As fibras de vidro como reforço

Uma grande variedade de materiais de reforço e de matrizes estão hoje disponíveis para o uso em materiais compósitos. A seleção de um reforço e de uma matriz para um compósito não é arbitrária, uma vez que as duas ou mais fases devem ser escolhidas equacionando a eficiência desejada para o material.

Sob o ponto de vista de resistência mecânica, as fibras são os principais componentes utilizados para se fazer o reforço nos materiais compósitos, embora outras geometrias de

reforços também possam ser utilizadas para este mesmo fim. As principais razões para esta utilização mais disseminada das fibras são três:

Tamanho do reforço: Quanto menor o tamanho de um material, menor o número médio de defeitos na sua secção transversal e maior a probabilidade de suportar carregamentos mecânicos, ou seja, maior a sua resistência.

Efeito microestrutural: Certos materiais ao serem processados para se tornarem fibras podem ter a sua estrutura cristalina ou molecular orientada no sentido longitudinal (de fiação) aumentando a resistência da fibra obtida.

Efeito geométrico: A forma geométrica de uma fibra possui uma relação, área de contacto/volume muito alta.

Assim sendo, a fibra tem uma maior capacidade para suportar os carregamentos impostos do que a matriz, que é menos resistente. Esta capacidade é tanto maior quanto maiores forem, a relação comprimento/diâmetro da fibra e a adesão interfacial entre fibra e matriz. As fibras de vidro constituem o tipo de reforço mais utilizado no fabrico de materiais compósitos. As razões para a sua utilização são atribuídas à conjugação de várias características destas fibras, tais como: boa adesão fibra-matriz; elevada resistência mecânica específica; boas propriedades dielétricas; incombustibilidade; estabilidade dimensional e boa resistência aos agentes químicos. Além disso, apresentam preços competitivos, disponibilidade, boa manipulação, facilidade de processamento, elevada relação propriedade/custo e uma elevada resistência mecânica.

As fibras de vidro possuem uma estrutura amorfa e são compostas basicamente por sílica, contendo diversos outros óxidos como, por exemplo, óxidos de cálcio, de boro, de sódio, de alumínio e de ferro. Estas fibras são produzidas com diferentes composições químicas e, consequentemente, possuem diferentes propriedades mecânicas e químicas. A temperatura de fusão depende da composição, aproximando-se dos 1260 ºC. As fibras de vidro são submetidas a tratamentos superficiais, que variam consoante o fim a que se destinam. Com base na composição e aplicação, as fibras de vidro podem ser classificados em diferentes tipos: A, E, S e R. Assim a fibra do tipo A, fortemente alcalina foi sendo substituída pela fibra do tipo E, um vidro borosilicato com baixas quantidades de compostos alcalinos.

propriedades de isolamento elétrico, boa resistência à humidade e elevadas propriedades mecânicas. A fibra de vidro do tipo S caracteriza-se por uma maior resistência ao calor, boa resistência à tração e elevado módulo de Young, sendo porém de custo mais elevado. Outras fibras especiais de vidro, como AR ou R, possuem melhor resistência química. Por outro lado, o teor alcalino é o principal parâmetro responsável pela resistência ao envelhecimento. Fibras com teores alcalinos inferiores a 14% apresentam alterações menos significativas em contacto com agentes atmosféricos ou químicos particularmente desfavoráveis. O diâmetro típico das fibras de vidro varia entre 10 µm a 12 µm e a densidade é de cerca de 2,5 g/cm3. Além disso, o módulo de Young das fibras de vidro varia entre valores de 50 GPa e 90 GPa, valores muito superiores aos apresentados pelos polímeros. Na tabela 2.1 são indicadas algumas propriedades das fibras de vidro do tipo E, S e R.

Tabela 2.1. Propriedades de alguns tipos de fibras de vidro.

