PMT 2200 em 2010 Tpico 1: Compsitos1

Materiais CompsitosAutor: Fernando Landgraf

Baseado no Cap. 17 do Callister.

Epoxi-fibra de Carbono, dimetro de fibra 7 m. Foto de Gerson Marinucci, IPEN.

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Compsitos

Princpio da ao combinada: Material multifsico cujas propriedades sejam uma combinao benfica (sinergia) das propriedades das duas ou mais fases que o constituem.

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Prancha de windsurf um compsito

Poliestireno expandidoOu PE ou PP expandido

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Exemplos naturais

Ossos colgeno, (protena forte mas mole), junto com

apatita (resistente, rgido, mas frgil)

Madeira fibras de celulose resistentes e flexveis, envolvidas

por lignina, mais rgida.

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Uso de compsitos est crescendo

admite-se que o Boeing 777 tenha 10% do peso em materiais compsitos http://oea.larc.nasa.gov/PAIS/Concept2Reality/composites.html

Tipos de compsitos:

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Estrutura do compsito

Compsitos de engenharia costuma ter

Fase matriz + fase dispersaFase matriz:

polmero (PMC), cermica (CMC) ou metal (MMC)Fase dispersa:

inmeras possibilidades

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Relao estrutura - propriedade

Propriedades do compsito dependem: propriedades da fase matriz e da fase

dispersa Da natureza da interface matriz-fase dispersa Da geometria da fase dispersa

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Estrutura dos compsitos

Propriedades dependem da geometria da fase dispersa Concentrao (a) Tamanho (b) Forma (c) Distribuio (d) Orientao (e)

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Classificao dos compsitos

nanocompsitos

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Compsitos reforados com partculas

Partculas grandes: maiores que ~1m Matriz transfere parte da carga fase

dispersa Disperso: ~ 0,01 a 0,1 m

Aumento de resistncia se d por interaes a nvel atmico ou molecular (assunto do tpico 3).

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Compsitos com partculas grandes

Regra das misturas: Propriedade dependem das fraes volumtricas das

fasesMdulo de elasticidade varia entreLimite superior

Limite inferior

Ec u =EmVmEpV p

Ec l =EmEp

VmEpV pEm

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Relembrando Mdulo de elasticidade

Calcular o mdulo de elasticidade de uma liga de alumnio, com base nos seguintes dados:

(MPa)

0 0

300 0,0041

600 0,0082

700 0,10

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Regra de misturasPartculas de WEm cobre:

Existe limite superiorE limite inferiorPara E

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exerccio

Calcular o mdulo de elasticidade de compsito de matriz de cobre contendo 50% de tungstnio em volume, nas equaes do limite inferior e superior de E.

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Exemplo de MMC: broca de metalduro

Partculas de WC em matriz de Co

WC confere a dureza e a resistncia ao desgaste necessrios ao corte de concreto.Cobalto confere tenacidade.

Partculas medem ~10 m

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Exemplo de PMC:borracha do pneu

Matriz: elastmeroPartculas: negro de fumo (carbono)

partculas filtram UVe aumentam resistncia mecnica

Partculas de negro de fumocada uma mede de 20 a 50nm, mas ocorrem aglomeradas.

Fase elipsoidal bolso de gua na borracha

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Exemplo de PMC:Compsitos com Nylon

Matriz: Nylon-6Reforo: nanotubos de carbono(em desenvolvimento, condutividade trmica, resist. mecnica)

Matriz: Nylon-6,6 + SEBS-g-MAReforo: fibra de vidro(aplicao automobilstica)

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Exemplo de CMC: concreto

Matriz: cimento + gua

Partculas: areia e brita

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Compsitos reforados por disperso

Usado nos MMC, quando necessria alta resistncia em alta T (indstria espacial)

chamados de ODS- Oxide Dispersion Strengthened: Adio de xidos finos

3% de xido de trio em Ni: o nquel TD Alumina em alumnio

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Fim da primeira aula. Ler captulo 17 do Callister.

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Compsitos reforados com fibras

So os mais comuns. Vantagem alta resistncia ou alta rigidez

da fibra, aliado a baixa densidade da matriz. Resistncia a trao f Mdulo de elasticidade E Densidade relativa d Resistncia especfica f/d Mdulo especfico E/d

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Influncia do comprimento da fibra

Resistncia depende do quanto a carga transferida para a fibraLigao interfacial entre fibra e matriz cessa na ponta da fibra,Deformando a matriz naquela regio.

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Influncia do comprimento da fibra

Compsitos reforados com fibras requerem uma adeso moderada entre matriz e fibra :- uma alta adeso entre as duas fases confere boa resistncia mecnica pela transferncia eficiente de carga da matriz para as fibras, porm o material torna-se frgil.- uma baixa adeso resulta em baixa resistncia mecnica, mas a energia absorvida na fratura (tpico 3) aumenta por dissipao de energia durante o processo de descolamento da fibra (puxamento da fibra fiber pullout)

alta adeso baixa adeso

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Influncia do comprimento da fibra

c=f d

2c. f limite de resistencia da fibra

. c resistncia ao cisalhamento da interface .d dimetro da fibra

Em compsitos com fibra de vidro ou carbono, c ~ 1mm para d ~1m

Fibras contnuas : > 15 cSe no, fibras curtas

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Fibras contnuas Quando o processo de

fabricao garante que as fibras fiquem alinhadas, surge a anisotropia das propriedades:

Propriedades dependem da direo em que aplico carga, em relao direo das fibras

Fibra curta: alinhada oualeatria

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Carregamento longitudinalem fibras contnuas e alinhadas

Estgio I: fibra e matriz escoam elasticamenteEstgio II: matriz entra em regime plstico.Falha em f* mas pode no ser catastrfico

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Clculo de E do compsito,

para carregamento longitudinal

Ec(l) = EmVm+ EfVf

Para carregamento na transversalEc t =

EmEfVmEfV f Em

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Exerccio 1

Considerar que frao de rea = frao de volume

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Exerccio 2

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Anisotropia do limite de resistncia

material LR trao L(MPa)

LR trao T(MPa)

Vidro-poliester 700 20Carbono-epxi 1000 35poliaramida-epxi 1200 20

Limite de resistncia do compsito na longitudinalPode ser estimado com base no grfico,Mas na transversal muito menor.

cl=m' 1V f fV f

Concentrao de fibra 50%

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Exerccio 17.11 Quer-se produzir um compsito com fibras contnuas e alinhadas,

tal que ela consista em 30% volume de fibras aramida e 70% volume de uma matriz a base de policarbonato (PC); as caractersticas mecnicas desses dois materiais so:

Material E (GPa) LR (MPa) Fibras aramida 131 3600 Policarbonato 2,4 65Ainda, a tenso sobre a matriz de PC, quando as fibras aramida

falham, de 45MPa.Para esse compsito, calcule o limite de resistncia trao

longitudinal

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A fase fibra

3 classes Whiskers Fibras arames

Monocristais, altssima resistncia, caros

Policristais ou amorfos, finas

Dimetros dezenas de micronsex.: arame nos pneus

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A fase Fibra

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Compsitos com matriz polimrica

Matrizes: Termorgidas: Polisteres e vinil-steres, Epxi,

fenlicas Termoplsticas: PA, PEEK, PPS, PEI (poliamida, polieteretercetona, poli(sulfeto de fenileno), Polieterimida)

Reforos fibra de vidro (GFRP) fibra de carbono (CFRP) fibras aramidas (poliaramidas)

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Compsitos de fibra de vidro

Vantagens Alto f* (3500 MPa), barato, inerte

Usos Carcaas automotivas e martimas Recipientes de armazenamento

Limitaes Baixa rigidez (70 GPa) Tmax

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Fabricao da fibra de vidro

55%SiO2, 16%CaO, 15%Al2O3, 10%B2O5 e 4%MgO. Dimetros entre 3 e 20m. Muito sensvel a defeitos superficiais da fibra Exposio da fibra atmosfera normal deteriora

superfcie So recobertas com capa protetora Algumas capas devem ser removidas antes da fabricao

do compsito. Podem ser usadas na forma de fios, mantas e tecidos

(ver amostras)

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Compsitos de fibra de carbono

Vantagens Baixa densidade relativa (1,8 a 2) Alto E (200 a 700GPa) Retm alto E e alta f em altas T. Inerte a umidade e muito cidos e solventes.

Usos Equipamento esportivo, aviao, automotivo.

Limitaes custo

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Fabricao da fibra de carbono

Fibras de dimetro 4 a 10m Fibra contem regies de grafita e regies

no-cristalinas. Produzidas a partir de precursores: rayon,

poliacrilonitrila e piche. Processo afeta E: existem classes de E

(padro, intermedirio, alto e ultra alto).

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Compsitos de fibras aramida(kevlar)

Vantagens Baixa densidade relativa (1,44) Alta tenacidade Dutilidade permite tecelagem

Usos Blindagem balstica Artigos esportivos, pneus

Limitaes Susceptveis a cidos e bases fortes Baixa resistncia compresso Custo (> fibra de vidro)

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Fabricao das aramidas Poli-parafenileno-tereftalamida Molculas rgidas so alinhadas ao longo da

fibra

Ligaes de hidrognio Entre cadeias adjacentes

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Comparaes entre compsitos de matriz epxi

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Compsitos de matriz metlica

Vantagens: alta T utilizao Usos: turbinas aeronuticas, aplic. automotivas Limitaes: custo

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Processamento de compsitos reforados com fibras

Pultruso: produtos longos e seo transversal constante.mechas de fibrasUsado com fibras de vidro, carbono e aramidasconcentraao entre 40 e 70% fibras

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Processo PrepregFibras contnuas pr-impregnadas com resina parcialmente curada.

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Enrolamento de filamentoUsado na produo de peas ocas.Tanques, tubos, vasos de pressoFios ou mechas so impregnadas e Enroladas ao redor de mandril.

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Outras aplicaes de compsitos

Eltricas Magnticas

P de ferro em matriz isolante polimrica Trmicas

Nanotubos de carbono

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Nanotubos de carbono

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Literatura

Captulo 17 do W. Callister

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Sites interessantes Amostras na aula: http://www.hurner.com.br Notcias: http://www.compositesnews.com/ Ass. Bras. Mat. Compsitos:

http://www.abmaco.org.br/ http://www.jeccomposites.com/ Nanotubos:

http://depts.washington.edu/polylab/cn.html Saint Gobain: http://www.sgva.com/ http://oea.larc.nasa.gov/PAIS/Concept2Reality/composites.html