Aula_11_ESTM008-17 - Materiais Compósitos_22 11 2017_Interface Parte II

Aula 11

Interface – Parte II

06/07/11

Interface:

Teste de Fragmentação de Filamento



Distorções: diferenças entre as propriedades da matriz e da

fase dispersa;

 Deslocamentos axiais desiguais;

 Deformações cisalhantes que são produzidas nos planos paralelos

aos eixos dos elementos de reforço;

 Distribuição da tensão aplicada: matriz fase dispersa

Interface:

Teste de Fragmentação de Filamento



Um único monofilamento é embebido na matriz e submetido

a um ensaio de tração;



Quando a tensão aplicada sobre a fibra iguala-se ao limite de

resistência à tração da fibra (



), a fibra se divide em duas

partes;



A aplicação progressiva de carregamento faz com que ocorra

a ruptura do monofilamento em pequenos fragmentos;



O processo continua até atingir um comprimento crítico (l

), o

comprimento crítico da fibra:

i f f c d l













Interface:

Teste de Fragmentação de Filamento



Mecanismo de transferência de tensão

:

Modelo de Hull

 A fibra e a matriz apresentam comportamento elástico;

 A interface apresenta espessura infinitesimal;

 A adesão entre a fibra e a matriz é perfeita (não há descontinuidade

na interface);

 As fibras estão dispostas segundo um arranjo regular;

5

R = distância de centro a centro entre as fibras

Deslocamentos axiais desiguais:

)

(u v

H dx

dp _{ }

u = deslocamento junto à fibra v = deslocamento junto à matriz

H = constante; depende do módulo de

cisalhamento da matriz (Gm), do diâmetro da fibra e do arranjo geométrico (que estabelece R de centro a centro das fibras)

) ln( 2 f m r R G H  

)

(u v

H dx

dp _{ }

Uma solução para esta equação diferencial é:

 = parâmetro de transferência de tensão

) ln( 2 f m r R G H   , como: 2 2

• Condições de contorno para a determinação das constantes C e K: • Fibra de comprimento l;

• x = 0 e em x = l: P = 0 • 0  x  l/2

• Tensão de cisalhamento ao longo da interface:

• Equilíbrio de forças cisalhantes e de tração em dx;

• Como a tensão na fibra é dada por:

• Assim, a tensão de cisalhamento na interface, de forma mais completa, para 0  x  l/2, será dada por:

0  x  l/2

Interface:

Modos de Falha Ligação Fibra/Matriz

 A natureza da ligação entre a fibra e a matriz resulta em diferentes modos

de falha:

 Dependem da natureza e da intensidade da ligação fibra/matriz; e;

 Da resistência mecânica e rigidez relativas da matriz e do reforço;

11

12

A. BRENT STRONG; Fundamental of Composites Manufacturing. Materials, Methods and Applications. Society of Manufacturing Engineers, 2008. A falha pode ocorrer por ruptura

das fibras, mostrando uma interação entre a fibra e a matriz em condição ótima

Ocorre separação entre a fibra e a matriz, como um resultado da quebra da ligação entre a fibra e a matriz (ligação fraca fibra/matriz)

Neste situação a fibra é extraída da matriz; A ligação entre a fibra e a matriz é muito fraca

A matriz transferiu toda a energia para as fibras

A matriz sofre deformação e ocorre falha na ligação fibra matriz; a matriz retorna ao seu estado inicial elasticamente

Praticamente não ocorre transferência de energia da matriz para as fibras

Interfaces em Compósitos



Interface em Compósitos de Matriz Polimérica

(1) Fibras de Vidro;

(2) Fibras Aramida;

(3) Fibras de Polietileno;

(4) Fibras de carbono;

13

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

 Arranjo atômico e molecular em uma superfície é diferente do que

no interior do material;

 Vidros a base sílica: contêm diferentes tipos de óxidos, uma

camada complexa contendo grupos hidroxilas está presente na superfície da fibra;

 Óxidos não higroscópicos absorvem água na forma de grupos

hidroxila (OH);

 Óxidos higroscópicos absorvem água e se tornam hidratados;

 Atividade de uma superfície de vidro é uma função do conteúdo de

grupos hidroxila e de cátion posicionados abaixo da superfície do vidro.

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

 Fibras de vidro tipo-E sofrem tratamento logo após a sua

fabricação;

 Tratamento: promover uma proteção contra a ação em condições

ambiente (para manuseio e para minimizar a introdução de defeitos;

 Tratamentos:

 Amido;

 Óleo vegetal hidrogenado;

 Gelatina;

 Poli(álcool vinílico) – PVA;

 Emulsificantes.