O arranjo ou orientação das fibras entre si, a sua concentração e a sua distribuição têm uma influência significativa sobre a resistência e sobre outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. Em relação à orientação das fibras são possíveis diferentes configurações como representado na figura 2.3. Normalmente, as fibras contínuas estão alinhadas, enquanto as fibras descontínuas podem estar alinhadas, orientadas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. A maior parte dos compósitos de fibras contínuas tem reforço no plano, isto é, as fibras distribuem-se em planos perpendiculares à espessura da peça. O reforço

Fibras

Propriedade Vidro E Vidro S Vidro R

Densidade (g.cm-3_{) 2,50 2,49 2,55}

Módulo de Young (GPa) 73,0 85,5 86,0

Tensão de rotura (MPa) 3400 4580 4400

Deformação na rotura (%) 4,4 5,3 5,2

Coeficiente expansão

pode ser sob a forma de fibras contínuas unidirecionais ou de tecidos bidirecionais que possuem feixes de fibras em direções perpendiculares. No primeiro caso, a rigidez e resistência na direção das fibras, são particularmente elevadas. Todavia, nas direções perpendiculares a eficácia do reforço é reduzida e as propriedades são fortemente condicionadas pela matriz. Esta debilidade pode ser compensada no plano através da utilização de laminados multidirecionais, dotados de camadas com diferentes orientações. Contudo, as propriedades permanecem relativamente fracas na direção da espessura. Os tecidos adaptam-se melhor a configurações estruturais nas quais há curvatura e, além disso, são baratos e de fácil manuseamento. A quantidade de fibras em cada direção pode variar, gerando diferentes padrões de entrelaçamento. Por exemplo, num tecido unidirecional, as fibras são arranjadas de modo que cerca de 95% destas se apresentem na direção 0º. Porém, num tecido plano, as fibras nas direções 0º e 90º estão igualmente distribuídas. Quanto aos tecidos multidirecionais, apresentam melhores propriedades no plano transversal quando comparados com as lâminas unidirecionais, no entanto, apresentam baixo módulo de elasticidade, em consequência das suas ondulações ao longo da trama.

Figura 2.3. Compósitos reforçados com: (a) partículas aleatórias; (b) fibras descontínuas unidirecionais; (c) fibras descontínuas aleatórias; (d) fibras contínuas

(a) (b) (c)

Os laminados são constituídos pelo empilhamento de camadas unidirecionais ou de camadas reforçadas por tecidos, com fibras colocadas em diferentes orientações. As propriedades efetivas dos laminados podem variar com a orientação, espessura e sequência de empilhamento das camadas individuais. Os laminados cujos empilhamentos são simétricos não apresentam acoplamento de componentes mecânicas em tração com componentes de corte e/ou componentes de torção, enquanto laminados não simétricos apresentam. Por esta razão, os empilhamentos simétricos são os mais utilizados, pois oferecem uma resposta mecânica mais uniforme do que os laminados não simétricos. Alguns tipos de empilhamentos podem gerar uma classe de laminado muito importante e muito comum que é chamada de quase-isotrópica. Neste caso, a resposta elástica efetiva destes laminados, no seu respetivo plano, é isotrópica. Pelo que já foi descrito, pode-se notar que é muito importante explicitar para cada laminado a correta sequência de empilhamento.

Uma lâmina de um compósito é constituída pelas fibras de reforço envolvidas por uma matriz, logo é um material heterogéneo. Porém, é possível representá-la como um material homogéneo determinando as suas propriedades com base nas propriedades dos seus constituintes. O material homogéneo equivalente é geralmente assumido como ortotrópico. Para descrever as propriedades mecânicas de uma lâmina ortotrópica no seu plano são necessárias quatro propriedades de rigidez elástica (constantes elásticas). Essas propriedades mecânicas são o módulo de Young na direção das fibras de reforço (E1), o módulo de Young transversal à fibra de reforço (E2), o módulo de corte no plano (G12) e o coeficiente de Poisson no plano (ν12).

Com o objetivo de obter um elevado desempenho mecânico, pode ser recomendável a utilização simultânea de mais de uma fibra de reforço, ou então a utilização de lâminas de fibras contínuas reforçadas por partículas, nanopartículas ou fibras descontínuas.