Compósitos de matriz cerâmica decolam no motor a jato LEAP

4 de janeiro de 2017

por Dawn Levy, Oak Ridge National Laboratory

Os materiais compósitos de matriz cerâmica (CMC) são feitos de fibras cerâmicas revestidas envolvidas por uma matriz cerâmica. Eles são resistentes, leves e capazes de suportar temperaturas de 300 a 400 graus F mais quentes do que as ligas metálicas podem suportar. Se certos componentes fossem feitos com CMCs em vez de ligas metálicas, os motores de turbina de aeronaves e usinas poderiam operar com mais eficiência em temperaturas mais altas, queimando o combustível de forma mais completa e emitindo menos poluentes.

Há um quarto de século, o Departamento de Energia dos EUA iniciou um programa, liderado pelo Oak Ridge National Laboratory do DOE, para apoiar o desenvolvimento de materiais CMC nos EUA. Em 2016, o LEAP, um novo motor de aeronave, tornou-se o primeiro produto contendo CMC amplamente implantado. A CFM International, uma joint venture 50/50 da Safran e da GE, fabrica o LEAP.

O motor tem um componente CMC, um invólucro da turbina que reveste sua zona mais quente, para que possa operar em até 2400 F. O CMC precisa de menos ar de resfriamento do que as superligas à base de níquel e faz parte de um conjunto de tecnologias que contribuem para 15 por cento de economia de combustível para o LEAP em relação ao seu antecessor, o motor CFM 56.

As pré-vendas para companhias aéreas ansiosas por reduzir os custos de combustível são impressionantes - US$ 140 bilhões pelo preço de tabela para mais de 11.000 motores. Em agosto, o primeiro motor LEAP começou a voar comercialmente no Airbus A320neo. Outros motores LEAP voarão no Boeing 737 MAX em 2017.

"Os materiais desenvolvidos no programa DOE se tornaram a base para o material que agora vai para os motores de aeronaves", disse Krishan Luthra, que liderou o desenvolvimento de CMCs da GE Global Research por 25 anos.

O CMC da GE é feito de fibras cerâmicas de carboneto de silício (SiC) (contendo silício e carbono em quantidades iguais) revestidas com um material patenteado contendo nitreto de boro. As fibras revestidas são moldadas em uma "pré-forma" que é incorporada em SiC contendo 10 a 15% de silício.

Rick Lowden, do ORNL, fez um trabalho fundamental na década de 1980 que abriu caminho para os programas do DOE. A chave era revestir as fibras cerâmicas.

"Um compósito de matriz cerâmica é diferente de quase todos os outros compósitos porque a matriz é cerâmica e a fibra é cerâmica", disse Lowden. Normalmente, a combinação de dois materiais frágeis produz um material frágil, disse ele. Mas alterar a ligação entre a fibra e a matriz permite que o material aja mais como um pedaço de madeira. As rachaduras não se propagam nas fibras da matriz ao seu redor. As fibras mantêm o material unido e carregam a carga enquanto puxam lentamente da matriz, adicionando resistência.

O programa Continuous Fiber Ceramic Composite (CFCC) do DOE decorreu de 1992 a 2002 e apoiou o desenvolvimento industrial de CMCs da AlliedSignal, Alzeta, Amercom, Babcock e Wilcox, Dow Chemical, Dow Corning, DuPont-Lanxide Composites, GE e Textron. Seu orçamento era em média de US$ 10 milhões por ano e os custos compartilhados pela indústria.

CFCC financiou empresas para fazer compósitos e laboratórios e universidades nacionais para caracterizar as propriedades dos materiais. Os esforços foram coordenados e financiados por meio do ORNL. Lowden escreveu o plano do programa com Scott Richland do DOE e Mike Karnitz do ORNL e co-liderou o apoio a empresas com Karren More do ORNL, Pete Tortorelli e Edgar Lara-Curzio e Bill Ellingson do Argonne National Laboratory. A US Advanced Ceramics Association representou a indústria ao informar o Congresso sobre os benefícios dos CMCs.

"Estávamos olhando para diferentes fibras e diferentes revestimentos interfaciais e diferentes matrizes", disse More sobre o papel do ORNL. "Estávamos envolvidos na compreensão dos mecanismos de degradação e seleção dos compósitos mais promissores e técnicas econômicas para prepará-los."

Lowden acrescentou: "Estávamos trabalhando com um objetivo comum de colocar compósitos de matriz cerâmica em aplicações industriais, incluindo trocadores de calor de alta pressão, turbinas terrestres, fornos de cementação e queimadores radiantes".