ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE TENSÃO E FLEXÃO DE … · Figura 2.15: Esquemático do ensaio de...
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PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESCOLA DE ENGENHARIA
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Dissertação de Mestrado
ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE TENSÃO
E FLEXÃO DE COMPÓSITOS SANDUÍCHE
DANIEL PEREIRA NUNES GAMA
JULHO DE 2017
DANIEL PEREIRA NUNES GAMA
ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE TENSÃO E FLEXÃO DE COMPÓSITOS SANDUÍCHE
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya
de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da
UFF como parte dos requisitos para a obtenção
do título de Mestre em Ciências em
Engenharia Mecânica
Orientador: João Marciano Laredo dos Reis, Ph. D. (PGMEC/UFF)
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE NITERÓI, 24 DE JULHO DE 2017
Aos Meus Pais
Douglas de Oliveira da Gama
e Leyla Pereira Nunes
Agradecimentos
Ao meu orientador João Marciano Laredo dos Reis, pelo ensinamento e orientação, e
a toda equipe do PGMEC e LMTA.
À equipe Blackbird Aerodesign da Universidade Federal Fluminense pelo
fornecimento dos materiais.
Aos meus pais e irmão: Leyla Pereira Nunes, Douglas de Oliveira da Gama e Victor
Pereira Nunes Gama, por prestarem total apoio durante a realização deste trabalho.
À Marina Saad Muller pelo apoio durante o mestrado e pela ajuda na revisão deste
trabalho.
RESUMO
O objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento mecânico de compósitos
sanduíches. As lâminas do compósito são formadas por fibra de vidro e fibra de carbono
enquanto o núcleo é constituído de chapas de madeira balsa e divinycell H45® (48 kg m-3).
O principal ponto do trabalho é avaliar a resistência a tração (σu), módulo de elasticidade (E),
resistência a flexão (σf), módulo de elasticidade a flexão (Ef) e a massa dos corpos de prova.
Para tal, foi confeccionado chapas laminadas pelo processo de infusão a vácuo e em seguida
foi recortado corpos de prova de dimensões 250 por 25 mm. O ensaio de tração e flexão
foram realizados de acordo com as respectivas normas: ASTM D3039 e ASTM D790. Os
compósitos sanduíche formados por lâminas de fibra de carbono apresentaram melhores
propriedades em comparação com os mesmos compósitos constituídos por lâminas de fibra
de vidro. Deste modo, os compósitos com núcleo de madeira balsa com lâminas de fibra de
carbono podem ser aplicados em áreas de maior esforço enquanto os compósitos com núcleo
de divinycell H45® e fibra de carbono pode ser aplicado em áreas de menor solicitação.
Palavras-chave: Propriedades mecânicas; Compósitos sanduíche; Ensaio de tração; Ensaio
de flexão.
ABSTRACT
This work is concerned with the study of the mechanical behavior of polymer composite
sandwich beams. The skins consist of glass and carbon reinforced epoxy composites. The
core is made from balsa wood and Divinycell H45 (48 kg m−3) foam. The main goal is to
evaluate the best composite system considering the ultimate tensile strength (σu), the elastic
modulus (E), flexural strength (σf) and flexural modulus (Ef) and the mass of the specimens.
For this purpose, laminated sheets were made by the vacuum infusion process and then 250
mm by 25 mm specimens were cut out. Tensile tests according to standard ASTM D 3039
and bending tests according to standard ASTM D 790 were performed. The sandwich beams
composites formed by carbon fiber presented a better performance in comparison to the same
composites constituted by fiberglass. Thus, composites with balsa wood core with carbon
fiber can be applied in areas of greater effort while composites with divinycell H45® core
and carbon fiber can be applied in less demanding areas.
Keywords: Mechanical properties, Sandwich beams, Tensile test, Flexural Test
SUMÁRIO
Lista de Figuras .....................................................................................................................10
Lista de Tabelas ....................................................................................................................11
Capítulo 1. INTRODUÇÃO................................................................................................12
1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS........................................................................................12
1.2. OBJETIVOS...................................................................................................................14
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO..............................................................................15
Capítulo 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA........................................................................16
2.1. FIBRAS E MATRIZ POLIMÉRICA..............................................................................19
2.2. COMPÓSITOS LAMINADOS......................................................................................26
2.3. COMPÓSITOS SANDUÍCHE.......................................................................................30
2.4. PROCESSO DE INFUSÃO A VÁCUO.........................................................................34
2.5. ENSAIOS MECÂNICOS...............................................................................................37
2.5.1. Ensaio de Tração........................................................................................................37
2.5.2. Ensaio de Flexão.........................................................................................................40
Capítulo 3. MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................41
3.1. MATERIAIS..................................................................................................................41
3.2. EQUIPAMENTOS.........................................................................................................45
3.3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL...........................................................................46
3.3.1. Ensaio de Tração........................................................................................................48
3.3.2. Ensaio de Flexão.........................................................................................................49
Capítulo 4. RESULTADOS e DISCUSSÃO ..................................................................52
4.1. MASSA..........................................................................................................................52
4.2. ENSAIO DE TRAÇÃO..................................................................................................53
4.3. ENSAIO DE FLEXÃO...................................................................................................55
Capítulo 5. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS..........................................59
5.1. CONCLUSÕES..............................................................................................................59
5.2. PERSPECTIVAS FUTURAS........................................................................................60
Capítulo 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...........................................................61
ANEXO I..............................................................................................................................65
ANEXO II............................................................................................................................71
Lista de Figuras
Figura 2.1: Materiais compósitos empregados no EMB-314 [3]............................................18
Figura 2.2: Resistência mecânica em função do diâmetro da fibra. [4]..................................19
Figura 2.3: Arranjos de fibras [4]...........................................................................................21
Figura 2.4: Classificação dos polímeros [1]...........................................................................23
Figura 2.5: Comparativo de performance dos polímeros utilizados na matriz polimérica
[4]..........................................................................................................................................25
Figura 2.6: Exemplificação dos laminados [1].......................................................................27
Figura 2.7: Esquemático dos laminados [4]...........................................................................27
Figura 2.8: Falha das camadas de um compósito laminado [4]..............................................29
Figura 2.9: Exemplos de compósitos sanduíche, (a) núcleo de espuma, (b) núcleo de
honeycomb, (c) núcleo ondulado [11]....................................................................................31
Figura 2.10: Evolução do processo de infusão a vácuo em relação a demanda e ao
comprimento das pás de geradores e energia eólicos [18]......................................................34
Figura 2.11: Esquemático do processo por infusão a vácuo. (1) Equipamento de mistura da
resina com o catalizador; (2) Recipiente da resina; (3) Molde; (4) Recipiente intermediário e
bomba de vácuo [19]..............................................................................................................35
Figura 2.12: Corpo de prova típico do ensaio de tração [20]..................................................37
Figura 2.13: Tensão x deformação de um típico material metálico [20].................................38
Figura 2.14: Curva tensão-deformação da fibra, matriz e compósito [21]..............................39
Figura 2.15: Esquemático do ensaio de flexão de três pontos [23].........................................41
Figura 2.16: Curvas típicas de ensaio de flexão em três pontas em materiais compósitos.
Adaptado de [23]...................................................................................................................42
Figura 3.1: Máquina de ensaio de tração Shimadzu® Servopulser........................................45
Figura 3.2: Máquina de ensaio universal EMIC DL®............................................................46
Figura 3.3: Tipos de amostras confeccionadas.......................................................................47
Figura 3.4: Corpo de prova durante o ensaio..........................................................................48
Figura 4.1: Comparativo tensão x deformação.......................................................................53
Figura 4.2: Comparativo tensão de flexão x deformação – fibra de vidro e fibra de
carbono..................................................................................................................................56
Figura 4.3: Comparativo tensão de flexão x deformação – fibra de vidro/fibra de carbono +
madeira balsa/divinycell H45®.............................................................................................56
Figura A.1: Tensão x deformação – fibra de carbono.............................................................65
Figura A.2: Tensão x deformação – fibra de carbono + divinycell H45®..............................65
Figura A.3: Tensão x deformação – fibra de carbono + madeira balsa...................................66
Figura A.4: Tensão x deformação – fibra de vidro.................................................................66
Figura A.5: Tensão x deformação – fibra de vidro + divinycell H45®...................................67
Figura A.6: Tensão x deformação – fibra de vidro + madeira balsa........................................67
Figura A.7: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono............................................68
Figura A.8: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono + divinycell H45®..............68
Figura A.9: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono + madeira balsa...................69
Figura A.10: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro................................................69
Figura A.11: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro + divinycell H45®.................70
Figura A.12: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro + madeira balsa......................70
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Propriedades de fibras e arames [4].....................................................................24
Tabela 2.2: Vantagens e desvantagens do processo de fabricação por infusão a vácuo
[18]........................................................................................................................................38
Tabela 3.1: Características das fibras [24, 25]........................................................................45
Tabela 3.2: Propriedades dos núcleos dos compósitos sanduíches [26, 27]...........................46
Tabela 3.3: Propriedades da resina epóxi [28]........................................................................46
Tabela 3.4: Tipos e quantidade de corpos de prova utilizadas por ensaio...............................49
Tabela 3.5: Valores de distância entre suporte e taxa de deformação.....................................52
Tabela 4.1: Massa média e desvio padrão dos corpos de prova..............................................55
Tabela 4.2: Tensão máxima e módulo de elasticidade...........................................................60
Tabela 4.3: Tensão máxima de flexão e módulo de elasticidade............................................6
13
Capítulo 1
Introdução
1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS
Materiais compósitos laminados em matriz polimérica vem se destacando na
indústria nas últimas décadas. Amplamente aplicados às áreas da aviação, estruturas
espaciais, automotiva e petroquímica os compósitos laminados devem possuir propriedades
adequadas às solicitações mecânicas apresentadas. Especificamente para a engenharia
aeroespacial os conhecimentos das propriedades mecânicas são tratados com destaque por se
apresentar como um dos fatores principais para projetos em tais áreas da indústria [1-4].
