Introdução aos Materiais Compósitos

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Professor: Márcio André Araújo Cavalcante

Introdução aos Materiais Compósitos

Universidade Federal de Alagoas – UFAL

Centro de Tecnologia - CTEC

Programa de Pós-Graduação em Materiais - PPGMAT

Disciplina: Materiais Compósitos

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Ementa da disciplina

 Fabricação, classificação e aplicações dos materiais

compósitos.

 Aspectos da microestrutura.

 Materiais compósitos avançados.  Fibras e matrizes.

 Particulados.

 Nanocompósitos.

 Macromecânica e Micromecânica de compósitos

laminados.

 Mecanismos de falha.  Critérios de resistência.  Efeitos higrotérmicos.

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Livro texto

Autor: Kaw, A.K. Ano: 2006

Título: Mechanics of Composite Materials

Edição: Segunda

Editora: Taylor & Francis

Série: Mechanical and Aerospace Engineering

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Análise de estabilidade de uma haste

de seção circular

Carga crítica de Euler:

Momento de inércio de uma seção circular:

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Análise de resistência e de

estabilidade de tubos de parede fina

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Análise de resistência e de

estabilidade de tubos de parede fina

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Análise de resistência e de

estabilidade de tubos de parede fina

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Desvantagens e limitações dos compósitos

 Alto custo de fabricação.

 Caracterização mecânica mais complexa em relação aos

materiais convencionais (isotrópicos e homogêneos).

 Os processos de reparação são mais complicados nos

compósitos em comparação aos metais.

 Os compósitos não apresentam uma boa combinação

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Tenacidade à fratura do material

Fator de intensidade de tensão na ponta da trinca:

A trinca avança quando o fator de intensidade de tensão atinge um valor crítico.

Tenacida à fratura do material = fator de intensidade de

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Razões para o pequeno diâmetro das fibras

 A resistência das fibras aumentam com a diminuição do diâmetro, por conta da menor presença de imperfeições (microfissuras).

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Razões para o pequeno diâmetro das fibras

 Para uma maior ductilidade e tenacidade do compósito, e

uma melhor transferência das cargas da matriz para as fibras, se faz necessária uma maior área de contato entre a matriz e as fibras.

A área de contato é inversamente proporcional ao diâmetro das fibras.

 A flexibilidade à flexão aumenta com a diminuição do

diâmetro das fibras.

A flexibilidade à flexão da fibra é inversamente proporcional à quarta potência do seu diâmetro.

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Fatores que influenciam na performance

mecânica do compósitos

 Comprimento das fibras (longas ou curtas).

 Orientação das fibras (unidirecional ou aleatória).

 Forma das fibras (circular, hexagonal ou quadrada).

 Material das fibras (módulo de elasticidade e resistência mecânica).

 Propriedades físicas da matriz (propriedades elásticas, resistência mecânica, coeficiente de expansão térmica, resistência térmica e resistência à fadiga).

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Classificação quanto a geometria do reforço

 Reforçados com Partículas

Partículas imersas numa matriz cerâmica ou metálica. Isotropia devido a distribuição aleatória das partículas. Exemplos: borracha + partículas de alumínio; alumínio + partículas de carbeto de silício; concreto.

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Classificação quanto a geometria do reforço

 Reforçados com Fibras

Matriz reforçada por fibras curtas (descontínuas) ou longas (contínuas).

Matrizes: resinas (epóxi); metálicas (alumínio); cerâmicas (aluminossilicato de cálcio).

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Classificação quanto a geometria do reforço

 Reforçados com Fibras

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Classificação quanto a geometria do reforço

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Definição de Laminado

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Compósitos de matriz polimérica

 São os compósitos avançados mais empregados.

 Consiste de um polímero (epóxi / poliéster) reforçado por fibras (vidro / grafite / carbono / aramida).

 Os compósitos grafite/epóxi podem ser CINCO vezes mais

resistentes do que o aço (considerando-se o mesmo peso).

 Vantagens:

Baixo custo;

Alta resistência;

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Compósitos de matriz polimérica

 Desvantagens:

Baixa temperatura de operação;

Altos coeficientes de expansão térmica e de umidade; No caso do reforço unidirecional, baixas propriedades mecânicas na direção transversal às fibras.

 Propriedades físicas típicas do compósito:

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Compósitos de matriz polimérica

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Compósitos de matriz polimérica

 Fibras de vidro:

São as mais empregadas nos compósitos com matriz polimérica.

Vantagens: alta resistência mecânica; baixo custo; alta resistência química; bom isolamento térmico e elétrico.

Desvantagens: baixo módulo de elasticidade; pouca aderência ao polímero; sensibilidade à abrasão; baixa resistência à fadiga.

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Compósitos de matriz polimérica

 Fibras de vidro:

E-glass: inicialmente projetada para aplicações elétricas.

S-glass: contém um maior teor de sílica. Apresenta uma

maior resistência à fadiga e uma menor sensibilidade de suas propriedades mecânicas à altas temperaturas.

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Compósitos de matriz polimérica

 Fibras de grafite:

São muito comuns em aplicações que exigem altas relações rigidez/peso e resistência/peso (componentes estruturais de aeronaves).

Vantagens: altas relações rigidez/peso e resistência/peso; baixo coeficiente de expansão térmica; alta resistência à fadiga.

Desvantagens: alto custo; baixa resistência ao impacto; alta condutividade elétrica.

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Compósitos de matriz polimérica

 Fibras de grafite:

As fibras de grafite são diferentes das fibras de carbono, enquanto as fibras de grafite têm mais de 99% de teor de carbono, as fibras de carbono têm entre 93% e 95%.

