MATERIAIS COMPÓSITOS

Profa. Kaline Melo de Souto Viana

Ex.: Esqui

Seção transversal de um esqui de

alto desempenho

O QUE SÃO COMPÓSITOS

Na engenharia, um material compósito é geralmente entendido como

um material cujos constituintes se diferenciam à escala da

microestrutura ou, de preferência, à macro estrutura.

Um material compósito é uma mistura física de dois

ou mais materiais, combinados para formar um novo material

de engenharia útil com propriedades diferentes aos

componentes puros.

Polímeros

Metais Cerâmicas

Compósitos

MATERIAIS COMPÓSITOS

Tecnologias modernas combinações não-usuais de propriedades

Aeroespaciais Subáquaticas

Transporte

Não atendidas pelos materiais convencionais:

Metais e suas ligas

Cerâmicas e vidros

Polímeros

Exemplo: Indústria aeronáutica busca por materiais com:

* baixa densidade * alta resistência e rigidez * resistência à abrasão e ao impacto * resistência à corrosão

MATERIAIS COMPÓSITOS

Na prática:

* materiais resistentes são geralmente densos

* aumento na rigidez/resistência resist. ao impacto

Faixas de tipos e propriedades dos materiais estão sendo ampliadas pelo

desenvolvimento dos COMPÓSITOS.

Objetivo:

combinar de maneira “engenhosa” (criativa) vários metais,

cerâmicas e polímeros de forma a produzir uma nova geração

de materiais extraordinários.

• A importância dos compósitos em engenharia advém do fato de que, ao combinar-se dois ou mais materiais diferentes, se pode obter um material compósito cujas propriedades são melhores, em alguns aspectos, às propriedades de cada um dos componentes.

Qual a importância na

engenharia?

• Ao invés de desenvolver um novo material que pode ou não ter as propriedades desejadas para uma determinada aplicação, modifica-se um material já existente, através de incorporações de outro componente.

Qual é o objetivo de preparar um

compósito?

Aplicação: Automobilística: painéis , encaixe de faróis, para-choques,

carrocerias, etc.

Aeronáutica: hélices de helicópteros, aeronave, trem de

pouso, etc.

Náutica: casco de barcos, painéis, mastros, boias de

sinalização, etc.

Química: tubos, tanques de alta pressão, containers para

armazenamento de produtos corrosivos, etc.

Elétrica: suportes de cabos elétricos, painéis, isolantes,

chaves de comando, postes de alta tensão, etc.

Esportiva: itens de piscina, esquis, tacos de golfe, raquetes de

tênis, etc.

Outros: pontes, caixas d’água, plataforma de petróleo, etc.

MATERIAIS COMPÓSITOS

São constituídos por apenas duas fases:

MATRIZ: fase contínua

REFORÇO: fase dispersa

As propriedades dos compósitos são uma função:

* das propriedades das fases constituintes,

* de suas quantidades relativas e

* da geometria do reforço.

forma, tamanho, distribuição e orientação

MATERIAIS COMPÓSITOS

Representação esquemática de várias características geométricas e espaciais das partículas do reforço, que podem influenciar nas propriedades dos

compósitos:

concentração tamanho forma

distribuição orientação

Interação

matriz/reforço é

macromolecular

(ex.: concreto) Cimento – matriz

Areia + brita – reforço

Classificação

Partículas

( = 10 a 100 nm)

Ex.: cermento Co – matriz

WC - reforço Folhas ou painéis bidimensionais são cimentados

umas as outras invertendo a direção do alinhamento das fibras de cada placa

(Ex.: cadeiras plásticas)

São projetados para serem painéis de baixo peso,

com rigidez e resistências elevadas. Consiste de duas laminas externas, que são unidas por adesivo

mais espesso

(Ex.: telhas plásticas)

Concreto Cermento

100 nm

1 cm

Compósitos Reforçados por Partículas

Partículas grandes Reforçados por dispersão

Laminados Compósitos Estruturais

Compósitos Reforçados com Fibras

Compósitos Reforçados com Fibras

A FASE FIBRA

Fibras: São tanto policristalinos quanto amorfos e tem pequenos diâmetros.

Materiais fibrosos podem ser polímeros ou cerâmicas.

Exemplo: aramidas,

vidro,

carbono,

boro,

óxido de alumínio ,

carbeto de silício.

Direção

longitudinal

Direção

transversal

Fibras contínuas

alinhadas

Fibras descontínuas

alinhadas

Fibras descontínuas

e orientadas

aleatoriamente

INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO DA FIBRA

Compósitos Reforçados com Fibras

A FASE MATRIZ

Várias funções imprescindíveis são realizadas pela fase matriz de

compósitos de fibra.

*capacidade de ligar as fibras entre si e agir como o meio

pelo qual uma tensão aplicada é transmitida e distribuída às

fibras

* sua resistência mecânica é extremamente baixa.

