Post on 01-Dec-2018
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
MateriaisMateriais CompCompóósitossitos
DisciplinaDisciplina de de MateriaisMateriais no no DesenvolvimentoDesenvolvimento do do ProdutoProdutoCapCapíítulotulo de de Materiais CompósitosMestradoMestrado emem EngenhariaEngenharia dada ConcepConcepççãoão
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
O O queque éé um material um material compcompóósitosito??
MateriaisMateriais compostoscompostos de 2 de 2 ouou maismaismateriaismateriais, , matrizmatriz e e reforreforçço(so(s), ), queque::
NãoNão sejamsejam miscmiscííveisveisCompativeisCompativeis quimicamentequimicamentePropriedadesPropriedades mecânicasmecânicas complementarescomplementaresPropriedadesPropriedades finaisfinais do do compositocomposito funfunççãoão((maismais ouou menosmenos linear) linear) dasdas propriedadespropriedadesdos dos constituintesconstituintes
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
IndustriaIndustria AutomAutomóóvelvel (1)(1)
O primeiro chassis totalmente em compósito apareceu em 1981 (McLaren MP4-1). O chassis da figura é o Prost AP-01 em fibra de carbono/epoxy, depois de um acidente (Canadá 1997). O habitáculo é sujeito, por regulamento, a testes de impacto, tendo sofrido dois embates laterais nos muros de betão do Circuito, o primeiro dos quais a cerca de 180km/h. Num chassis em alumínio, o piloto teria certamente perdido a vida. Os compósitos vulgarizaram-se na F1 a partir de 1983.
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
IndustriaIndustria automautomóóvelvel (2)(2)
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
EvoluEvoluççãoão dada utilizautilizaççãoão de de compcompóósitossitos nanaindustriaindustria aeronauticaaeronautica
Ontem (Airbus A300/310)
Compósitos9%
Aço13%
Titânio6%
Diversos5%
Ligas leves67%
Hoje (Airbus A320/340)
Aço13%
Titânio6%
Diversos5%
Compósitos18% Ligas leves
58%
Amanhã (A380)
Aço
Titânio Diversos
Compósitos
Ligas leves
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
Airbus A300/310Airbus A300/310
No “fin” traseiro, reduziu-se o peso em 20%, em relação ao alumínio. Éconstruído em 95 peças, enquanto anteriormente compreendia 2076 peças.
Dimensões do fin: 8,3m de altura e 7,8m de largura.
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
Airbus A320Airbus A320
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
Airbus A 380Airbus A 380
Exemplo da cauda vertical do Aibus A 380 que vai ser fabricado em material compósito recorrendo a perfis pultrudidos
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
HarrierHarrier
• Uso de compósitos num Harrier AV-8B II. Cerca de 26% do peso desta aeronave é em compósito, na sua grande maioria de carbono/epoxy.
Estabilizador horizontal do Harrier AV-8B II a entrar no autoclave para iniciar o processo de cura.
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
IndIndúústriastria naval (1)naval (1)
O casco do navio da figura é feito em estrutura sandwich com faces em Kevlar/epoxy e núcleo em espuma de PVC, obtendo-se com esta construção uma maior resistência ao impacto com menor peso. As velas são também reforçadas com fibras
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
IndIndúústriastria Naval (2)Naval (2)
SequênciaSequência de de fabricofabrico ememmateriaismateriaiscompcompóósitossitos de um de um cascocasco de um de um navionavio
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
DefiniDefiniççãoão e e contextocontexto
Compósitos
Matriz metálica Matriz polimérica
Termo-endurecíveis Termo-plásticos
Fibras longas
Unidireccionais
Tecidos
Fibras curtas
Multiaxiais
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
FibrasFibras
RAZÃO L/d DAS FIBRAS
Quanto maior fôreste valor, maior será a resistência da fibra e consequentemente do compósito onde se insere
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
FibrasFibras
ProduProduççãoão de de fibrasfibras de de carbonocarbonoApresentaApresentaççãoão dasdasfibrasfibras de de vidrovidro e e carbonocarbono
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
PropriedadesPropriedades mecânicasmecânicas dasdas fibrasfibras (1)(1)
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
PropriedadesPropriedades mecânicasmecânicas dasdas fibrasfibras (2)(2)
