COMPÓSITOS POLIMÉRICOS A BASE DE TECIDO HÍBRIDO CARBONO… · 2019. 1. 31. · Gama, J. P. F....

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS A BASE DE TECIDO

HÍBRIDO CARBONO/VIDRO: TRAÇÃO E

COMPRESSÃO UNIAXAIS

JOÃO PAULO DE FREITAS GAMA

NATAL - JULHO/2018








Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do Rio

Grande do Norte como parte dos requisitos

para a obtenção do título de Engenheiro

Mecânico, orientado pela Prof. Dra. Eve

Maria Freire de Aquino.

NATAL - JULHO/2018








Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso

Prof. Dra. Eve Maria Freire de Aquino ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientadora

Prof. Dr. Avelino Manuel da Silva Dias ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno

Prof. Dr. Raimundo Carlos Silvério Freire Junior ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno

NATAL - JULHO/2018

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, que sempre esteve ao meu lado e me deu força para que

eu chegasse até aqui.

Aos meus pais, Ana de Freitas Gama e José Inaldo Gama, que não mediram

esforços, pelos ensinamentos em todos os momentos da minha vida.

À professora Dra. Eve Maria Freire de Aquino, a quem tenho muito respeito e

admiração, por sua compreensão e ensinamentos, mostrando o que é ser uma verdadeira

orientadora.

Aos meus irmãos, José de Freitas Gama Neto e Joseany Kelly de Freitas Gama,

pelo apoio e proteção nos vários momentos da minha vida.

Aos meus amigos, em especial a Augusto, Ezakêl, Franklin, Ênio, Rafael e

Layon que sonharam comigo e sempre torceram para que esse momento chegasse.

Aos meus colegas, Talita, Aninha e Raphael que em nenhum momento

negaram ajuda, mesmo tendo suas obrigações do dia-a-dia. .

Aos Chayk’s, Artur, Michael e Raquel, que estiveram ao meu lado durante toda

essa jornada.

Ao senhor Uirajara Costa Nóbrega, que me abriu as portas de sua empresa e,

assim, permitiu que eu aplicasse os conteúdos adquiridos durante a graduação.

À professora Dra. Fabiana Tristão de Santana, a quem tenho muita gratidão,

pelos diversos ensinamentos e exemplos durante toda a jornada.

Gama, J. P. F. COMPÓSITOS POLIMÉRICOS HÍBRIDOS A BASE DE FIBRAS

DE CARBONO/VIDRO: TRAÇÃO E COMPRESSÃO UNIAXAIS. 50 p. 2018.

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade

Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2017.

RESUMO

Nos últimos anos tem-se buscado desenvolver materiais que sejam economicamente

viáveis e ao mesmo tempo correspondam às novas exigências tecnológicas. Neste

sentido, os materiais compósitos despontam como uma alternativa para serem utilizados

em diversas aplicações. Dentre essa classe de materiais destacam-se os plásticos

reforçados com fibras sintéticas. Atualmente, em função do aumento da aplicabilidade

desse tipo de material, torna-se imprescindível a necessidade de aperfeiçoamento do

mesmo. Sendo assim, novos estudos são realizados a fim de melhorar cada vez mais

suas propriedades mecânica, otimizando, assim, a relação custo/benefício. Desta forma,

o principal objetivo deste trabalho é desenvolver e analisar as propriedades mecânicas e

características de fratura mecânica sob efeitos da anisotropia, frente aos carregamentos

uniaxiais de tração e compressão. O material desenvolvido trata-se de um laminado

compósito reforçado com tecidos híbridos de fibras carbono T300/vidro-E, utilizando

como resina a do tipo Epóxi Éster Vinílica Derakane Momentum™ 411-350. Para realizar

o estudo da anisotropia, foram utilizados 3 (três) conjuntos de corpos de prova (cp’s),

levando em consideração o sentido da orientação das fibras com relação a direção da

carga aplicada. Os resultados mostram que tanto a anisotropia quanto o tipo de

carregamento influenciam nas perdas e/ou ganho das propriedades mecânicas.

Palavras-chaves: Compósito Polimérico, Tecidos híbridos, Fibras de vidro-E, Fibras de

carbono- T300, Anisotropia.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Imagem ilustrativa de um gerador eólica.

Figura 2: Imagem ilustrativa de uma placa de circuito.

Figura 3: Imagem ilustrativa de um metrô.

Figura 4: Imagem ilustrativa do processo de laminação manual (Hand Lay Up).

Figura 5: Principais características de dano apresentados em ensaios de compressão

uniaxial.

Figura 6: Modos de falha dos compósitos submetidos à tração (ASTM D3039, 2014).

Figura 7: Projeto das garras de compressão.

Figura 8: Tecido híbrido tipo sarja 2x2 (THCV).

Figura 9: Etapas dos processos de fabricação Hand Lay-Up.

Figura 10: Configuração do laminado.

Figura 11: Esquema de corte dos CP’s.

Figura 12: Máquina universal SHIMADZU.

Figura 13: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CVC.

Figura 14: Região de fratura final – Vista das superfícies dos CP’s – CVC.

Figura 15: Região de fratura final – Vista lateral – CP’s CVC.

Figura 16: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CVV.

Figura 17: Região de fratura final – Vista das superfícies dos CP’s – CVV.

Figura 18: Região de fratura final – Vista lateral – CP’s CVV.

Figura 19: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CV±45°.

Figura 20: Região de fratura final – Vista superior – CP’s CV±45°.

Figura 21: Região de fratura – Vista lateral – CP’s CV±45°.

Figura 22: Curva média tensão x deformação dos CP’s, CVC, CVV e CV±45°.

Figura 23: Curva média tensão x deformação dos CP’s, CVC, CVV e CV±45°- Tração

uniaxial.

Figura 24: Comparativo entre as curvas médias – (a) Tração Uniaxial x (b) Compressão

Uniaxial.

Figura 25: Fratura final - CP’s CVC – Tração uniaxial.

Figura 26: Fratura final - CP’s CVV – Tração uniaxial.

Figura 27: Fratura final – CP’s CV±45°– Tração uniaxial.

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Classificação dos materiais compósitos, Hull (1988)

Tabela 2: Classificação das fibras.

Tabela 3: Vantagens e desvantagens da Fibra de Vidro

Tabela 4: Codificação das características de fratura - Compressão uniaxial.

Tabela 5: Código das características do modo de falha – Tração Uniaxial.

Tabela 6: Propriedades Típicas da Resina Líquida.

Tabela 7: Propriedades da Resina Derakane Momentum™ 411-350 pura (Valores

típicos da resina sem reforço e Pós-Curada).

Tabela 8: Informações técnicas do THCV.

Tabela 9: Definição dos CP’s.

Tabela 10: Propriedades mecânicas – CP’s CVC.

Tabela 11: Propriedades mecânicas – CP’s CVV.

Tabela 12: Propriedades mecânicas – CP’s CV±45°.

Tabela 13: Influência da Anisotropia – Compressão Uniaxial

Tabela 14: Propriedades mecânicas – CP’s CVC – Tração uniaxial.

Tabela 15: Propriedades mecânicas – CP’s CVV – Tração uniaxial.

Tabela 16: Propriedades mecânicas – CP’s CV±45° – Tração uniaxial.

