Dario de Almeida Jané, dariojn@hotmail.com1 2
Gustavo Corrêa Prado Candido, gus_tavocpc@hotmail.com1 Antônio Carlos Ancelotti Júnior, ancelotti@unifei.edu.br1
Mirian de Lourdes Noronha Motta Melo, mirianmottamelo@unifei.edu.br1
1
Universidade Federal de Itajubá, Caixa Postal 50, CEP 37500 903, Itajubá, MG, 2
Faculdade de Tecnologia de São Paulo, Av. Shunji Nishimura, 605, CEP 17580 000, Pompéia, SP
Resumo: Material compósito consiste na combinação de dois ou mais elementos em escala macroscópica e que
apresenta características físicas distintas de seus predecessores quando isolados. Conceitualmente o material compósito é tratado como heterogêneo apresentando uma fase chamada de matriz, responsável pela transferência dos esforços, e outra fase chamada de reforço, responsável pela resistência ao carregamento aplicado. Existe uma grande variedade de matrizes e de reforços, compondo assim, uma extensa gama de compósitos, que diferem quanto a sua aplicação devido ao fato de terem constantes de engenharia distintas (Módulo de Elasticidade, Módulo de Cisalhamento, Coeficiente de Poisson, etc). A determinação precisa de tais características, específicas do compósito em estudo, apesar de não ser tão intuitiva quando comparado aos métodos utilizados para obter tais grandezas em materiais homogêneos, torna-se extremamente importante, pois determina sua real aplicação.
O presente artigo pretende demonstrar através de procedimentos experimentais a caracterização de um compósito polimérico (epóxi) reforçado com fibra de vidro em relação a tais constantes de engenharia. Para tanto, seis corpos de prova foram preparados e submetidos a uma balança analítica para determinação da densidade do compósito por medição gravimétrica conforme descrito na norma ASTM D792. Em seguida, realizou-se um ensaio de digestão térmica a 600°C com o objetivo de eliminar por evaporação a matriz polimérica presente no corpo de prova e assim avaliar a quantidade de fibra presente nas amostras.
Com base nestes dados, foram calculadas as frações mássicas e volumétricas tanto da matriz como do reforço do compósito, o que permitiu através da teoria da Micromecânica (Regra das Misturas), estimar os Módulos de Elasticidade Longitudinal na direção das fibras (E1) e na direção transversal às fibras (E2), o Módulo de Elasticidade
Transversal (G12) e o Coeficiente de Poisson (ν) do compósito.
Ensaios estáticos de tração (ASTM D3039) e flexão (ASTM D790) instrumentados também foram realizados em corpos de prova do material compósito para obtenção empírica do Módulo de Elasticidade Longitudinal na direção das fibras (E1) e possibilitando a comparação com o valor calculado anteriormente.
1. INTRODUÇÃO
De uma maneira geral, diz-se que um material compósito é qualquer material multifásico que apresenta uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases que o constituem, de tal modo que é obtida uma melhoria das propriedades por meio dessa combinação (Callister, 2008). Atualmente, o termo é aplicado para materiais constituídos pelas fases de reforço e matriz. O reforço recebe os esforços aplicados e é cercado pela matriz, que tem a função de aglutinar os reforços e distribuir os esforços entre eles (Ancelotti Jr., 2011).
Os compósitos têm encontrado aplicações em diversas áreas, tais como aeronáutica, aeroespacial, petroquímica, naval, bioengenharia, automobilística, construção civil, e de artigos esportivos, apresentando excelentes propriedades, como bom desempenho estrutural, rigidez e resistência à corrosão elevadas, além de serem bem mais leves, se comparados às ligas metálicas (Neto; Pardini, 2006).
Dentre as propriedades mais importantes a serem conhecidas de um compósito está a concentração de seus constituintes, um parâmetro que possui grande influência nas propriedades do compósito. Além disso, é necessário conhecer se essa concentração é a mesma ao longo de toda a extensão do material, ou seja, se o sistema pode ser considerado uniforme. A não uniformidade deve ser evitada, já que as ligações mais fracas do material influenciam em suas propriedades globais (Agarwal; Broutman; Chandrashekhar, 2006).
