Modificação de superfície dos elementos de aquecimento via PECVD/HMDSO para soldagem de alto desempenho em compósitos PEI/FIBRA de vidro

Abstract

A crescente demanda por estruturas leves e de alto desempenho na indústria aeroespacial tem impulsionado o uso de compósitos termoplásticos, sendo a soldagem por resistência uma das técnicas mais promissoras para a montagem de componentes por promover uniões rápidas e sem acumuladores de tensões. No entanto, a eficácia desse processo é frequentemente limitada pela incompatibilidade química na interface entre o elemento de aquecimento metálico e a matriz polimérica, resultando em juntas com adesão subótima. Este trabalho investigou a modificação superficial de malhas de aço inoxidável AISI 304, utilizadas como elementos de aquecimento (EA), para otimizar a soldagem por resistência de compósitos termoplásticos de fibra de vidro/poliéterimida (GF/PEI). A estratégia experimental consistiu na deposição de filmes finos de hexametildissiloxano (HMDSO) via Deposição Química de Vapor Assistida por Plasma (PECVD), seguida de um pós-tratamento funcionalizante com plasma de oxigênio (O2). Utilizou-se um delineamento Taguchi L9 para avaliar a influência dos parâmetros de processo, identificando-se a potência de descarga como o fator mais determinante na qualidade da deposição, seguida pelo tempo de processo. A condição otimizada (30 W, 30 min e 60% de precursor) resultou em filmes com reticulação adequada, evitando a formação de oligômeros pouco aderentes. Caracterizações por FTIR e XPS confirmaram que o plasma de O2 promoveu a oxidação da camada de organossilano, substituindo grupos metila (-CH3) por grupos funcionais oxigenados (Si-OH, Si-O-C), o que converteu a superfície de hidrofóbica para hidrofílica e ampliou a molhabilidade pela matriz de PEI durante a soldagem. Os ensaios de resistência ao cisalhamento (LSS) revelaram ganhos significativos: o tratamento com HMDSO puro elevou a resistência em 39,8%, enquanto o tratamento duplo (HMDSO+O2) promoveu um incremento de 48,0% em relação à condição controle, atingindo valores médios superiores a 15,44 MPa. Além do ganho de resistência, observou-se uma redução na dispersão dos resultados, indicando maior reprodutibilidade e confiabilidade estrutural. A análise fractográfica corroborou o desempenho superior, evidenciando falhas do tipo intralaminar. Conclui-se que a funcionalização via PECVD é uma estratégia robusta para superar a incompatibilidade metal-polímero, promovendo interações físicas e químicas eficazes para juntas soldadas de alto desempenho.

The growing demand for lightweight and high-performance structures in the aerospace industry has driven the use of thermoplastic composites, with resistance welding being one of the most promising techniques for component assembly due to promoting rapid joints free of stress concentrators. However, the effectiveness of this process is often limited by chemical incompatibility at the interface between the metallic heating element and the polymeric matrix, resulting in joints with suboptimal adhesion. This work investigated the surface modification of AISI 304 stainless steel meshes, used as heating elements (HE), to optimize the resistance welding of glass fiber/polyetherimide (GF/PEI) thermoplastic composites. The experimental strategy consisted of the deposition of hexamethyldisiloxane (HMDSO) thin films via PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), followed by a functionalizing post-treatment with oxygen (O₂) plasma. A Taguchi L9 design was used to evaluate the influence of process parameters, identifying discharge power as the most determinant factor in deposition quality, followed by process time. The optimized condition (30 W, 30 min, and 60% precursor) resulted in films with adequate crosslinking, avoiding the formation of poorly adherent oligomers. FTIR and XPS characterizations confirmed that the O₂ plasma promoted the oxidation of the organosilane layer, replacing methyl groups (-CH₃) with oxygenated functional groups (Si-OH, Si-O-C), which converted the surface from hydrophobic to hydrophilic and enhanced wettability by the PEI matrix during welding. Lap Shear Strength (LSS) tests revealed significant gains: the pure HMDSO treatment increased strength by 39.8%, while the dual treatment (HMDSO+O₂) promoted an increase of 48.0% compared to the control condition, reaching average values exceeding 15.44 MPa. In addition to the strength gain, a reduction in result dispersion was observed, indicating greater reproducibility and structural reliability. Fractographic analysis corroborated the superior performance, evidencing intralaminar failures. It is concluded that functionalization via PECVD is a robust strategy to overcome metalpolymer incompatibility, promoting effective physical and chemical interactions for highperformance welded joints.