Resumo:
Por muito tempo, o titânio tem sido amplamente utilizado na indústria aeroespacial, na engenharia naval e em outras áreas devido à sua alta resistência, peso leve e excelente resistência à corrosão. No entanto, como o titânio é quatro vezes mais denso que a água, as pessoas nunca associaram esse metal à “flutuação”. Agora, uma equipe de pesquisa do Royal Melbourne Institute of Technology da Austrália (RMIT University) criou com sucesso uma estrutura de titânio que pode flutuar na água e alcançar flutuabilidade a longo prazo, mantendo alta resistência.
O que a equipe de pesquisa desenvolveu foi uma nova estrutura chamada "metamaterial flutuante de rede aberta de metal-polímero". Embora o próprio titânio tenha uma densidade de cerca de 4,43 gramas por centímetro cúbico, que é muito superior à densidade da água doce, que é de cerca de 1 grama por centímetro cúbico, os investigadores alteraram esta característica através de um design estrutural especial.
Para obter o efeito flutuante, os pesquisadores usaram tecnologia de impressão 3D para construir um esqueleto treliçado de liga de titânio Ti-6Al-4V e projetaram todas as vigas de suporte que compõem a treliça em estruturas ocas. Eles então preencheram o interior desses canais ocos com espuma leve de poliuretano. A estrutura composta resultante não apenas retém as propriedades mecânicas do metal titânio, mas também atinge uma flutuabilidade estável.
Durante o experimento, os pesquisadores descobriram que mesmo que o material quebrasse, as partes da conexão fossem quebradas ou mesmo parte da camada de treliça fosse danificada como um todo, ele ainda poderia permanecer flutuando e não afundar na água.
A razão pela qual materiais com alta resistência e flutuabilidade são procurados é porque há muitas necessidades práticas no campo da engenharia naval. Bóias, sensores de monitorização offshore, plataformas offshore e diversas infraestruturas marítimas devem não só resistir ao impacto contínuo das ondas, mas também resistir à corrosão da água do mar e continuar a manter a sua capacidade de funcionamento apesar dos danos.
Embora o aço inoxidável e os plásticos de alta densidade atualmente amplamente utilizados possam atender a algumas necessidades, eles ainda apresentam limitações em termos de resistência, durabilidade e confiabilidade a longo prazo. A própria liga de titânio possui excelente resistência à corrosão e à fadiga, por isso sempre foi considerada um material ideal. Contudo, a sua elevada densidade natural limita a sua aplicação em instalações flutuantes.
Os pesquisadores disseram que os humanos no passado dependiam principalmente de dois métodos para resolver o problema da flutuação. Uma é usar a estrutura oca do navio para envolver uma grande quantidade de ar, e a outra é adicionar materiais de baixa densidade, como espuma, dentro do equipamento para proporcionar flutuabilidade. O surgimento de estruturas treliçadas metálicas nos últimos anos fornece novas ideias para este problema.
Através da tecnologia de impressão 3D, apenas uma pequena quantidade de metal pode ser usada para construir uma enorme estrutura de malha, alcançando assim uma relação resistência-peso extremamente alta. A densidade total de algumas redes metálicas é inferior a um décimo da densidade da água. No entanto, tais estruturas têm sido impraticáveis para utilização em ambientes marinhos porque os seus poros abertos enchem-se rapidamente com água do mar, eventualmente fazendo com que afundem.
A descoberta da equipe de pesquisa resolveu esse problema. Em vez de envolver toda a estrutura, eles simplesmente preencheram o interior das vigas ocas de suporte de titânio com espuma. Isto não só permite que a água do mar passe livremente através da estrutura de treliça, mas também garante que a flutuabilidade geral exista por um longo tempo.
Para avaliar com mais precisão a capacidade de flutuação de tais estruturas, os pesquisadores também propuseram uma nova métrica de cálculo – “densidade do esqueleto”.
Os cálculos de densidade tradicionais incluirão todos os espaços abertos dentro da rede na faixa de volume, mas esses espaços serão na verdade ocupados por água e não contribuirão para a flutuabilidade. O novo conceito de densidade do esqueleto calcula apenas as partes que podem realmente repelir a água, incluindo paredes de liga de titânio e áreas cheias de espuma.
De acordo com esta teoria, desde que a densidade do esqueleto seja inferior à densidade do líquido circundante, toda a estrutura ainda pode flutuar de forma estável, mesmo que um grande número de aberturas externas permitam a passagem da água.
Os resultados dos testes de desempenho também são interessantes. Sob a mesma densidade global, a resistência desta nova estrutura flutuante de titânio é cerca de 70% superior à do aço inoxidável ou do polietileno de alta densidade atualmente amplamente utilizados na engenharia naval.
A equipe de pesquisa também realizou testes de resistência à corrosão usando água do mar natural de Port Phillip, Melbourne. Os resultados mostraram que depois de a amostra ter sido imersa em água do mar durante duas semanas, perdeu apenas cerca de 0,15% da sua massa, enquanto a sua resistência diminuiu menos de 1%, demonstrando excelente adaptabilidade ao ambiente marinho.
Além disso, as amostras experimentais flutuaram continuamente em água doce por mais de dois meses e permaneceram estáveis por muito tempo. Os pesquisadores acreditam que isso prova que a estrutura não só tem capacidade teórica de flutuação, mas também tem potencial para aplicações práticas de engenharia.
A equipe de pesquisa afirmou que esta é a primeira vez no mundo que um metamaterial de rede mista metálica que pode flutuar por um longo tempo foi alcançado. No futuro, espera-se que esta tecnologia seja aplicada a bóias offshore, equipamentos de monitorização oceânica, instalações energéticas offshore e vários tipos de infraestruturas implantadas no ambiente marinho há muito tempo.
À medida que a tecnologia de impressão 3D e a engenharia de materiais avançados continuam a se desenvolver, espera-se que este novo tipo de "titânio flutuante" que combina alta resistência, resistência à corrosão e flutuabilidade sustentada abra novas possibilidades para futuros projetos de engenharia oceânica.
Comentários