A utilização de fibras de alto-módulo aumentou na década de 1980, havendo uma maior ênfase na obtenção de novos compósitos de matriz cerâmica, metálica e carbonosa para aplicações a elevadas temperaturas. Os compósitos encontraram aplicações em diversos produtos, como canos subterrâneos, contêineres, barcos, estruturas aeronáuticas e aeroespaciais, componentes automotivos, equipamentos esportivos, produtos biomédicos e muitos outros artigos cujo projeto requer alto desempenho mecânico, estabilidade em meio a condições adversas do ambiente e peso reduzido (Daniel; Ishai, 1994).
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A seguir é apresentada a classificação de um material compósito em função do tipo de reforço e da matriz utilizada na aglutinação do mesmo, bem como alguns conceitos sobre caracterização mecânica estática de compósitos.
2.1. Tipos de Materiais para Reforço em Compósitos
Basicamente, os tipos de materiais para reforço de compósitos podem ser apresentados na forma de partículas, fibras curtas ou picadas e fibras longas ou contínuas. Em especial, interessa-nos os reforços em forma de fibras longas, que proporcionam menor número de defeitos em sua forma mássica, possibilitando assim a obtenção de um material com menor risco de falhas (Neto; Pardini, 2006).
Uma propriedade importante do material é a orientação do reforço, pois isso afeta diretamente a isotropia do sistema. Em compósitos reforçados com fibras longas a anisotropia pode ser uma propriedade desejada, que pode ser controlada durante o projeto e fabricação, o que é uma das principais vantagens desse tipo de compósito (Agarwal; Broutman; Chandrashekhar, 2006).
Além disso, alta resistência específica, facilidade de fabricação e formas estruturais que são difíceis de serem obtidas quando outros tipos de reforços são utilizados, são características importantes dos compósitos reforçados com fibras (Agarwal; Broutman; Chandrashekhar, 2006).
As principais fibras utilizadas são: fibra de vidro, fibra de carbono, fibra de aramida, fibra de alumina, fibra de carbeto de silício, fibra de boro e fibra de basalto. Em relação às fibras citadas, vale ressaltar algumas propriedades de duas delas: As fibras de carbono, que possuem os módulos específicos e resistências específicas mais elevados entre todos os materiais fibrosos, mantendo-os mesmo à temperaturas elevadas, mas com risco de sofrerem oxidação à essas temperaturas. Seus meios de fabricação atualmente possuem custo-benefício relativamente favorável (Callister, 2008), sendo produzidas através da pirólise de precursores carbonáceos. Outro tipo de fibra extensamente utilizada devido a fatores como baixo custo, alta resistência à tração e alta inércia química é a fibra de vidro. Porém apresenta desvantagens como auto-abrasividade, baixo módulo de elasticidade e baixa resistência à fadiga quando agregada à compósitos (Neto; Pardini, 2006).
2.2. Tipos de Materiais para Matrizes em Compósitos
Os principais tipos de matrizes utilizadas em compósitos são as matrizes poliméricas, cerâmicas, carbonáceas e metálicas. A escolha do tipo de matriz para o compósito deve ser feita considerando-se fatores como a aplicação à qual o material se destina e seu processo de fabricação (Neto; Pardini, 2006).
Em relação às matrizes poliméricas, quanto à sua estrutura e comportamento, pode-se classificá-las em duas categorias: matriz termoplástica e matriz termorrígida. As matrizes termoplásticas consistem de polímeros que possuem ligações intra-moleculares fortes e ligações intermoleculares fracas (Agarwal; Broutman; Chandrashekhar, 2006). São recicláveis, porém sofrem grande perda de suas propriedades à temperaturas elevadas (Ancelotti Jr., 2006).
Os polímeros de matriz termorrígida possuem cadeias ligadas quimicamente por ligações cruzadas ou em rede, apresentando ligações covalentes entre todas as moléculas. Não podem ser reprocessadas, como as matrizes termoplásticas (Agarwal; Broutman; Chandrashekhar, 2006). Apresentam propriedades elásticas superiores as matrizes termoplásticas (Ancelotti Jr., 2006). As principais matrizes termorrígidas utilizadas são as resinas epóxi, poliéster, fenólica, poliimida e bismaleimida.
As resinas mais utilizadas atualmente para compósitos reforçados com fibra de alta performance são a poliéster e epóxi, pois apresentam vantagens como facilidade de processamento e boa resistência química (Agarwal; Broutman; Chandrashekhar, 2006), sendo que dentre as duas, a resina epóxi apesar de ser mais cara, apresenta vantagens como melhores propriedades mecânicas e melhor resistência à umidade (Callister, 2008).
