Este trabalho teve como objetivo desenvolver um sistema de medição baseado em ondas ultrassônicas Lcr para avaliar as tensões em compósitos de fibra de carbono e
resina epóxi. Para atingir esse objetivo foram estudados os fatores que mais influenciam no resultado da medição e foi buscado um conjunto de parâmetros do sistema que permitem a obtenção do resultado mais adequado, ou seja, a maior sensibilidade com as menores dispersões.
Ao longo dessa tese foram estudados os efeitos da temperatura, da força sobre a probe com diferente material da cunha, da frequência dos transdutores, distância entre cunhas de angulação, culminando com a avaliação da sensibilidade das tensões. Os resultados mostraram que a temperatura deve ser controlada, mas tem pouco efeito na direção onde se quer medir tensões em um componente estrutural, que é a direção da fibra. A variação da velocidade com a temperatura é linear e pode ser obtida para os diversos arranjos possíveis do sistema de medição. A força sobre a probe também apresentou influência. Entretanto, a magnitude dessa influência é diferente de acordo com o material da cunha e pode ser minimizada com a manutenção da mesma intensidade da força em todas as medições. Quanto ao material da cunha, o rexolite® é mais sensível a variação da força do que o acrílico.
Dentro dos objetivos deste trabalho, foi necessário avaliar as variações no material compósito, classificadas como não uniformidades, delaminação e ondulação de fibra quanto ao seu efeito no tempo de percurso e consequentemente, contribuição no desvio de medição de tensão. Os resultados mostraram que ao utilizar frequências de até 2,25 MHz as não uniformidades podem causar variação de até 30 ns, e uma variação similar em amostras com delaminação e ondulação de fibra. No entanto, a presença dos defeitos intensifica a diferença no tempo entre as amostras, o que traz maior desvio na determinação do t0 (tempo quando não há carregamento sobre o material). Para frequências acima de 2,25
MHz foram obtidos variações de até 100 ns ao mudar a posição da probe nas amostras com defeito, o que resulta em maior desvio na medição de tensão.
Por fim, foi avaliado o efeito do carregamento no tempo de percurso da onda Lcr, e para os três grupos de amostra foi encontrado uma variação aproximada de 1 ns/MPa,
comum a todas as amostras, o desvio da medição de tensão chegou a 60 MPa, mas em algumas amostras com defeito, delaminação ou ondulação de fibra, o desvio chegou a 300 MPa. Nesse caso, a medição de tensão pelo método de ultrassom é inviabilizada. A identificação desses defeitos pode ser feita com sistema phased array, as delaminações são melhor detectadas por imagem B-Scan e, as ondulações de fibra com SNR de imagens de TFM.
Conforme pode ser observado pelos resultados obtidos nesta tese, a configuração mais adequada de um sistema de medição para a avaliação das tensões em compósito unidirecional de fibra de carbono e resina epóxi requer :
- manter distância entre as cunhas em 10 a 30 mm; - transdutores com frequências de 2,25 MHz;
- com maior controle de força usar rexolite®, sem controle de força, usar cunha de acrílico;
- controle de temperatura, devido principalmente aos seus efeitos no tempo de percurso das cunhas;
- necessário alinhamento entre as cunhas.
Há ainda muita pesquisa a ser feita a partir dos resultados obtidos neste trabalho. Assim, como futuros tópicos a serem estudados sugere-se:
- Desenvolvimento de um sistema acoplado de medição de tensões e avaliação de não uniformidade baseado em ultrassom;
- Desenvolvimento de técnicas que minimizem a variação da referência de tensões nulas nos materiais compósitos;
- Aplicação das técnicas desenvolvidas neste trabalho para avaliação de tensões em compósitos multidirecionais ou quase-isotrópicos;
- Avaliação do efeito da degradação do módulo de elasticidade na constante acustoelástica;
- Aplicação do método a outros compósitos, como os de matrizes termoplásticas;
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APÊNDICE A – Sistema Phased Array
Os arrays ultrassônicos são sondas formadas por vários elementos piezoelétricos (multielementos) que podem se dispor geometricamente de forma linear, matricial ou circular. Esses elementos são conectados a uma unidade de controle que emite pulsos seguindo uma lei de atraso, dessa forma as frentes de onda de cada elemento sofrem interferência de Huygens. De acordo com o atraso imposto no pulso é possível controlar a direção e profundidade do sinal emitido, quando a lei de atraso ocorre a sonda é chamada
phased array (WOOH; WANG, 2002).
Figura A. 1 - Esquema frente de onda de uma sonda array linear
Uma das vantagens de utilizar uma sonda phased array está na possibilidade de obter imagens em tempo real, como as do tipo B-Scan, que são imagens 2D da seção transversal do meio inspecionado. Essas imagens são construídas por um empilhamento de A-Scan, sinal ultrassônico em função do tempo para cada posição.
