Os três principais tipos de fibras sintéticas que se usam para reforçar materiais poliméricos são: vidro, aramida (ou aramídica) e carbono (vide figura 3.4). As fibras de vidro são, com grande vantagem, o reforço mais usado e o mais barato. As fibras de aramida e de carbono apresentam resistência mecânica elevada e baixa densidade. Apesar do seu preço mais elevado, são utilizadas em muitas aplicações, especialmente na indústria aeroespacial. A tabela 3.7 apresenta algumas propriedades mecânicas das fibras de vidro, carbono e aramida.
(a)
(b)
(c)
Tabela 3.7 -Propriedades de fios de fibras de vidro, carbono e aramida para reforço de polímeros, de acordo com Smith (1999).
Propriedades Vidro Carbono Aramida
Resistência à tração (MPa) 2410 3100 3617
Módulo de elasticidade em tração (GPa) 69 220 124
Alongamento (%) 3,5 1,4 2,5
Densidade (g/cm³) 2,54 1,75 1,48
As fibras de vidro são usadas para reforçar matrizes poliméricas de modo a se obter compósitos estruturais e componentes moldados. Os compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras de vidro apresentam as seguintes características favoráveis: elevada razão entre resistência e peso; boa estabilidade dimensional; boa resistência ao calor, à umidade e à corrosão; boas propriedades de isolamento elétrico; facilidade de fabricação; e custo relativamente baixo. Conforme Hull (1995), muitas composições de minerais têm sido utilizadas para produzir fibras de vidro. Essas fibras de vidro podem ser produzidas a partir da sílica (SiO2), através da adição de óxido de cálcio, boro, sódio e alumínio. Essas
fibras são materiais amorfos e sua cristalização ocorre depois de prolongado tratamento às altas temperaturas. Fiorelli (2002) afirma que entre as vantagens do uso da fibra de vidro em reforços de estruturas destacam-se seu baixo custo em relação às fibras de carbono e às fibras de aramida e sua alta resistência ao impacto e à corrosão.
Compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono são caracterizados pelo fato de apresentarem uma combinação de baixo peso, resistência mecânica muito elevada e elevado módulo de elasticidade. Essas propriedades fazem com que os materiais compósitos de matrizes poliméricas reforçadas com estas fibras sejam especialmente atrativos para aplicações aeroespaciais. Segundo Ribeiro (2000), as fibras de carbono foram desenvolvidas para atender à indústria aeroespacial e podem ser obtidas por vários processos, sendo que suas propriedades são fortemente influenciadas pelas técnicas de fabricação. As fibras de carbono para esses compósitos são fabricadas principalmente a partir de dois precursores: o poliacrilonitrilo (PAN) e o breu (ou piche). Infelizmente, os custos relativamente elevados das fibras de carbono fazem com que sua utilização seja limitada em outros setores da indústria.
As fibras de aramida (poliamida aromática) foram introduzidas no comércio em 1972 pela Du Pont®, sob o nome comercial de Kevlar®, e até a presente data existem dois tipos comerciais: o Kevlar 29® e o Kevlar 49®. O Kevlar 29® é uma fibra de aramida de elevada resistência mecânica e baixa densidade, concebida para determinadas aplicações, como por exemplo, para proteção balística, cordas e cabos. O Kevlar 49® é caracterizado por possuir resistência mecânica e um módulo de elasticidade elevado e densidade baixa. As propriedades do Kevlar 49® fazem com que as suas fibras sejam usadas como reforço de matrizes poliméricas de compósitos com aplicação nas indústrias aeroespacial, marítima, automobilística e outras. De acordo com Ribeiro (2000), a aramida é mais leve que a fibra de carbono e está disponível em diferentes estruturas cristalinas. Quanto maior o alinhamento das moléculas, maior será a cristalização e maior o módulo de elasticidade. Diferentemente das fibras de vidro e de carbono, que possuem valores de módulo de elasticidade sob tração e compressão muito próximos entre si, a aramida exibe um modulo de elasticidade sob compressão significativamente menor do que aquele apresentado sob tração. Ela possui resistência ao impacto superior à das fibras de vidro e de carbono, sendo, por esse motivo, utilizada em capacetes militares, aeronaves e tanques.
As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não dependem somente das propriedades das fibras, mas também do grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela fase matriz. A magnitude da ligação interfacial entre as fases fibra e matriz é importante para a extensão dessa transmissão de carga. Um certo comprimento crítico de fibra é necessário para que exista um efetivo aumento da resistência e um enrijecimento do material compósito. Esse comprimento crítico depende do diâmetro da fibra e da sua resistência final (ou limite de resistência à tração), bem como da força de ligação entre a fibra e a matriz, conforme Callister (2002).
O arranjo ou orientação das fibras entre si, a concentração das fibras e sua distribuição tem influência significativa sobre a resistência e sobre outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. Normalmente, as fibras contínuas estão alinhadas, enquanto as fibras descontínuas podem estar alinhadas, orientadas todas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. A melhor combinação geral das propriedades dos compósitos é obtida quando a distribuição das fibras é uniforme.
Os compósitos do tipo tecedura, ou Woven Fabrics são formados pelo entrelaçamento das fibras, de modo a se conseguir o arranjo desejado. Esses materiais podem suprir algumas desvantagens dos compósitos unidirecionais. Dessa forma, os tecidos podem ter as mais variadas formas, cada uma delas projetadas para satisfazer certos requisitos, tais como estabilidade geométrica e resistência mecânica uniforme em duas direções. Nasseh (2000) menciona que, na tentativa de melhorar as propriedades do laminado, pode-se utilizar tecidos híbridos, fabricados a partir de dois ou mais tipos de fibras, oferecendo a possibilidade de agrupar as vantagens dos materiais e minimizar as desvantagens. A figura 3.5 mostra alguns padrões de tecidos usados nos compósitos.
"plain weave" "4 - harness satin" "5 - harness satin"
"8 - harness satin" "twill" "basket"
Figura 3.5 - Tipos de tecedura usadas em compósitos (Ávila et al, 2001).