* espera-se que a matriz seja dúctil.

* módulo elástico da fibra que deve ser muito maior do que o

da matriz.

Comportamento tensão-deformação em tração

A tensão-deformação depende:

Comportamento tensão-

deformação das fases;

Frações volumétrica das fases;

Direção no qual a carga ou

tensão é aplicada.

Comportamento tensão-deformação

para as fases fibra e matriz

Comportamento tensão-deformação em tração

Comportamento tensão-deformação

para o compósito

1° estágio tanto a matriz

como a fibra se deformam

elasticamente

2° estágio a matriz escoa e

se deforma plasticamente,

enquanto as fibras continuam a

se deformar elasticamente

A falha no compósito ocorre

conforme as fibras começam a

fraturar.

A falha no compósito não é

catastrófica.

Compósitos Reforçados com Fibras

Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas

Comportamento elástico – carregamento longitudinal

Considerar um compósito fibroso contínuo, com fibras alinhadas

carregado na direção do alinhamento das fibras.

Assume-se que a ligação interfacial entre a fibra e a matriz é muito

boa.

Existe isodeformação deformação da matriz = deformação da

matriz.

Compósitos Reforçados com Fibras

Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas

Comportamento elástico – carregamento longitudinal

A carga total suportada pelo compósito Fc é dada por:

A tensão total suportada pelo compósito c é dada por:

Compósitos Reforçados com Fibras

Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas

Comportamento elástico – carregamento longitudinal

A deformação total sofrida pelo compósito c é dada por:

O módulo de elasticidade de um compósito com fibras contínuas e

alinhadas, na direção do alinhamento (ou direção longitudinal), Ecl é :

Relação entre a carga e o módulo de elasticidade das fases

Compósitos Reforçados com Fibras

Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas

Comportamento elástico – carregamento transversal

Um compósito de fibras contínuas e orientadas com carregamento na direção transversal ao alinhamento das fibras:

isotensão

Compósitos Reforçados com Fibras

Compósitos com Fibras Descontínuas e Alinhadas

lc = comprimento crítico

d = diâmetro da fibra

σ*f = resistência mecânica (ou tensão) final

c = resistência mecânica da ligação fibra-matriz (ou limite de escoamento cisalhante da matriz)

Compósitos Reforçados com Fibras

Compósitos com Fibras Descontínuas e Orientadas Aleatoriamente

K = parâmetro de eficiência da fibra

Compósitos Reforçados com Fibras

Processamento de Compósitos Reforçados com Fibras

O processamento de compósitos reforçados com fibras pode ser realizado

por:

PULTRUSÃO

PREPREG

ENROLAMENTO FILAMENTAR

Compósitos Reforçados com Fibras

Processamento de Compósitos Reforçados com Fibras

Pultrusão

Esta técnica é usada para a fabricação de componentes que possuem

comprimentos contínuos e uma forma com seção reta constante (hastes, tubos,

feixes).

Compósitos Reforçados com Fibras

Processamento de Compósitos Reforçados com Fibras

Processos de Produção de Prepreg

Prepreg é o termo industrial de compósito para reforço com fibra contínua

impregnada com uma resina polimérica que é apenas parcialmente curada.

Compósitos Reforçados com Fibras

Processamento de Compósitos Reforçados com Fibras

Enrolamento Filamentar

Consiste num processo pelo qual fibras de reforço

contínuas são precisamente posicionadas num

molde para formar uma forma vazada, usualmente

cilíndrica.

Estruturas comuns de enrolamento de filamento

incluem carcaças de motor de foguete, tanques de

armazenamento e tubos, e vasos de pressão.

Exercício

1. É possível produzir um compósito com matriz epóxi e fibras

aramida contínuas e orientadas com módulos de elasticidade

longitudinal e transversal de 57,1 GPa e 4,12 GPa, respectivamente?

Porque isso é possível ou não?

Considere: Em = 2,4 GPa

R : SIM

2. Para um compósito reforçado com fibras contínuas e orientadas,

os módulos de elasticidade nas direções longitudinal e transversal

são de 19,7 GPa e 3,66 GPa, respectivamente. Determine os

módulos de elasticidade das fases matriz e fibra, se a fração

volumétrica de fibras é de 0,25.

R : Ef = 70,98 GPa e Em = 2,79 GPa

3. Um compósito reforçado com fibras contínuas e alinhadas deve ser produzido

com 30% de fibras de aramida e 70% de matriz de policarbonato. As

características mecânicas desses dois materiais são:

Sabendo-se que a carga suportada pela matriz quando as fibras falham é de

44500N:

(a) Calcule a razão entre as cargas na fibra e na matriz. (Ff/Fm = 23,4)

(b) Calcule as cargas reais suportadas pelas fases ,fibra e matriz. (Ff = 42,676 N e Fm = 1824 N)

Material E (GPa)

Aramida 131

Policarbonato 2,4