Os materiais metálicos, de uma forma geral, sofreram grande desenvolvimento ao longo das décadas de 60, 70 e 80. Os de interesse específico para a fabricação de cilindros para gases comprimidos, as ligas de aço e as ligas de alumínio, tiveram como principal força motriz em seu desenvolvimento as necessidades crescentes de materiais para construção de navios, plataformas de petróleo, submarinos com fins militares e de pesquisa etc.

No tocante às ligas de aço, a busca por materiais com alta tensão de escoamento, alta tenacidade à fratura, resistência à corrosão, boas características de soldabilidade (mecânicas e microestruturais), entre outras propriedades, propiciou o surgimento ao longo das décadas de 60 e 70 dos aços da série HY (alta tensão de escoamento), dos aços tipo Cortem, aços de ultra – alta resistência e os inoxidáveis do tipo Maraging. Esses aços embora possuindo elevada resistência mecânica e tensão de escoamento, boa resistência à corrosão e corrosão sob tensão, ainda apresentavam deficiências quanto à soldabilidade e tenacidade à fratura.

A necessidade de solucionar tais deficiências aprofundou os estudos dos mecanismos de fratura e principalmente das inter-relações entre a microestrutura do material e suas propriedades mecânicas, o que resultou no surgimento dos aços microligados e passíveis de serem “projetados a atender determinadas propriedades mecânicas”.

No caso das ligas de alumínio, os grandes avanços ocorreram nas décadas de 60 e 70, impulsionados também pela área aeroespacial. São exemplos de uso na área de cilindros as ligas AA – 6061 e AA – 6010.

Um grande avanço ocorreu no desenvolvimento dos materiais metálicos, não só na formulação de novas ligas, mas na obtenção destas. Assim, processos inicialmente dispendiosos e restritos à pesquisa, passaram a ser empregados comercialmente na fusão das novas ligas, como por exemplo a fusão a vácuo (VIM) e a fusão e refino a vácuo (VIM e VAR).

Processos como extrusão inversa a morno seguida de laminação a frio, estampagem profunda, repuxo a quente, soldas a “laser” e “eletron beam” são utilizados na transformação dessas matérias-primas para a fabricação de cilindros com e sem costura. Tais transformações são realizadas com total controle da microestrutura objetivada, através de controles de temperaturas, tempos, tamanho de grão, tipo, forma e dispersão de intermetálicos, controle de textura, entre outros parâmetros, o que tornou possível a fabricação de cilindros usando todas as propriedades inerentes à liga escolhida. Este fato, associado à utilização das ferramentas de análise estrutural, que discutiremos adiante, possibilitam a fabricação de cilindros metálicos mais leves.

MATERIAIS COMPÓSITOS

Materiais compósitos são aqueles obtidos a partir de fibras estruturais na forma de filamentos contínuos, tecidos ou picadas, impregnados por uma matriz que pode ser metálica, cerâmica ou plástica (termoplástico, termofixo ou elastômero). Quando a matriz é plástica temos o “plástico reforçado”, que é o material compósito de interesse na fabricação de cilindros.

Como material de uso estrutural o plástico reforçado surgiu na década de 60, tendo sua primeira aplicação na construção das carcaças dos motores dos foguetes Polaris. O uso não militar do material compósito deu-se no fim da década de 70, início da de 80, através da fabricação e comercialização de cilindros de alumínio reforçados com fibras destinados a equipamentos de respiração autônoma.

As fibras estruturais de uso mais freqüente são as fibras de vidro, carbono e de aramida. Entretanto, para aplicações menos triviais existem fibras outras como as de tungstênio – boro, alumina, carbeto de silício etc., que apresentam excelentes propriedades mecânicas em temperaturas de até 2.000ºC.

As fibras de vidro são obtidas a partir da fusão de misturas de areias, calcário e alumina, apresentando resistência à tração entre 1800 e 2600 MPa e módulo de elasticidade em torno de 70 GPa, com uma densidade de 2,54 g/cm3.

As fibras de carbono são obtidas a partir do Rayon, da poliacrilonitrila (PAN) ou do piche, sendo mais comum a obtida a partir da PAN. Apresentam-se como fibras de alta deformação, médio módulo e alto módulo. As de alta deformação apresentam resistência à tração entre 3500 a 6700 MPa, com módulo de elasticidade de 230 GPa, enquanto as outras apresentam resistência à tração entre 2700 a 5400 GPa e módulo de elasticidade entre 350 a 600 GPa. A densidade da fibra de carbono é de 1,8 g/cm3.

As fibras de aramida são fibras orgânicas oriundas da família das poliamidas. Foram introduzidas na década de 70 pela DuPont, com o nome comercial de Kevlar e posteriormente pela Akzo Nobel com o nome comercial de Twaron. Apresentam resistência à tração de 3600 MPa e módulo de elasticidade entre 70 e 112 GPa. Sua densidade é de 1,45 g/cm3.

MATRIZES PLÁSTICAS

São usadas como matrizes para os materiais compósitos termoplásticos, elastômeros e termofixos. O mais usual é o uso dos termofixos, principalmente os polímeros e copolímeros de resina epóxi e as resinas epóxi éster – vinílicas, devido às suas excelentes propriedades mecânicas e químicas e ao fato de apresentarem ligações cruzadas após cura.

Excluindo-se a redução significativa do custo das fibras de reforço, os materiais compósitos devem o aumento da intensidade de seu uso a dois fatores básicos:

— O primeiro, à melhoria do processo de fabricação das fibras de reforço, que tornaram as variações de propriedades extremamente pequenas, sendo ampliada, portanto, a confiabilidade e a performance, além do desenvolvimento de novas resinas terem aumentado o desempenho do compósito final, quer do ponto de vista mecânico, quanto ao término de químico.

— O outro fator diz respeito ao desenvolvimento de processos de manufatura de alta produção, que tornaram a fabricação de componentes em plástico reforçado menos artesanal.

No tocante à produção de cilindros, a utilização de equipamentos de bobinamento de fios contínuos de alta velocidade e produtividade é hoje possível graças aos avanços da eletrônica digital. Esses fatores, aliados ao embasamento teórico do comportamento de estruturas não isotrópicas, propiciam a fabricação de cilindros muito leves e resistentes em plástico reforçado.

Fonte: INT

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