Além disso, as fibras de grafite são produzidas a

temperaturas superiores a 1900ºC, enquanto as fibras de carbono são produzidas a uma temperatura de 1316ºC.

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Compósitos de matriz polimérica

 Fibras de aramida:

Composto orgânico aromático feito de carbono, hidrogênio,

oxigênio e nitrogênio.

Vantagens: baixa densidade; alta resistência à tração; baixo custo; alta resistência ao impacto.

Desvantagens: baixa resistência à compressão; baixo

módulo de elasticidade à compressão; degradação quando exposto à luz do sol.

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Compósitos de matriz polimérica

 Fibras de aramida:

Kevlar 29®_:_{empregada principalmente na confecção de}

coletes à prova de bala, cordas e cabos.

Kevlar 49®_:_{apresenta uma maior rigidez específica, sendo}

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Compósitos de matriz polimérica

 Polímeros:

Poliéster: baixo custo e translúcido (vantagens); baixa temperatura de serviço – 77ºC, fragilidade e alta retração durante a cura – 8% (desvantagens).

Fenólicos: baixo custo e alta resistência mecânica (vantagens); alto teor de vazios (desvantagem).

Epóxi: alta resistência mecânica e boa aderência aos metais e vidros (vantagens); alto custo e dificuldade de

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Compósitos de matriz polimérica

 Resina Epóxi:

É a resina mais comumente empregada (encontrada em mais de 2/3 dos compósitos empregados na indústria

aeroespacial).

Principais vantagens:

Alta resistência;

Baixa viscosidade (evitando o desalinhamento das fibras); Baixa volatilidade durante a cura;

Baixa retração (menores tensões residuais nas interfaces); Mais de 20 tipos disponíveis (possibilitando atender

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Compósitos de matriz polimérica

 Polímeros Termofixos e Termoplásticos:

Termofixos: são insolúveis e infusíveis depois da cura, pois suas macromoléculas são fortemente unidas por meio de ligações covalentes.

Exemplos: epóxi, poliéster, fenólico e poliamida.

Termoplásticos: são moldáveis quando submetidos à altas temperaturas, pois suas macromoléculas são fracamente unidas, apresentando ligações do tipo van der Waals.

Exemplos: polietileno, poliestireno, poliéter-éter-cetona (PEEK) e sulfureto de polifenileno (PPS).

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Compósitos de matriz polimérica

 Prepreg (Pré-impregnado):

É uma fita pré-fabricada composta por fibras embebidas em matriz polimérica.

A fita pode ser armazenada sob refrigeração ou à

temperatura ambiente, a depender do polímero da matriz ser um termofixo ou um termoplástico, respectivamente.

Essas fitas podem ser aplicadas manual ou mecanicamente, compondo uma estrutura de material compósito.

A aplicação pode ser auxiliada por um saco de vácuo e a cura realizada sob altas pressões e temperaturas.

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Compósitos de matriz polimérica

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Compósitos de matriz polimérica

 Enrolamento Filamentar:

As fibras impregnadas através de um banho de resina

(enrolamento molhado) ou pré-impregnadas (enrolamento seco) são enroladas em um mandril.

O enrolamento molhado é barato e permite o controle das propriedades do compósito.

O enrolamento seco é mais limpo, no entanto, mais caro, sendo menos comum.

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Compósitos de matriz polimérica

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Compósitos de matriz polimérica

 Autoclave:

Este método emprega compósitos pré-impregnados.

Um filme feito de nylon ou celofane revestido com Teflon deve ser colocado no molde.

O Teflon é usado para a remoção fácil da peça, podendo ser substituído por desmoldantes líquidos ou em pó.

Os compósitos pré-impregnados podem ser aplicados manual ou mecanicamente, onde cada camada deve ser pressionada para remover o ar e evitar ondulações.

O lay-up é selado nas bordas para formar um vedante a vácuo.

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Compósitos de matriz polimérica

 Autoclave:

O lay-up é ensacado, e várias conexões de vácuo são instaladas nas suas extremidades e no topo.

Um vácuo parcial é desenvolvido para alisar a superfície do saco.

Todo o conjunto é colocado num autoclave, em que o calor e a pressão são aplicados por meio de um gás inerte.

O sistema de vácuo é mantido em funcionamento para

remover os voláteis durante o ciclo de cura e para manter o

lay-up ajustado ao molde.

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Compósitos de matriz polimérica

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Compósitos de matriz polimérica

 Moldagem por Transferência de Resina:

(Resin Transfer Molding - RTM)

Uma resina de baixa viscosidade (poliéster ou epóxi) é injetada sob baixa pressão em um molde fechado que contém o reforço.

Quando o fluxo de resina para, a peça continua o seu processo de cura.

A cura é feita à temperatura ambiente ou a temperaturas elevadas (para aplicações envolvendo altas temperaturas).

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Vantagens do RTM:

- Menos caro do que o processo de hand lay-up.

- Pode ser automatizado.

- Não precisa de armazenamento refrigerado de compósitos

pré-impregnados.

A principal desvantagem é a necessidade de ter dois moldes ao invés de um, como ocorre no processo que utiliza a

autoclave.

Compósitos de matriz polimérica

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Compósitos de matriz polimérica

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 Moldagem por Transferência de Resina Assistida por Vácuo

(Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding - VARTM):

Trata-se de uma variedade do RTM, onde a resina é aspirada para dentro do molde por meio do vácuo, ao invés de ser bombeada sob pressão.