O presente artigo trata em especial de um composto polimérico epoxídico reforçado com fibra de vidro longa, obtido através do processo de pultrusão e, portanto, algumas propriedades das principais fibras e resinas estão listadas nas Tab. (1) e (2) respectivamente.
Tabela 1 – Propriedades de alguns tipos de fibras utilizadas como reforço em compósitos (Fonte: Mazundar, S. K., 2002).
Tabela 2 – Propriedades de algumas resinas utilizadas como matriz em compósitos (Fonte: Mazundar, S. K., 2002).
V I I I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a , 1 0 a 1 5 d e a g o s t o d e 2 0 1 4 , U b e r l â n d i a - M i n a s G e r a i s
2.3. Caracterização Mecânica
O processo de caracterização mecânica do material adotado consiste na realização de três séries de ensaios de naturezas bem distintas. Na primeira série de ensaios, as amostras devem ser aferidas quanto a sua densidade através da medição gravimétrica e posteriormente à quantidade de fibra presente através da evaporação da matriz polimérica (digestão térmica). A segunda série de ensaios, também chamada de ensaios mecânicos estáticos, consiste em realizar os ensaios de tração e flexão instrumentados, possibilitando a obtenção de maneira empírica do módulo de elasticidade longitudinal na direção das fibras (E1) bem como a resistência máxima à tração e flexão, e o alongamento na ruptura para ambos os casos. Finalmente a terceira série de ensaios, referente ao chamado ensaio mecânico dinâmico, consiste em realizar o ensaio de flexão de maneira cíclica de forma a se obter dados que permitam identificar mudanças irreversíveis nas características mecânicas do material (acúmulo de dano) em função do número de repetições de carregamento.
Os dados gerados pelos ensaios de densidade e digestão térmica, associados aos conceitos da Micromecânica possibilitam a estimativa numérica das constantes de engenharia do material compósito e que posteriormente podem ser comparadas aos dados experimentais dos ensaios mecânicos estáticos.
2.3.1. Materiais Ortotrópicos e as Constantes de Engenharia
Por definição, um material ortotrópico é um material que possui pelo menos três planos de simetria, em termos de propriedades mecânicas. A interseção dos planos define três eixos perpendiculares entre si (Daniel; Ishai, 1994). A hipótese adotada para a micromecânica considera o material como ortotrópico (Neto; Pardini, 2006).
As constantes de engenharia E1, E2, ν12 e G12 do material são importantes parâmetros de projeto e são descritas a seguir: O Módulo de Elasticidade pode ser considerado como a resistência do material à deformação elástica. No caso de um compósito reforçado unidirecionalmente com fibras, calculam-se os módulos de elasticidade E1 e E2, onde E1 é o Módulo de Elasticidade na direção das fibras e E2 o Módulo de Elasticidade na direção transversal às fibras (Callister, 2008). O Coeficiente de Poisson v é definido como sendo a razão entre as deformações lateral e axial, para uma tensão aplicada uniaxialmente na deformação elástica (Callister, 2008). ν12 é o coeficiente de Poisson relacionado ao carregamento na direção das fibras e à deformação na direção transversal às fibras (Daniel; Ishai, 1994). O Módulo de Elasticidade Transversal G12 fornece a relação entre a tensão e a deformação de cisalhamento no plano da lâmina (Neto; Pardini, 2006).
Vale ressaltar que as amostras analisadas neste artigo foram fabricadas pelo processo de pultrusão, tendo como consequência o alinhamento das fibras de reforço em uma dada direção, o que caracterizaria o material como ortotrópico.
2.3.2. Micromecânica em Materiais Compósitos
De acordo com Neto e Pardini (2006), o módulo de elasticidade na direção das fibras da lâmina, para o caso de serem orientadas unidirecionalmente, podem ser obtidos a partir dos módulos de elasticidade e das frações volumétricas das fibras e da matriz, conforme Eq. (1):
(1)
Da mesma forma, o módulo de elasticidade transversal à direção das fibras é dado pela Eq. (2):
(2)
A relação entre a variação do maior coeficiente de Poisson da lâmina e a fração volumétrica de fibras é linear como no caso do módulo de elasticidade , ocorrendo, assim:
Onde é o coeficiente de Poisson das fibras e , o da matriz. O coeficiente de Poisson menor, é obtido
pela equação (4):
(4)
O módulo de cisalhamento da lâmina é não linear como no caso do módulo de elasticidade , ocorrendo de forma análoga às equações (1) e(2), assim:
(5)
Onde é o módulo de cisalhamento das fibras e , o da matriz. Arranjando de outra forma:
(6)
2.4. Fadiga em Compósitos e a Curva SN
De acordo com Ancelotti Jr. (2006) o processo de fadiga em compósitos a nível microestrutural tem início com a formação de microtrincas na matriz, seguido de uma propagação multidirecional que irão produzir a falha na interface fibra/matriz, e posteriormente ruptura nas fibras com acoplamento das trincas. Ressalta também, que o estudo deste fenômeno é particularmente complexo, pois diferente do que ocorre nos metais, o mecanismo de acúmulo de dano está associado com as várias interfaces presentes no material, o que leva a um contínuo estado de redistribuição de tensões.
