Materiais compósitos em aeronaves: o que são e por que metade do 787 é fibra de carbono
Os materiais compósitos em aeronaves comerciais deixaram de ser detalhe em uma geração: no Boeing 777, dos anos 1990, eles somavam cerca de um décimo do peso da estrutura; no Boeing 787 chegam a 50%, e no Airbus A350, a 53%. O motivo cabe numa conta. Na direção das fibras, um laminado de fibra de carbono aguenta várias vezes mais carga que o alumínio aeronáutico e pesa pouco mais da metade.
Este artigo explica o que é um compósito, mostra a conta da resistência por quilo, o que mudou no avião por causa dele e os problemas que vieram junto. As fontes são a ficha técnica da fabricante de fibras Toray, um relatório da NASA, o órgão de auditoria do governo americano (GAO) e a imprensa técnica do setor.
O que é um material compósito
Compósito é a união de dois materiais que trabalham juntos sem se misturar. Nos aviões, o mais usado é o CFRP, sigla em inglês de polímero reforçado com fibra de carbono: fios de carbono mais finos que um fio de cabelo, embebidos em resina epóxi. A fibra carrega o esforço; a resina mantém as fibras no lugar e passa a carga de uma para outra.
A fibra T800S, da Toray, tem filamentos de 5 micrômetros, resistência à tração de 5.880 MPa e densidade de 1,80 g/cm³, segundo a ficha do fabricante. Transformada em laminado, com 60% de fibra em volume e todas as fibras na mesma direção, a mesma ficha dá 3.290 MPa de resistência à tração e 163 GPa de rigidez.
A ideia de juntar um material resistente a outro que o envolve não é nova nem exclusiva da indústria: a casca dos crustáceos funciona assim, como mostra o artigo sobre o Shrilk.
A conta da resistência por quilo
Em avião, o que importa é quanto o material aguenta para cada quilo que acrescenta. A medida é a resistência específica: resistência dividida pela densidade.
| Material | Resistência à tração | Densidade | Resistência por densidade |
|---|---|---|---|
| Laminado T800S/epóxi, fibras em uma direção | 3.290 MPa | 1,58 g/cm³ | cerca de 2.080 |
| Alumínio 7075-T6 | 572 MPa | 2,81 g/cm³ | cerca de 204 |
A conta dá cerca de dez vezes a favor do compósito. Esse número precisa de uma ressalva grande: ele vale só na direção das fibras. Uma fuselagem recebe esforços de vários lados, e por isso o laminado real empilha camadas em direções diferentes, o que reduz muito a resistência em cada uma. Não encontramos em fonte aberta o valor de um laminado de fuselagem, e a vantagem na prática é bem menor que dez vezes. Ela aparece no peso total do avião, não nessa proporção.
O conceito de tensão, em MPa, está explicado em resistência dos materiais.
Quanto de cada avião é compósito
Segundo a revista CompositesWorld, os compósitos respondem por 50% do peso estrutural do 787, contra 12% no 777, em que o alumínio era metade. Um relatório da NASA dá cerca de 10% para o 777. O restante do 787 se divide em 20% de alumínio, 15% de titânio, 10% de aço e 5% de outros materiais, conforme material de curso da Universidade de Washington.
No A350, a revista Reinforced Plastics registra 53% de compósitos, 19% de alumínio-lítio, 14% de titânio e 6% de aço. Para o A380, anterior, a CompositesWorld dá cerca de 25%; a Reinforced Plastics fala em 15%, possivelmente por outra base de cálculo.
O caminho até aí foi longo. O relatório da NASA conta que os primeiros componentes voaram em aviões de linha entre 1972 e 1986, começando por estruturas secundárias, como carenagens e spoilers, e passando depois a profundores e estabilizadores. Até 1993, 350 componentes acumularam mais de 5,3 milhões de horas de voo sem perda de resistência. O Airbus A320 foi o primeiro avião de produção com a cauda toda em compósito.