Distintivamente dos metais cujas características previamente citadas foram
amplamente estudadas, os materiais compósitos carecem da quantidade de informações
disponíveis sobre os aspectos citados. Por se tratar de materiais formados pela composição
14
de dois ou mais constituintes que apresentam propriedades distintas, a matriz polimérica
apresentará particularidades provenientes de sua composição [2-4].
Durantes anos os compósitos laminados são estudados por sua alta resistência
mecânica e baixo peso. Porém, a fim de se propor novas características mecânicas os
compósitos híbridos foram desenvolvidos pela composição de dois ou mais tipos de
compostos adquirindo as propriedades mecânicas de ambas [4]. Compósitos híbridos podem
ser produzidos por várias configurações, como intra-camadas e sanduíches [5].
Os estudos típicos realizados por [6-10] mostram que os compósitos híbridos sob
carregamentos de flexão, tração, fadiga e impacto apresentam propriedades melhores em
relação aos compósitos com alta resistência mecânica e baixo deslocamento.
Dentre os compósitos híbridos há o tipo sanduíche que consiste em duas camadas
finas de lâminas rígidas de baixa espessura com um núcleo de maior espessura, composta por
um material menos denso e com menor resistência. Com isso, se obtém um compósito com
a resistência de suas lâminas externas, resistente a tração e compressão, e com as
características de seu núcleo com alta resistência a flexão e baixo peso [11].
Para [11-13] o comportamento sob tração nos compósitos sanduíche não se altera,
pois o limite de escoamento do núcleo é menor que o da lâmina, sendo esta predominante.
No entanto, para os corpos de prova sob flexão o núcleo distribui as tensões pelo corpo
minimizando os efeitos de cisalhamento e tração nas quais ficam concentrados nas lâminas.
Outros estudos avaliam a composição do núcleo e sua geometria sob flexão. Para [14]
os efeitos de cisalhamento e flexão podem ser previstos pela composição do sanduíche e sua
espessura por meio da lei das misturas. Para [15] os núcleos de PVC (usualmente aplicados)
podem ser substituídos por compósitos naturais e metais a fim de garantir maior ou menor
15
rigidez, enquanto para [16, 17] colunas de resina no núcleo ou uso da geometria de colmeia
produzirá o mesmo efeito.
Com estes aspectos em vista esta dissertação tem por objetivo avaliar e comparar
compósitos laminados com matriz polimérica e tipo sanduíche entre si, definindo a
composição com melhores propriedades. Os ensaios foram realizados de acordo com a
ASTM D3039 [23] e a ASTM D790 [29].
1.2. OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é investigar e avaliar as propriedades mecânicas: resistência
a tração, resistência a flexão, módulo de elasticidade a tração, módulo de elasticidade a flexão
e massa por meio de ensaio de tração, conforme a norma ASTM D3039, e ensaio de flexão
de acordo com a norma ASTM D790 de compósitos formados por fibra de carbono e fibra
de vidro reforçados por matriz polimérica, assim como compósitos sanduíches com núcleo
de divinycell H45® e madeira balsa com lâminas de fibra de carbono e fibra de vidro a fim
de determinar o compósito com a melhor combinação destas propriedades levando em
consideração suas aplicações no aeromodelo da Universidade Federal Fluminense tanto
quanto para a indústria aeroespacial.
16
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
No capítulo II são apresentadas as referências bibliográficas abordando os materiais
compósitos reforçados por matriz polimérica e compósitos sanduíche, esclarecendo o papel
das fibras, do núcleo e da matriz polimérica. No mesmo capítulo é introduzido a noção do
processo de infusão a vácuo tal qual uma breve introdução aos ensaios de tração e flexão.
O capítulo III apresenta as propriedades dos materiais, o maquinário utilizado e a
metodologia experimental empregada.
O capítulo IV traz os resultados dos ensaios e a comparação das propriedades, tal
como a análise dos gráficos obtidos e suas interpretações.
As conclusões e perspectivas futuras para o trabalho se encontram no capítulo V.
Por fim, o Anexo I mostra os gráficos obtidos pelos ensaios de flexão e de tração
enquanto o Anexo II apresenta o artigo publicado no 6th International Symposium on Solid
Mechanics - MECSOL 2017.
17
Capítulo 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os materiais compósitos vêm se tornando cada vez mais comum na indústria e no
cotidiano. Sendo amplamente versáteis, eles podem ser encontrados em veículos, aeronaves,
televisores e periféricos de computadores. O aumento de sua aplicação é devido à variedade
de propriedades mecânicas geradas pela combinação de dois ou mais componentes.
Para Jones [1], os materiais compósitos são formados por dois ou mais materiais que,
combinados em escala macroscópica formam um terceiro material com propriedades
mecânicas bem definidas em função dos materiais escolhidos para formar o compósito. No
entanto, pode-se afirmar que diferentes materiais podem ser combinados em escala
microscópica, como a adição de ligas metálicas ao compósito, porém o resultado deve ser
18
analisado de forma macroscópica pois os componentes não podem ser distinguidos e, na
prática, agem como um corpo único.
Segundo Dietz [2], uma série de vantagens são apontadas pelo uso dos materiais
compósitos, entre elas destacam-se:
• Resistência mecânica;
• Rigidez;
• Resistência a corrosão;
• Peso;
• Vida em fadiga;
• Dependência da temperatura;
• Isolamento térmico e acústico.
Seguramente, as propriedades supracitadas não são experimentadas ao mesmo tempo
pelo compósito obtido, algumas propriedades entram em conflito com outras, como por
exemplo: resistência mecânica e vida em fadiga, neste aspecto fica a cargo do projetista a
escolha das propriedades em função do tipo de solicitação na qual o material compósito irá
sofrer.
No âmbito histórico [1-4], o emprego de materiais compósitos é datado dos egípcios
que implementaram a expansão térmica da madeira a fim de adquirir melhores propriedades
mecânicas de resistência e impermeabilidade para a construção civil, passando pela idade
média na qual as espadas e armaduras eram produzidas por camadas sobrepostas de diferentes
ligas metálicas, até a década de sessenta quando os materiais compósitos de alto desempenho
foram introduzidos na indústria aeroespacial pelo desenvolvimento de fibras de carbono,
vidro e boro ofereceram aos desenvolvedores a oportunidade de flexibilizar os projetos
19
estruturais. Em conjunto, os tecidos de fibra de vidro e carbono foram desenvolvidos e
implementados em aeronaves militares e comerciais, assim como na indústria automotiva
permitindo uma redução em peso de até 40% de seus produtos. A Figura 2.1 exemplifica o
emprego de materiais compósitos no Embraer EMB-314.
Figura 2.1: Materiais compósitos empregados no EMB-314 [3].
Os materiais compósitos são comumente classificados em três subdivisões, sendo
elas:
• Compósitos fibrosos;
• Compósitos laminados;
• Compósitos de partículas.
Pelo escopo desde trabalho, serão descritos os compósitos fibrosos reforçados por
matriz polimérica e os compósitos laminados. O próximo tópico será relacionado aos
compósitos fibrosos constituídos por matriz polimérica e em seguida será apresentado os
compósitos laminados com ênfase nos laminados tipo sanduíche.
20
2.1. FIBRAS E MATRIZ POLIMÉRICA
As fibras são utilizadas como reforço por proporcionar força e rigidez a matriz
polimérica. As mais comuns são as fibras de vidro, carbono e aramida.
Independentemente de suas boas características as fibras podem apresentar queda de
desempenho devido a seu diâmetro, comprimento, orientação, formato e a matriz na qual ela
está inserida.
Para Kaw [4], a resistência mecânica é relacionada a pequenas falhas do material.
Removendo essas falhas haverá um aumento da resistência mecânica. Deste modo, as fibras
com menor diâmetro apresentarão menos áreas de falha, possuindo assim, maior resistência
mecânica. Pode-se dar o exemplo de uma placa de aço que possui resistência mecânica de
689 MPa enquanto um arame de mesmo material apresentará 4100 MPa. A Figura 2.2 ilustra
a resistência mecânica de fibra de carbono em função de seu diâmetro.
Figura 2.2: Resistência mecânica em função do diâmetro da fibra [4].
