Aramid / Kevlar é um material que oferece propriedades únicas de resistência excepcional e peso muito baixo.

Embora seja por vezes comparado com a fibra de carbono, existem diferenças muito importantes entre Aramid e fibra de carbono. Na verdade não é apenas a cor que diferencia a aramida da fibra de carbono – a aramida é amarela enquanto que a fibra de carbono é preta. Ambos os materiais oferecem propriedades diferentes e são adequados para diferentes necessidades da indústria.

Você pode saber mais sobre compósitos de fibra de carbono e suas propriedades no artigo intitulado “Compósitos de Fibra de Carbono”.

Este artigo analisa as propriedades dos compósitos de fibra de aramida, suas vantagens e desvantagens, bem como exemplos práticos de uso em diferentes indústrias e produtos acabados.

História

Aramida refere-se a materiais específicos que estão disponíveis sob diferentes nomes comerciais.

Dupont foi a primeira empresa a introduzir e fabricar Aramid nos anos 60 sob a marca registada Kevlar e está disponível no mercado desde 1973. Aramid foi descoberta por uma química feminina de ascendência polaca, Stefania Kwolek, que realizou pesquisas focadas em um material de baixo peso e excepcionalmente forte para ser usado no lugar do nylon na fabricação de pneus.

Kevlar é atualmente o mais conhecido de todos os compósitos Aramid.

A medida que o tempo foi passando, outras empresas também lançaram a produção e começaram a fornecer Aramid com características ligeiramente diferentes mas com propriedades principais similares.

Aramid é fornecido por outros fornecedores também sob vários nomes comerciais, incluindo: Nomex fornecido pela Dupont, Twaron e Technora fornecido pela Teijin no Japão, Arawin fornecido pela Toray na Coreia, Kolon fornecido pela Heracron na Coreia, assim como alguns outros fornecidos por empresas chinesas.

Um material chamado Kevlar, Twaron ou Nomex na realidade refere-se à Aramid e apresenta propriedades excepcionais, incluindo resistência extraordinária ao impacto e à abrasão, resistência a altas temperaturas, bem como baixo peso. Graças a estas propriedades este material é regularmente utilizado pelo exército, força aérea, água e desportos motorizados, bem como para a fabricação de pneus, vestuário e luvas de protecção e muitos outros usos. O número de aplicações cresce a cada ano.

Quais são as propriedades de Aramid/Kevlar?

Aramid na forma Kevlar ou Nomex refere-se a um material estrutural que oferece algumas vantagens e desvantagens. A seguinte descrição abrange as propriedades essenciais dos compósitos de aramida e fibras secas de aramida.

Vantagens dos compósitos de aramida

Alta resistência ao impacto e à fissuração

Aramida apresenta uma extraordinária resistência ao impacto e não racha sob pressão por ser resistente e permitir uma absorção significativa de energia. É amplamente utilizado na fabricação de coletes à prova de balas, barcos, caiaques, bem como armaduras de componentes em veículos militares.

Composto feito de Aramida tem 5 vezes mais resistência ao impacto do que um composto de fibra de carbono (teste de queda de peso de impacto). Esta extraordinária resistência ao impacto ou às balas é resultado de longas cadeias de átomos que formam a estrutura do Aramid.
Pelas suas propriedades este material é amplamente utilizado para fins militares na fabricação de coletes à prova de balas e material de blindagem de tanques.

Proteção de coletes à prova de bala são feitos de material constituído por várias dezenas de camadas de Aramid (por exemplo Kevlar) e incluem uma placa cerâmica entre as camadas. Os coletes usados em alguns veículos blindados como o tanque US M1 são feitos de material cuja estrutura inclui aço -aramida – aço para proteger contra mísseis anti-tanque de até 700mm de diâmetro. Além da protecção do próprio tanque, os blindados de aço -aramida – aço também protegem a tripulação, absorvendo a energia cinética gerada pelo míssil penetrante.