Tabela 17: Influência do carregamento para os CP’s CVC

Tabela 18: Influência do carregamento para os CP’s CVV.

Tabela 19: Influência do carregamento para os CP’s CV±45°.

Tabela 20: Modo de fratura final – Compressão Uniaxial x Tração Uniaxial

SUMÁRIO

Sumário Agradecimentos .................................................................................................. 4

Resumo ............................................................................................................... 5

LISTA DE FIGURAS ........................................................................................ 6

1 Introdução ...................................................................................................... 10

2 Objetivos ....................................................................................................... 11

3 Revisão Bibliográfica .................................................................................... 12

3.1 Materiais Compósitos ............................................................................. 12

3.1.1 Definições ........................................................................................ 12

3.1.2 Classificação dos Materiais Compósitos ......................................... 12

3.1.3 Aplicações dos Materiais Compósitos ............................................ 13

3.1.4 Elementos constituintes ................................................................... 15

3.1.5 Fibras de vidro ................................................................................. 17

3.1.6 Fibras de Carbono ........................................................................... 18

3.1.7 Materiais compósitos fibrosos ......................................................... 18

3.1.8 Processos de fabricação ................................................................... 19

Laminação Manual – Hand Lay Up ......................................................... 20

3.2 Características da fratura mecânica nos materiais compósitos .............. 20

3.3 Ensaio de compressão uniaxial............................................................... 22

4 MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................... 24

4.1 Materiais Utilizados ............................................................................... 24

4.2 Fabricação do Laminado Compósito ...................................................... 27

4.3 Confecção dos Corpos de Provas – Compressão Uniaxial..................... 28

4.4 Ensaio de Compressão Uniaxial ............................................................. 30

4.5 Caracterização da Fratura ....................................................................... 32

4.6 Densidade Volumétrica – Teores dos Elementos Constituintes ............. 32

5 Resultados e discussões ................................................................................. 33

5.1 Resultado dos Ensaios de Densidade Volumétrica e de Calcinação ...... 33

5.2 Resultado dos Ensaios de Compressão Uniaxial .................................... 33

5.2.1 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CVC.......................... 33

5.2.2 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CVV ......................... 36

5.2.3 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CV±45° .................... 38

5.3 Estudos Comparativos ............................................................................ 40

5.3.1 Influência da Anisotropia ................................................................ 40

5.3.2 Influência do Tipo de Carregamento x Anisotropia ........................ 41

5.3.3 Características da Fratura Mecânica - Tração x Compressão

Uniaxiais ................................................................................................................. 44

6 Conclusão ...................................................................................................... 47

7 Referências .................................................................................................... 48

10

1 INTRODUÇÃO

A busca em desenvolver novos materiais, que consigam suprir a demanda

tecnológica, apresentou um crescimento considerável nos últimos anos. Neste sentido,

aparecem os materiais compósitos. Os mesmos são materiais constituídos pela mistura

de dois ou mais materiais com objetivo de se obter propriedades específicas e

características desejadas. Dentro dessa gama de materiais, os Compósitos Poliméricos,

também conhecidos como Plásticos Reforçados, possuem uma estrutura constituída de

polímeros, como agente aglutinante, e como reforços fibras e/ou partículas. Esses

materiais compósitos se destacam pela fácil conformação durante a fabricação, alta

resistividade elétrica e térmica, além de sua baixa densidade.

A combinação de propriedades físicas, mecânicas e químicas dos componentes

para proporcionar as características desejadas ao produto final, deve ser realizada

conhecendo-se as propriedades de cada componente por separado.

Além das propriedades individuais dos componentes, é necessário desenvolver

a interface mais adequada possível, para que haja a combinação de propriedades

envolvidas. A interface é a região na qual ocorre o contato entre os constituintes dos

materiais compósitos e que tem como principal função a de transferência da solicitação

mecânica da matriz para o reforço.

O aperfeiçoamento nos processos de fabricação proporcionou aos materiais

compósitos um lugar de destaque na indústria. Neste sentido, os estudos envolvendo

novos materiais compósitos, principalmente os plásticos reforçados, tem ganhado maior

importância tecnológica, tendo como desafio criar materiais com boas propriedades

mecânicas e baixo custo.

O presente trabalho tem como objetivo estudar a influencia da anisotropia e do

tipo de carregamento no comportamento mecânico (resistência, módulo de elasticidade,

deformação de ruptura e fratura) de laminados compósitos poliméricos reforçados a

base de tecidos híbridos constituídos de fibras carbono/vidro. A característica da fratura

final é analisada segundo as normas vigentes e como estudo complementar são

determinados a densidade volumétrica do laminado compósito, bem como os teores (em

termos percentuais) dos elementos constituintes.

11

2 OBJETIVOS

Objetivo Geral

A proposta deste trabalho é estudar o comportamento mecânico e a característica

da fratura final frente à influência da anisotropia, ou seja, influência da orientação das

fibras com relação à direção de aplicação da carga de um Laminado Compósito híbrido

reforçado de fibras de carbono e de vidro, impregnado com resina termofixa, frente aos

carregamentos uniaxiais de tração e compressão.

Objetivos Específicos

Desenvolver um laminado compósito híbrido envolvendo tecidos a base de

fibras de carbono-T300 e fibras de vidro-E;

Estudo da composição do laminado compósito;

Estudar o comportamento da tensão última, módulo de elasticidade, deformação

de ruptura frente à tração e compressão uniaxiais;

Estudo da característica da fratura mecânica final;

Estudos comparativos: influência da anisotropia e do tipo de carregamento.

12

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Esta seção apresentará um breve histórico sobre os materiais compósitos,

enfatizando definições e principais aplicações destes materiais.

3.1 Materiais Compósitos

3.1.1 Definições

Segundo Hull (1988), material compósito nada mais é do que a combinação de

dois ou mais materiais diferentes, quando analisados macro e microscopicamente, cujo

objetivo é a obtenção de propriedades e características desejadas. Tal definição foi

compartilhada, também, por Van Vlack, (1988), Aquino, (1992) entre outros.

Calister e Rethwisch (2014) definem compósito como material multifásico, que

quando combinado, apresentam certas proporções de propriedades dos materiais que o

constituem.

A norma ASTM D 3878 (2007) definem materiais compósitos como a

combinação de dois ou mais materiais, na qual tal combinação possui propriedades que

não podem ser encontradas em seus constituintes isoladamente.

Para Mano (1991), os materiais compósitos apresentam uma classe de

materiais multifásicos, na qual o reforço dá a resistência ao esforço do material,

enquanto que à matriz é responsável pela transferência de tal esforço. Ainda segundo o

autor, em alguns casos, as propriedades do conjunto são superiores as dos componentes

individuais.

3.1.2 Classificação dos Materiais Compósitos

Em Hull, (1988) observa-se que os materiais compósitos são geralmente

classificados quanto à natureza dos materiais que o compõem. Segundo o autor, tais

materiais estão divididos em materiais compósitos naturais e materiais compósitos

sintéticos. Os materiais compósitos sintéticos são subdivididos em outros dois grupos:

Microcompósitos e Macrocompósitos. A tabela 1 mostra essa classificação.

13

Tabela 1: Classificação dos materiais compósitos, Hull (1988).

