Aula_8_ESTM008-17 – Materiais Compósitos_18 10 2017

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Aula 8

18/10/2017

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• Maior tenacidade à fratura; • Maior resistência ao impacto; • Maior tolerância a danos; • Características:

• Elevada massa molar;

• Linearidade (alguns apresentam ramificações); • Deformação plástica quando submetidos a tensões; • Poliamida e polipropileno:

• Reforçados com partículas ou fibra de vidro curtas; • Indústria automobilística;

• Processados por extrusão ou injeção (fase dispersa + matriz);

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• Interesse:

• Polímero e reforço podem ser combinados com o polímero no estado sólido;

• Melhorar desempenho estrutural e térmico; • Motivo: maior tenacidade à fratura interlaminar

• Compósitos termoplásticos: até 5 kJ/m2

• Compósitos termorrígidos: até 300 J/m2

• Grau de cristalinidade, morfologia e orientação da rede polimérica influenciam nas propriedades de termoplásticos;

• Matrizes híbridas: termoplástico+termorrígido.

FLAMÍNIO L. NETO, LUIZ C. PARDINI; Compósitos Estruturais; Ed. Edgard

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FLAMÍNIO L. NETO, LUIZ C. PARDINI; Compósitos Estruturais; Ed. Edgard Blucher, 1ª edição, 2006.

Matriz Para Materiais Compósitos

• Matriz cerâmica;

• Matriz Metálica.

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• Matriz cerâmica :

– Mantêm a resistência mecânica inalterada;

– Aumentam a resistência dos componentes

construídos com estes materiais:

• Temperaturas de até 1.500 o_C;

• Atmosfera não-oxidante;

– Matrizes de carbono:

• Obtidas a partir da pirólise controlada de materiais orgânicos;

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• Matriz de carbono:

– Pirólise:

• Resinas termorrígidas e termoplásticas; • Piches de alcatrão de ulha e de petróleo;

• Decomposição de gases hidrocarbonetos (metano, propano, etc.);

– Portanto, uma grande variedade de carbonos

pode ser obtido dependendo da fonte de carbono

e da temperatura do processo de pirólise.

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Matriz de Carbono

• Matrizes de carbono:

– Percursores no estado sólido: resinas

termorrígidas e piches termoplásticos;

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Matriz Para Materiais Compósitos

• Termorrígidos com alto grau de reticulação e

aromaticidade – após o processo de pirólise,

formam o

carbono vítreo

;

• Fratura frágil;

• Obtidos a partir de resinas fenólicas.

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• Rede aleatória tridimensional turbostrática

com características grafíticas;

• Presença de ligações Carbono-Carbono sp

2

_e

sp

3

_;

• Ligações sp

3

_{impedem o ordenamento;}

• Em escala maior que 100 nm, é isotrópico.

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Matriz de Carbono

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• Após a pirólise, o carbono vítreo apresenta baixa massa

específica (~1,5 g/cm

3

_);

• Alta porosidade.

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Matriz de Carbono

16

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• Desafios: desenvolver materiais percursores

que minimizem a perda de massa durante o

processo de pirólise;

• Reduzir o ciclo de processamento dos

compósitos;

• Polímeros com alto grau de reticulação e

estruturas aromáticas – conteúdo final de

carbono da ordem de 90 %

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Matriz de Carbono

• Pirólise de Piches

:

– Melhores propriedades termomecânicas;

– Hidrocarbonetos aromáticos presentes nos piches são progressivamente alinhados e orientados durante o processo de pirólise;

– Formam uma estrutura ordenada e planos basais grafíticos;

– Fontes de piche obtidos por destilação de: petróleo, carvão mineral, coque vegetal e de origem mineral (gilsonita);

– Piche: mistura complexa de hidrocarbonetos aromáticos (em maior proporção); larga faixa de massas molares; podem conter O, N e S; é um sólido à

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• Pirólise de Piches

:

– Fracionamento por meio do uso de solventes:

método de análise e de controle das propriedades

do piche utilizado no processo de pirólise;

– Solventes mais comuns: quinolina e tolueno;

– Frações insolúveis em quinolina (IQ):

– primárias e secundárias.

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Matriz de Carbono

• Pirólise de Piches

:

– Insolúvel em Quinolina (solvente):

• Frações primárias • Frações secundárias

– Primárias:

• Naturais (alcatrão): Finas partículas de coques ou carvões, fuligens, fragmentos de refratários e outros materiais particulados;

– Secundárias:

• Formadas durante o processo de obtenção do piche: esferas de mesofase, compostos aromáticos altamente

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– Insolúvel em benzeno e tolueno:

• Esta fração é solúvel em quinolina;

• Responsável pelo poder aglomerante do piche; • Resina : massa molar variando de 1.000 a 2.000

g/mol;

• Atua como acelerador da reação de condensação (quando ocorre o aumento de temperatura);

• O piche se converte em coque com estrutura isotrópica.