Em trabalho posterior (2011), demonstra do ponto de vista macroestrutural, que a propagação de danos por carga dinâmica difere ainda mais entre metais e compósitos, pois se no primeiro grupo, a principal característica desta fase é a presença de uma única trinca, perpendicular ao carregamento aplicado, seguindo até a falha do componente sem qualquer alteração macroscópica em seu formato, nos compósitos, a característica marcante deste processo de propagação do dano é a presença de várias microtrincas que se propagam através da matriz, causando em um primeiro momento, a falha na interface fibra/matriz. Posteriormente, em compósitos reforçados com fibras, o dano pode passar para as delaminações e finalmente para a ruptura da fibra.
Qualquer material pode ter seu comportamento em fadiga representado através das curvas de tensão em função do número de ciclos de carga aplicada, também chamadas de curvas S-N (abreviação no idioma inglês para Stress –
Number of cycles). Porém, trabalhos anteriores tem demonstrado que apesar do primeiro modelo matemático realmente
eficaz em relacionar tais variáveis já date de meio século atrás, pouco se avançou no sentido de estabelecer-se leis não-empíricas capazes de descrever o comportamento em fadiga de compósitos (Vassilopoulos; Keller, 2011).
V I I I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a , 1 0 a 1 5 d e a g o s t o d e 2 0 1 4 , U b e r l â n d i a - M i n a s G e r a i s
Isso significa, que existe um vasto campo para o desenvolvimento do conhecimento sobre os efeitos da fadiga tanto a nível microestrutural como macroestrutural em compósitos, bem como a compreensão do mecanismo de dano interno. A Fig. (1) exemplifica o comportamento em fadiga de alguns materiais compósitos, em comparação a alguns metais. Pode-se notar que os compósitos Boro-Epóxi e Fibra de Vidro-Epóxi, tem um desempenho nitidamente superior às ligas de Titânio (8-1-1), ligas de aço (4130) e de alumínio (2024).
Uma sugestão para a continuação deste trabalho seria a a realização de um ensaio dinâmico para levantamento da curva SN do material em questão, o que permitiria a compreensão do processo de acúmulo de dano no material quando submetido a esforços cíclicos.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Ensaio de Medição Gravimétrica (ASTM D792)
O ensaio foi realizado para 6 corpos de prova de 12,9 mm de diâmetro, numerados, utilizando-se uma balança analítica, contendo ar e água. Mediu-se a temperatura da água, que era de 23°C. Um corpo de prova foi introduzido na balança dentro de um suporte, cuja massa foi desconsiderada pela balança para a pesagem do corpo de prova no ar, obtendo-se assim a massa seca ( , e depois o mesmo corpo de prova foi imerso e pesado, obtendo-se assim a massa imersa ( e a densidade de cada corpo de prova. Assim, foi possível calcular o volume do corpo de prova fazendo (
-. Os valores obtidos estão agrupados na Tab-. (3):
Tabela 3 – Dados obtidos a partir do ensaio de medição gravimétrica
CDP Massa seca (g) Densidade (g/cm³) Massa imersa (g) Volume (cm³) 1 2,80 2,15 1,50 1,30 2 2,57 2,16 1,39 1,19 3 2,90 2,17 1,57 1,33 4 2,72 2,15 1,46 1,26 5 3,17 2,15 1,70 1,47 6 2,93 2,15 1,57 1,36 Densidade Média 2,16 3.2. Digestão Térmica
Posteriormente, realizou-se o ensaio de digestão térmica, aquecendo-se os corpos de prova a aproximadamente 500ºC, de maneira que a resina epóxi evaporasse completamente. Para este ensaio, foram utilizados 3 cadinhos, identificados, cujas massas foram determinadas em balança de precisão e estão listadas na Tab. (4):
Tabela 4 – Massas do conjunto cadinho + fibra e massas de fibra para cada corpo de prova
CDP Cadinho Massa (g) Massa do conjunto
(cadinho + fibra) (g) Massa de fibra ( (g)
1 1 50,62 52,89 2,28 2 1 50,62 52,53 1,92 3 2 59,70 62,07 2,37 4 3 63,55 65,76 2,20 5 1 50,62 53,13 2,52 6 2 59,70 62,10 2,39
Os corpos de prova foram então introduzidos em cadinhos cerâmicos e colocados no interior de um forno elétrico para evaporação da resina. Permaneceram no forno à temperatura de 500 °C por 1h30min, onde também ocorreu o resfriamento. Assim, no final do procedimento restaram nos cadinhos apenas as fibras do compósito.