21
As fibras podem ser longas ou curtas. Fibras longas e contínuas são fáceis de se
orientar e facilitam o processo de fabricação, elas possuem melhor resistência, baixo
enrugamento, melhor qualidade superficial e estabilidade dimensional. Já, as fibras de menor
comprimento, apesar da dificuldade em sua orientação na fabricação são mais fáceis de se
trabalhar, apresentam menor tempo de cura e custo reduzido, além de, por serem menores,
possuem maior resistência.
Fibras orientadas em apenas uma direção possuem maior rigidez e resistência à tração
na direção escolhida. Se a fibra é orientada em múltiplas direções sua rigidez e resistência à
tração será equivalente ao percentual em volume do número de fibras nessas direções.
Por fim, as fibras são normalmente confeccionadas em formato circular. Porém,
podem ser produzidas com secções hexagonais e quadradas que possuem maior rigidez e
resistência mecânica, mas seu alto custo de fabricação e dificuldades no processo faz com
que sejam menos comuns no mercado. A Figura 2.3 apresenta diferentes arranjos de fibras.
22
Figura 2.3: Arranjos de fibras [4].
Os materiais compósitos tanto quanto os metais possuem propriedades bem definidas.
Para Jones [1], a fibra é caracterizada geometricamente não apenas pela relação
comprimento-diâmetro, mas também pela proximidade do diâmetro dos cristais da fibra.
Neste cenário a Tabela 2.1 apresenta a resistência à tração e módulo de elasticidade, assim
como sua relação com a densidade de algumas fibras e arames metálicos. Contudo, a
comparação direta entre os arames e fibra não deve ser feita, pois, para uso estrutural, as
fibras devem ser aplicadas juntamente à matriz polimérica, já os metais podem ser
23
empregados sem este preparo. A densidade é apresentada na Tabela 2.1 em razão de ser um
parâmetro indicativo da eficiência da fibra cujo peso é especialmente avaliado pela indústria
aeroespacial.
Tabela 2.1: Propriedades de fibras e arames [4].
Fibra/Arame
Densidade, ρ
(Kg/m3)
Tensão
máxima, S
(MPa)
S/ρ
Módulo de
elasticidade,
E (GPa)
E/ρ
Alumínio 26,3 620 24 73 2,8
Aço 76,6 4100 54 207 2,5
Fibra de
vidro
24,4 4800 197 86 3,5
Fibra de
Carbono
13,8 1700 123 190 14
Fibra de
Boro
25,2 3500 137 400 16
As fibras por si só não apresentam propriedades estruturais para resistir aos esforços
aplicados a elas. Desta maneira é necessário algum tipo de suporte, ou estrutura na qual as
fibras possam estar compactadas e assim serem capazes de suportar esforços. Para Dietz [2],
este suporte é fornecido pela incorporação das fibras em uma matriz suficientemente rígida
a fim de conter o colapso das fibras sob carregamento e transmitir os esforços de fibra para
fibra, principalmente em condições de cisalhamento. A matriz, usualmente com menor
resistência mecânica e rigidez que as fibras não suporta carregamento elevados, mas, com a
24
adição das fibras, o compósito formado apresenta propriedades tanto das fibras quanto da
matriz, ou seja: alta resistência mecânica, rigidez e dureza.
Os compósitos reforçados por matriz polimérica apresentam baixo custo, alta
resistência mecânica e manufatura simples. Como o nome sugere, a matriz polimérica é
formada por polímeros.
Os polímeros são formados a partir de unidades menores, chamadas monómeros.
Estes são moléculas de baixa massa que por meio do processo de polimerização geram o
polímero. As unidades repetitivas que provem do monómero são nomeadas de mero. Os
meros, como mostra a Figura 2.4, são divididos em três categorias: linear, ramificado e em
rede.
Os polímeros lineares são uma cadeia de meros, entre os três tipos é o que possui
menor rigidez e resistência mecânica. Os polímeros em ramos são constituídos por polímeros
lineares conectados uns aos outros. Por fim, os polímeros em rede são aqueles nas quais suas
cadeias formam uma larga estrutura tridimensional interconectada garantindo a eles maior
rigidez e resistência mecânica [1].
Figura 2.4: Classificação dos polímeros [1].
25
Outra classificação empregada para estruturas poliméricas é de acordo com o seu
comportamento perante ao aumento de temperatura. São elas: borracha, termoplástico e
termofixos. Para Jones [1], as borrachas são materiais poliméricos em rede cujo estado sólido
é abaixo da temperatura ambiente. Os termoplásticos são polímeros em ramos, ao aquece-
los, eles se tornam macios, ao resfriá-los tornam-se rígidos. Suas características são: alta taxa
de deformação, capacidade de reprocessamento e baixo tempo de cura. Pode-se citar como
exemplo de termoplástico: nylon e polietileno. Já, os polímeros termofixos são formados por
reações químicas até que todas as suas moléculas tomem uma forma irreversível de rede.
Uma vez que esta forma é adquirida ela não pode ser desfeita. As principais características
dos termofixos são: baixa taxa de deformação, alta resistência mecânica e maior resistência
a temperaturas elevadas. Exemplos de polímeros termofixos são: poliamidas e epóxi.
As principais matrizes poliméricas são formadas por resinas. A escolha do tipo de
resina é de acordo com a aplicação. Deve-se considerar a resistência mecânica, custo,
emissão de gás e temperatura de operação. A Figura 2.5 mostra um comparativo destas
qualidades para diferentes tipos de resina.
26
Figura 2.5: Comparativo de performance dos polímeros utilizados na matriz
polimérica [4].
Como pode ser observado na Figura 2.5, cada resina possui suas vantagens e
desvantagens. A resina mais utilizada pela indústria (cerca de dois terços) é a resina epóxi.
Apesar de seu custo elevado ela apresenta alta resistência mecânica, baixa viscosidade que
permite boa aderência com as fibras na matriz polimérica, baixa volatilidade durante a cura
e baixo enrugamento causando a redução das tensões de cisalhamento [4].
27
2.2. COMPÓSITOS LAMINADOS
Compósitos laminados são caracterizados pela união de duas ou mais lâminas ligadas
entre si por uma matriz, a Figura 2.6 apresenta uma exemplificação dos compósitos
laminados. A importância dos laminados se dá por razões estruturais. Ao examinar uma única
lâmina sua espessura é da ordem de 0,125 mm sendo necessário uma série de lâminas para
suportar cargas presentes em situações de esforço. Uma segunda justificativa é relacionada
as propriedades mecânicas, uma única lâmina unidirecional torna-se vulnerável a solicitações
de cisalhamento. Portanto, a fim de obter melhores propriedades mecânicas e condicionar as
lâminas para suportar cargas estruturais os laminados são projetados e fabricados por uma
série de lâminas empilhadas em uma matriz.
Em consequência dos esforços e rigidez exigidos, os laminados devem ser projetados
de acordo com os esforços de tração, compressão, cisalhamento, flexão e torção. As tensões
e deformações são observadas de forma local, global e em cada lâmina do laminado. Com
isso, as propriedades do laminado, em geral, estarão atreladas as seguintes características:
• Módulo de elasticidade;
• Posicionamento das lâminas;
• Espessura;
• Orientação das lâminas.
28
Figura 2.6: Exemplificação dos laminados [1].
Os laminados são formados por grupos de lâminas. Cada lâmina pode ser identificada
de acordo com sua posição e seu ângulo de aplicação no laminado. Para isso, como mostra a
Figura 2.7, deve-se seguir uma notação. Cada lâmina é representada por seu ângulo em
relação ao eixo x e cada camada é separa por um sinal de barra (/) entre colchetes.
Figura 2.7: Esquemático dos laminados [4].
29
Assim, um laminado composto por:
0
-45
90
60
30
É designado como [0/-45/90/60/30], isto é, o laminado consiste em cinco camadas
com cada uma delas em um ângulo diferente em relação ao eixo x [4].
Uma das propriedades mais importante dos compósitos laminados é a sua resistência
mecânica. Para Jones [1], ao analisar a resistência mecânica dos laminados a falha de uma
lâmina não necessariamente irá influência na falha do laminado, como mostra a Figura 2.8.
O laminado pode sustentar elevadas cargas mesmo com a queda de rigidez (ocasionada pela
falha de uma lâmina). A resistência, tanto para tração quanto para flexão dos laminados será
determinada pelo número de camadas, pelo ângulo de aplicação das lâminas e pelo material
empregado. Além disso, a temperatura de cura e o tipo de matriz irá influenciar na
propriedade.
30
Figura 2.8: Falha das camadas de um compósito laminado [4].
Muitos pesquisadores estudam a influência da direção da fibra na resistência
mecânica e no módulo de elasticidade dos compósitos laminadas.
Para Pamar [5], tensões de tração e flexão em fibras orientadas em 90º são superiores
pois as tensões são igualmente distribuídas por todas as fibras e transmitidas ao longo de seus
eixos principais (x e y). Maiores deformações são observadas com ângulo de 30º, entretanto,
camadas sobrepostas com ângulos diferentes de 90º resultam em concentradores de tensão
causando a ruptura precoce do corpo de prova.