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
FibrasFibras emem lâminaslâminas
Alguns arranjos típicos de fibras em cada camada de compósito
a - Fibras unidireccionais contínuas
b - Fibras descontínuas orientadas de modo aleatório
c - Fibras unidirecionaistecidas ortogonalmente
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
TiposTipos de de tecidostecidos
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
TecidosTecidos tritri--dimensionaisdimensionais
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
TiposTipos de de matrizmatriz
1. Good mechanical properties2. Good adhesive properties3. Good toughness properties4. Good resistance to environmental degradation
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
TiposTipos de de resinaresina (1)(1)
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
TiposTipos de de resinaresina (2)(2)
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
MicroMicro--mecânicamecânica (1)(1)
mLfLL εεε ==
ffmmL VEVEE +=
mmLffLLL AAAF σσσ +==
AA
EA
AEE
AA
AA m
mLmLf
fLfLLLm
mLf
fLL εεεσσσ +=⇔+=
mf AAA +=
f – fibra ; m – matriz
L – direcção das fibras
T – direcção transversal às fibras
Força na direcção das fibras
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
MicroMicro--mecânicamecânica (2)(2)
ForForççaa nana direcdirecççãoãoperpendicular perpendicular ààssfibrasfibras
mTfTT σσσ ==
m
m
f
f
Tm
m
mTf
f
fT
T
T
mmTffTTc
c
EV
EV
EV
EV
EE
VVll
+=⇒+=
+==∆
1σσσ
εεε
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
MicroMicro--mecânicamecânica (3)(3)
ExemploExemplo dada variavariaççãoão do do modulo de modulo de elasticidadeelasticidade de um de um compcompóósitosito ((EEcc) de ) de fibrafibra de de vidrovidro e e resinaresina poliesterpoliester ememfunfunççãoão dada % vol. de % vol. de fibrafibra ((VVff) ) e dos e dos respectivosrespectivos mmóódulosdulos EEff((fibrafibra) e ) e EEmm ((matrizmatriz))
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
MicroMicro--mecânicamecânica (4)(4)
mn
mfn
fn
c VEVEE )()()( +=
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
ConstantesConstantes de de elasticidadeelasticidade
m
m
f
f
T EV
EV
E+=
1
mmffLT VV ννν +=
m
m
f
f
LT GV
GV
G+=
1
Coef. de Poisson
Módulo de elasticidade transversal
Módulo de corte
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
ComportamentoComportamento dada LâminaLâmina
LT
LTLT
LL
LT
T
TT
TT
TL
L
LL
G
EE
EE
τγ
σνσ
ε
σνσ
ε
=
−=
−=
G
EE
Eν
E
xyxy
y
x
xy
y
yx
x
τγ
εε
ν
σνσε
σσ
ε
=
−=
−=
−=
Material Material isotrisotróópicopico Material ortotrópico
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
PropriedadesPropriedades dada camadacamada ortotrortotróópicapica
nh
h
Vgramagemh
ti
ffi
=
=ρ
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
−
−
=⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
LT
T
L
LT
TL
LT
T
TL
L
LT
T
L
G
EE
EE
τσσ
ν
ν
γεε
100
01
01
Gramagem (gr/m2)
hi – espessura da camada elementar
ht – espessura total
n - camadas
T
TL
L
LT
EEνν
=
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
ConstantesConstantes segundosegundo qualquerqualquer direcdirecççãoão (1)(1)
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−=
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
LT
T
L
xy
y
x
sccscscscs
cssc
γεε
γεε
)(22 22
22
22
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−−=
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
LT
T
L
xy
y
x
sccscscscs
cssc
τσσ
τσσ
)(2
2
22
22
22
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
−
−
=⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
xy
y
x
xyy
y
x
x
xy
xy
yx
xy
xy
xy
y
yx
x
xy
y
x
GEE
GEE
GEE
γσσ
µη
µν
ην
γεε
1
1
1
c – cos θ
s – sen θ
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
ConstantesConstantes segundosegundo qualquerqualquer direcdirecççãoão (2)(2)
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
=⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
−−−
−−−
−−−
xy
y
x
xy
y
x
EEE
EEE
EEE
γεε
τσσ
332313
232221
131211
TLLTT
TLLT
LL
LTLTLTL
LTLTLTL
LTlLTTL
TLLTLTL
LTLTLTL
LTLTLTL
EE
Eque em
GEscEcEscsE
GEscEsEccsE
EscGEEscE
GscEEEscE
GEscEcEsE
GEscEsEcE
νννν
νθ
νθ
νθ
νθ
νθ
νθ
−=
−=
+−+−−=
+−−−−=
−+−+=
−+−+=
+++=
+++=
−−
−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