Outra aplicação do Kevlar está no Boeing AH-64 – o helicóptero de ataque primário do exército dos EUA equipado com rotores Kevlar. Aqui o Kevlar garante protecção contra balas até 23 mm de diâmetro.

Alegado à alta resistência ao impacto, o Kevlar é amplamente utilizado na construção de barcos e caiaques, por exemplo, cascos de iates concebidos para a Volvo Ocean Race, um dos desafios desportivos mais difíceis. A maioria dos caiaques de alto desempenho para esportes aquáticos são feitos de Kevlar ou fibra de carbono/Kevlar híbridos.

Baixa densidade / baixo peso

As fibras de aramida apresentam um peso extremamente baixo, o que é uma vantagem durante a fabricação de compósitos.

Os compósitos de aramida são cerca de 20% mais leves que os compósitos de fibra de carbono, os quais são considerados muito leves. O uso de tecidos de aramida em compósitos aumenta a resistência ao impacto e à abrasão, além de proporcionar um peso reduzido dos elementos compostos.

As fibras de aramida têm densidade ~ 1,45 g/cm3 enquanto os compósitos de aramida e resina epóxi têm densidade ~ 1,3 g/cm3. Este cálculo foi baseado na densidade da resina epóxi misturada com endurecedor ~1,1 g/cm3, bem como uma tecnologia avançada empregada durante a produção do compósito, ou seja, pré-impregnado com autoclave.

Para comparar fibras de carbono que são consideradas muito leves, elas têm densidade de compósitos de carbono – fibra de carbono e resina epóxi equivalente a 1.55 g/cm3.

Em outras palavras, os compósitos de fibra de aramida são cerca de 20% mais leves que os compósitos de fibra de carbono.

Como comparar o peso dos compósitos de aramida com os metais?
Compósitos de aramida têm uma densidade de 1,3 g/cm3. No caso do alumínio é 2,7g/cm3, o titânio é 4,5 g/cm3 e o aço é 7,9 g/cm3.
Em outras palavras, os compósitos de aramida são 2 vezes mais leves que o alumínio, e 3 ou 4 vezes mais leves que o titânio e até 6 vezes mais leves que o aço.

Rigidez moderada – preencha a lacuna entre fibra de vidro e fibra de carbono

Os compósitos de aramida têm maior rigidez superior aos compósitos de fibra de vidro e significativamente inferior aos compósitos de fibra de carbono.
Existem muitos tipos de fibras, incluindo as de carbono e aramida – por exemplo, de módulos padrão, moderados e altos que oferecem diferentes rigidez, resistência e estão disponíveis a preços diferentes. A tabela abaixo especifica a rigidez de determinadas fibras: fibra de vidro, fibra de carbono e fibra de aramida. A medida do módulo de Young seguido no sentido longitudinal.

Stiffness of different composite fibers:

• Tecidos de fibra de vidro – de 72 GPa (Standard E-glass) a 87 GPa (S-Glass fabrics of increased strength).
• Tecidos de fibra de carbono – de 230 GPa (tecidos padrão usados para fabricação de compósitos – Toray T300 ) até 590 GPa (HM classe Toray M60J).
• Tecidos de fibra de aramida – de 96 GPa (tecidos Aramid padrão aplicados em compósitos – nomeadamente Kevlar 129) até – 186 GPa (tecidos Aramid, nomeadamente Kevlar 149 usados na Indústria Aeronáutica /Aeroespacial).

Para resumir podemos concluir que os compósitos Aramid feitos de tecidos padrão apresentam rigidez cerca de 30-40% maior que os compósitos de fibra de vidro e desempenho significativamente limitado em comparação com os compósitos de fibra de carbono – que oferecem rigidez 50% menor que os compósitos de fibra de carbono.

Baixa expansão térmica

Aramida é muito estável quando exposta a altas temperaturas com quase zero e coeficiente de expansão térmica ligeiramente negativo que é equivalente a (-2,4 x 10-6/°C).

Não condutor

Aramida é um bom isolante e não conduz electricidade.