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Matriz de Carbono

• Pirólise de Piches

:

– Insolúvel em Quinolina (solvente):

• Melhora as propriedades mecânicas de materiais de carbono;

• Componentes de alta massa molar do piche aglomerante tendem a aumentar a resistência à compressão;

• Componentes de baixa massa molar do piche

aglomerante tendem a aumentar a resistência à tração;

– Secundárias:

• Esferas de mesofase se deformam durante o processo de homogenização;

• Diminuem as propriedades de molhabilidade do piche à fase dispersa (partículas ou fibras)

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• O processo de Pirólise de Piches

:

– Eliminação de hidrogênio dos hidrocarbonetos

poliaromáticos;

– Estes hidrocarbonetos passam por uma fase

intermediária plástica (400-500

o

_{C) – mesofase:}

• Comportamento de um cristal líquido nemático discóico;

• Alinhamento lamelar preferencial de cristais ao longo de um eixo principal;

• Moléculas poliaromáticas (~1.000 g/mol) são gradativamente formadas, resultando em um alinhamento formando coques até temperaturas de 600 o_C.

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Matriz de Carbono

• O processo de Pirólise de Piches

:

– Rendimento em carbono após a pirólise de piches:

• Depende da pressão:

– 50 % / massa: pressão = pressão atmosférica; – 85 % / massa: pressão ~50 Mpa (

• Massa específica:

– Piche cru = 1,33 g/cm3_;

– Após a pirólise = 2,0 g/cm3_;

• Rendimento volumétrico:

– Pressão atmosférica = 30 % / volume; – Pressão 50 Mpa = 54 % / volume.

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Matriz de Carbono

• O processo de Pirólise de Piches

:

– Conversão térmica de piche em materiais

grafíticos:

• 550-600 o_{C – material infusível e termorrígido}

(semicoque);

• Até 1.000 o_{C (pressão atmosférica), ocorre perda de 50}

% em massa em relação ao material de partida; • T > 1.000 o_{C, preferencialmente em > 2.800}o_{C, ocorre}

orientação das estruturas formadas resultando em uma estrutura próxima à estrutura ideal do cristal de grafite.

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• O processo de Pirólise de Piches

:

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Matriz de Carbono

• Deposição Química em Fase Vapor (CVD)

:

– Decomposição de percursores gasosos

(hidrocarbonetos), resultando na formação de

grafite (carbono) pirolítico;

– A estrutura do carbono pirolítico depende de:

• Tipo de percursor utilizado e da razão C/H na mistura; • Tipo e geometria do substrato usado para a deposição; • Fluxo de gás no sistema de deposição;

• Temperatura e pressão de deposição; • Tipo e geometria do reator.

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CVD:

- Os precursores são transportados na fase

gasosa até atingir o substrato;

- O substrato é aquecido e tem sua temperatura

controlada;

- Ao alcançar o substrato, o precursor sofre um

processo de decomposição;

- Do processo de decomposição resulta a

formação da matriz sobre o substrato;

Matriz de Carbono

CVD:

- O material formado depende das condições

utilizadas no reator;

- A técnica permite a formação de estruturas

sobre substrato com elevada razão de

aspecto;

- Controle do fluxo dos precursores: controle da

estequiometria; controle das propriedades;

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H. O. Pierson, Handbook of Chemical Vapor Deposition, Noyes Publications, Park Ridge, 1992

CVD:

(a) Transporte de massa (precursores) através da região de interface;

(b) Adsorção dos precursores no substrato; (c) Reação química na superfície; difusão dos

átomos até o sítio de crescimento; (d) Dessorção dos produtos secundários; (e) Transporte de massa dos produtos

secundários através da região de interface;

Matriz de Carbono

CVD:

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– No intervalo de 950-1.200 e acima de 2.200 o_{C, em qualquer}

condição de pressão e temperatura, é obtida uma massa específica equivalente a ~2,1 g/cm3_;

– A pressões de 20 kPa, baixa massa específica é obtida, ~1,2 g/cm3_;

– A combinação destes parâmetros resultará em uma das seguintes estruturas: colunar, lamelar ou isotrópica.

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Matriz de Carbono

• Deposição Química em Fase Vapor (CVD)

:

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• Deposição Química em Fase Vapor (CVD)

:

– Estrutura colunar:

• Planos basais grafíticos são essencialmente paralelos à superfície de deposição (paralelos aos planos XY); • Estrutura na forma de cones;

– Estrutura lamelar:

• Camadas paralelas sobrepostas;

• Ou camadas concêntricas quando depositadas sobre fibras ou partículas;

– Ambas estruturas são oticamente ativas sob luz

polarizada.

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Matriz de Carbono

• Deposição Química em Fase Vapor (CVD)

:

– Estrutura isotrópica:

• Pequenos grãos sem orientação preferencial e sem atividade ótica;

• Obtida por meio de deposição em leito fluidizado ou sob condições de pressão e temperatura específicas;

• Não é grafitizável.

