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O desafio central na construção leve híbrida
Em conceitos de design modernos para automóvel, aeroespacial e eletrónica, os conjuntos híbridos feitos de vários materiais leves, como o alumínio, o aço e os plásticos reforçados com fibra de carbono (CFRP), são cada vez mais unidos utilizando a tecnologia de ligação adesiva. Esta tecnologia de união permite a transmissão de força bidimensional e geometrias optimizadas em termos de design, mas enfrenta um desafio técnico central: diferentes coeficientes de expansão térmica entre os parceiros de união e os adesivos. Este chamado problema delta-alfa (problema delta-a) pode levar a tensões internas e mecanismos críticos de falha, particularmente sob cargas de temperatura cíclicas ou relacionadas com o processo (European Aluminium Association 2015; Dietrich 2018).
Coeficientes de expansão térmica específicos do material e seus efeitos
Cada material tem um coeficiente de expansão térmica (α)que descreve a variação do comprimento em função da temperatura. A gama destes valores varia consideravelmente entre os materiais utilizados em juntas de construção mistas: o aço tem valores de α ≈ 11,5-13,1 × 10-⁶ K-¹, enquanto o alumínio tem coeficientes de expansão significativamente mais elevados de α ≈ 22-25 × 10-⁶ K-¹. Os adesivos de resina epóxi situam-se na gama de α ≈ 45-200 × 10-⁶ K-¹, e os compósitos CFRP apresentam propriedades de expansão fortemente anisotrópicas com valores entre -1,0 e 1,5 na orientação das fibras e até 65 × 10-⁶ K-¹ transversalmente à orientação das fibras.
fibra (Dietrich 2018).
As deslocações e tensões relativas resultantes que ocorrem durante os ciclos de temperatura – por exemplo, durante os processos de produção ou durante o funcionamento na gama de temperaturas de -40 °C a +200 °C – colocam uma tensão considerável na junta colada. Particularmente críticas são as áreas próximas da temperatura de transição vítrea (Tg), nas quais as colas mudam de propriedades viscoelásticas para elásticas ou plásticas, o que pode ter um impacto significativo na resistência da junta e na sua vida útil (DFR Solutions n.d.).
Mecanismos de danos e suas consequências técnicas
Os danos nas juntas coladas causados por diferentes coeficientes de expansão térmica manifestam-se através de vários mecanismos. Diferentes valores de α resultam em tensões de cisalhamento e de tração, que podem levar tanto à falha da interface como à fratura coesiva no próprio adesivo. A espessura da fenda adesiva e a dimensão do componente são factores decisivos para a distribuição da tensão. (Associação Europeia do Alumínio 2015; NPL 1999).
A anisotropia da expansão deve ser tida em conta, especialmente nas juntas de CFRP, para que a estrutura do laminado e a orientação das fibras também tenham uma influência significativa no desenvolvimento da tensão. Isto deve ser tido em conta na conceção de estruturas leves e compósitos, uma vez que a tensão térmica é causada tanto pela incompatibilidade dos parceiros de união como pela contração do adesivo durante a cura (Dietrich 2018).
A humidade como fator de influência adicional
A humidade, em combinação com a temperatura, actua como um fator de influência adicional decisivo na resistência da junta. Pode alterar significativamente as propriedades mecânicas das colas, enfraquecer a adesão ao substrato e acelerar os danos relacionados com o envelhecimento, como a delaminação, a fissuração ou a deformação da camada adesiva. A interação com a temperatura aumenta a difusão e o processo de degradação hidrolítica na cola, especialmente em aplicações no exterior e em componentes electrónicos.