Liang [6], avaliou a ruptura por tensão de cisalhamento em amostras de fibra de
carbono unidirecionais e não lineares. As amostras não lineares possuem uma melhor
resposta às tensões de cisalhamento. Elas absorvem mais energia devido à alta resistência
mecânica comparada as amostras unidirecionais. Nas amostras unidirecionais a ruptura
começa nas bordas e rapidamente avança para o centro, a amostra falha pelo descolamento
das lâminas adjacentes.
Outros pesquisadores estudaram a alteração das propriedades mecânicas de
laminados compostos por fibras de materiais diferentes, em especial fibra de vidro e fibra de
carbono.
Os compósitos com fibra de vidro no exterior e fibras de carbono no interior
apresentam maior tensão de ruptura e maior resistência a tração. Há uma perda de 17% de
resistência a tração dos híbridos (fibras de carbono/vidro) em relação ao laminado
confeccionado apenas com fibra de carbono, porém há um aumento significativo (90%) da
tensão de ruptura [7].
31
Os ensaios de flexão realizados por Dong [8] e Tan [9] apontaram uma queda
significativa no módulo de flexão dos híbridos em relação a fibra de carbono pura. No
entanto, os resultados comparados com fibra de vidro apontaram um aumento significativo
na deformação e na resistência a flexão. Além disso, Irina [10] aponta a redução de custos ao
optar pelo hibrido de fibra de carbono/vidro em vez do compósito formado apenas por fibra
de carbono.
2.3. COMPÓSITOS SANDUÍCHE
Os tipos mais simples de compósitos sanduíche consistem em duas lâminas de pouca
espessura, chamadas de faces, com elevada rigidez e densidade, geralmente composta de
fibras de carbono e vidro, separadas por uma espessa camada com menor densidade e rigidez
chamado de núcleo.
Os núcleos possuem um papel fundamental nos compósitos tipo sanduíche. Eles
devem ser rígidos o bastante na direção perpendicular às faces a fim de resistirem a tensões
de cisalhamento nas quais podem fazer com que, ao ser dobrado, as faces não se soltem do
núcleo [11]. A Figura 2.9 apresenta alguns exemplos de compósitos sanduíche.
32
Figura 2.9: Exemplos de compósitos sanduíche, (a) núcleo de espuma, (b) núcleo de
honeycomb, (c) núcleo ondulado [11].
Os compósitos sanduíche são avaliados baseados na sua resistência, peso,
durabilidade, resistência a corrosão e custo.
Os materiais comumente aplicados para a face são ligas de alumínio e fibras
reforçadas. As ligas de alumínio possuem excelente resistência, porém necessitam de
tratamento anticorrosivo. As fibras reforçadas empregadas são as combinações de
carbono/epóxi e vidro/epóxi por sua resistência mecânica e resistência a corrosão, podendo
ser unidirecionais ou em tranças.
Ao se tratar do núcleo os materiais geralmente empregados são: madeira balsa por
sua resistência a compressão, boa vida em fadiga e alta resistência a cisalhamento; Placas de
33
polímeros de baixa densidade, como: poliuretano, poliéster e PVC pelo baixo peso; E, os
honeycombs que possuem diversas formas e configurações [4].
Para Frostig [12] os compósitos sanduíches com núcleo de materiais poliméricos
apresentam as seguintes características sob flexão:
• O núcleo afetará toda a estrutura;
• A lâmina superior será mais afetada que a inferior;
• Os esforços axiais serão maiores no centro do corpo de prova (onde a carga é
aplicada) e diminuem no sentido axial;
• As tensões de cisalhamento na vizinhança da área onde a carga é aplicada não
é uniforme, no entanto, ao longo do corpo de prova ela se mostra uniforme;
• Há tensões de compressão na face superior e tração na face inferior. A
distribuição de tensão depende da resistência a flexão do corpo de prova;
• As forças de cisalhamento nas faces são significantes na área onde a carga é
aplicada e vai diminuindo no comprimento do corpo de prova. No núcleo a
força de cisalhamento é nula em seu interior devido a simetria do corpo de
prova;
• O momento de flexão na face será dependente da rigidez do núcleo. Quanto
mais rígido o núcleo, maior será o efeito nas faces;
• Quanto menor a rigidez do núcleo mais suscetível o corpo de prova estará de
colapsar.
Lingaiah et al. [13] completa o trabalho de Frostig [12] ao avaliar a rigidez à flexão
em corpos de prova formados por núcleos de honeycombs de alumínio e espuma de PVC.
34
Lingaiah afirma que a rigidez à flexão de compósitos sanduíche com núcleo de espuma
aumenta à medida que a espessura do núcleo é elevada e que o valor experimental é 90
porcento em relação ao teórico. Diferentemente do núcleo de espuma, núcleos mais rígidos,
como o honeycomb de alumínio dispõem de maior rigidez que, neste caso, oferecem uma
rigidez experimental 55% do teórico.
Nilsson et al. [14] e Shahdin et al.[15] pesquisaram o efeito das vibrações em
materiais compósitos sanduíche uma vez que este é amplamente utilizado em aviões e
helicópteros. Suas conclusões levam a dependência da rigidez a flexão à frequência, isto é,
em sanduíches de maiores espessuras cujo funcionamento se dê em uma menor frequência
sua rigidez a flexão será menor.
Steeves et al. [16] propõem a seleção do compósito sanduíche feita a partir da massa
com uma tensão previamente estabelecida a fim de otimizar a estrutura. Em seu artigo ele
estabelece outras composições de sanduíche e afirma que a combinação com faces de fibra
de carbono e núcleo de espuma é ótima para estruturas com baixo carregamento. Estruturas
com alto carregamento devem ser formadas por sanduíches com faces hibridas de carbono e
núcleo de honeycomb, no entanto, núcleos de espuma com hastes poliméricas ou núcleos
oriundos de compósitos naturais podem ser utilizados como substitutos por possuir rigidez a
flexão equivalente.
No âmbito de substituição dos núcleos convencionais, Yalkin et al. [17] ao propor o
núcleo formado de espuma de PVC com hastes poliméricas aponta a melhora das
propriedades mecânicas em geral com um aumento de peso de 7 porcento em relação aos
núcleos de espuma sem haste. A melhora das propriedades está diretamente ligada ao número
de hastes introduzidas no núcleo de espuma. No entanto, as hastes restringem o movimento
do núcleo implicando na redução da deflexão máxima do compósito.
35
2.4. PROCESSO DE INFUSÃO A VÁCUO
Com o progresso da indústria de materiais compósitos o processo de infusão a vácuo
vem ganhando destaque no meio. Um exemplo evidente pode ser observado na indústria
eólica. As pás dos geradores, devido a suas dimensões, impulsionaram a indústria e o
desenvolvimento de novas técnicas para a confecção de peças oriundas dos materiais
compósitos. A Figura 2.10 mostra a evolução do processo de infusão a vácuo em relação a
demanda e ao comprimento das pás dos geradores de energia eólica [18].
Figura 2.10: Evolução do processo de infusão a vácuo em relação a demanda e ao
comprimento das pás de geradores e energia eólicos [18].
O processo de infusão a vácuo é uma técnica recente (1995) de injeção de resina sob
pressão, em molde fechado, para a produção de compósitos. Enquanto em um processo de
laminação manual os reforços são colocados sobre o molde e a resina é impregnada
manualmente com o auxílio de escovas ou rolos e o vácuo é apenas utilizado no final a fim
de remover o excesso de resina. No processo por infusão a vácuo o material compósito é
36
submetido a pressão do vácuo enquanto ainda está seco, sendo a força motriz da bomba de
vácuo responsável por sugar a resina para o interior do molde por meio de tubos
estrategicamente posicionados. Ao final do processo, o excesso de resina passa pelo laminado
e é conduzido à um recipiente intermediário posicionado entre o laminado e a bomba de
vácuo.
Com isso, a resina é introduzida de forma mínima no laminado e, consequentemente,
origina uma redução de peso no compósito. A Figura 2.11 exemplifica o processo [19].
Figura 2.11: Esquemático do processo por infusão a vácuo. (1) Equipamento de
mistura da resina com o catalizador; (2) Recipiente da resina; (3) Molde; (4)
Recipiente intermediário e bomba de vácuo [19].
A principal dificuldade encontrada durante o planejamento do processo remete ao
tamanho e a forma do laminado. Isto se dá pela necessidade de diferentes disposições dos
canais na qual a resina irá passar, e para que durante o processo não ocorra vazamentos ou a
cura da resina antes da infusão estar completa [19].
O processo de infusão a vácuo é realizado nas seguintes etapas [18]:
37
• Limpar o molde e aplicar cera desmoldante na superfície;
• Posicionamento das fibras;
• Aplicar a película sobra as fibras;
• Posicionar os tubos de injeção de resina na película;
• Aplicar a fita de vedação entre o saco de vácuo e a superfície onde se encontra
o laminado e a película;
• Conectar o tubo de extração da resina no recipiente intermediário e conecta-
lo na bomba de vácuo;
• Ligar a bomba de vácuo;
• Verificar vazamento;
• Aguardar a cura da resina.
Como todo processo de fabricação, o por infusão a vácuo também apresenta
vantagens e desvantagens. A Tabela 2.2 apresenta algumas delas.
Tabela 2.2: Vantagens e desvantagens do processo de fabricação por infusão a
vácuo [18].