15

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

 O recobrimento aplicado pode ser removido por meio de

tratamento térmico a ~350 o_{C, na presença de ar;}

 O material pode então sofrer um novo tratamento superficial:

 Compostos organometálicos ou organossilanos, conhecidos

como agentes de compatibilização;

 Solução de organossilano é uma das mais utilizadas;

 Organossilano:

R-SiX₃

 R = grupo compatível com a resina;

 X = grupo capaz de interagir com os grupos hidroxila presentes na

superfície do vidro;

 Geralmente: R = (CH

2)nY  0 < n < 3;

 X = grupo hidrolisável;

 Y = grupos funcionais orgânicos que são compatíveis com

resina.

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

17

 Grupos hidrolisáveis: formação de silanóis intermediários (Si-OH);

 Teoria:

Os agentes de compatibilização favorecem a formação de uma “interface” química entre a matriz e a superfície da fibra;

 Teoria da “interface” química:

 Componentes multifuncionais R-SiX₃

 X = grupo hidrolisável ligado ao silício (-OCH

2CH3)

 R = grupo compatível com a resina

• Formam tri-hidroxi silanols, os quais ligam-se à superfície da fibra de vidro por meio de ligações do tipo hidrogênio;

• Processo de secagem:

• Moléculas de água são removidas e uma reação de condensação ocorre entre o silanol e a superfície da fibra de vidro;

• Também ocorre a reação entre as moléculas de silanol adjacentes, resultando em um processo de polimerização – formação de uma camada de polissilano na superfície da fibra de vidro;

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

19

1. Hidrólise do silano:

R-SiX3 + 3 H2O R-Si(OH)3 + 3 HX

2. Formação das ligações hidrogênio entre os grupos OH do silanol (Si-OH) e a superfície do vidro:

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

3. Polimerização (reação entre moléculas de silanol adjacentes):

4. Ligação (interação) com a matriz (polímero):

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

21

• Durante o processo de cura ocorre uma contração do polímero; portanto, pode resultar na da intensidade de ligação entre a matriz e fibra;

• No entanto, existem outras teorias para explicar o mecanismo de ligação na interface fibra/matriz quando o mecanismo de “interação” química é considerado;

• O modelo da ligação reversível é um aperfeiçoamento do modelo de “interação” química;

• Modelo da Ligação Reversível:

• O processamento de compósitos de matriz polimérica envolve um processo de encolhimento da matriz durante a cura;

• O material permanece praticamente como em seu estado inicial;

• Este processo de encolhimento resulta na presença de tensões no compósito, principalmente na interface matriz/reforço:

• Coeficiente de expansão térmica: 5x10-6 _K-1 _(vidro);

50-100 K-1 _(polímero).

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

23

• Modelo da Ligação Reversível:

• Superfícies de vidro limpas, em condições normais, rapidamente absorvem moléculas de água;

• Compósitos: estas moléculas de água pode chegar até a interface fibra/matriz por meio de difusão através do polímero, penetração através de microtrincas ou por efeitos de migração capilar através das fibras;

• Fibras de caráter hidrofóbico, tais como carbeto de silício e carbono, são menos sensíveis à presença de água;

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

• Modelo da Ligação Reversível:

• Ligação hidrolítica reversível na interface; -M-OH; M = Si, Al, Fe, etc.

• Equilíbrio dinâmico na interface requer a presença de moléculas de água, o que resulta em um processo de relaxação das tensões decorrentes de efeitos térmicos durante o processamento do compósito;

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

25

• Modelo da Ligação Reversível:

• Na presença de água a ligação M-O sofre hidrólise, resultando no estabelecimento de um equilíbrio dinâmico na interface fibra de vidro/matriz polimérica;

• Sob condições e cisalhamento, as fases polímero (matriz) e fibra (vidro) podem mover-se uma em relação à outra sem a quebra da ligação (química, na interface);

• Este processo somente pode ocorrer na presença de água.

• Modelo da Ligação Reversível: • Hidrólise na presença de água:

• Cisalhamento na interface fibra de vidro/polímero:

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Vidro

27

• Muitos polímeros apresentam baixa adesão em superfícies aramida;

• Este comportamento é evidenciado por baixas tensões de

cisalhamento interfacial (i) e por baixas tensões na direção

transversal obtidas com estas fibras em matrizes poliméricas; • Geralmente, a força de ligação interfacial de compósito fibra

aramida/epóxi é a metade do obtido em compósitos do tipo fibra de vidro/epóxi e fibra de carbono/epóxi;

Interface Matriz Polimérica/Fibra Aramida

• Esta baixa adesão na interface é uma consequência da microestrutura:

• Apresenta cadeias poliméricas altamente orientadas na superfície da fibra;

• Heterogeneidade do sistema superfície/caroço (interior da fibra), o que resulta em uma fraca interação superficial; • No entanto, esta situação é uma vantagem em aplicações de

compósitos resistentes ao impacto, tais como capacete a armaduras, onde a delaminação seja uma propriedade de interesse.