Natureza do Material Exemplos

Natural Músculos, Madeira, Bambu, etc

Microcompósito Sintético Plásticos Reforçados

Macrocompósito Sintético Vigas de concreto Armado e Aço

Galvanizado

Fonte: Elaborado pelo autor.

Para Al-qureshi, (1983) os compósitos são classificados quanto à estrutura

formada pelos materiais componentes. Para o autor, tais materiais são divididos em:

Materiais compósitos fibrosos (reforço na forma de fibra curta ou continua, podendo

apresentar uma disposição orientada ou aleatória), Materiais compósitos laminados

(apresentam uma combinação de várias camadas de reforço) e Materiais compósitos

particulados (apresentam partículas dispersar por toda matriz).

Segundo Calister e Rethwisch (2014), os materiais compósitos são divididos

em quatro classes: Materiais compósitos particulados; materiais compósitos fibrosos;

materiais estruturais e nanocompósitos.

Entre os microcompósitos destacam-se os compósitos híbridos. Os materiais

compósitos híbridos são materiais que apresentam em sua composição combinações de

vários tipos de reforço, tais como fibras e/ou partículas.

3.1.3 Aplicações dos Materiais Compósitos

Os materiais compósitos são aplicados em diversas áreas da indústria, tais

como: aeroespacial, automotiva, construção civil entre outros. O custo/benefício

conveniente e as boas propriedades mecânicas fazem com que esses materiais ganhem

cada vez mais espaço no setor industrial.

A energia eólica renovável compete em escala industrial com outras fontes de

energia como hídrica. Neste cenário, por apresentar uma alta relação resistência x peso e

boa resistência à corrosão, os materiais compósitos são utilizados nas fabricações de

geradores eólicos, plataformas, postes entre outros. Exemplos mais comuns da aplicação

industrial dos materiais compósitos são mostrados nas figuras 1, 2 e 3.

14

Figura 1: Imagem ilustrativa de um gerador eólica

Fonte: Owens Corning (2012).

A figura 2 mostra outra aplicação relevante destes tipos de materiais. Tendo em

vista que os compósitos apresentam propriedades adequadas para isolamento elétrico,

estes materiais são utilizados com frequência nas confecções de placas de circuitos.

Figura 2: Imagem ilustrativa de uma placa de circuito


15

O baixo peso, a alta resistência e a flexibilidade no design fazem com que os

materiais compósitos estejam presentes na fabricação de veículos na indústria de

transporte urbano, ver figura 3.

Figura 3: Imagem ilustrativa de um metrô.


3.1.4 Elementos constituintes

Em escala microscópica, os materiais compósitos possuem dois ou mais

constituintes: Matriz e reforço. A matriz é o constituinte continuo (aglutinante),

enquanto que o reforço atua aprimorando as propriedades mecânicas da matriz.

(Mathews, 1995).

3.1.4.1 Matriz

Nos materiais compósitos, a matriz tem por finalidade básica atuar como um

meio de transferência de carga para os reforços através do cisalhamento e proteger o

reforço da abrasão mútua (Correia, 1988).

As matrizes são classificadas em: Orgânica (poliméricas), metálicas e

cerâmicas. As matrizes poliméricas subdividem-se em dois outros grupos: Termofixas e

Termoplásticas. Devido ao baixo custo e a versatilidade de formulação, as matrizes

poliméricas são as mais utilizadas, se comparadas às outras (Vincenzine, 1995).

16

Nas matrizes termofixas, a polimerização leva a uma estrutura tridimensional.

Ocorrem várias ligações químicas covalentes entre diferentes cadeias, de modo que não

é mais possível ocorrer um escorregamento entre as moléculas.

As principais características das resinas termofixas são: baixo custo, a maioria

apresenta certa resistência à exposição ambiental (umidade, raios ultravioletas e outros),

comportamento quebradiço, sensível à radiação e oxigenação no espaço, fácil manuseio

e processamento, isotrópicas, estado líquido a temperatura ambiente e outras.

Pode-se citar como exemplo de matrizes termofixas mais usadas nos

compósitos poliméricos: Epóxi, Poliéster insaturado, Fenólica e Silicone.

As resinas de poliéster são polímeros versáteis, sendo encontrado

comercialmente como fibras, plásticos, filmes etc. Tais materiais são obtidos por meio

de uma reação de condensação entre um poliálcool e um ácido policarpoxílico, (Calister

e Rethwisch, 2014).

As principais características das resinas de poliésteres são: Excelente

estabilidade dimensional, ótimas propriedades elétricas, fácil pigmentação, cura a frio,

entre outras.

As matrizes termoplásticas, também chamadas de plásticos, podem dissolver-se

em vários solventes. Outro ponto considerável destas matrizes é que, sob temperatura

ambiente, elas podem ser maleáveis rígidas ou mesmo frágeis.

Pode-se citar como exemplo de matrizes termoplásticas mais usadas nos

compósitos poliméricos: Polietileno, Polipropileno, Poliuretano, etc.

3.1.4.2 Reforço

O reforço é o componente descontínuo do material, e, em regra, apresenta a

maior resistência nos compósitos.

Os reforços geralmente se apresentam sob a forma de fibras ou partículas

imersas na matriz e tem a função essencial de resistir a carregamentos mecânicos.

Dentre os reforços utilizados em materiais compósitos destacam-se as fibras.

Esta classe de reforço se divide em outras duas classes: Fibras naturais e Fibras

sintéticas. As fibras naturais são subdivididas em: Animais, vegetais e minerais;

17

enquanto que as sintéticas subdividem-se em: Orgânicas e inorgânicas Calister e

Rethwisch (2014). Tais subdivisões estão destacadas na tabela 2.

Tabela 2: Classificação das fibras.

Fibras

Natural Animal (Seda,)

Vegetal (Juta, Curauá, Sisal)

Mineral (Basalto)

Sintética Orgânica (Aramida, Poliéster)

Inorgânica (Carbono, Vidro) Fonte: Elaborada pelo autor.

Embora que a escolha por fibras naturais tenha aumentado, as fibras sintéticas

continuam como preferidas dos pesquisadores e engenheiros. Tal atenção se dá devido

às ótimas propriedades mecânicas e resistência à umidade.

Geralmente, as fibras sintéticas mais encontradas em materiais compósitos são:

Fibras de vidro, fibras de náilon, fibras de carbono, fibras de aramida, entre outros.

3.1.5 Fibras de vidro

As fibras de vidro aparecem como protagonistas na indústria de plástico

reforçado. Comercializado desde a década de 40 para esse fim, as fibras de vidros são

consideradas como um dos principais agentes de reforços empregados na formação de

materiais compósitos.

Segundo Herakovich (1997), dentre as várias formas que as fibras de vidros

podem ser encontradas, destacam-se a Vidro-E, Vidro-C e Vidro-S. A fibra de tipo S

(Structural) é comumente encontrada em aplicações nas quais exigem uma alta

resistência seguida de um alto módulo de elasticidade e com temperaturas mais

elevadas. A fibra de Vidro-E é mais utilizada quando se necessita de uma alta

resistividade elétrica. Já a fibra de Vidro-C é comumente utilizada quando se necessita

de uma boa resistência a corrosão.