Previsão da vida útil e métodos de ensaio
A vida útil das juntas coladas sob cargas térmicas alternadas pode ser estimada de forma fiável utilizando uma combinação de ensaios de envelhecimento acelerado, ensaios de temperatura cíclicos e modelos de previsão modernos. Os ensaios de tempo decorrido simulam cargas de longa duração sob ciclos de temperatura realistas, de modo a simular o comportamento de falha e o desenvolvimento de fissuras no adesivo. Os métodos modernos de previsão de ciclos curtos, tais como o Método Isotérmico Escalonado (SIM) ou o Método de IsoStress Escalonado (SSM), permitem a rápida determinação do comportamento de fluência e dos efeitos de relaxamento relacionados com a discrepância térmica dos diferentes materiais de ligação (NPL 1999).
Os ensaios de fadiga e de choque térmico registam o número de ciclos de fadiga e a ocorrência de mecanismos de dano, que são cruciais para avaliar a vida útil. Os resultados experimentais estão a ser cada vez mais combinados com simulações numéricas e métodos de ensaio estabelecidos, como os ensaios de alterações climáticas, de modo a permitir previsões práticas da vida útil.
Combinações optimizadas de materiais e sistemas adesivos
As combinações de materiais adesivos e de substrato com coeficientes de expansão térmica semelhantes são particularmente eficazes na minimização do risco de fissuração, delaminação ou formação de tensões induzidas termicamente. As colas de resina epóxi em combinação com substratos metálicos, como o alumínio ou o aço, são particularmente recomendadas se a formulação da cola for especificamente modificada com cargas ou flexibilizadores, de modo a reduzir o coeficiente de expansão. coeficiente de expansão de expansão do metal (European Aluminium Association 2015; Dietrich 2018).
Devido ao seu baixo módulo de elasticidade ou à sua elevada elasticidade, as colas de silicone e os sistemas de poliuretano oferecem propriedades vantajosas com coeficientes de expansão térmica muito variáveis e reduzem a fissuração térmica e a fadiga.
Soluções práticas e recomendações de conceção
Vários factores são cruciais para a implementação bem sucedida de juntas coladas fiáveis na construção leve híbrida. A otimização do sistema adesivo com colas adequadas e a flexibilização ajudam a reduzir as tensões. A escolha da estrutura do laminado CFRP e a otimização do comprimento da sobreposição, da espessura da fenda adesiva e da geometria da união são factores decisivos. O controlo do processo e a gestão da temperatura devem ser selecionados de forma a evitar áreas críticas da temperatura de transição vítrea (DFR Solutions n.d.; NPL 1999).
Implicações para a prática
Existem implicações práticas específicas para os engenheiros de desenvolvimento das indústrias automóvel e aeroespacial, cientistas de materiais e equipas de qualidade. A análise e a simulação do problema delta-alfa são essenciais para a conceção de juntas coladas fiáveis e duradouras na construção leve híbrida. Métodos de teste como a
Conclusão
Os diferentes graus de expansão térmica dos adesivos e das peças de união são um fator crítico para a integridade mecânica das modernas juntas coladas de construção mista. Ao modificar especificamente as propriedades do adesivo, optimizando a geometria do componente e da junta e utilizando métodos de ensaio estabelecidos, os engenheiros de desenvolvimento podem influenciar o desempenho mecânico de uma forma direcionada e minimizar o risco de falha (Dietrich 2018; NPL 1999; DFR Solutions n.d.).
Lista de fontes
Dietrich, R. (2018). Análise da incompatibilidade de expansão térmica de estruturas híbridas FRP-metal. Universidade Técnica de Munique. Disponível em: https://mediatum.ub.tum.de/1393107
Associação Europeia do Alumínio (2015). Junta materiais dissimilares. Disponível em:
https://european-aluminium.eu/wp-content/uploads/2022/11/11-joining-dissimilar-materials_2015.pdf
NPL (1999). Ensaio de Fadiga Cíclico de Juntas Adesivas. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/237635154
DFR Solutions (n.d.). Ciclo de temperatura e fadiga em eletrónica. Disponível em:
https://www.ekwb.com/wp-content/uploads/2020/05/1-Temperature-Cycling-and-Fatigue-in-Electronics-White-Paper-1.pdf
