Aula_2_ESTM008-17 – Materiais Compósitos_22 09 2017

Aula 2

22/09/2017

Definições: Materiais Compósitos

• Diferente dos materiais heterogêneos convencionais; • Naturais e Sintéticos;

• Um compósito pode ser considerado como um material que exibe uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases:

Definições: Materiais Compósitos

• Matriz: polímero, metal, cerâmica e carbono – Contínua;

– Envolve a fase dispersa; • Fase dispersa: fibras, partículas; • Compósito industrial:

– Multifásico;

– Fases quimicamente diferentes (separadas por uma interface).

Princípio da Ação Combinada

• Melhores combinações de propriedades são criadas por uma combinação judiciosa de dois uma mais materiais distintos;

• Um equilíbrio de propriedades também é obtido para muitos materiais compósitos.

Matriz x Fase Dispersa

• As propriedades dos compósitos são função

das:

– Propriedades das fases constituintes; – Suas quantidades relativas;

– Geometria da fase dispersa.

Propriedades

• Mecânicas: resposta dos materiais a influências mecânicas externas.

– deformações reversíveis e irreversíveis – resistência à tração ou ruptura (tenacidade), – resistência à compressão,

– resistência à flexão,

– resistência à fadiga (alternância tração-compressão) – resistência ao impacto

– resistência à abrasão – dureza

Propriedades

• Térmicas: capacidade de transferir, conduzir, armazenar calor; alteração das dimensões:

– calor específico (armazenar energia) – condutividade térmica

– expansão térmica – transição vítrea

• Elétricas: condução elétrica, isolantes: – resistividade, condutividade – constante dielétrica

• Ópticas: transmissão, reflexão, absorção da luz: – Transparência – absorbância – índice de refração

Propriedades Químicas

• resistência à oxidação

• degradação térmica

• resistência à água, acidos e bases

• resistência à solventes

Metais

• Combinações de elementos metálicos (70 dos 92 elementos da tabela periódica tem caráter metálico) • Propriedades

– bons condutores elétricos e térmicos – não são transparentes a luz

• Resistentes mas pode sofrer deformação • Aplicações

– estruturas (aços)

– fios elétricos, espelhos, etc.

Cerâmicas

• Combinações de elementos metálicos e não metálicos (TiO, TiN,

CrO, vidros, etc)

• Isolantes térmicos e elétricos

(ausência de elétrons livres)

• Resistentes à temperatura e a ambientes corrosivos • Duros e quebradiços (frágeis)

• Aplicações – vidros

Polímeros

• Sintéticas ou naturais:

– sintéticas: plásticos e borrachas

– naturais: couro, seda, algodão, madeira, etc. – C + H + N + O + F + elementos não metálicos • Leves, flexíveis, resistentes à corrosão

• Em geral, baixa resisitência ao calor • Novos materiais - polímeros condutores • Termoplásticos, termorígidos, elastômeros • Aplicações

Compósitos

• Projetados para apresentar uma combinação das melhores características dos materiais que o compõe • Fibra de vidro

– resisitência mecânica do vidro – flexibilidade do polímero

• Concreto

– matriz: cimento (cerâmica) – reforço: areia e pedregulho

Aplicações

Aeroespacial;

Biomedicina;

Automobilística;

Infraestrutura Civil;

Embalagens;

Outras.

Desempenho

Alta resistência mecânica;

Alta rigidez;

Sistemas leves;

Resistentes à corrosão;

Estabilidade dimensional;

MIRABEL C. REZENDE; Polímeros: Ciência e Tecnologia, v. 17 (3), 2007.

Esquema de uma garganta de foguete produzida pelo CTA mostrando o uso de compósitos carbono/carbono e carbono/resina fenólica.

APLICAÇÕES DE COMPÓSITOS

Indústria Automobilística: utilização mais recente.

Teto, capô, cárter de óleo, colunas de direção, transmissão,

molas laminadas, painéis, etc.,

Vantagens:

além da leveza; maior facilidade para produção de peças de formato complexo.

Definições: Materiais Compósitos

• Diferente dos materiais heterogêneos convencionais; • Naturais e Sintéticos;

• Um compósito pode ser considerado como qualquer material multifásico que exibe uma proporção

significativa das propriedades de ambas as fases:

– É obtida uma melhor combinação de propriedades.

Definições: Materiais Compósitos

• Matriz: polímero, metal, cerâmica – Contínua;

– Envolve a fase dispersa; • Fase dispersa: fibras, partículas;

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O QUE É UM MATERIAL COMPÓSITO?

American Society for Testing and Materials (ASTM) Mistura física de dois ou mais materiais, combinados para

formar um novo material de engenharia útil, com propriedades diferentes aos componentes puros, podendo ser obtidos por combinação de metais, cerâmicas ou polímeros.

Princípio da Ação Combinada

• Melhores combinações de propriedades são

criadas por uma combinação judiciosa de dois

ou mais materiais distintos;

• Um equilíbrio de propriedades também é

obtido para muitos materiais compósitos.