O baixo coeficiente de dilatação térmica, as boas propriedades mecânicas,

estabilidade dimensional, o baixo custo, maior resistência a corrosão, são características

que fazem com que, em muitas das aplicações na engenharia, as fibras de vidro sejam

escolhidas.

18

Como todos os materiais, compósitos reforçados com fibras de vidros

apresentam algumas limitações, tal como baixo modulo elástico (quando comparadas às

fibras de carbono e Kevlar, por exemplo) e/ou deterioração se trabalhado a altas

temperaturas.

Para Moreira (2008), as principais vantagens e desvantagens na utilização das

fibras de vidros, estão descritas na tabela 3.

Tabela 3: Vantagens e desvantagens da Fibra de Vidro

Vantagens Desvantagens

- Elevada resistência à tração e

compressão;

- Módulo de elasticidade reduzido;

- Baixo custo em relação as outras fibras

sintéticas;

- Elevada massa especifica;

- Elevada resistência química; - Sensibilidade à abrasão;

- Elevada resistência ao fogo; - Sensibilidade a temperaturas elevadas;

- Baixas propriedades de isolamento

acústico, térmico e elétrico.

- Baixa resistência à fadiga.

Fonte: Elaborada pelo autor.

3.1.6 Fibras de Carbono

Assim como as fibras de vidro, as fibras de carbono são utilizadas para

aumentar a resistência e a rigidez dos materiais compósitos. Essas fibras são compostas,

geralmente, por 90% de carbono e filamentos produzidos pela pirólise da

poliacrilonitrila (Lubin, 1969).

As fibras de carbonos possuem um elevado módulo de elasticidade, baixa

massa específica e alta resistência a tração. Tais características fazem com que este tipo

de fibra seja utilizada em aplicações nas quais envolvem redução de massa.

Segundo o estudo de Calister (1997), as fibras de carbono apresentam outras

vantagens, tais como: Boa resistência térmica e elétrica, excelente resistência à fadiga,

estabilidade dimensional, entre outras.

3.1.7 Materiais compósitos fibrosos

Hoje, as fibras mais utilizadas em materiais compósitos são: fibras de vidro,

fibras Kevlar (aramida), fibras de carbono e de boro. Dentre as mais usadas, destaca-se

19

as fibras de vidro, isso porque as mesmas possuem uma gama variada de propriedades

mecânicas aliadas a um baixo custo se comparados com as outras fibras sintéticas.

3.1.7.1 Materiais compósitos reforçados com fibra de vidro

A vasta utilização das fibras de vidro se deve há vários fatores, tais como:

Calister, (1994):

1- Se adequa a várias técnicas de fabricação de compósitos;

2- É facilmente misturado à matriz durante o processo de cura;

3- Produz um compósito com resistência especifica elevado;

4- Na interface fibra-matriz, para vários tipos de resina, reage quimicamente

com a fibra de modo a melhorar a resistência do compósito.

Dentre as várias resinas que podem ser utilizadas com as fibras de vidro,

destacam-se as resinas de poliésteres. Atualmente é possível ver a utilização de matriz

de náilon junto com fibra de vidro, obtendo um material com alta resistência

(Herakovich, 1997).

3.1.8 Processos de fabricação

O desempenho mecânico dos materiais compósitos está diretamente

relacionado com o seu processo de fabricação. Tal processo depende do que se quer

obter como produto final e da quantidade necessária (taxa de produção) de fabricação.

Os processos de fabricação utilizados na obtenção de materiais compósitos

poliméricos a base de resina termofixas são, basicamente, dois: Processos de fabricação

em molde aberto, na qual se utiliza baixa tecnologia para uma produção de baixa escala,

e processo em molde fechado, na qual se utiliza alta tecnologia para produção em média

e alta escala, Hull (1988). Os processos de baixa tecnologia são:

Laminação manual (Hand Lay Up);

Laminação à pistola;

Centrifugação;

Enrolamento (Filament Winding).

Os processos de alta tecnologia são:

Modelagem por compressão;

Injeção;

20

Pultrusão.

Laminação Manual – Hand Lay Up

Devido ao baixo custo, o processo de laminação Manual é o processo de

fabricação mais utilizado em produção de baixa escala. Tal processo consiste em

colocar reforços de fibras (em geral na forma de tecidos ou mantas) sobre o molde, e em

seguida se faz a impregnação com resina utilizando rolos. O processo continua ao

colocar as camadas até a obtenção da espessura desejada. Para esse tipo de processo, o

molde cura sem alterar a temperatura e/ou pressão. A figura 4 mostra uma ilustração

simples do processo de laminação manual.

Figura 4: Imagem ilustrativa do processo de laminação manual (Hand Lay Up).

Fonte: CPIC FIBERGLASS (2014).

3.2 Características da fratura mecânica nos materiais compósitos

Quando o material compósito está sujeito a um carregamento, geralmente

surgem vários tipos de tensões. Tais tensões dão início a um mecanismo denominado de

“dano” (processo de fratura), mecanismo esse bastante complexo na sua formação e

propagação.

Sentido em que a carga é aplicada, propriedades mecânicas da matriz e do

reforço (isolados ou combinados), temperatura de serviço, entre outros, são fatores que

influenciam na forma e propagação desses danos, (Herakovich, 1997).

Ao praticar um ensaio mecânico, podem-se observar, já em escala

macroscópica, as características da fratura. Para um carregamento compressivo uniaxial,

por exemplo, observam-se as características listadas na figura 5 e tabela 4. (ASTM 3410

03),

21

Figura 5: Principais características de dano apresentados em ensaios de compressão uniaxial.

TAT BGM HAT SGV DTT HIT CIT DIT

MODOS DE FALHA ACEITÁVEIS MODOS DE FALHA INAVEITÁVEIS

Fonte: Adaptado de ASTM D3410 (2008).

Tabela 4: Codificação das características de fratura - Compressão uniaxial.

CÓDIGO DEFINIÇÃO DO CÓDIGO

TAT No topo com cisalhamento transversal na região do galgo

BGM No meio do galgo com fratura total

HAT No topo transversal na região da garra

SGV No galgo com diversas fendas longitudinais

DTT No topo com delaminação da garra

HIT No topo transversal por dentro na região da garra

CIT No topo com esmagamento da borda do corpo de prova

DIT No topo com delaminação por dentro na região da garra

Fonte: Adaptado de ASTM D3410-03 (2008).

Para fraturas sob carregamento de tração, os tipos de fraturas possíveis estão

mostradas na figura 6. A tabela 5 descreve os tipos de fraturas.

Ressalva se faz para os modos de falha LIT e GAT, mostrados na figura 6, que

se ocorrerem, o ensaio não é considerado válido.

Figura 6: Modos de falha dos compósitos submetidos à tração (ASTM D3039, 2014).

22

Tabela 5: Código das características do modo de falha – Tração Uniaxial.

CÓDIGO DEFINIÇÃO DO

CÓDIGO

(normativo)

DEFINIÇÃO DO CÓDIGO

LIT Lateral – inside – top Lateral dentro da lingueta da garra

superior.

GAT Grip/Tab - at grip/tab - top Desaderência da lingueta na garra

superior.