Vantagens Desvantagens
Controle das tolerâncias dimensionais Cura demorada
Boa qualidade superficial Requer baixas viscosidades da resina
Propriedades mecânicas uniformes Consumíveis caros
Razão volumétrica de fibra e resina elevada
Processo econômico
38
2.5. ENSAIOS MECÂNICOS
O objetivo desta seção é apresentar os conceitos dos ensaios mecânicos monótonos
de tração e flexão nas quais foram utilizados para caracterizar os materiais compósitos
analisados neste trabalho.
2.5.1. Ensaio de Tração
O ensaio de tração convencional é realizado com a finalidade de obter a resistência a
tração do corpo de prova. A Figura 2.12 ilustra um corpo de prova típico do ensaio de tração.
Figura 2.12: Corpo de prova típico do ensaio de tração [20].
O diâmetro do, o comprimento lo, e a área de seção transversal A são medidos
previamente ao ensaio. O corpo de prova é montado na máquina de testes e a carga P é
aplicada. A carga é convertida em tensão por meio da Equação 2.1 [20]:
𝜎 = 𝑃
𝐴 (2.1)
Por sua vez, a deformação do corpo de prova é caracterizada pelo alongamento
relativo, isto é, o comprimento final (l) do corpo de prova em relação ao seu comprimento
inicial lo. Deste modo, a Equação 2.2 representa a deformação [20]:
𝜀 = 𝑙−𝑙𝑜
𝑙𝑜 (2.2)
39
Com as equações 2.1 e 2.2 as propriedades mecânicas relevantes sobre o material
podem ser obtidas. A curva tensão x deformação é criada a partir das variáveis σ e ε. A Figura
2.13 mostra a curva tensão x deformação de um típico material metálico.
Figura 2.13: Tensão x deformação de um típico material metálico [20].
Na Figura 2.13 o ponto pl é chamado de limite de proporcionalidade. Até este ponto
o material experimenta a deformação elástica, ou seja, se o corpo de prova for carregado até
este ponto e logo em seguida a carga for removida não será observada deformação plástica.
Até este ponto a curva é caracterizada pela lei de hook, que é dada pela seguinte equação:
𝜎 = 𝐸𝜀 (2.3)
Onde a constante de proporcionalidade E é denominada módulo de elasticidade e
pode ser usada como indicativo da rigidez do material.
40
O ponto el é denominado limite de elasticidade. Este ponto é caracterizado por separar
o limite elástico do limite plástico. Abaixo dele, o material estará experimentando
deformação elástica. Acima, será observado a deformação plástica.
O ponto y correspondente a Sy e εy é o ponto de escoamento. Neste ponto a tensão Sy
é denominada tensão de escoamento, isto é, ao aplicar uma tensão maior que Sy o material
estará submetido a deformação plástica. Este ponto também está relacionado a reta a que
corresponde a uma deformação de 0,2% e é utilizada para definir o limite de escoamento do
material (em alguns casos esse porcentual é 0,1 ou 0,5%) [20].
A tensão máxima ou resistência mecânica corresponde ao ponto u na qual é registrado
o valor máximo de tensão suportado pelo corpo de prova. E o ponto f representa a tensão e a
deformação de ruptura do material [20].
A Figura 2.14 ilustra as relações tensão-deformação nos materiais compósitos.
Figura 2.14: Curva tensão-deformação da fibra, matriz e compósito [21].
A resistência à tração do compósito é dada pela soma das duas contribuintes
apresentadas na Figura 2.14 (matriz e fibra) A maior parte dos compósitos reforçados por
41
matriz polimérica há uma distribuição de comprimentos de fibra. Como resultado da
diferença de deformação entra a fibra e a matriz, são induzidas tensões de cisalhamento nas
fibras em direção ao seu eixo, tencionando-as. Com o aumento do esforço a tração, a tensão
na fibra aumenta até um ponto onde a resistência à tração máxima na fibra é excedida, pois
a área de sua seção reta é muito pequena, e a fibra quebra à medida em que o processo de
deformação do compósito continua, a fibra continuará a quebras até quando as tensões de
cisalhamento na superfície da fibra não forem mais suficientes para rompê-la [21].
2.5.2. Ensaio de Flexão
O ensaio de flexão consiste na aplicação de uma carga crescente em determinados
pontos de uma barra de geometria padronizada, a qual pode estar na condição bi apoiada ou
engastada em uma das extremidades. Mede-se o valor da carga versus a deformação máxima.
Em materiais dúcteis, quando sujeitos a esse tipo de carga, por serem capazes de absorver
grandes deformações, não fornecem resultados quantitativos qualificados para o ensaio de
flexão [22]. Portanto, o ensaio deve ser aplicado para materiais de maior rigidez.
As principais propriedades obtidas do ensaio de flexão são: tensão de ruptura em
flexão (σf), módulo de elasticidade em flexão (Ef). Os resultados podem variar com a
temperatura, velocidade de aplicação da carga, defeitos superficiais e geometria da seção.
Existem três tipos principais de ensaio de flexão: o ensaio de três pontos, em que a
barra a ser testada é apoiada nas extremidades e a carga é aplicada no centro do comprimento
do corpo de prova; o ensaio em quatro pontos, na qual a barra a ser testada é bi apoiada nas
extremidades e a carga é aplicada em dois pontos na região central do comprimento,
42
separadas por uma distância padronizada; e o método de engaste, que consiste em engastar
uma das extremidades e aplicar a carga na ponta oposta do engaste [22].
O ensaio de flexão em três pontos será comentado a seguir por se tratar do tipo de
ensaio utilizado neste trabalho para a obtenção das propriedades mecânicas de flexão dos
compósitos.
A Figura 2.15 apresenta um esquemático do ensaio de flexão em três pontos. O ensaio
consiste na aplicação de uma carga P no centro do corpo de prova, apoiado em dois pontos.
A carga é aplicada a partir de um valor zero e aumentada lentamente até a ruptura do corpo
de prova. O valor da carga versus o deslocamento do ponto central consiste na resposta do
ensaio. Este tipo de ensaio é aplicado à materiais frágeis, ou de elevada dureza, como o caso
de compósitos. Os principais parâmetros obtidos por este ensaio são: tensão de ruptura em
flexão (σf), módulo de elasticidade em flexão (Ef) [22].
Figura 2.15: Esquemático do ensaio de flexão de três pontos [23].
As equações de conversão da carga e deslocamento para tensão de flexão e
deformação de flexão, assim como o módulo de elasticidade à flexão serão discutidas no
43
capítulo 3 na seção metodologia experimental. Entretanto, a curva esperada para cada corpo
de prova é apresentada na Figura 2.16.
As curvas típicas do ensaio podem ser do tipo a, quando a ruptura ocorre antes da
deformação das fibras; do tipo b, quando há deformação das fibras e a ruptura 5% de
deformação após este ponto; e do tipo c, quando não há deformação das fibras e nem ruptura,
neste caso o ensaio deve ser interrompido e o valor máximo registrado [23].
Figura 2.16: Curvas típicas de ensaio de flexão em três pontas em materiais
compósitos. Adaptado de [23].
44
Capítulo 3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. MATERIAIS
Os compósitos ensaiados foram divididos em dois grupos, os compósitos reforçados
de fibra de carbono e fibra de vidro com matriz polimérica, e compósitos tipos sanduíches
constituídos com camadas externas de fibra de vidro e carbono com núcleo de espuma de
PVC Divinycell® H45 e madeira balsa. A Tabela 3.1 apresenta as características das fibras
utilizadas.
Tabela 3.1: Características das fibras [24, 25].
Propriedades Fibra de vidro Fibra de carbono
Fios/cm urdume 4,0 5,0
Fios/cm trama 4,0 5,0
Densidade (g/m2) 330 200
Espessura (mm) 0,30 0,30
45
Os compósitos tipo sanduíche são constituídos por núcleos. As propriedades dos dois
tipos de núcleos supracitados podem ser observadas na Tabela 3.2.
Tabela 3.2: Propriedades dos núcleos dos compósitos sanduíches [26, 27].
Propriedades Divinycell h45® Madeira Balsa
Resistência à tração (MPa) 1,4 19,9
Módulo de elasticidade (MPa) 55,0 900,0
Densidade (Kg/m3) 48,0 140,0
Com o intuito de conferir rigidez aos corpos de prova, a matriz polimérica utilizada é
a resina epóxi LY 5052 da Araldite® com proporção de mistura resina:catalisador de 2:1. A
Tabela 3.3 mostra as propriedades da resina de acordo com o fabricante.
Tabela 3.3: Propriedades da resina epóxi [28].
Propriedades Araldite® LY 5052
Densidade @ 25ºc (g/cm3) 1,16 – 1,18
Viscosidade @ 25ºc (mpas) 1000 – 1500
Resistência à tração (MPa) 80 – 83
Resistência à flexão (MPa) 126 – 126
Alongamento máximo (%) 8,5 – 13,4
46
3.2. EQUIPAMENTOS
Dois equipamentos foram utilizados. Um para os ensaios de tração e o outro para o
ensaio de flexão.