Matriz x Fase Dispersa

• As propriedades dos compósitos são função

das:

– Propriedades das fases constituintes; – Suas quantidades relativas;

– Geometria da fase dispersa.

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Matriz x Fase Dispersa

Fase dispersa: ex.: fibra

• Filamentos extremamente resitentes , rígidos

e leves:

– Sem a matriz: somente poderiam ser utilizados em sistemas submetidos unicamente a esforços de tração;

Matriz x Fase Dispersa

Matriz

• Polímeros, cerâmicas e metais não

apresentam, isoladamente, desempenho

estrutural elevado em dois ou mais apectos

distintos:

– Resistência mecânica e à corrosão;

– Rigidez e tenacidade à fratura aliada à baixa massa específica;

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Matriz x Fase Dispersa

Compósitos

• Altos índices de resistência e rigidez por

unidade de massa;

• Submetidos a esforços combinados de tração

(ou compressão), flexão e torção;

• Elevado amortecimento estrutural;

• Ausência de corrosão em muitos ambientes

agressivos aos metais;

• Em muitos casos, boa tenacidade à fratura.

Matriz x Fase Dispersa

Exemplo:

Matriz Polimérica

• Fibras mais utilizadas comercialmente são:

– Fibras de carbono (resistência à fadiga);

– Fibras de vidro-E (custo; resistência ao impacto); – Fibras de aramida (excelente resistência ao

impacto);

– Fibras de polietileno de elevada massa molar; – Fibras de poli(ésteres aromáticos);

 Alta rigidez e resistência ao impacto.

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Matriz x Fase Dispersa

Exemplo:

Matriz Polimérica

• Matrizes poliméricas são menos resistentes que

as fibras (fase dispersa);

• Portanto, as aplicações de engenharia são

influenciadas pela:

– Orientação das fibras (ângulos de direcionamento) em relação às solicitações mecânicas;

Definições: Classificação

• Classificação de acordo com o arranjo dos reforços (fase dispersa) ;

• Fibras ou partículas;

• Fibras, dispostas nas seguintes formas: – Feixes paralelos entre si;

– Multidireções e multicamadas; – Camadas isoladas ou lâminas; • Exemplo:

– Multidirecionais: preformas têxteis (estruturas maciças e de grande volume);

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• Fibras – três características importantes:

1. Diâmetro pequeno em relação ao comprimento da fibra:

 Maior valor possível (teórico) de resistência mecânica obtida quando aplicada em compósitos;

 Efeito do tamanho – quanto menor o diâmetro da fibra, menor é a probabilidade de se encontrar imperfeições na estrutura da fibra; estabilidade?

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• Fibras – três características importantes:

2. Razão de aspecto comprimento/diâmetro da fibra (l/d):

 Quando maior a razão l/d, maior , maior será a transferência da tensão aplicada (por meio da matriz) para as fibras;

 Razão l/d aumenta, a resistência mecânica do compósito aumenta;

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Definições: Fase dispersa contendo fibras

• Fibras – três características importantes: 3. Alto grau de flexibilidade:

 Característica de um material que apresenta altos valores de módulo elástico e um diâmetro pequeno;

KRISHAN K. CHAWLA; Composite Materials: science and engineering; 2nd ed. New York: Springer, 1998. 37

Definições: Fase dispersa contendo fibras

• Diâmetro de vários materiais na forma de fibra com flexibilidade igual à de uma fibra de Náilon (uma fibra flexível) em função do módulo elástico (E) da fibra:

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

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Definições: Fase dispersa contendo fibras

• Compósitos de camadas isoladas

– Fibras contínuas; – Fibras curtas;

• Compósitos multicamadas

– Compósitos laminados:

• Um único tipo de fibra é utilizado na manufatura do compósito; • Podem apresentar orientações definidas e distintas entre as

lâminas;

– Compósitos híbridos:

• Dois ou mais tipos de fibras de reforço são utilizados; • O compósito pode ser constituído de lâminas metálicas

intercaladas com lâminas de compósito.

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• Compósitos reforçados com fibras contínuas: – Unidirecional

– Bidirecional (tecidos)

• A fase dispersa (reforço) é contínua e dotada de uma orientação preferencial;

Definições: Fase dispersa contendo fibras

• Compósitos reforçados com fibras

Esforços Longitudinais:

– Unidirecionais e bidirecionais – mais eficientes

estruturalmente do que os compósitos obtidos com fibras picadas e mantas contínuas;

– Unidirecional:

• Maior resistência mecânica e rigidez na direção longitudinal; – Bidirecional:

• Valores intermediários de resistência mecânica e rigidez – Fibras picadas e mantas contínuas:

• Menores valores de resistência mecânica e rigidez

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• Compósitos reforçados com fibras

Esforços Aplicados Transversalmente:

– Bidirecional:

• Melhor desempenho

• Maior resistência mecânica e rigidez

– Unidirecional, Fibras picadas e mantas contínuas: • Menores valores de resistência mecânica e rigidez

 Orientação das fibras é importante – influenciam

as propriedades mecânicas do compósito.

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Definições: Fase dispersa contendo fibras

• Compósitos reforçados com fibras

• Compósitos reforçados com fibras

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