LAT Lateral - at grip – top Lateral na base da lingueta da garra

superior

DGM Edge delamination – gage –

middle

Delaminação na borda do corpo de prova

e no meio do galgo

LGM Lateral - gage – middle Lateral e no meio do galgo

SGM Longitudinal splitting -

gage – middle

No meio do galgo com fendas

longitudinais

AGM Angled - gage – middle Angular e no meio do galgo

XGM Explosive - gage – middle Explosiva e no meio do galgo

3.3 Ensaio de compressão uniaxial

O ensaio de compressão uniaxial consiste na aplicação de um carregamento

compressivo na seção transversal de um CP. O resultado deste ensaio mostra a

deformação linear obtida pela medida da distância entre as placas que comprimem o

corpo versus a carga de compressão.

A norma ASTM D3410 03 é responsável por alguns parâmetros necessários

para a realização do teste, como o comprimento do corpo de prova e a velocidade do

ensaio. Ilustram-se na figura 7 as garras de compressão utilizadas nestes tipos de testes.

23

Figura 7: Projeto das garras de compressão

Fonte: Ribeiro, apud Oliveira (2013).

24

4 MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo será abordada a forma com que os dados são obtidos. Para isto,

se fez necessário realizar um ensaio de compressão uniaxial, seguindo a norma ASTM

D3410 (2008). Os dados do ensaio de tração (utilizados nos estudos comparativos) são

obtidos de trabalho já realizado e publicado na literatura Batista (2017).

De acordo com a norma ASTM 3410 (2008), os fatores que influenciam a

resposta de compressão são: tipo do material; métodos de fabricação; configuração do

laminado compósito, confecção dos corpos de provas; preparação, condicionamento,

alinhamento e pressão das garras nesses corpos de prova; ambiente de teste; a

velocidade de ensaio e temperatura no ambiente; teor de vazios (%); e volumes de

reforço e matriz (%).

4.1 Materiais Utilizados

Para confecção do laminado compósito, utilizado para estudo deste trabalho,

foi utilizada a resina termofixa Resina Epóxi Éster Vinílica, comercialmente designada

por DERAKANE MOMENTUM™ 411-350. Como agente do sistema catalítico (cura a

temperatura ambiente) foi usado 1 % de MEKP (Peróxido de Metil Etil Cetona) e 0,05

% do acelerador NafCo 6 % (Naftenato de Cobalto), composições sugeridas no boletim

técnico da resina para a temperatura de 30 °C. Mostra-se nas tabelas 6 e 7 algumas

propriedades importantes desta resina.

Tabela 6: Propriedades Típicas da Resina Líquida.

PROPRIEDADES VALORES

Densidade, 25 °C 1,046 g/mL

Viscosidade

dinâmica à 25 °C

370 m Pa.s

(cps)

Viscosidade

cinemática à 25

°C

350 cSt

Teor de

monômero de

estireno

45%

Fonte: Adaptada de ASHLAND, apud Oliveira (2013).

25

Tabela 7: Propriedades da Resina Derakane Momentum™ 411-350 pura (Valores típicos da resina sem

reforço e Pós-Curada).

PROPRIEDADES SI MÉTODO DE TESTE

Resistência à

tração 86 MPa ASTM D-638/ISO 527

Módulo de tração 3,2 GPa ASTM D-638/ISO 527

Deformação

(alongamento) na

ruptura

5-6 % ASTM D-638/ISO 527

Resistência à

flexão 150 MPa ASTM D-790/ISO 178

Módulo de flexão 3,4 GPa ASTM D-790/ISO 178

Densidade 1,14 g/cm³ ASTM D-792/ISO 1183

Contração

volumétrica 7,80% -

Temperatura

distorção térmica

(HDT)

105 °C ASTM D-648 Method A/ISO

75

Temperatura de

transição vítrea,

Tg2

120 °C ASTM D-3419/ISO 11359-2

Dureza barcol 35 ASTM D- 2583/EN59

Fonte: Adaptada de ASHLAND, apud Oliveira (2013).

Um dos catalizadores mais utilizados na indústria de plásticos reforçados, o

Peróxido de Metil Etil Cetona contendo 9 % de Oxigênio Ativo, alto teor de dímero,

baixo teor de água oxigenada para a catalisação.

Para reforçar, foi utilizado reforço na forma de tecido híbrido. O tecido híbrido

é caracterizado como do tipo sarja 2x2 constituído de mechas de fibras de carbono

T300, na direção do urdume e mechas de fibras de vidro/E na direção da trama, ver

figura 8. O tecido é aqui definido como THCV (Tecido Híbrido Carbono/Vidro), cuja

composição, fornecida pelo fabricante, consta na tabela 8.

26

Figura 8: Tecido híbrido tipo sarja 2x2 (THCV)

Fibra de Vidro

Fibra de Carbono

Fonte: Pelo próprio Autor.

Tabela 8: Informações técnicas do THCV.

THCV

Desenho Saja 2x2

Tratamento Cru

Fios / cm Urdume 5,0 (± 0,2)

Fios / cm Trama 5,0 (± 0,2)

Peso (g/m²) 100C/100V (± 5 %)

Espessura 0,22 mm

Fonte: Pelo próprio Autor, adaptada Batista (2017)

27

4.2 Fabricação do Laminado Compósito

Os laminados foram confeccionados no Laboratório de Compósitos no Núcleo

de Tecnologia da UFRN. Para isso, foi utilizada a laminação manual (Hand Lay-Up).

Mostram-se na figura 9 as etapas utilizadas no processo de fabricação na obtenção do

laminado, obtido na forma de placa.

Figura 9: Etapas dos processos de fabricação Hand Lay-Up.


O Laminado compósito é aqui definido como LCV (Laminado Compósito a

base de fibras de Carbono/Vidro) foi confeccionado com espessura 2,55 ± 0,08 mm,

28

além de conter dez camadas de tecidos e impregnados com a matriz. Mostra-se na figura

10 um esquema da configuração desenvolvida, ressaltando que foi mantida a mesma

orientação das fibras em todas as camadas. Observa-se que as camadas transparentes de

resina são apenas ilustrativas, uma vez que as mesmas não se separam durante o

processo de fabricação.

Figura 10: Configuração do laminado


4.3 Confecção dos Corpos de Provas – Compressão Uniaxial

A análise da influência da anisotropia presente nos tecidos híbridos em relação

ao ensaio de compressão uniaxial é de suma importância para o desenvolvimento deste

estudo. Para isso se fez necessário obter corpos de prova com cada tipo de fibra nas em

diferentes orientações com relação à direção de aplicação da carga. Ilustra-se na figura

11 como foram realizados os cortes dos corpos de provas (CP’s) em função das

orientações das fibras de vidro e de carbono.

29

Figura 11: Esquema de corte dos CP’s


A Tabela 9 mostra a definição de todos os corpos de provas (CP’s) obtidos.

Tabela 9: Definição dos CP’s.

Laminado LCV

CVC CP do LCV - Carga aplicada na direção das fibras de carbono.

CVV CP do LCV - Carga aplicada na direção das fibras de vidro.

CV±45° CP do LCV - Carga aplicada para as fibras orientadas à 45°.


Seguindo as condições descritas na Tabela 9, foram confeccionados 3 conjuntos,

cada um contendo 8 CP’s, totalizando, assim, 18 corpos de prova fabricados. Desta

forma, o referido estudo, encontra-se nas condições estabelecida pela norma, na qual

pedem que haja, pelo menos, 5 (cinco) ensaios válidos.