A Figura 3.1 mostra a máquina de ensaio utilizada no ensaio de tração. O ensaio foi
realizado em uma Shimadzu® Servopulser hidráulica com uma célula de carga com 100 kN
de capacidade e deslocamento máximo de 250 mm.
Figura 3.1: Máquina de ensaio de tração Shimadzu® Servopulser.
47
O ensaio de flexão foi realizado na máquina de ensaio universal EMIC DL®
eletromecânica com célula de carga de 5 kN. A Figura 3.2 mostra a máquina.
Figura 3.2: Máquina de ensaio universal EMIC DL®.
3.3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Para investigar o comportamento mecânico dos materiais compósitos chapas de 300
x 300 mm foram confeccionadas pelo processo de infusão a vácuo, após montar e configurar
a máquina os vazamentos foram devidamente vedados, a pressão exercida pela bomba de
vácuo foi de 1 Bar e seu funcionamento se deu por 2 horas, a cura decorreu pelas 8 horas
seguintes à temperatura ambiente. Em seguida foram cortadas tiras com dimensões de 250
mm x 25 mm deixando, assim, uma seção de 200 mm nos corpos de prova para os ensaios.
A Tabela 3.4 apresenta os tipos e a quantidade de amostras para cada ensaio de acordo com
as normas ASTM D790 [23] e ASTM D3039 [29]. E a Figura 3.3 mostra os corpos de prova
48
nas dimensões estabelecidas pelas normas para os ensaios, onde: (a) fibra de vidro; (b) fibra
de vidro + madeira balsa; (c) fibra de vidro + Divinycell H45®; (d) fibra de carbono; (e) fibra
de carbono + madeira balsa e (f) fibra de carbono + Divinycell H45®.
Tabela 3.4: Tipos e quantidade de corpos de prova utilizadas por ensaio.
Corpos de prova Ensaio de tração
(ASTM D3039)
Ensaio de flexão
(ASTM D790)
Fibra de carbono 5 3
Fibra de vidro 5 3
Fibra de carbono + Divinycell
H45®
5 3
Fibra de carbono + Madeira balsa 5 3
Fibra de vidro + Divinycell H45® 5 3
Fibra de carbono + Madeira balsa 5 3
Figura 3.3: Tipos de amostras confeccionadas.
49
As amostras (a) e (b) são formadas por 8 camadas de fibra de carbono e vidro [0/90º],
enquanto as amostras de (c) à (f) são formadas pelo núcleo de madeira balsa com fibras em
sentido axial e divinycell H45® com 2 camadas de fibra de carbono ou vidro [0/90º] em cada
lado do corpo de prova. Por se tratar de materiais que serão aplicados no aeromodelo da
Universidade Federal Fluminense, a massa de cada amostra foi tomada e será discutida no
Capítulo Resultados e Discussões.
3.3.1. Ensaio de Tração
O Ensaio de tração foi realizado de acordo com a norma ASTM D3039. A velocidade
de ensaio empregada foi de 2,0 mm/min para todos os corpos de prova como consta na norma.
As garras do cabeçote foram calibradas para evitar a formação de uma seção menor nas
pontas do corpo de prova. A Figura 3.4 mostra um dos corpos de prova durante o ensaio.
Figura 3.4: Corpo de prova durante o ensaio.
50
Assim, após os ensaios os dados foram tratados no programa Microsoft Excel®. As
Equações 2.1 e 2.2 foram utilizadas para a determinação da curva tensão – deformação
enquanto a Equação 2.3 foi aplicada para a determinação do módulo de elasticidade.
3.3.2. Ensaio de Flexão
O ensaio de flexão em três pontos foi realizado de acordo com a norma ASTM D790.
A espessura do corpo de prova é essencial para o ensaio pois ela é responsável por determinar
a distância entre os pontos de apoio na máquina e a velocidade do ensaio.
A distância entre apoios é determinada pela Equação 3.1 apresentada a seguir:
𝐿 = 16 𝑥 𝑑 (3.1)
Onde: d – Espessura do corpo de prova, [mm]
L – Distância entre os suportes, [mm]
A taxa de deformação é determinada pela Equação 3.2:
R= 𝑍𝐿2
6𝑑 (3.2)
Onde: Z – Taxa de estiramento, deve ser igual a 0,01
R – Velocidade de ensaio, [mm/min]
Deste modo, para cada corpo de prova o cálculo da distância entre os suportes e da
taxa de deformação foi realizado. A Tabela 3.5 apresenta estes valores.
51
Tabela 3.5: Valores de distância entre suporte e taxa de deformação.
Fibra de Carbono Fibra de Vidro
Corpo de Prova
Espessura (mm)
Distância entre
suportes (mm)
Taxa de deformação (mm/min)
Corpo de Prova
Espessura (mm)
Distância entre
suportes (mm)
Taxa de deformação (mm/min)
1 1,8 28,8 0,768 1 3 48 1,28
2 1,8 28,8 0,768 2 3 48 1,28
3 1,8 28,8 0,768 3 3 48 1,28
Fibra de Carbono + Divinycell H45® Fibra de Vidro + Divinycell H45®
Corpo de Prova
Espessura (mm)
Distância entre
suportes (mm)
Taxa de deformação (mm/min)
Corpo de Prova
Espessura (mm)
Distância entre
suportes (mm)
Taxa de deformação (mm/min)
1 4,5 72 1,92 1 5 80 2,133
2 4,5 72 1,92 2 5 80 2,133
3 4,5 72 1,92 3 5 80 2,133
Fibra de Carbono + Madeira Balsa Fibra de Vidro + Madeira Balsa
Corpo de Prova
Espessura (mm)
Distância entre
suportes (mm)
Taxa de deformação (mm/min)
Corpo de Prova
Espessura (mm)
Distância entre
suportes (mm)
Taxa de deformação (mm/min)
1 3,5 56 1,493 1 4 64 1,706
2 3,5 56 1,493 2 4 64 1,706
3 3,5 56 1,493 3 4 64 1,706
Após os ensaios, os dados foram tratados no programa Microsoft Excel®. Segundo a
ASTM D790 para se determinar a curva tensão – deformação deve-se aplicar as Equações
3.3 e 3.4 exibidas a seguir:
52
Para tensão:
𝜎𝑓 = 3𝑃𝐿
2𝑏𝑑2 (3.3)
Onde: σf – Tensão de flexão, [MPa]
P – Carga aplicada, [N]
b – Largura do corpo de prova, [mm]
Para deformação:
𝜀𝑓 = 6𝐷𝑑
𝐿2 (3.4)
Onde: εf – Deformação à flexão
D – Deslocamento, [mm]
Deste modo, os gráficos tensão – deformação foram obtidos e os módulos de
elasticidade sob tensão e flexão foram analisados. Os resultados podem ser observados no
próximo capítulo.
53
Capítulo 4
RESULTADOS
4.1. MASSA
Por se tratar de uma propriedade importante para a engenharia aeroespacial a massa
média das amostras e seus respectivos desvios padrão podem ser analisados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1: Massa média e desvio padrão dos corpos de prova.
Amostra /
Propriedades
Fibra de
Carbono
Fibra de
Vidro
Fibra de
Carbono
+
Madeira
Balsa
Fibra de
Vidro +
Madeira
Balsa
Fibra de
Carbono
+
Divinycell
H45®
Fibra de
Vidro +
Dininycell
H45®
Massa [g] 13,66 22,05 8,03 10,37 6,41 9,39
Desvio
Padrão 1,41% 2,90% 8,87% 9,55% 3,15% 2,35%
A diferença de massa é evidente entre os corpos de prova formado por fibra de
carbono em comparação com os constituídos de fibra de vidro. Isso se dá pela diferença de
densidade entre os dois compostos, tal diferença pode ser observada na Tabela 3.1. Entretanto
para as amostras com núcleo de madeira balsa o desvio padrão mostra-se elevado, 9,55%
54
para amostras com fibra de carbono e 8,87% para os corpos de prova com fibra de vidro, tal
diferença pode ser explicado pelo fato da madeira balsa ser um composto natural que, por
consequência, pode apresentar variações de densidade nos diferentes corpos de prova.
4.2. ENSAIO DE TRAÇÃO
Os ensaios de tração foram realizados conforme a norma ASTM D3039 com taxa de
deformação de 2,0 mm/min. A Figura 4.1 e a Tabela 4.2 apresentam, respectivamente, o
gráfico comparativo tensão x deformação dos corpos de prova e os resultados de tensão
máxima e módulo de elasticidade com seus desvios padrão.
Figura 4.1: Comparativo tensão x deformação.
55
Tabela 4.2: Tensão máxima e módulo de elasticidade.
Amostra /
Propriedades
Fibra
de
Carbo
no
Fibra
de
Vidro
Fibra de
Carbono
+
Madeira
Balsa
Fibra de
Vidro +
Madeira
Balsa
Fibra de
Carbono
+
Divinycell
H45®
Fibra de
Vidro +
Dininycell
H45®
Tensão máxima
(MPa)
582,94 210,44 107,09 69,67 158,09 58,25
Desvio padrão –
tensão máxima 2,92% 4,60% 11,95% 10,81% 4,22% 3,74%
Módulo de
elasticidade (GPA)
36,81 10,85 11,12 8,26 9,96 4,52
Desvio padrão –
módulo de
elasticidade
2,73% 4,82% 6,82% 9,85% 4,40% 3,52%
Deformação
máxima (mm/mm) 0,0183 0,021 0,009 0,0098 0,0163 0,0137
Os corpos de prova constituídos apenas de fibra de carbono e fibra de vidro, como
esperado, apresentaram os maiores valores de tensão máxima.