Medindo-se, então, as massas dos conjuntos cadinho + fibras e subtraindo desses valores as massas dos cadinhos medidas anteriormente, foram obtidas as massas de fibra . Os resultados estão apresentados na Tab. (4):
A densidade da fibra é de 2,62 g/cm³ e a densidade da mistura (resina epóxi + acelerador de endurecimento), de 1,18 g/cm³ (valores fornecidos pelo fabricante). Dividindo-se os valores de massa de fibra pela densidade de fibra, obteve-se o volume de fibra ( ) e dividindo-se a massa da mistura ( , dada por - , pela densidade da mistura, obteve-se o volume da mistura. Finalmente, obteve-se o volume de vazios ( , fazendo - ( + ). Os valores obtidos podem ser vistos na Tab. (5):
Tabela 5 - Resultados obtidos para volume de fibra, massa da mistura, volume da mistura e volume de vazios para cada corpo de prova.
Volume da fibra ( ) Massa mistura ( ) Volume da mistura ( ) Volume de vazios ( ) 0,869427481 0,52 0,44 ~ zero 0,731183206 0,66 0,56 ~ zero 0,90480916 0,53 0,45 ~ zero 0,84148855 0,51 0,44 ~ zero 0,960343511 0,65 0,55 ~ zero 0,913206107 0,54 0,46 ~ zero
3.3. Cálculos das Constantes de Engenharia do Material Compósito
De posse dos valores mostrados nas Tab. (3), (4) e (5) e fazendo uso das Eq. (1) e (2), (3) e (6), calculou-se então os módulos de elasticidade E1 e E2 do compósito, o coeficiente de Poison e o módulo de elasticidade transversal (cisalhamento) G12. Os resultados encontrados estão listados na Tab. (6).
Tabela 6: Resultados Cálculo Micromecânica.
Módulo Elasticidade Longitudinal na direção das fibras
(E1) Módulo Elasticidade Longitudinal na direção transversal às fibras (E2) Módulo de Elasticidade Transversal (G12) Coeficiente de Poisson (ν12)
GPa GPa GPa
74,3982 6,5873 2,5328 0,75
3.4. Ensaio Tração Estático
Realizou-se também ensaio de tração, utilizando uma máquina de ensaios universal. O corpo de prova foi cortado e usinado com dimensões segundo a norma ASTM E8/E8M - 13a (para materiais metálicos) sendo seu diâmetro 13 mm. A distância inicial entre as garras foi fixada em 80 mm e o comprimento inicial do extensômetro em 50 mm. Assim, realizaram-se 3 ensaios aplicando-se cargas até o valor máximo de 500 Kgf.
Com base nos dados obtidos de força aplicada e deformação linear, calculou-se as deformações específicas e as tensões normais. A seguir foram plotadas as curvas Tensão X Deformação para os três corpos de prova a partir das quais, pode-se obter o módulo de elasticidade, calculando a inclinação de cada curva. Os resultados obtidos estão agrupados na Tab. (7):
V I I I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a , 1 0 a 1 5 d e a g o s t o d e 2 0 1 4 , U b e r l â n d i a - M i n a s G e r a i s
Tabela 7 – Módulos de elasticidade obtidos a partir do ensaio de tração
Corpo de Prova Módulo Elasticidade Longitudinal (E1) (GPa) Módulo Elasticidade Longitudinal Médio (E1) (GPa) 1 52,56 52,10 2 51,70 3 52,04
3.5. Ensaio Flexão Estático
O teste de ruptura em flexão foi realizado para 6 corpos de prova. Foram cortados corpos de prova com comprimento de 12 cm e diâmetro médio 12,9 mm. Os corpos de prova foram colocados em uma máquina de ensaios universais para a obtenção do módulo de elasticidade com 100 mm de distância entre os pinos da base. Foram realizadas três medidas do módulo de elasticidade para cada corpo de prova com célula de carga de 5.000 kgf e velocidade de ensaio constante de 2mm/min.