O disco da IRWIN Diamantado ∅4 - 3/8” x 3/4” (110 mm x 20 mm) foi

utilizado para o corte dos CP’s do LCV. A fim de evitar qualquer tipo de dano, o corte

foi realizado a seco.

Com o intuído de proporcionar uma melhor qualidade dos CP’s, foi retirada uma

rebarba de aproximadamente 5,0 cm nas laterais da placa, evitando, assim,

descontinuidade e mau acabamento. Após o corte, foi utilizado o processo de lixamento

30

para que os CP’s se adequassem às dimensões estabelecidas na norma. Foram utilizadas

lixas de granulometria diferentes, tais como 60, 100, 220, 360, 400, 600 e 1200.

Para a realização do ensaio de compressão uniaxial, os corpos ficaram com

dimensões iguais a 150 mm x 25 mm x 2,55 mm, sendo comprimento, largura e

espessura, respectivamente (ASTM D3410, 2008).

4.4 Ensaio de Compressão Uniaxial

A resistência de um material depende de sua capacidade de suportar uma carga

sem deformação excessiva ou ruptura. Essa propriedade é inerente ao próprio material e

deve ser determinada por métodos experimentais. Os testes básicos, nesse sentido, são

os ensaios de tração e/ou compressão uniaxiais.

Seguindo a norma ASTM D3410 (2008), o ensaio de compressão uniaxial foi

realizado com o objetivo de se determinar as propriedades de resistência última a

compressão, módulo de elasticidade (medido na direção de carga aplicada) e

deformação de ruptura para o laminado.

Os ensaios foram realizados no Laboratório de Ensaios Mecânicos da UFRN.

Para a realização dos ensaios foi utilizado a máquina universal SHIMADZU, modelo

AGX, podendo suportar carga máxima de 300 kN. Ilustra-se na figura 12 o equipamento

utilizado.

Figura 12: Máquina universal SHIMADZU.

Fonte: SHIMADZU. Disponível em:

http://www.shimadzu.com.br/analitica/produtos/test/estaticas/servo-eletricas/ags-x.shtml


31

Para os cálculos dos valores das propriedades desejadas foram utilizadas as

seguintes equações, (ASTM D3410, 2008):

𝜎𝑓 = (𝑃

𝐴)

Onde: 𝜎𝑓 − Tensão última de tração, (MPa);

𝑃 − Carga aplicada, (N);

𝐴 − Área da seção transversal do corpo de prova, (mm²).

(

(4.1)

𝜖 = (∆𝐿

𝐿𝑜)

Onde: 𝜖 − Deformação, (%);

𝐿𝑜 − Comprimento útil do corpo de prova, (mm);

∆𝐿 − Variação do comprimento (𝐿 − 𝐿𝑜), (mm);

(

(4.2)

𝐸 = (∆𝜎

∆𝜀)

Onde: 𝐸 − Módulo de elasticidade longitudinal, (MPa);

∆𝜎 − Variação da tensão na região linear, (MPa);

∆𝜀 − Variação da deformação linear, (%);

(

(4.3)

Tendo em vista que os resultados obtidos nos ensaios de compressão uniaxial

são valores médios, se faz necessário os cálculos dos respectivos desvios padrões, vistos

a seguir:

�̅� = (∑ 𝑥𝑖

𝑛

𝑖=1

) /𝑛

(

(4.4)

𝑆𝑛−1 = √(∑ 𝑥𝑖2 − 𝑛

𝑛

𝑖=1

�̅�2) /(𝑛 − 1)

(

(4.5)

Onde: �̅� é a média da amostra (corpo de prova); 𝑆𝑛−1 é o desvio padrão da

amostra (corpo de prova); 𝑛 é o número de amostras (corpo de prova); e 𝑥𝑖 é a

propriedade medida ou derivada.

32

4.5 Caracterização da Fratura

No estudo proposto, a caracterização da fratura mecânica se deu por meio de

análises macroscópicas, seguindo as recomendações da norma ASTM D3410 (2008).

Para isso, foi utilizado o sistema de scanner da impressora multifuncional EPSON

L355.

4.6 Densidade Volumétrica – Teores dos Elementos Constituintes

A propriedade de densidade volumétrica do laminado LCV e, bem como, os

percentuais dos elementos constituintes foram obtidos a partir dos da literatura, Batista

(2017). Para realizar esta análise seguiram-se as recomendações da norma ASTM

ASTM D792 (2008).

33

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Este capítulo tem como abordagem inicial os dados complementares referentes

aos resultados obtidos para a Densidade Volumétrica do laminado, além dos percentuais

de fibras, resina e vazios obtidos no ensaio de calcinação. Em seguida serão discutidos

os resultados obtidos nos ensaios de compressão uniaxial. Inicialmente será mostrado o

comportamento mecânico do material frente ao carregamento compressivo. Em seguida,

será abordado o estudo da característica da fratura final em escala macroscópica. Por

fim, serão feitos estudos comparativos com outros trabalhos envolvendo o mesmo tipo

reforço, a fim de ilustrar a influência da anisotropia e da forma de carregamento.

5.1 Resultado dos Ensaios de Densidade Volumétrica e de Calcinação

Os resultados foram obtidos por Batista (2017), tendo o laminado LCV uma

Densidade volumétrica de 1.48 (± 0.01) g/cm3 e os percentuais de 14.98 (± 0.53), 21.62

(± 0.77), 62.42(± 1.27) e 0.98 (± 0.02) para as fibras de vidro, fibras de carbono, resina

e vazio, respectivamente.

5.2 Resultado dos Ensaios de Compressão Uniaxial

Nesta seção serão descritos os comportamentos mecânicos à compressão dos

CP’s CVC, CVV e CV±45°. Os ensaios foram realizados conforme recomenda a norma

técnica ASTM D3410 (2008).

5.2.1 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CVC

Com os ensaios de compressão uniaxial foi possível obter o diagrama Tensão x

Deformação para os CP’s CVC, ou seja, orientação das fibras de carbono na direção da

carga aplicada, e mostrado na figura 13.

34

Figura 13: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CVC.


Observa-se, inicialmente, uma linearidade entre tensão e deformação, mudando

de comportamento após o início do dano. O mesmo está caracterizado pela repentina

perda da capacidade do suporte de carga, quando em seguida se observa uma

recuperação da mesma até a fratura total dos CP’s. Essa perda inicial pode ser devido à

fratura das fibras de vidro (menor resistência) e a recuperação devido a presença das

fibras de carbono (maior resistência) na direção da carga aplicada. De qualquer forma

esse comportamento só pode ser comprovado através monitoramento do mecanismo de

dano.

O módulo de elasticidade é calculado no intervalo de tensão no qual o

comportamento entre tensão e deformação é linear, ou seja, de 0 a 50% da tensão

última. A tabela 10 mostra os valores médios de tensão última à compressão, módulo de

elasticidade e deformação de ruptura. Também são mostrados os respectivos desvios

padrão, determinados segundo a norma técnica do ensaio.

Tabela 10: Propriedades mecânicas – CP’s CVC.

