreia do Sul, Kolon da Heracron da Coreia do Sul e alguns produtos de empresas chinesas.
Portanto, qualquer material chamado Kevlar, Twaron ou Nomex, na verdade, refere-se à aramida, que possui propriedades especiais, incluindo excelente resistência ao impacto e à abrasão, resistência a altas temperaturas e baixo peso. Devido a essas características, esse material é frequentemente utilizado no exército, força aérea, esportes aquáticos e automobilismo, bem como na fabricação de pneus, roupas, luvas de proteção e muitas outras aplicações.
Luvas de proteção feitas de material de fibra de aramida
2.1 Alto Impacto e Resistência a Rachaduras
A fibra de aramida possui excelente resistência ao impacto e não racha sob pressão devido à sua tenacidade e capacidade de absorver grande quantidade de energia. É amplamente utilizado na fabricação de coletes à prova de balas, barcos, caiaques e armaduras para componentes de veículos militares. A resistência ao impacto dos compósitos de fibra de aramida é cinco vezes maior que a dos compósitos de fibra de carbono (testado usando o método de impacto por queda de peso). Esta extraordinária resistência ao impacto ou capacidade à prova de balas deve-se às longas cadeias atómicas que formam a estrutura de aramida.
Dadas as suas excelentes propriedades de resistência ao impacto, as fibras de aramida são amplamente utilizadas em aplicações militares para a fabricação de coletes à prova de balas e materiais de blindagem de tanques. Os coletes à prova de balas são normalmente feitos de um material composto por dezenas de camadas de aramida (como o Kevlar), com uma placa de cerâmica incluída entre duas camadas. Os escudos de proteção usados em alguns veículos blindados são feitos de aço-aramida, que podem suportar mísseis antitanque de até 700 mm de diâmetro.
As fibras de aramida são amplamente utilizadas em coletes à prova de balas.
Além disso, além de proteger o próprio tanque, o escudo aço-aramida-aço também protege a tripulação, absorvendo a energia cinética gerada pelos mísseis penetrantes. Outra aplicação do Kevlar está no Boeing AH-64, um helicóptero de ataque militar dos EUA equipado com pás de rotor Kevlar. Aqui, o Kevlar oferece proteção contra balas de até 23 mm de diâmetro.
As fibras de aramida fornecem proteção à prova de balas para helicópteros.
Devido à sua alta resistência ao impacto, o Kevlar é amplamente utilizado na construção de barcos e caiaques, como nos cascos de iates projetados para a Volvo Ocean Race, um dos desafios esportivos mais exigentes. A maioria dos caiaques de alto desempenho para esportes aquáticos são feitos de fibras de aramida ou materiais compostos de fibra de carbono/fibra de aramida.
As fibras de aramida protegem os caiaques contra danos.
2.2 Baixa Densidade/Baixo Peso
As fibras de aramida possuem peso extremamente baixo, o que é uma vantagem na fabricação de materiais compósitos. Embora os próprios compósitos de fibra de carbono sejam considerados muito leves, os compósitos de fibra de aramida são aproximadamente 20% mais leves que os compósitos de fibra de carbono. O uso de tecido de aramida em materiais compósitos aumenta a resistência ao impacto e ao desgaste e reduz o peso dos componentes compósitos.
A densidade da fibra de aramida é de aproximadamente 1,45 g/cm³, enquanto a densidade do material compósito de aramida-resina epóxi é de aproximadamente 1,3 g/cm³. Este cálculo é baseado na densidade mista de resina epóxi e endurecedor (~1,1 g/cm³) e na tecnologia avançada utilizada na produção de materiais compósitos, nomeadamente pré-impregnado para autoclave. Enquanto os compósitos de fibra de carbono, geralmente considerados muito leves, têm densidade de aproximadamente 1,55 g/cm³, os compósitos de fibra de aramida são 20% mais leves.
Como o peso dos compósitos de fibra de aramida se compara ao dos metais? O alumínio tem 2,7 g/cm³, o titânio tem 4,5 g/cm³ e o aço tem 7,9 g/cm³. Portanto, os compósitos de fibra de aramida são duas vezes mais leves que o alumínio, três ou quatro vezes mais leves que o titânio e seis vezes mais leves que o aço.