O que muda para quem voa
A Boeing lançou o 787 prometendo 20% menos consumo de combustível que os aviões de porte parecido. Esse ganho não vem só do material: motores e aerodinâmica entram na conta, e nenhuma fonte que lemos separa a parte de cada um. O 787 entrou em serviço em 2011.
Dois efeitos do material chegam direto ao passageiro, e os números são os divulgados pela Boeing e reproduzidos pela CNN. O primeiro é a pressão da cabine. O 787 mantém a cabine como se estivesse a 6.000 pés de altitude (1.829 m), em vez dos 8.000 pés (2.438 m) habituais. Para isso a fuselagem trabalha com uma diferença de pressão maior entre dentro e fora. O segundo é a umidade: como o compósito não enferruja com a condensação, o ar pode ser menos seco.
As janelas também cresceram. As do 787 têm 19 polegadas de altura (48 cm), 30% maiores que as de aviões semelhantes.
Como se fabrica uma fuselagem de fibra
Uma fuselagem de alumínio é montada com milhares de chapas e rebites. A de compósito é depositada: máquinas aplicam fitas de fibra já impregnada de resina sobre um molde, camada por camada, na direção que o projeto pede. Depois a peça vai para a autoclave, um forno pressurizado que cura a resina.
No programa do A350, uma seção de demonstração da fuselagem tinha 18 m de comprimento e mais de 6 m de diâmetro, e a fornecedora Premium Aerotec instalou uma autoclave de 25 m de comprimento por 8 m de altura, segundo a Reinforced Plastics. No 787, os reforços longitudinais são curados junto com o revestimento, formando uma peça só. Peças desse porte são projetadas inteiramente no computador, com os programas descritos em software de análise estrutural.
Os problemas que vieram junto
Raios. O alumínio conduz a descarga pela superfície do avião. A fibra de carbono conduz mal e a resina não conduz. Segundo a Reinforced Plastics, a Boeing incorpora uma malha metálica ao laminado da fuselagem do 787, e a Airbus liga peças metálicas da estrutura do A350 numa rede condutora.
Dano que não se vê. Uma pancada que amassaria o alumínio pode separar camadas dentro do laminado sem deixar marca por fora. A inspeção depende de equipamento, e não só do olho.
Reparo e fiscalização. Em 2011, o GAO examinou a certificação do 787. Concluiu que a autoridade de aviação americana seguiu o seu processo e aplicou cinco condições especiais onde as normas, escritas para metal, não bastavam. E apontou quatro preocupações para a manutenção: pouca informação sobre o comportamento do compósito danificado ou envelhecido, dificuldade de detectar e reparar danos, falta de padronização de materiais e técnicas de reparo e treinamento insuficiente. O relatório não fez recomendações, por entender que a autoridade já agia sobre esses pontos.
O balanço, até aqui, é favorável. A Aviation Week registra que a experiência em serviço com o 787 e o A350 não revelou problemas particulares de operação ou manutenção.
Perguntas frequentes
O que são materiais compósitos em aeronaves?
São materiais formados por fibras, quase sempre de carbono, embebidas em resina. A fibra carrega o esforço e a resina mantém o conjunto.
Qual avião tem mais compósito?
Entre os grandes jatos comerciais, o Airbus A350, com 53% do peso estrutural, seguido do Boeing 787, com 50%.
Fibra de carbono é mais forte que alumínio?
Por quilo e na direção das fibras, sim, por larga margem. Num laminado real, com camadas em várias direções, a vantagem é menor.
Avião de compósito é seguro contra raios?
Sim. Como a fibra conduz mal a eletricidade, a estrutura recebe uma malha ou uma rede metálica que faz o papel do alumínio.
Por que a cabine do 787 é mais confortável?
Porque a fuselagem de compósito permite manter pressão equivalente a 6.000 pés, em vez de 8.000, e ar mais úmido.
Os materiais compósitos em aeronaves venceram pela conta do peso, e o preço foi trocar um material que os engenheiros conheciam havia um século por outro que exige fabricar, inspecionar e consertar de outro jeito. Outras tecnologias avaliadas pelo que já entregam estão em inovações tecnológicas na engenharia.