Propriedades Mecânicas Valores Médios Desvio Padrão

Tensão Última à Compressão (MPa) 297,43 5,47

Módulo de Elasticidade (GPa) 5,59 0,14

Deformação de Ruptura (%) 13,57 0,052


35

5.2.1.1 Caracterização da Fratura Macroscópica – CP’s CVC

Seguindo a norma ASTM D3410 (2008), foi feito o estudo sobre a

caracterização da fratura final obtida em nível macroscópico dos CP’s CVC. Mostra-se

nas figuras 14 e 15 essas características após a realização do ensaio de compressão

uniaxial. Igualmente, é possível identificar a região onde ocorre a fratura final.

Tendo por base as fraturas definidas pela norma, é possível identificar, para

alguns dos CP’s CVC, a do tipo HAT (no topo transversal na região da Garra) e, para

outros a SGV (no galgo com diversas fendas longitudinais). Observa-se, também que

em alguns CP’s, há fratura total durante o ensaio. A fratura é do tipo frágil, ou seja,

perpendicular à direção da carga aplicada.

Figura 14: Região de fratura final – Vista das superfícies dos CP’s - CVC


Figura 15: Região de fratura final – Vista lateral – CP’s CVC


36

5.2.2 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CVV

Mostra-se na figura 16 o comportamento mecânico à compressão uniaxial dos

CP’s CVV. Observa-se, através do diagrama Tensão x Deformação, que o material pode

ser considerado linearmente elástico até a fratura final, diferente do comportamento do

laminado quando carregado na direção das fibras de carbono, ou seja, dos CP’s CVC.

A tabela 11 mostra os valores médios das propriedades mecânicas de tensão

última à compressão, módulo de elasticidade e deformação de ruptura. O módulo de

elasticidade foi determinado para cerca de 50% da tensão última à compressão, valor de

tensão esse como sendo correspondente à carga de início do dano. Mostram-se também

na tabela 11 os respectivos desvios padrão das propriedades obtidas nos CP’s CVV.

Figura 16: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CVV.


Tabela 11: Propriedades mecânicas – CP’s CVV.






37

5.2.2.1 Caracterização da Fratura Macroscópica – CP’s CVV

Seguindo a norma ASTM D3410-08, foi feito o estudo sobre a caracterização

da fratura em nível macroscópico para os CP’s CVV. Mostra-se nas figuras 17 e 18

alguns dos CP’s CVV após a realização do ensaio de compressão uniaxial e suas

respectivas características da fratura.

Tendo por base as fraturas definidas pela norma, é possível identificar, para

alguns dos CP’s CVV, a do tipo HAT (no topo transversal na região da Garra) e, para

outros a SGV (no galgo com diversas fendas longitudinais), ou seja, mesmas

características de fratura final ocorridas para os CP’s CVC. Ressalva se faz, mais uma

vez, que a fratura ocorre em uma seção perpendicular à direção da carga aplicada,

característica da fratura em materiais frágeis.

Figura 17: Região de fratura final – Vista das superfícies dos CP’s - CVV


Figura 18: Região de fratura final – Vista lateral – CP’s CVV


38

5.2.3 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CV±45°

Os ensaios de compressão uniaxial realizados nos CP’s CV±45° permitiram a

construção do diagrama Tensão x Deformação, ilustrado na figura 19. Aqui as curvas

apresentam uma linearidade entre tensão e deformação até aproximadamente 50% da

tensão última, considerada essa região (1ª etapa) como o comportamento à compressão

do material, seguida do fenômeno do cisalhamento (2ª etapa).

A presença do cisalhamento é caracterizada pela não linearidade entre a tensão

e a deformação (pouca variação da tensão para uma grande deformação). Esse

comportamento também é comum nos compósitos poliméricos (independente da

hibridização) quando não há presença de fibras na direção da carga aplicada, e

principalmente quando as mesmas estão orientadas à ±45° com relação à direção de

aplicação da carga para os ensaios de tração uniaxial, Batista, (2017).

Figura 19: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CV±45°.


Mostram-se na tabela 12 os valores da tensão última à compressão, módulo de

elasticidade (na direção da carga aplicada), deformação de ruptura e seus respectivos

desvios padrões. Para o cálculo do módulo de elasticidade foram utilizados

aproximadamente 50% da tensão última, tensão essa correspondendo ao comportamento

linear do material.

39

Tabela12: Propriedades mecânicas – CP’s CV±45°.






5.2.3.1 Caracterização da Fratura Macroscópica – CP’S CV±45°

Ainda analisando os tipos de fratura apresentados pela norma ASTM D3410-

08, associa-se que para os CP’s CV±45°, a fratura ocorrida foi a TAT (no topo com

cisalhamento transversal na região do galgo). Ilustra-se nas figuras 20 e 21 a região de

fratura final.

Figura 20: Região de fratura final – Vista superior – CP’s CV±45°.


Figura 21: Região de fratura – Vista lateral – CP’s CV±45°.


40

É possível notar que a fratura na região do galgo apresenta uma inclinação a

45º, influenciada pela orientação das fibras com relação à direção da carga aplicada.

Observa-se, também, que não há fratura total dos CP’s.

5.3 Estudos Comparativos

Nesta seção são elaborados estudos comparativos mostrando as influências da

anisotropia, bem como do tipo de carregamento aplicado. Inicialmente, os estudos

comparativos são referentes a um único tipo de carregamento. No caso da influência do

tipo de carregamento, os resultados referentes ao comportamento à tração uniaxial, são

utilizados os dados obtidos por Batista (2017), referentes ao mesmo laminado com CP’s

nas mesmas orientações de fibras com relação à direção de aplicação da carga (CVC,

CVV e CV ±45°). Também é efetuada uma análise comparativa entre as características

da fratura para os dois tipos de carregamento.

5.3.1 Influência da Anisotropia

Nesta seção será abordada a influência da orientação do tipo de fibra com

relação à direção de aplicação da carga, ou seja, a propriedade da anisotropia para o

comportamento à compressão do material. Essa influência em termos do perfil tensão x

deformação é ilustrada na figura 22. Os perfis obtidos possuem comportamento

totalmente distintos, evedenciando, assim, a influência da anisotropia.

Figura 22: Curva média tensão x deformação dos CP’s, CVC, CVV e CV±45°- Compressão Uniaxial.


41

No que se diz respeito às propriedades mecânicas, a tabela 13 resume as perdas

e/ou ganhos, em termos percentuais, ocorridas nessas propriedades. O resultados

mostram que os CP’s CVC apresentam uma maior resistência à compressão em relação

aos CP’s CVV e aos CP’s CV±45°. Observa-se, também, que os CP’s CV±45°

possuem o menor módulo de elasticidade entre os três e os CP’s CVV apresentam a

menor deformação de ruptura quando comparado aos demais.

Tabela 13: Influência da Anisotropia – Compressão Uniaxial

Propriedades Mecânicas Comparativo Diferença

Percentual (%)

Resistência última à compressão CVC > CVV

CVC > CV±45°

CVV > CV±45°

16,91%

66,69%

59,91%

Módulo de elasticidade CVC > CVV

CVC > CV±45°

CVV > CV±45°

35,78%

55,47%

30,64%

Deformação de ruptura CVC > CVV

CVC > CV±45°

CVV < CV±45°

35,37%

33,90%

2,51%


5.3.2 Influência do Tipo de Carregamento x Anisotropia

As tabelas 14, 15 e 16 apresentam, em valores, os resultados do desempenho

mecânico do laminado, quando tracionado uniaxialmente (Batista, 2017).