Resistência à abrasão

Aramid compósitos são amplamente usados para peças e componentes expostos à abrasão, por exemplo, uma placa de derrapagem protegendo o motor de um carro de corrida.
Aramid é comumente usada pela indústria de extração (por exemplo indústria de mineração) para reforço de correias transportadoras de borracha, e garante maior resistência e resistência à abrasão, que de acordo com o fabricante de Kevlar pode ser melhorada até 50-70%.

Absorção de vibração

Uma propriedade específica dos compósitos Aramid está relacionada com a absorção de vibração e consequentemente o Aramid é usado para a fabricação de componentes expostos à vibração, por exemplo, componentes estruturais de aeronaves.

Baixa Constante Dielétrica

O compósito Aramid tem baixa permissividade elétrica de ~3,85 (10 GHz) o que garante bom desempenho e resistência do sinal que penetra as carcaças de proteção Aramid / radomes aéreos. Este tipo de antena é amplamente utilizado para fins militares, por exemplo, em aeronaves militares. As caixas de aramida/radomes protegem as antenas contra danos e garantem um bom desempenho do sinal.

Por comparação, o composto de fibra de vidro E-glass oferece permissividade elétrica correspondente a 6,1 (10 GHz) o que resulta em potência do sinal da antena e desempenho 60% menor.
Além de aramida, também são usados tecidos de quartzo que oferecem permissividade elétrica de 3,78 (10 GHz).

Uso com outros tecidos e criação de compósitos híbridos

Os tecidos de aramida podem ser usados em compósitos de fibra de carbono e de vidro, modificando os parâmetros de acordo com os requisitos, o que oferece muitas possibilidades para os fornecedores de produtos compostos.
No caso de compósitos de fibra de carbono você pode melhorar a resistência ao impacto, adicionando algumas camadas de tecidos de aramida.

Hybrid composite made from a combination of fabrics, namely 50% of carbon fibers and 50% of aramid ones, offers 100-125% improved impact resistance compared with composites made only of carbon fiber.
Outros exemplos de aplicações são algumas camadas de aramida fornecidas em locais onde se segue a perfuração para garantir o reforço e reduzir o risco de danos/rachaduras no compósito ao redor dos furos durante a operação ou como resultado de vibração.

Desvantagens dos compósitos de aramida

Absorção de água/umidade

As fibras de aramida têm uma absorção de humidade relativamente alta (até 6% do seu peso) portanto os compósitos de aramida precisam de ser adequadamente protegidos – geralmente com uma camada superior para reduzir a absorção de humidade. Além disso, no caso de compósitos expostos ao contato com a água, alguns tipos de Aramida são usados que têm uma absorção reduzida de água, por exemplo, Kevlar 149 ou Armos.

É interessante notar que os tecidos Aramid padrão têm uma absorção tão alta e estas propriedades fornecem proteção contra queima e escaldamento. Este material é muito utilizado durante as apresentações pirotécnicas, quando está encharcado com parafina. Graças às suas propriedades únicas, Aramid garante a absorção da parafina mas não se degrada durante a queima e é resistente a altas temperaturas.

Para melhorar a resistência à umidade e microcrachadura da superfície superior do compósito aramida, muitas vezes uma camada de tecido de vidro é adicionada para melhorar a aderência das camadas superiores e facilitar qualquer reparo da camada superior no futuro.

Dificuldade de tratamento e processamento

Fibras de gramíneas são difíceis de cortar. Portanto, o processo de produção de compósitos incluindo tecidos de aramida pode revelar-se um processo muito exigente. Consequentemente, é difícil cortar tanto tecidos secos de aramida como compostos de aramida acabados feitos de tecidos de aramida e, por exemplo, resinas epóxi.

Corte de tecidos secos é possível usando laser ou cortadores especiais concebidos para este fim. O corte de compósitos de aramida acabados é possível com corte por jacto de água ou cortadores com ferramentas de carboneto de metal duro ou diamante especialmente concebidas para este fim. Note que o uso de fresas causa um ligeiro desgaste das bordas dos compósitos.