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Matriz de Carbono

• Deposição Química em Fase Vapor (CVD)

:

– Carbono pirolítico: anisotrópico;

– Direção ab: planos XY;

– Direção c: paralela ao plano Z;

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• Obtenção

:

– Três formas diferentes:

• Prensagem e sinterização de pós de carbeto de silício (compósitos particulados);

• Infiltração química em fase gasosa; • Pirólise polimérica de organossilanos;

– Propriedades físicas do SiC depende do grau de

covalência das ligações entre Si e C (~88 %):

• Dificuldade para sinterizar compactados de pó de SiC (T deve ser maior que 1.500 o_C);

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Matriz de Carbeto de Silício (SiC)

• SiC como matriz

:

– Dois processos:

• SiC, na forma de pó, é misturado ao reforço, também na forma de pó: exemplo, Al₂O₃;

• SiC, na forma de pó, é misturado com reforços na forma de monocristais (whisker), obtendo-se desta forma monolitos cerâmicos: exemplo, Si₃N₄;

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– Deposição química em fase vapor:

• Percursores: SiCl₄ e metano;

• A reação de decomposição ocorre entre 1.200 e 1.400 o_C:

CH₄(g) + SiCl₄(g) SiC(g) + 4HCl(g)

• Atualmente utiliza-se: organossilanos + hidrocarboneto simples + gás redutor + gás de arraste;

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I. Golecki.Rapid vapor-phase densification of refractory composites. Materials Science ana’ Engineering, R20, pp.37-124, 1997.

Matriz de Carbeto de Silício (SiC)

• Obtenção do SiC

:

– Deposição química em fase vapor:

• Organossilanos + hidrocarboneto simples + gás redutor + gás de arraste;

• H₃CSiCl₃ + CH₄ + H₂ + Argônio (gás de arraste) • Pode ocorrer com ou sem a formação de moléculas

intermediárias;

• Mecanismos, duas propostas:

– Ocorre polimerização do organossilano, resultando em (-CH₂ -SiH₂-)_X na superfície do substrato; em seguida, o polímero se decompõe para formar o SiC (ocorre perda dos átomos de H; T ~900 o_C);

– Formação de radicais menores que são adsorvidos pelo substrato

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• Obtenção do SiC

:

– Percursores constituídos de moléculas lineares:

C_nSi_nH_m nSiC(g) + m/2 H₂

• 2



n



6 e 2n+1



m



4n+1

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Matriz de Carbeto de Silício (SiC)

• Obtenção do SiC

:

– Percursores organossilanos:

• Metiltriclorossilano (MTS) é o mais utilizado:

H₃CSiCl₃ + H₂ SiC + 3HCl

• 

-SiC é obtido na faixa de temperatura de 1.050 a

1.400

o

_{C e de pressões de 0,5 a 60 kPa;}

• A adição de HCl produz peças transparentes.

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partir de MTS

:

– Temperatura do substrato;

– Pressão do reator;

– Razão H

₂

/MTS;

– Fluxo da mistura gasosa;

– Gradiente térmico da interface gás/superfície;

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Matriz de Carbeto de Silício (SiC)

• Fatores que influenciam na obtenção do SiC a

partir de MTS

:

– Efeito das condições de síntese na morfologia do

depósito:

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• Fatores que influenciam na obtenção do SiC a

partir de organossilanos

:

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Matriz de Carbeto de Silício (SiC)

• Vantagens do uso de uma matriz híbrida

SiC/Carbono

:

– Aumento da resistência à oxidação;

– Melhora significativa na resistência mecânica do

compósito;

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(polímeros inorgânicos)

:

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Matriz de Carbeto de Silício (SiC)

• Matrizes híbridas SiC/Carbono

:

– SiC(matriz)/SiC(fibra);

– C(matriz)/SiC(fibra);

– SiC(matriz)/C(fibra);

– C-SiC(matriz híbrida)/C(fibra);

– C-SiC(matriz híbrida)/SiC(fibra)

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Aplicação em aeronáutica:

http://www.youtube.com/watch?v=is1BBilkyUM

Matrizes Cerâmicas Vítreas

• Obtidas a partir de óxidos metálicos;

• Facilidade de produção do compósito e baixo custo das

matérias-primas;

• Permite a obtenção de matrizes com composições

químicas variadas, permitindo controle de

propriedades da interface matriz/fibra;

• Baixo coeficiente de expansão térmica, reduzindo as

tensões térmicas matriz/reforço;

• Baixo módulo elástico da matriz (em relação ao reforço)

resulta na utilização efetiva das propriedades do

reforço.

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• Alta resistência mecânica e tenacidade à fratura;

• Boa condutividade térmica;

• Destaques:

– Ligas de Alumínio, Magnésio e Titânio: baixa massa específica;

– Cobre: alta condutividade térmica; – Compostos intermetálicos

• Fase dispersa:

– Fibras;

– Partículas (apresenta vantagens, tais como uso de processos metalúrgicos convencionais, seguido de laminação,