O que são compósitos de matriz cerâmica e como são usados ​​em motores a jato?

O uso de CMCs reduz significativamente o peso do motor enquanto aumenta a eficiência operacional.

Um motor Pratt & Whitney IAE V2500 (Foto: Pratt & Whitney)

Os Ceramic-Matrix Composites (CMCs) são vistos como substitutos leves para ligas metálicas, oferecendo quase um terço da densidade do material, mas propriedades físicas e térmicas superiores. O avanço na tecnologia de materiais tornou os CMCs uma escolha popular para uma vasta gama de aplicações de alta temperatura, incluindo seu uso em componentes internos do motor.

O combustor e os sistemas de exaustão dos motores turbofan modernos usam revestimentos e painéis baseados em CMC. Com temperaturas internas próximas de 3.000 graus F (1.700 graus C), os motores a jato exigem materiais excepcionais para um gerenciamento térmico eficiente.

Compósitos de Matriz Cerâmica (CMCs)

CMCs compreendem uma combinação de fibras cerâmicas embutidas em matrizes cerâmicas. De carbono-carbono a carbono-carboneto de silício e alumínio, os CMCs assumem várias formas, dependendo da aplicação. Durante a fabricação de CMC, as fibras são dispostas na forma desejada antes de serem infiltradas com o material da matriz.

Além do lay-up pré-formado, a fixação de fibras também pode ser obtida por meio de enrolamento de filamentos, tranças ou nós. Após a deposição do material da matriz, é realizada a usinagem necessária. Outros tratamentos, como revestimento ou impregnação, podem ser realizados dependendo da necessidade do material.

Um engenheiro da Rolls-Royce trabalhando em um motor a hidrogênio (Foto: Rolls-Royce)

Os CMCs usados ​​em motores de turbina a gás são geralmente feitos de carboneto de silício, fibras cerâmicas e resina cerâmica. Estes são fabricados através de um sofisticado processo de infiltração e reforçados com revestimentos. Esses CMCs oferecem alta resistência ao choque térmico e tenacidade ao impacto.

O uso de CMCs em motores a jato

O Centro de Pesquisa Global da General Electric (GE) e a GE Aviation têm desenvolvido a tecnologia CMC para as seções quentes de vários motores comerciais e militares. Os principais componentes do combustor, turbinas de alta pressão e bocais são fabricados usando CMCs. 

De acordo com GE, "as coberturas de turbina GE feitas de CMCs agora operam com sucesso na seção mais quente do turbofan LEAP mais vendido, produzido pela CFM International (uma empresa conjunta 50/50 da GE e da Safran Aircraft Engines), que está alimentando centenas de aeronaves comerciais de corredor único aviões a jato."

A Rolls-Royce está empenhada em melhorar o desempenho dos motores a jato por meio do uso da tecnologia CMC em vários locais de seus motores. O peso total do motor é significativamente reduzido devido à menor densidade de massa dos CMCs em comparação com as ligas metálicas tradicionais.

Segundo a Rolls-Royce, "os compostos de matriz cerâmica (CMCs) oferecem várias vantagens para uma variedade de indústrias de alta tecnologia, como aeroespacial e outras aplicações com requisitos térmicos e mecânicos exigentes. aplicações de motores de turbina, mas pesam menos que as ligas atuais."

A resistência térmica superior dos CMCs permite que os motores obtenham menor consumo de combustível e, em troca, produzam menos emissões e menos ruído. A Rolls-Royce implementa a tecnologia CMC em vários programas de motores, incluindo o projeto principal do UltraFan.

O interior de um motor a jato (Foto: dirrgang via Flickr)

Devido às suas excelentes propriedades térmicas, os componentes CMC requerem menos resfriamento do que os componentes tradicionais à base de níquel. Como tal, vários canais de resfriamento podem ser minimizados ou eliminados para obter um design mais direto. 

A GE informou: "A remoção do ar de resfriamento permite que um motor a jato funcione com maior empuxo e/ou com mais eficiência. Incorporar as propriedades exclusivas dos CMCs em um motor de turbina aumenta a durabilidade do motor e reduz a necessidade de ar de resfriamento. Esses ganhos melhoram a eficiência do combustor e reduzem o consumo de combustível."

Os motores a jato de alta eficiência de hoje funcionam mais quentes do que nunca, muitas vezes excedendo os limites dos materiais tradicionais. O uso de CMCs permite que os fabricantes alcancem um desempenho térmico ideal enquanto perdem centenas de quilos de peso do motor.

Com informações de Simple Flying