Tabela 14: Propriedades mecânicas – CP’s CVC – Tração uniaxial.

Propriedades Mecânicas Valores médios Desvio Padrão

Resistência à tração

(MPa)

549,57 25,67

Módulo de elasticidade

Inicial (GPa)

7,09 0,76


final (GPa)

13,03 0,65

Deformação de ruptura 5,17 0,21


42

Tabela 15: Propriedades mecânicas – CP’s CVV – Tração uniaxial.



(MPa)

274,27 15,40


(GPa)

5,12 0,30



Tabela 16: Propriedades mecânicas – CP’s CV±45° – Tração uniaxial.



(MPa)

129,20 0,27


(GPa)

2,91 0,22



Segundo Batista (2007), devido ao comportamento não linear dos CP’s CVC,

se faz necessário o cálculo de dois módulos de elasticidade, denominados de inicial e

final. As curvas médias tensão x deformação para os CP’s, obtidas no ensaio de tração

uniaxial, são mostradas na figura 23.

Figura 23: Curva média tensão x deformação dos CP’s, CVC, CVV e CV±45°- Tração uniaxial.

Fonte: Batista (2017).

43

A figura 24, (a) Tração Uniaxial e (b) Compressão Uniaxial, compara a

influência da anisotropia para os dois tipos de carregamento. Pode-se observar os

diferentes comportamentos do laminado, em todas as orientações de fibras estudadas,

ressaltando-se o fenômeno menos intenso do cisalhamento nos CP’s CV±45° para o

caso dos ensaios de compressão uniaxial.

Figura 24: Comparativo entre as curvas médias – (a) Tração Uniaxial x (b) Compressão Uniaxial.


Nas tabelas 17, 18 e 19 é são mostradas as perdas e/ou ganhos, em termos

percentuais, das propriedades mecânicas em função do tipo de carregamento. As letras

“T” e “C” representam ensaios de tração e compressão, respectivamente.

Tabela 17: Influência do carregamento para os CP’s CVC

Propriedades Mecânicas Diferença

Percentual

(%)

Resistência Última (T) > Resistência Última (C) 45,88

Módulo de Elasticidade Inicial (T) > Módulo de Elasticidade (C) 21,16

Módulo de Elasticidade Final (T) > Módulo de Elasticidade (C) 54,83

Deformação de Ruptura (T) < Deformação de Ruptura (C) 61,90


44

Tabela 18: Influência do carregamento para os CP’s CVV.


Percentual (%)


Módulo de Elasticidade (T) > Módulo de Elasticidade (C) 29,88

Deformação de Ruptura (T) < Deformação de Ruptura (C) 37,86


Tabela 19: Influência do carregamento para os CP’s CV±45°.


Percentual (%)


Módulo de Elasticidade (T) > Módulo de Elasticidade (C) 14,43

Deformação de Ruptura (T) > Deformação de Ruptura (C) 62,55


Ao analisar os valores das propriedades mecânicas (resistência última e módulo

de elasticidade), observa-se que o laminado compósito possui um ganho nessas

propriedades quando ensaiadas à tração quando comparadas às obtidas nos ensaio de

compressão, para todas as orientações estudadas (CVC, CVV e CV±45°).

5.3.3 Características da Fratura Mecânica - Tração x Compressão Uniaxiais

Esta seção mostra uma análise comparativa entre as diferentes características

da fratura final (nível macroscópico) quando os CP’s são sujeitos a ensaios de tração e

compressão uniaxiais. As figuras 25, 26 e 27 ilustram as fraturas ocorridas nos CP’s

CVC, CVV e CV±45° nos ensaios de tração uniaxial, respectivamente (Batista, 2017).

Figura 25: Fratura final - CP’s CVC – Tração uniaxial.


45

Para Batista (2017), a característica da fratura macroscópica observada nos CP’s

CVC sempre se deu próxima das linguetas (tab’s), sendo classificada do tipo LAT

(Lateral - at grip – top) de acordo com a norma ASTM D3039 (2014).

Figura 26: Fratura final - CP’s CVV – Tração uniaxial.


Para a autora, em alguns CP’s CVV, o modo de ruptura total pode ser

classificado segundo a norma ASTM D 3039 (2014), como do tipo LGM (Lateral -

gage - middle) e em outros CP’s como LAT (Lateral - at grip – top).

Figura 27: Fratura final – CP’s CV±45°– Tração uniaxial


VISTA SUPERIOR

Explosão entre as camadas na região da fratura.

Detalhe mostrando o aparecimento da fibra de vidro.

VISTA LATERAL

ENCURVAMENTO NA

REGIÃO DA FRATURA

46

Ainda segundo Batista (2017), o modo de fratura ocorrido nos CP’s CV±45°

não está previsto na norma ASTM D3039 (2014) devido ao processo de estricção.

A tabela 20 compara as características de fraturas mecânicas do laminado LCV

para os dois tipos de carregamentos.

Tabela 20: Modo de fratura final – Compressão Uniaxial x Tração Uniaxial

Tração Uniaxial Compressão Uniaxial

Direção Modo de fratura final Modo de fratura final

CVC LAT HAT e SGV

CVV LGM e LAT HAT e SGV

CV±45° Não definida TAT Fonte: Elaborado pelo autor.

47

6 CONCLUSÃO

O comportamento compressivo dos CP’s CVC apresenta perda de

capacidade de suporte de carga durante o ensaio com recuperação antes

da fratura final. Já os CP’s CVV, apresentam-se de modo linear elástico

até a fratura final;

Os CP’s CV45° apresentam a presença do cisalhamento, caracterizada

pela não linearidade entre a tensão e a deformação.

A carga de início do dano foi de aproximadamente 50% com relação à

carga de fratura independentemente do tipo de orientação das fibras;

Os CP’s CVC apresentam um melhor desempenho na tensão última à

compressão e no módulo de elasticidade, se comparados aos CP’s CVV

e CV45°;

Nos ensaios de compressão, mesmo aparecendo em alguns CP’s o

modo SGV, as características da fratura mecânica predominantes nas

configurações, foram do tipo HAT para as configurações CVC e CVV.

O tipo TAT foi encontrado para a configuração CV45°;

Em todos os tipos de CP’s estudados, a resistência última e o módulo de

elasticidades à tração apresentaram valores superiores quando

comparados ao comportamento à compressão.

48

7 REFERÊNCIAS

AL-QURESHI, H. A. – Composite Materials: Fabrication and Analysis – Ed. 2., São

José dos Campos, 1983.

AQUINO, E. M. F.: “Analisis del Comportamento Mecanico de Laminados Quasi-

Isotropos PRFV”, Tesi doctoral, Universidad Politcnica de Madrid, Madrid, p. 184,

1992.

ASTM D 792 – 08: “Standard Test Method for Density and Specific Gravity (Relative

Density) of Plastics by Displacement”, ASTM International, Philadelphia, 2008.

ASTM D 3410 – 08: “Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer

Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading”, United

States, 2008

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COMPÓSITOS POLIMÉRICOS A BASE DE TECIDO HÍBRIDO CARBONO… · 2019. 1. 31. · Gama, J. P. F....

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