Ao introduzir o núcleo de madeira balsa e divinycell H45® os corpos de prova
constituídos pelas camadas de fibra de carbono mantiveram-se com tensão máxima maior do
que as com lâminas de fibra de vidro, isto se deve a maior resistência a tração da fibra de
carbono em comparação à fibra de vidro.
56
Os núcleos constituídos de madeira balsa apresentam elevado desvio padrão. Por ser
um composto natural, a madeira balsa pode ser tratada como material anisotrópico que
justifica as diferenças das curvas observadas nas Figuras A.3 e A.6 e o desvio padrão
apresentado na Tabela 4.2. Diferentemente da madeira balsa, os corpos de prova compostos
por núcleo de Divinycell H45® não apresentam os mesmos efeitos. Os desvios padrão de
4,22% para fibra de carbono e 3,74% para fibra de vidro mostram a isotropia do material,
que, por sua vez, é industrializado e passa por um rigoroso processo de qualidade.
Com maior módulo de elasticidade, a fibra de carbono incorporada aos núcleos de
madeira balsa e divinycell H45® apresentam excelentes resultados, visto que, seus módulos
de elasticidade estão no mesmo patamar que os corpos de prova constituídos apenas por fibra
de vidro.
Do mesmo modo que a tensão máxima, o módulo de elasticidade segue a mesma
tendência. Nas comparações diretas, os compósitos constituídos de fibra de carbono
apresentam melhor resultado pela maior resistência a tração. Porém, diferentemente da tensão
máxima, o módulo de elasticidade dos compósitos com núcleo de madeira balsa mostraram-
se com valores superiores aos com núcleo de divinycell H45®. Isto se deu pela maior rigidez
da madeira balsa.
4.3. ENSAIO DE FLEXÃO
Os ensaios de flexão foram realizados conforme a norma ASTM D790 com taxa de
deformação e distância entre pontos apresentados na Tabela 3.5. As Figuras A.7 a A.9 são
referentes aos corpos de prova formados por fibra de carbono enquanto as Figuras A.10 a
57
A.12 são referentes aos corpos de prova formados por fibra de vidro. A Tabela 4.3 mostra os
valores das propriedades analisadas em conjunto com seus desvios padrão.
Figura 4.2: Comparativo tensão de flexão x deformação – fibra de vidro e fibra de
carbono.
Figura 4.3: Comparativo tensão de flexão x deformação – fibra de vidro/fibra de
carbono + madeira balsa/divinycell H45®.
58
Tabela 4.3: Tensão máxima de flexão e módulo de elasticidade.
Amostra /
Propriedades
Fibra de
Carbono
Fibra de
Vidro
Fibra de
Carbono
+
Madeira
Balsa
Fibra de
Vidro +
Madeira
Balsa
Fibra de
Carbono
+
Divinycell
H45®
Fibra de
Vidro +
Dininycell
H45®
Tensão máxima
(MPa)
751,43 284,79 125,27 52,20 30,04 26,97
Desvio padrão –
tensão máxima 9,46% 8,75% 1,96% 1,90% 5,98% 4,10%
Módulo de
elasticidade
(GPA)
47,28 17,74 24,91 9,45 6,15 4,42
Desvio padrão –
módulo de
elasticidade
6,24% 4,97% 3,07% 4,47% 5,98% 5,92%
Deformação
máxima
(mm/mm)
0,022 0,022 0,0058 0,0061 0,0078 0,0095
Os compósitos formados por fibra de carbono e fibra de vidro apresentaram os
maiores valores de resistência a flexão.
Ao se tratar de resistência a flexão a rigidez do material e do núcleo deve ser levada
em consideração, neste caso, os compósitos com núcleo de maior rigidez obtiveram maiores
valores de resistência a flexão.
59
No caso dos compósitos reforçados por fibra de vidro e fibra de carbono foi observado
um elevado desvio padrão. Tal fato, deve-se ao início da ruptura das fibras que gera um
processo em cadeia de quebra das mesmas não sendo possível observar um padrão em relação
a tensão máxima de flexão. Os corpos de prova formados por núcleo de madeira balsa
apresentaram um efeito similar aos compósitos reforçados. A ruptura do núcleo ocorre antes
da ruptura das lâminas ocasionando as quedas bruscas de tensão a flexão. Por outro lado, as
amostras com núcleo de divinycell H45® formam curvas mais suaves pela baixa rigidez de
seu núcleo devido à transmissão dos esforços por todo o corpo de prova.
Os módulos de elasticidade apresentados na Tabela 4.3 mostram que a fibra de
carbono como lâmina nos compósitos sanduíche são responsáveis pelo valor superior do
módulo de elasticidade encontrado em relação aos formados por fibra de vidro. Tal qual a
resistência a tração, o núcleo do compósito sanduíche, por sua rigidez, irá influenciar o
módulo de flexão, ou seja, quanto mais rígido for o núcleo, maior será o módulo de
elasticidade. No entanto, a combinação fibra de carbono mais madeira balsa apresentou
valores superiores em relação ao compósito reforçado por fibra de vidro apesar de não
superar a tensão a flexão.
60
Capítulo 5
CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS
5.1. CONCLUSÕES
A análise do comportamento mecânico sob tração e flexão dos corpos de prova
constituídos de fibra de carbono e vidro reforçados por matriz polimérica e dos compósitos
sanduíches com núcleo de madeira balsa e divinycell H45® combinados com lâminas de
fibra de carbono e fibra de vidro mostraram a alta resistência a tração/flexão e elevado
módulo de elasticidade a tração/flexão das fibras reforçadas por matriz polimérica.
Os compósitos sanduíches com lâminas de fibra de carbono apresentaram melhor
desempenho em todos os parâmetros analisados comparados aos compósitos de mesmo
núcleo com lâmina de fibra de vidro. Isto se deve a menor densidade da fibra de carbono e
suas propriedades superiores.
61
Ao comparar os compósitos constituídos com núcleo de madeira balsa e divinycell
H45®, durante os ensaios de tração e flexão, a madeira balsa, por ser um composto natural,
possuir maior rigidez e ser um material anisotrópico provoca a ruptura do núcleo antes das
fibras gerando quedas acentuadas de tensão. Já os compósitos com núcleo de divinycell
H45® absorvem e dissipam as tensões em todo o corpo de prova devido à baixa rigidez do
material, gerando curvas mais suaves e previsíveis, principalmente no ensaio de flexão.
Ao avaliar as propriedades e a massa de cada compósito, e também, levando em
consideração a aplicação aeroespacial, os compósitos formados por fibra de vidro não são
desejáveis pela baixa resistência a tração e flexão, assim como pela massa mensurada em
comparação aos compósitos de fibra de carbono. Por fim, dentre os compósitos com fibra de
carbono os com núcleo de madeira balsa podem ser aplicados em áreas de maior esforços e
concentração de tensões, para áreas de menor esforços pode-se aplicar os compósitos com
núcleo de divinycell H45®.
5.2. PERSPECTIVAS FUTURAS
Para sequencia deste trabalho sugere-se:
• Análise dos compósitos sanduíches com núcleo de divinycell H45® com
variantes de espessura e número de lâminas de fibra de carbono;
• Análise de fadiga dos compósitos sanduíches com núcleo de madeira balsa e
divinycell H45® com lâminas de fibra de carbono.
62
Capítulo 6
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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66
ANEXO I
Gráficos tensão – deformação dos corpos de prova tanto sob tração quanto sob flexão.
Figura A.1: Tensão x deformação – fibra de carbono.
Figura A.2: Tensão x deformação – fibra de carbono + divinycell H45®
67
Figura A.3: Tensão x deformação – fibra de carbono + madeira balsa.
Figura A.4: Tensão x deformação – fibra de vidro.
68
Figura A.5: Tensão x deformação – fibra de vidro + divinycell H45®.
Figura A.6: Tensão x deformação – fibra de vidro + madeira balsa.
69
Figura A.7: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono.
Figura A.8: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono + divinycell H45®.
70
Figura A.9: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono + madeira balsa.
Figura A.10: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro.
71
Figura A.11: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro + divinycell H45®.
Figura A.12: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro + madeira balsa.
72
ANEXO II
Artigo publicado no 6th International Symposium on Solid Mechanics - MECSOL
2017.
