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Jun 20, 2023

Carbono

25 de junho de 2014 por

25 de junho de 2014

pela Universidade de Harvard

Em parques eólicos na América do Norte e na Europa, turbinas elegantes equipadas com tecnologia de ponta convertem energia eólica em energia elétrica. Mas escondido dentro das lâminas dessas proezas da engenharia moderna está um material de núcleo decididamente de baixa tecnologia: madeira de balsa.

Como outros produtos manufaturados que usam construção de painel sanduíche para obter uma combinação de peso leve e resistência, as pás da turbina contêm tiras de madeira balsa do Equador, que fornecem 95% do suprimento mundial.

Durante séculos, a árvore de balsa de crescimento rápido foi valorizada por seu peso leve e rigidez em relação à densidade. Mas a madeira balsa é cara e as variações naturais no grão podem ser um impedimento para atingir os requisitos de desempenho cada vez mais precisos das pás das turbinas e outras aplicações sofisticadas.

Como os fabricantes de turbinas produzem pás cada vez maiores – as mais longas agora medem 75 metros, quase igualando a envergadura de um jato Airbus A380 – elas devem ser projetadas para operar praticamente sem manutenção por décadas. Para atender às especificações mais exigentes de precisão, peso e consistência de qualidade, os fabricantes estão buscando novas opções de materiais de construção sanduíche.

Agora, usando um coquetel de resinas termofixas à base de epóxi reforçadas com fibra e técnicas de impressão por extrusão 3D, cientistas de materiais da Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering desenvolveram materiais compósitos celulares de luz sem precedentes peso e rigidez. Devido às suas propriedades mecânicas e ao controle de fabricação em escala fina (veja o vídeo abaixo), os pesquisadores dizem que esses novos materiais imitam e melhoram a balsa e até mesmo os melhores polímeros impressos em 3D e compósitos poliméricos disponíveis.

Um artigo descrevendo seus resultados foi publicado online na revista Advanced Materials.

Até agora, a impressão 3D foi desenvolvida para termoplásticos e resinas curáveis ​​por UV – materiais que normalmente não são considerados como soluções de engenharia para aplicações estruturais. "Ao entrar em novas classes de materiais como epóxis, abrimos novos caminhos para o uso da impressão 3D para construir arquiteturas leves", diz a investigadora principal Jennifer A. Lewis, professora Hansjörg Wyss de engenharia biologicamente inspirada em Harvard SEAS. "Essencialmente, estamos ampliando a gama de materiais para impressão 3D."

"A madeira de balsa tem uma arquitetura celular que minimiza seu peso, já que a maior parte do espaço está vazia e apenas as paredes das células carregam a carga. Portanto, possui alta rigidez e resistência específicas", explica Lewis, que, além de sua função na Harvard SEAS também é membro principal do corpo docente do Wyss Institute. "Pegamos emprestado esse conceito de design e o imitamos em um composto de engenharia."

Lewis e Brett G. Compton, um ex-bolsista de pós-doutorado em seu grupo, desenvolveram tintas de resinas epóxi, enriquecidas com plaquetas de nanoargila que aumentam a viscosidade e um composto chamado dimetil metilfosfonato, e depois adicionaram dois tipos de cargas: minúsculos "bigodes" de carboneto de silício e fibras de carbono discretas. A chave para a versatilidade das tintas com enchimento de fibra resultantes é a capacidade de controlar a orientação dos enchimentos.

A direção em que as cargas são depositadas controla a resistência dos materiais (pense na facilidade de dividir um pedaço de lenha no sentido do comprimento versus a dificuldade relativa de cortar na perpendicular contra o grão).

Lewis e Compton mostraram que sua técnica produz compósitos celulares tão rígidos quanto a madeira, 10 a 20 vezes mais rígidos que os polímeros impressos em 3D comerciais e duas vezes mais fortes que os melhores compósitos poliméricos impressos. A capacidade de controlar o alinhamento das cargas significa que os fabricantes podem integrar digitalmente a composição, rigidez e tenacidade de um objeto com seu design.