Outra forma de obter imagens com o phased array é através de um pós- processamento dos sinais obtidos pelo método FMC (Full Matrix Capture). Nesse método, para uma sonda do tipo array linear, um elemento emite o sinal e todos os demais gravam o sinal recebido, depois o próximo elemento emite o sinal e todos os elementos gravam o sinal recebido, tal procedimento se repete até que todos os elementos tenham emitido um pulso ultrassônico. Os dados obtidos com o FMC são empregados em um algoritmo de imagem chamado TFM (Total Focusing Method) (LI, Chuan et al., 2013), no qual os pixels da imagem são dados pela equação A.1:
𝑡𝑥,𝑧𝑖𝑗 =
√(𝑥−𝑥𝑖)2+𝑧2+√(𝑥−𝑥𝑗)2+𝑧2
𝑐 (A.2)
Nas equações A.1 e A.2, I(x, z) é a intensidade dos pixels, ℎ𝑖𝑗(𝑡𝑥,𝑧𝑖𝑗 ) amplitude do sinal no tempo em que ele sai do elemento emissor i e chega no elemento receptor j. Na equação A.2, 𝑥𝑖 e 𝑥𝑗 são as localizações dos elementos i e j, e c é a velocidade da onda longitudinal.
A análise da imagem de B-Scan foi realizada usando uma sonda phased array linear de 64 elementos com frequência de 5 MHz e outra com frequência de 10 MHz, a sonda foi conectada a uma unidade de controle MultiX++ do fabricante M2M com 64 canais conectada a um notebook. As amostras foram demarcadas em quatro posições sobre a região com defeito, e a imagem obtida foi gravada.
(a) (b)
Figura A. 2 – Sistema Phased Array. (a) unidade controladora, (b) sonda linear de 5 MHz Para obtenção da relação sinal ruído (SNR – signal to noise ratio) da imagem de TFM, cada amostra foi demarcada em sete posições e foi realizada a gravação de dados do FMC, que foram usados para construir a imagem de TFM. O valor do SNR foi obtido pela equação:
𝑆𝑁𝑅 = 20log (𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜
𝐼𝑟𝑚𝑠) (A.3)
Em que Ipico é a intensidade máxima no fundo da amostra e Irms é o RMS da
intensidade da região demarcada.
O Sistema Phased Array foi usado para identificar o defeito presente nas amostras do Grupo T, por imagem B-Scan. As imagens indicadas na Figura A.3 confirmam a posição do pedaço de teflon em 4 mm de profundidade nas quatro amostras.
Figura A.3 – Imagens B-Scan das amostras do Grupo T
- Identificação dos defeitos de ondulação de fibra
O Sistema Phased Array também foi usado para identificar o defeito presente nas amostras do grupo S, tanto por imagem B-Scan quanto pela variação do SNR (relação sinal ruído) de imagens de TFM (Total Focusing Method).
As imagens de B-Scan para as amostras do grupo S são indicadas na Figura A.4, no qual os defeitos são indicados pelo retângulo branco. Houve dificuldade de obter a descontinuidade para a amostra S2 por B-Scan e por isso, uma análise por SNR foi realizada nesse grupo de amostra.
Figura A.4 – Imagem de B-Scan do Grupo S
Os gráficos obtidos para a variação do SNR são indicados na Figura A.5. Os valores de SNR em cada amostra do Grupo S foi comparada ao valor médio de SNR para as amostra do Grupo CP. É possível observar que o valor não se mantém constante entre as posições, em especial entre as posições 3 e 5, que correspondem ao meio da amostra, posição na qual a esfera de sílica foi inserida. Diferente das imagens de B-Scan, para esta análise é possível verificar alteração na amostra S2, o que confirma a presença do defeito de ondulação de fibra. 1 2 3 4 5 6 7 6 8 10 12 14 16 SNR (d B) Position CP S1 1 2 3 4 5 6 7 6 8 10 12 14 16 SNR (d B) Position CP S2
Figura A.5 – Variação do SNR nas amostras do Grupo S 1 2 3 4 5 6 7 6 8 10 12 14 16 SNR (d B) Position CP S3 1 2 3 4 5 6 7 6 8 10 12 14 16 SNR (d B) Position CP S4
APÊNDICE B – Micrografia
A microestrutura do material compósito unidirecional foi analisada através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), que consiste na obtenção de micrografias através de feixes de elétrons.
Para obtenção dessas imagens foi usado o equipamento MEV da marca Zeiss, modelo EVO-MA 15, Figura B.1, pertencente a Fem/Unicamp. Foram utilizados feixes secundários e as amostras passaram pelo processo de recobrimento com ouro (metalização) devido a suas propriedades isolantes, esse processo também contribui para a melhora a emissão de elétrons secundários. O processo de metalização ocorreu apenas na superfície analisada, e a amostra ficou 30 minutos no equipamento Bal-Tec SCD 050, Figura B.2.
As amostras passaram por banho de ouro, devido a sua baixa condutividade.
Figura B. 1 - Microscópio Eletrônico de Varredura
Figura B. 2 - Metalizador e Evaporador Bal-Tec SCD 050
• Micrografias do material compósito
Após o ensaio de tração, foram usadas amostras do material rompido para obtenção de imagens de micrografia eletrônica de varredura – MEV, o que permitiu
conhecer melhor a estrutura do material estudado. As amostras com fibras na direção 90° em relação a direção de aplicação da força sofreram fratura predominantemente na resina, como esperado, resultando em uma superfície aproximadamente lisa, Figura B.3.
Na Figura B.3, em que foram usados magnificação de 50x, 200x e 1000x, é possível identificar uma fibra arrancada revestida por resina e também superfícies lisas indicando impressões de fibras na resina, característica de rompimento na resina e não na interface fibra/matriz, além disso algumas ocorrências de “Cusps” (encontro de regiões