11 e
1
))2)((()(
))2)((()(
)()4()(
)()2()(
)2(2)(
)2(2)(
222223
222213
442212
222233
224422
224411
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
PropriedadesPropriedades do do laminadolaminado (1)(1)
ConsidereConsidere--se um se um laminadolaminado de de espessuraespessura h, h, nn camadascamadas sendosendo eekk a a espessuraespessura de de cadacadacamadacamada
Para solicitações no planoNx, Ny e TxyAs deformações sãouniformes em toda a espessuraAs solicitações estão emequilíbrio com as tensõesno laminado
∑∫
∑∫
∑∫
=
+
−
=
+
−
=
+
−
==
==
==
n
kkkxy
h
hxyxy
n
kkky
h
hyy
n
kkkx
h
hxx
edzT
edzN
edzN
1
2/
2/
1
2/
2/
1
2/
2/
)(
)(
)(
ττ
σσ
σσ
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
PropriedadesPropriedades do do laminadolaminado (2)(2)
As As tensõestensões podempodem ser ser espressasespressas emem funfunççãoão dasdasdeformadeformaççõesões, , considerandoconsiderando queque as as deformadeformaççõesõessãosão uniformesuniformes
xyyxk
n
kxy
k
y
k
x
k
xy
xyyxk
n
kxy
k
y
k
x
k
y
xyyxk
n
kxy
k
y
k
x
k
x
AAAeEEET
AAAeEEEN
AAAeEEEN
0330320311
033032031
0230220211
023022021
0130120111
013012011
γεεγεε
γεεγεε
γεεγεε
++=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++=
++=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++=
++=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++=
∑
∑
∑
=
−−−
=
−−−
=
−−−
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
PropriedadesPropriedades globaisglobais parapara solicitasolicitaççõesões no no planoplano do do laminadolaminado
[ ]⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
−−
−−
−−
=⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
=⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
==⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡=
⎪⎭
⎪⎬
⎫
⎪⎩
⎪⎨
⎧
−
=∑
xy
y
x
xyy
y
x
x
xy
xy
yx
xy
xy
xy
y
yx
x
xy
y
x
xy
y
x
ji
n
kk
kijij
xy
y
x
xy
y
x
GEE
GEE
GEE
Ah
AeEAAAAAAAAAA
TNN
0
0
0
__
_
_
_
_
_
__
_
_
_
_
_
_
0
0
01
0
0
0
1
_
0
0
0
333231
232221
131211
1
1
1
que em
τσσ
µη
µν
ην
τσσ
γεε
γεε
Os Os coeficientescoeficientes AAijij sãosão independentesindependentes dada ordemordem de de empilhamentoempilhamento dadacamadacamadaNNxx e e NNyy provocamprovocam distordistorççõesões angularesangulares devidodevido a Aa A1313, A, A2323, A, A3131 e Ae A3232; ; estaestadistordistorççãoão desaparecedesaparece quandoquando o o laminadolaminado apresentaapresenta o o mesmomesmo nnúúmeromero de de camadascamadas com a com a direcdirecççãoão ++θθ e e ––θθ ((empilhamentoempilhamento simsiméétricotrico e e equilibradoequilibrado))
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
DeformaDeformaççõesões emem laminadoslaminadosExemplo da deformação não uniforme no plano, de um laminadocomposto de 2 lâminas de +30º e -30º, (não simétrico nemequilibrado), isto é o efeito de A13 e A23 serem não nulos
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
ExemploExemplo de de ccáálculolculo
CCáálculo constantes ellculo constantes eláásticassticas
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
LaminadosLaminados emem flexãoflexão (1)(1)TeoriaTeoria clcláássicassica de de laminadoslaminados
As As secsecççõesões transversaistransversaispermanecempermanecem planasplanas e e perpendicularesperpendiculares aoao eixoeixo apapóóssdeformadeformaççãoãoCampo de Campo de deslocamentosdeslocamentos uu, , vv e e wwSolicitaSolicitaççõesões: : momentosmomentos MMxx, M, Myy e e MMxyxy
0
00
00
wwy
wzvv
xw
zuu
=∂
∂−=
∂∂
−=
yxw
z
yw
z
xw
z
xyxy
yy
xx
∂∂∂
−=
∂∂
−=
∂∂
−=
02
0
02
0
02
0
2γγ
εε
εε
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
LaminadosLaminados emem flexãoflexão (2)(2)
∑ ∫∫
∑ ∫∫
∑ ∫∫
=
−−−+
−
=
−−−+
−
=
−−−+
−
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++==
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++==
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++==
−
−
−
n
k
z
zxy
k
y
k
x
kh
hxyxy
n
k
z
zxy
k
y
k
x
kh
hyy
n
k
z
zxy
k
y
k
x
kh
hxx
k
k
k
k
k
k
zdzEEEzdzM
zdzEEEzdzM
zdzEEEzdzM
1333231
2/
2/
1232221
2/
2/
1131211
2/
2/
1
1
1
γεετ
γεεσ
γεεσ
∑ ∫=
−−−
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
∂−+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂
∂−+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂
∂−=
−
n
k
z
zxy
k
y
k
xk