VI International Symposium on Solid Mechanics - MecSol 2017
April 26 - 28, 2017 - Joinville - Brazil
TENSILE AND FLEXURAL PROPERTIES OF POLYMER
COMPOSITE SANDWICH BEAMS
Daniel P.N. Gama Laboratory of Theoretical and Applied Mechanics – LMTA
Mechanical Engineering Graduated Program – PGMEC, Universidade Federal Fluminense – UFF [email protected]
João M.L. Reis Laboratory of Theoretical and Applied Mechanics – LMTA
Mechanical Engineering Graduated Program – PGMEC, Universidade Federal Fluminense – UFF
ABSTRACT
This work is concerned with the study of the mechanical behavior of polymer composite sandwich
beams. The skins consist of glass and carbon reinforced epoxy composites. The core is made from balsa wood
and Divinycell H45 (48 kg m−3) foam. The main goal is to evaluate the best composite system considering the
ultimate tensile strength (σu), the elastic modulus (E), flexural strength (σf) and flexural modulus (Ef). Tensile
tests according to standard ASTM D 3039 and bending tests according to standard ASTM D 790 were
performed. The mechanical properties were analyzed and compared, in order to present the composite laminate
with finest properties.
Keywords: Mechanical properties, Sandwich beams, Tensile test, Flexural Test
INTRODUCTION
Laminated polymer matrix composite materials have been excelling in the industry in recent
decades. Widely applied to the areas of aviation, spacecraft, automotive and petrochemical
structures, composite laminates must have appropriate properties to mechanical stress.
Specifically, for the aerospace engineering knowledge of the mechanical properties are
treated especially for performing as one of the main factors for projects in such areas of
industry [1-3].
Distinctively of metals, which characteristics previously cited have been widely studied,
composite materials lack the amount of information available on those aspects. Because it is
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April 26 - 28, 2017 - Joinville - Brazil
formed by the material composition of two or more constituents which have distinct
properties, the polymer matrix will present special features from their composition [2,3].
For years, the laminated composites have been studied for its high mechanical strength and
low weight. However, in order to propose new mechanical characteristics, the hybrid
composites have been developed. Formed by two or more types of compounds they have
mechanical properties of both [4]. Hybrid composites can be produced for various settings,
such as intra-ply, inter-ply and sandwiches. In this way, the mechanical properties of the
hybrids can be quantified by the law of mixtures [5].
Typical studies conducted by [6-9] show that the hybrid composites under flexural loads,
traction, fatigue and impact feature improvements in relation to properties, composites with
high mechanical strength and low displacement as carbon fiber and reinforced glass.
Among the hybrid composites the sandwich type, consisting of two thin layers of rigid skins
of low thickness with a core of greater thickness, less dense material and less resistance.
Thus, a composite with the strength of its external skin is obtained, which is consistent with
traction and compression characteristics as well as its core with high flexural strength and
low weight [10].
For [11-13] the tensile behavior in the sandwich composites does not change, therefore, the
yield strength of the core is smaller than the skin, which is predominant. However, for
flexural strength the core distributes tensions through the body, minimizing the shear and
traction effects which are concentrated in the skins.
Other studies evaluate the composition of the core and its geometry under flexion. For [14]
the effects of shear and bending can be predicted by the composition of the sandwich and its
thickness. For [15, 16] PVC cores (usually applied) can be replaced by natural composites
and metals in order to guarantee greater or less stiffness, whereas for [17, 18] resin columns
in the core or honeycomb geometry can produce the same effect.
With these aspects in view, this paper aims to evaluate and compare sandwich composites
and laminated composites. To this end, it was performed tensile tests according to standard
ASTM D 3039 [19] with five specimens and bending tests according to standard ASTM D
790 [20] with three specimens of each polymer/matrix combination. The proposed
mechanical properties were analyzed and compared, obtaining from them the composite
laminate with finest properties.
MATERIALS AND EXPERIMENTAL PROCEDURES
The apparatus and procedures used to obtain the tensile and flexural properties are described
below.
Tensile and flexural tests were performed according to ASTM D3039 [20] and ASTM D790
[21]. The test specimens were cut from hand lay-up sheets. The glass and carbon composites
were a cross-ply plain weave [0/90º] with eight layers of glass and carbon. The sandwich
beam specimens are composed of two layers of glass or carbon fiber with balsa wood or
divinycell H45® (PVC foam) core. Table 1 and Table 2 shows the properties of fibers and
cores used in the specimens. The epoxy resin system used was LY 5052 from Araldite® with
a mix ratio of 2:1. The resin system properties provided by manufacturers are presented in
Table 3.
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The specimens were cut 250 mm x 25 mm, leaving a gauge section of 200 mm. The tensile
tests were performed on a Shimadzu AG-X tensile test machine at a rate of 2,0 mm/min. The
flexural tests were performed on an EMIC DL test machine at different rates according to the
thickness of each specimens as the ASTM D790 suggests. Five specimens of each
combination of layer and core have been used for tensile tests, and three specimens such as
used in tensile, have been tested in flexural tests.
Table 1 Layer Properties PROPERTIES Glass fiber Carbon fiber WIRES/CM WARP 4,0 5,0 WIRES/CM WEB 4,0 5,0 DENSITY (g/m2) 330 200 THICKNESS (mm) 0,30 0,30
Table 2 Core Properties PROPERTIES Divinycell H45® Madeira Balsa TENSILE STRENGTH (MPa) 1,4 19,9 ELASTICITY MODULUS (MPa) 55,0 900,0 DENSITY (Kg/m3) 48,0 140,0
Table 3 Properties of Epoxy Resin PROPERTIES Araldite® LY 5052 DENSITY @ 25ºC (g/cm3) 1,16 – 1,18 VISCOSITY @ 25ºC (mPas) 1000 - 1500 TENSILE STRENGTH (MPa) 80 - 83 FLEXURAL STRENGTH (MPa) 126 - 126 MAXIMUM ELONGATION (%) 8,5 – 13,4
3 RESULTS AND DISCUSSION
3.1 Tensile Testes
Figure 1 present the curve stress (σ) x strain (ε) obtained in tensile tests for each composite
combination. The carbon fiber reinforced matrix has higher tensile strength (582,94 MPa)
and elasticity modulus (36,81 GPa) as expected. In another way, glass fiber reinforced matrix
did no show the same aspect compared to sandwich composites. In fact, it has a higher tensile
strength than sandwich beam composites, but the elasticity modulus is practically the same
compared to carbon fiber/balsa wood and carbon fiber/divinycell composites.
Sandwich beams with balsa wood core presented a slight stress drop as the core start to crack,
this behavior is not surprising since balsa wood is a natural composite with large fibers.
Composites with divinycell core revealed to be more reliable due to the pattern that tensile
tests generated.
Figure 2 presents three different bar graphics that show the average value of tensile strength
(σu), elasticity modulus (E) and the mass (m) of specimens. The blue bars are related to
sandwich composites with carbon fiber layers and orange bars are to sandwich with glass
fiber. As commented before, sandwiches with a carbon fiber layer has better properties in
those parameters since carbon fiber is more strength and less heavy than glass fiber.
VI International Symposium on Solid Mechanics - MecSol 2017
April 26 - 28, 2017 - Joinville - Brazil
Figure 1: Stress x Strain Comparison in Tensile Tests
Figure 2: Properties Comparison in Tensile Tests
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April 26 - 28, 2017 - Joinville - Brazil
3.2 Flexural Tests
Figures 3 and 4 presents the curve flexural stress (σf) x strain (ε) obtained in flexural tests for
each composite combination. Carbon fiber reinforced matrix has the highest flexural strength
(751,43 MPa) and flexural modulus (47,28 GPa) as expected. Besides the lower value of
flexural strength obtained in glass fiber reinforced matrix (284,79 MPa), the strain behavior
in relation to carbon fiber reinforced matrix were same.
For sandwich beams composites, it can be verified the difference between the core and skin
that was used in specimens. In fact, the flexural strength and flexural modulus is strongly
dependent on the stiffness of the core and the skin that the sandwich was composed.
Composites with balsa wood cores presents a higher flexural strength and flexural modulus
in comparison with divinycell cores due to stiffness of the core, in the same way, sandwich
beams with carbon fiber skin shows the same patter in comparison with the glass fiber skin.
Those properties comparisons are presented in Figure 5.
Figure 3: Stress x Strain Carbon and Glass Fiber Comparison of Flexural Tests
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April 26 - 28, 2017 - Joinville - Brazil
Figure 4: Stress x Strain Sandwich Beams Comparison of Flexural Tests
Figure 5: Properties Comparison of Flexural Tests
Conclusion
Tensile and flexural tests are so far the most important techniques used to estimate the
relation of stress/strain of composite materials.
The purpose of this work was to evaluate and compare laminated and sandwich beams
composites in order to identify the composite with finest properties by tensile and flexural
tests. The main idea was to use carbon and glass fiber reinforced matrix as control specimens
and compare with sandwich beams made of balsa wood and divinycell H45 core with carbon
fiber and glass fiber skins evaluating tensile and flexural strength, tensile and flexural
modulus as well the mass of each specimen.
Assuming the properties mentioned before the carbon fiber reinforced matrix has the finest
properties of all, but mass, in this case, is an important property because the aim of this paper
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is aerospace engineering. So, by the mass, and other properties showed in this paper, the
sandwich beam composed by Divinycell H45 core and carbon fiber skin is the composite
laminated with the finest properties.
References
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[20] ASTM Subcommittee D20. 10 on Mechanical Properties. "Standard test methods for
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materials." American Society for Testing Materials, 1997.
RESPONSIBILITY NOTICE
The following text, properly adapted to the number of authors, must be included in the
last section of the paper:
The author(s) is (are) the only responsible for the printed material included in this paper.