A partir do ensaio foi possível obter os valores para a força (em N) e deformação (adimensional) máximas para cada corpo de prova. Tomando o último valor de força registrado no ensaio e a deformação correspondente nesse ponto, pode-se calcular o módulo de elasticidade para cada corpo de prova conforme a equação característica da viga com seção circular Eq. (7).
(7)
Os dados estão indicados na Tab. (8):
Tabela 8 – Módulo de Elasticidade Longitudinal (E1) para a amostras ensaiadas em flexão.
CDP Força (N) Deformação Módulo Elasticidade Longitudinal (E1) (GPa) Módulo Elasticidade Longitudinal Médio (E1) (GPa) 1 987,650 0,32262 46,873 46,252 2 992,840 0,32683 46,512 3 987,650 0,32216 46,940 4 989,380 0,33385 45,375 5 987,650 0,33011 45,809 6 987,650 0,3287 46,006 3.6. Análise Microscópica
Para a análise microscópica do material, foi cortada a amostra e polida sua superfície. A seguir, a amostra foi levada a um microscópio ótico com câmera digital acoplada e foram fotografadas seções transversais da amostra com ampliações de 50x (Fig. 2a), 200x (Fig. 2b) e 500x (Fig. 2c).
Observa-se que a distribuição das fibras através da matriz polimérica não apresenta uniformidade, percebendo-se “veios” de resina sem reforço algum, além de algumas seções elípticas e outras circulares, demonstrando alinhamento imperfeito das fibras.
a) Aumento de 50 x. b) Aumento de 200 x. c) Aumento de 500 x. Figura 2 – Seção transversal da barra ampliada.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Observando os valores relativos ao volume de vazios calculado para cada amostra e apresentados na Tab. (5), percebe-se que as amostras possuem uma característica extremamente interessante e que tem íntima relação com seu processo de fabricação: a ausência de vazios internos.
Comparando os valores apresentados nas Tab. (6), (7) e (8), percebe-se que os valores do módulo de elasticidade longitudinal (E1) obtidos empiricamente através dos ensaios de tração e flexão (52,1 e 46,2 GPa), possuem pequena variação entre si (11,3 %), enquanto que o valor obtido por meio dos cálculos da micromecânica (74,4 GPa) diverge desses, apresentando uma variação de 29,9 % em relação ao valor oriundo do ensaio de tração e 37,9 % em relação ao valor obtido no ensaio de flexão.
Essa divergência encontrada nos valores comparados em parte se explica pelo fato de que dentre as hipóteses que fundamentam os cálculos da micromecânica, as fibras do reforço são consideradas perfeitamente alinhadas e regularmente espaçadas. Tais características não são encontradas no material analisado, conforme demonstra a Fig. (2), onde as fibras não estão uniformemente distribuídas pela matriz nem perfeitamente alinhadas.
5. CONCLUSÕES
Conclui-se que as amostras utilizadas nos ensaios apresentam baixo volume de vazios, comprovadas pela análise gravimétrica e que é uma propriedade desejável para os compósitos estruturais.
Porém, o fato da distribuição das fibras através da resina não ser uniforme, constitui-se como uma propriedade indesejável para o material contribuindo assim para a disparidade entre os valores calculados pela Teoria da Micromecânica e os dados empíricos em relação ao Módulo de Elasticidade Longitudinal (E1).
O método adotado para a caracterização do material mostrou-se adequado no que diz respeito a determinação das frações volumétricas, mássicas e volume de vazios do compósito, porém inadequado quanto à determinação das constantes de engenharia para o compósito por meio da Teoria da Micromecânica, pois o material não satisfaz algumas de suas hipóteses fundamentais (fibras perfeitamente alinhadas e distribuídas regularmente pela matriz).
6. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a FAPEMIG pelo apoio financeiro na publicação do trabalho.
7. REFERÊNCIAS
Agarwal, B D., Broutman, L. J. e Chandrashekhara, K., 2006, “Analysis and performance of fiber composites”, Ed. John Wiley & Sons, New Jersey, EUA, 562 p.