x dzyx
wzzE
yw
zzExw
zzEMk
k1
02
20132
02
20122
02
2011
1
2γεε
Exemplificando para Mx, através da substituição das deformações
Operando a separação dos termos em z e em z2
3 por oacompanhad
2 por oacompanhad
31
3
1
21
21
21
2
111
11
11
−
=
−−
−
−−
−
=
−−
−
−−
−=⇒
−=⇒
∑∫∫
∑∫∫
−−
−−
kkn
k
k
ijij
z
z
j
z
z
j
kkn
k
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ijij
z
z
j
z
z
j
zzEDdzzEdzzE
zzEBzdzEzdzE
k
k
k
k
k
k
k
k
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
LaminadosLaminados emem flexãoflexão (3)(3)
⎪⎪⎪⎪⎪
⎭
⎪⎪⎪⎪⎪
⎬
⎫
⎪⎪⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪⎪⎪
⎨
⎧
∂∂∂∂
∂∂
∂
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
=
⎪⎪⎪⎪
⎭
⎪⎪⎪⎪
⎬
⎫
⎪⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪⎪
⎨
⎧
yxwywxw
DDDBBBDDDBBBDDDBBBBBBAAABBBAAABBBAAA
MMMTNN
xy
y
x
xy
y
x
xy
y
x
02
20
2
20
20
0
0
333231333231
232221232221
131211131211
333231333231
232221232221
131211131211γεε
em que:
∑
∑
∑
=
−
=
−
=−
−
−=
−=
−=
n
k
kkkijij
n
k
kkkijij
n
kkk
k
ijij
zzED
zzEB
zzEA
1
31
31
21
21
1
3
2
)(
Os termos Bij (matriz B de acoplamento) são nulos sempre que existirsimetria no empilhamentoOs termos A13=A23=0 sempre que o empilhamento for equilibrado, i. e. tiverpares +θ e –θ do mesmo lado da simetriaOs termos D13 e D23 só são nulos quando o empilhamento tiver apenascamadas a 0o e 90o; para os empilhamentos com +θ e –θ verificar-se-ásempre D13≠0 e D23≠0
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
MMéétodostodos de de produproduççãoão de de laminadoslaminados
Produção de laminados
Método clássicopré-impregnados
Resin Transfer MoldingRTM
Prensa
Autoclave
Hand and Spraylay-up
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
Hand and spray layHand and spray lay--upup
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
Vacuum baggingVacuum bagging
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
EnrolamentoEnrolamento filamentarfilamentar
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
PultrusãoPultrusão
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
PrPréé--impregnadosimpregnados
FibrasFibras prpréé--impregnadasimpregnadas de de resinaresinaArmazenamentoArmazenamento a a --1818ººC (max 6 C (max 6 mesesmeses), ), devidodevido ààpresenpresenççaa de de resina+catalisadorresina+catalisadorDificuldadeDificuldade de de manuseamentomanuseamentoIdeal Ideal parapara produtosprodutos planosplanos, , semsem formasformas curvascurvas
AusenciaAusencia de de fibrasfibras nana direcdirecççãoão ZZEquipamentosEquipamentos pesadospesados de de produproduççãoão(autoclaves, (autoclaves, prensasprensas))CustosCustos elevadoselevados
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
Autoclave Autoclave parapara produproduççãoão de de compcompóósitossitos
FabricoFabrico com com prpréé--impregnadosimpregnados, com , com vváácuocuo e e emem autoclaveautoclave
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
TecidosTecidos MultiaxiaisMultiaxiais
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
Processo de fabrico RTM
fabricação de CRF contínuasredução de custos à volta de 30% relativamente a tecnologia
“clássica” baseada em pré-impregnados
Fases do processo
Pré-forma de fibras
coloca-se dentro da
cavidade do molde
Fecha-se o molde
Utilizando uma bomba move-se a resina e o
catalisador atéo misturador
Fim da fase de injecção
Início da fase de cura
Demoldação
A resina mistura-se
com o catalizador e começa a fase
de injecção
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
EquipamentoEquipamento de de injecinjecççãoão de de resinaresina
Materiais CompMateriais Compóósitossitos
VantagemVantagem dada tecnologiatecnologia RTM RTM emem relarelaççãoãoàà utilizautilizaççãoão de prede pre--impregnadosimpregnados
•• Maior complexidade da formaMaior complexidade da forma
•• Dimensões mais precisasDimensões mais precisas
•• Melhor acabamento de superfMelhor acabamento de superfííciecie
•• Fibras na direcFibras na direcçção da espessuraão da espessura
•• Volume de fibras alto, atVolume de fibras alto, atéé 65%65%
•• IncorporaIncorporaçção directa dos insertosão directa dos insertos
•• ReduReduçção dos custos de fabricoão dos custos de fabrico
•• Possibilidade da automaPossibilidade da automaçção do processoão do processo