Durante a produção de compósitos de aramida, logo na fase de projecto, são feitas algumas alterações e modificações para adaptar os moldes adequadamente e reduzir a quantidade de corte necessária após a desmoldagem. Às vezes, em locais onde o corte é necessário, é fornecida uma camada que inclui tecidos híbridos, nomeadamente uma que inclui fibras de carbono (50%) e fibras de aramida (50%).

As fibras de aramida têm uma ligação modesta em comparação com fibras de vidro ou fibras de carbono e uma penetração modesta de resina. Portanto, para a produção de compósitos de aramida é recomendado o uso de resinas epóxi que oferecem melhor desempenho na colagem de camadas de tecido de aramida.

Degradação relacionada a UV

As fibras de aramida têm baixa resistência a UV.
A radiação UV (luz solar) causa a degradação das fibras de aramida. Portanto, é necessária uma proteção que pode ser uma camada superior ou camada de material, por exemplo, linhas de aramida são normalmente fechadas em uma cobertura protetora.

Custos elevados

Aramida é um material caro com um preço semelhante ao da fibra de carbono. Portanto, ela é usada para fins específicos onde é necessária uma extraordinária resistência ao impacto/abrasão, bem como um baixo peso do produto acabado. Na verdade, 1 m2 de pré-impregnado acabado de 200 g/m2 destinado à produção de compósito é cerca de 30-40 EUR por m2.

Baixa resistência à compressão

As fibras de gramíneas oferecem uma resistência à compressão inferior à das fibras de vidro ou fibras de carbono, portanto os tecidos híbridos são amplamente utilizados em componentes expostos a alta compressão, como uma estrutura que inclui uma combinação de aramida e fibra de carbono.

O uso de aramida

Na prática, a aramida encontra muitas aplicações. Aqui estão alguns exemplos:

Uso de aramida em compósitos – Compósitos de aramida:

• Coletes à prova de bolas.
• Desporto motorizado e protecção de componentes expostos a abrasão / impacto – por exemplo, arcos das rodas, placas de derrapagem.
• Corpos de aeronaves (frequentemente híbridos de carbono e kevlar), rotores, chapeamento.
• Compartimentos de bagagem de avião.
• Radomas militares de aeronaves com propriedades dieléctricas específicas.
• Tábuas de surf.
• Kayaks.
• Cascos de navios.
• Cilindros de LPG – o peso é 70% inferior ao dos cilindros de aço e oferecem maior resistência a impactos em comparação com a fibra de carbono – e.g. Low8.

Uso de Aramida em tecido seco:

• Vestuário protector – incluindo vestuário resistente ao fogo, como vestuário militar (ex. a2cu ), vestuário para bombeiros, ou vestuário concebido para F1 e NASCAR (principalmente Nomex).

  

  >

• Luvas de segurança resistentes ao corte.
• Reforço de componentes lubrificados e.Por exemplo, cintos de sincronização.
• Reforço de pneus.
• Cabos.
• Cabos ópticos com revestimento de fibra de aramida que previne rachaduras e protege contra o contacto momentâneo com o fogo.
• Pano de salamandra.
• Cabos de tambor.
• Papel de grampo usado em favo de mel.

Sumário
Aramida oferece propriedades e desempenho extraordinários no que diz respeito à resistência ao impacto, abrasão, corte e peso ultra-baixo que é 20% menor do que a fibra de carbono.
Ao mesmo tempo este material apresenta algumas desvantagens como tratamento e processamento difíceis ou absorção de umidade.

Esperamos que a leitura deste artigo permita a todos aprender mais sobre as vantagens e desvantagens, bem como contribuir para o seu uso ideal por engenheiros e designers.

MANUFATURA DE COMPOSTOS ARAMIDOS

Produtos compostos de aramida, tais como coletes à prova de bala, componentes de carroçaria de corrida, folhas de aramida e outros compostos.

Para saber mais, por favor visite: Kevlar &Fabricação de peças em aramida.