2.3 Rigidez Moderada, Entre Fibra de Vidro e Fibra de Carbono
Os compósitos de fibra de aramida têm maior rigidez que os compósitos de fibra de vidro, mas são significativamente inferiores aos compósitos de fibra de carbono. Semelhante às fibras de carbono, as fibras de aramida vêm em vários tipos, incluindo fibras de módulo padrão, médio e alto, que oferecem diferentes rigidez e resistência.
A rigidez de diferentes tipos de fibras é mostrada abaixo:
Tecido de fibra de vidro – de 72 GPa (vidro E padrão) a 87 GPa (tecido de vidro de resistência reforçada com S);
Tecido de fibra de carbono – de 230 GPa (Toray T300) a 588 GPa (Toray HM grau M60J);
Tecido de fibra de aramida – de 96 GPa (aramida padrão, ou seja, Kevlar 129) a 186 GPa (aramida usada na indústria aeronáutica/aeroespacial, ou seja, Kevlar 149).
Em resumo, os compósitos de aramida feitos de tecidos padrão têm uma rigidez 30-40% maior do que os compósitos de fibra de vidro, mas são 50% mais baixos em comparação com os compósitos de fibra de carbono.
2.4 Resistência à Abrasão
Os compósitos de fibra de aramida têm sido amplamente utilizados em componentes propensos ao desgaste, como placas de proteção que protegem motores de carros de corrida. A aramida é comumente utilizada nas indústrias extrativas (como mineração) para reforçar correias transportadoras de borracha, garantindo maior resistência e resistência à abrasão. Segundo o fabricante do Kevlar, esse reforço pode aumentar a resistência à abrasão em 50-70%. Devido a essas propriedades, o material pode ser utilizado em compósitos e também em vestuário de trabalho, como luvas de segurança resistentes a cortes em tecidos de aramida como Twaron ou Kevlar. 2.5 Baixa Constante Dielétrica
Os compósitos de fibra de aramida têm uma constante dielétrica baixa de aproximadamente 3,85 (a 10 GHz), garantindo boa penetração e resistência do sinal através da capa protetora/radome de aramida. Este tipo de antena é amplamente utilizado para fins militares, como em aeronaves militares.
Fibras de aramida usadas em radomes militares
Invólucros/radomes compostos de fibra de aramida protegem as antenas contra danos e garantem um bom desempenho do sinal. Em contraste, os compostos de fibra de vidro E oferecem uma constante dielétrica de 6,1 (a 10 GHz), resultando em uma redução de 60% na potência e no desempenho do sinal da antena. Além da aramida, também é utilizada fibra de quartzo, com constante dielétrica de 3,78 (em 10 GHz).
2.6 Outras Características
As fibras de aramida possuem características de baixa expansão térmica, são muito estáveis em altas temperaturas, com expansão térmica quase nula e um coeficiente de expansão térmica ligeiramente negativo, equivalente a (-2,4 x 10⁻⁶ /°C). As fibras de aramida são excelentes isolantes e não conduzem eletricidade.
Uma propriedade especial dos compósitos de fibra de aramida está relacionada à absorção de vibrações, tornando-os adequados para a fabricação de componentes que resistem a vibrações, como componentes estruturais de aeronaves.
2.7 Compósitos Mistos com Outros Tecidos
Os tecidos de fibra de aramida podem ser ajustados parametricamente conforme necessário para uso em compósitos de fibra de carbono e compósitos de fibra de vidro, proporcionando aos fornecedores de produtos compósitos uma ampla gama de possibilidades.
Para compósitos de fibra de carbono, a resistência ao impacto pode ser melhorada adicionando várias camadas de tecido de fibra de aramida. Os compósitos híbridos compostos por 50% de fibra de carbono e 50% de fibra de aramida apresentam uma melhoria de 25% na resistência ao impacto em comparação com compósitos feitos exclusivamente de fibra de carbono.
Tecido híbrido fibra de aramida-fibra de carbono