American Society for Testing and Materials – ASTM, 2007,“Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials”, New York, EUA, Desig. D790.
V I I I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a , 1 0 a 1 5 d e a g o s t o d e 2 0 1 4 , U b e r l â n d i a - M i n a s G e r a i s
American Society for Testing and Materials – ASTM, 2008, “Standard Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement”, New York, EUA, Desig. D792.
American Society for Testing and Materials – ASTM, 2013,“Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials”, New York, EUA, Desig. E8/E8M-13a.
Ancelotti Jr., A.C., 2006, “Efeitos da Porosidade na Resistência ao Cisalhamento e nas Propriedades Dinâmicas de Compósitos de Fibra de Carbono/Resina Epóxi”, Tese de mestrado – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
Ancelotti, Jr., A.C., 2011, “Influência da Porosidade na Resistência à Fadiga de Compósitos de Fibra de Carbono/Epóxi”, Tese de doutorado na Área de Física e Química dos Materiais – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
Callister Jr., W. D., 2008, “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”, Tradução de Sérgio Murilo Stamile Soares, Ed. LTC, São Paulo, 705 p.
Daniel, I., M. e Ishai, O., 1994 “Engineering Mechanics of Composite Materials”, Ed. Oxford University Press, Inc., New York, EUA, 395 p.
Mazumdar, S. K., 2002, “Composites Manufacturing, Materials, Product and Process Engineering”, Ed. CRC Press LCC, Boca Raton, EUA, 416 p.
Neto, F.L. e Pardini, L.C., 2006“Compósitos estruturais: ciência e tecnologia”, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, 313 p.
Vassilopoulos, A. P. and Keller, T., 2011, “Fatigue of Fiber-Reinforced Composites”, Ed. Springer, Londres, Reino Unido, 280 p.
8. RESPONSABILIDADE AUTORAL
“Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho”.
MECHANICAL CHARACTERISTICS OF COMPOSITE MATERIALS
(FIBERGLASS / EPOXY) THROUGH STATIC TESTS AND USE OF
MICROMECHANICS CONCEPTS FOR DETERMINATION OF
ENGINEERING CONSTANTS
Dario de Almeida Jané, dariojn@hotmail.com1 2
Gustavo Corrêa Prado Candido, gus_tavocpc@hotmail.com1 Antônio Carlos Ancelotti Júnior, ancelotti@unifei.edu.br1
Mirian de Lourdes Noronha Motta Melo, mirianmottamelo@unifei.edu.br1
1
Federal University of Itajubá, PO Box 50, 37500 903, Itajubá, MG, Brazil. 2
Faculty of Technology of São Paulo, Av. Shunji Nishimura, 605, CEP 17580 000, Pompéia, SP
Abstract. Composite material consists of a combination of two or more elements in macroscopic scale and that has distinct physical characteristics of his predecessors when isolated. Conceptually the composite material is treated as having a heterogeneous phase called matrix, responsible for the transfer of effort, and another phase called reinforcement, responsible for resistance to the applied load. A variety of matrices and reinforcements thus composing a wide range of composites, that differ in their application due to their having different engineering constants (Elastic Modulus, Shear Modulus, Poisson's ratio, etc. ). Because the accurate determination of such characteristics, although not as intuitive when compared to the methods used to obtain such quantities in homogeneous materials, it becomes extremely important, and determines your current application.
This article seeks to demonstrate through experimental procedures characterization of a polymeric composite (epoxy) reinforced with fiberglass for such constant engineering. To this end, six specimens were prepared and subjected to an analytical balance to determine the density of the composite by gravimetric measurement as described in ASTM D792. Then was held a rehearsal of thermal digestion at 600 ° C in order to eliminate by evaporation the polymer matrix in this specimen and thus assess the amount of fiber present in the samples. Based on these data , we calculated the mass and volume fractions of both the matrix and the enhanced composite , which allowed through the theory of Micromechanics (Mixture’s Rule), estimating modules Longitudinal Elasticity in fiber direction (E1) and direction transverse to the fibers (E2) , the Shear Modulus (G12) and the Poisson's ratio (ν) of the composite. Static tensile tests (ASTM D3039) and bending (ASTM D790) were also conducted in instrumented specimens of composite material for obtaining empirical Longitudinal Modulus of elasticity in fiber direction (E1) and enabling the comparison with the previously calculated value.