Interface Matriz Polimérica/Fibra Aramida

29

• Tratamentos superficiais de fibras aramida:

• Tratamento com água de bromo (Br₂(aq)) – redução da

resistência mecânica da fibra; • Tratamento com silanos;

• Tratamento químico reativo (H₂SO₄, anidrido de ácido

acético, etc.) – diminuição da resistência à atração devido à efeitos corrosivos (erosão superficial);

• Tratamento com ácidos e bases fortes (HCl, H₂SO₄, NaOH),

o que resulta na hidrólise da estrutura aramida – formação de grupos funcionais aminos, aos quais grupos diepóxidos podem ligar-se;

• Tratamento por plasma (argônio, amônia).

• Fibras de polietileno de ultra-massa molar (UHMWPE) é um material quimicamente inerte, apresentando baixa adesão à matrizes poliméricas;

• Fibras de polietileno de alto módulo elástico são difíceis de interagir (baixa adesão) com superfícies poliméricas (matriz); • Estas fibras recebem um tratamento para uso com resinas com

matrizes poliméricas epóxi: o método mais utilizado é tratamento por meio do uso de plasma a frio (ar, amônia, argônio):

• Remove impurezas (contaminantes) e as camadas altamente orientadas da superfície;

• Adiciona grupos funcionais polares na superfície; • Aumenta a rugosidade da fibra.

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Polietileno

31

• Todos estes fatores contribuem para o aumento da força de ligação interfacial fibra/matriz;

• Exposição ao plasma é feito em alguns minutos (curto intervalo de tempo);

• Método mais utilizado: combinação de tratamento químico com ácido crômico e erosão por plasma na presença de oxigênio

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Polietileno

• Fibras de carbono são altamente inertes;

• Oxidação ou erosão na presença de um ácido: aumento da área superficial específica e um aumento do efeito de ligação

mecânica;

• Na superfície, os planos basais estão alinhados paralelamente à superfície. Esta camada grafítica é plana, resultando em uma baixa tensão de cisalhamento interfacial, dificultando sua ligação à matriz polimérica.

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Carbono

33

• Tratamentos superficiais empregados: • Aumento da rugosidade da superfície; • Aumento da reatividade superficial; • Fibra de carbono:

• Superfície altamente orientada; • Tratamento final (opcional):

• Facilitar sua manipulação;

• PVA (poli(ácool vinílico)), epóxi, poliamida, agentes de compatibilização a base de titânio.

KRISHAN K. CHAWLA; Composite Materials: science and engineering; 2nd ed. New York: Springer, 1998

35

• Métodos utilizados: • CVD:

• SiC e carbono pirolítico;

• Whiskers são depositados na superfície da fibra de carbono, resultando em uma aumento da tensão de cisalhamento interlamelar de 2-3 vezes;

• Whiskers são depositados perpendicularmente à superfície da fibra;

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Carbono

• Métodos utilizados:

• Erosão Oxidativa (Etching): • Aumento da área superficial;

• Aumento da presença de grupos funcionais;

• Remoção de poros, resíduos de carbono fracamente ligados e impurezas;

• Tratamento oxidativo pode ser feito em fase gasosa ou em fase líquida - oxidação excessiva pode resultar em

deterioração das propriedades mecânicas.

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Carbono

• O máximo de tensão de cisalhamento interlaminar é alcançado com 10 % de perda de massa em ambos os casos, fibras A e B.

KRISHAN K. CHAWLA; Composite Materials: science and engineering; 2nd ed. New York: Springer, 1998

39

• Oxidação em Fase Líquida:

• Tratamento com HNO₃, NaOCl (hipoclorito de sódio),

permanganato de potássio e oxidação anódica – aumento de grupos funcionais oxigenados, resultando em uma melhora da molhabilidade destas fibras por polímeros;

• Oxidação eletroquímica (ou erosão anódica) é realizada na presença de ácido nítrico diluído ou soluções diluídas de NaOH:

• Não ocorre perda da resistência à tração; • A perda de massa é da ordem de 2 %;

• Aumento da presença de grupos funcionais (ácidos carboxílicos, aldeídos, C=O).

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Carbono

• Melhorando as propriedades de adesão a resinas epóxi – estratégia combinada:

 Tratamento superficial para remover as camadas fracamente ligadas à fibra;

 Adição de grupos químicos à superfície de forma a melhorar as interação com a matriz;

• Quantidade de grupamentos amina é reduzido, resultando em um aumento do módulo de elasticidade da matriz epóxi e uma

diminuição na rigidez.

Interface Matriz Polimérica/Fibra de Carbono