Materiais compósitos

Materiais compósitosEMI – Engenharia Mecânica 1º. Sem/2011

Luis Carlos Resnauer 2011/1

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IntroduçãoTecnologias modernas exigem

materiais com combinações incomuns de propriedades que não podem ser atendidas pelos materiais convencionais isoladamente.

Exemplo: Materiais com baixa densidade mas fortes e rígidos, resistentes à abrasão e ao impacto e que não corroam.

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IntroduçãoCompósito: Material multifásico, obtido

da combinação de materiais diferentes a fim de atingir propriedades que os componentes individuais não atingem.

A principal característica dos compósitos é que as duas fases presentes são completamente distintas, formando uma interface entre elas.

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Compósitos – FasesOs materiais compósitos apresentam

duas fases:Matriz: É a fase contínua, envolve a

fase dispersa e a mantém na sua posição relativa. Pode ser constituída por polímeros, metais ou cerâmicas

Dispersa: é constituída pelo material de reforço, que confere grande parte das propriedades características dos compósitos. Podem ser particulados, fibras descontínuas ou fibras contínuas.

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Propriedades de um compósitoDependem

Propriedades das fases constituintes

Das quantidades relativas das fases

constituintes

Da geometria da fase dispersa

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Compósitos – MatrizConstituída por metais, polímeros ou cerâmicas

Metais e polímeros – ductilidade desejávelCerâmicas – aumentar a resistência à fratura

mantém a fase dispersa unida transmite e distribui a força externa aplicada

para a fase dispersa

Energia de interação entre a matriz e o reforço deve ser elevada para minimizar o “pull-out” (arrancamento da fibra)

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Compósitos – Fases dispersas

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Compósitos – Fases dispersas

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Tipos de compósitos

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Tipos de compósitos (cont.)a) Partículas em um polímerob) Compósito com carga de discoc) Esferas em um polímerod) Compósito na forma de dadoe) Cilindros em um polímerof) Compósito sanduicheg) Compósito vitro-cerâmicah) Compósito com reforço transversali) Compósito colméia (“honeycomb”) transversalj) Compósito colméia (“honeycomb”) horizontalk) Compósito com um único lado perfuradol) Compósito com dois lados perfuradosm) Compósito “replamine”n) Compósito “burps”o) Compósito sanduiche entrecruzadop) Compósito escada estruturado

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Compósitos reforçados com partículasCaracterísticas gerais:Em geral a fase particulada é mais dura e

mais rígida que a matriz.A matriz transfere parte da tensão aplicada às

partículas que suportam uma fração da carga Diâmetro das partículas de o,o1 μm até 0,1μm

para dispersões com partículas pequenas.

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Compósitos reforçados com fibrasEm geral deseja-se nesses

materiais alta resistência, tenacidade e rigidez em relação ao seu peso.

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Tipos de compósitos reforçados com fibras.

Compósito reforçado com fibras:

Contínuo e alinhado (Fig. (a) ao lado) melhora a resistência

Descontínuo (curto): Fibra curta pouca alteração na resistência.

Alinhado (Fig. (b) ao lado)

Orientado aleatoriamente (Fig. (c) ao lado)

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Comportamento mecânico de compósito reforçado com fibras. Curvas tensão- deformação

Materiais individuais Compósito

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Compósitos reforçados com fibrasExemplos de

fibras: De vidro De carbono De aramida

Exemplos de matrizes:

Em geral metais ou polímeros, pois se deseja alguma ductilidade da matriz, e as fibras já são frágeis, mas pode ser cerâmicas também (matriz frágil e fibras frágeis)

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Resistências à tração na direção longitudinal e transversal às fibras

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Compósitos com matriz poliméricaCom fibra de vidro: diâmetro da fibra

de 3 a 20 μm (pisos industriais, recipientes para armazenamento, tubulações)

ProcessoHand Lay-up

ProcessoEmbobinamento

(“Winding”)

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Compósitos com matriz poliméricaCom fibra de carbono: (equipamentos

esportivos, componentes estruturais de aeronaves, hélice de helicóptero)

Roda em fibra de carbono apresentada no Detroit Auto Show 2009

Tecido de fibra de carbono

Hélice em fibra de carbono

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Compósitos com matriz poliméricaCom fibra de aramida: Nomes

comerciais Kevlar e Nomex + epóxi ou poliéster. (Cordas, coletes a prova de bala, carcaça de mísseis, substituição do amianto em freios, embreagem gaxetas etc.)

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Comparação entre as propriedades de um polímero sem e com o reforço de fibras de vidro

Sem reforço Com reforço

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Compósitos de matriz metálica

MATRIZ:Superligas: (a base

de níquel, cobalto, molibdênio.

Ligas de alumínioLigas de magnésioLigas de titânioLigas de cobre

FIBRAS: (10 a 60% vol.)

de carbonode carbeto de silício

SiC.de alumina

(particulados em geral)

Resiste à temperaturas mais altas que compósitos com matriz polimérica.

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Comparação entre as propriedades de vários compósitos metal – reforço de fibra

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Compósitos carbono - carbonoUm dos materiais mais

avançados e promissores em engenharia é o compósito de MATRIZ DE CARBONO com reforço de FIBRA DE CARBONO.

Grande resistência mecânica e a fluência alta tenacidade baixa expansão térmica e ótima condutividade térmica.

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Processamento dos compósitos reforçados com fibrasPultrusão: formatos de seção reta constanteMechas ou cabos de fibras são impregnados

com uma resina termofixa, sendo então estirados através de um molde de aço aquecido.

Passa na sequencia em um molde de cura aquecido que confere a peça sua forma final.

Matrizes usuais: Poliésteres, resinas epóxi.Fibras usuais: vidro, carbono, aramida

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Processamento dos compósitos reforçados com fibrasPrepreg: Processo mais utilizado para

estruturas.Fibras contínuas pré-impregnadas com

resina polimérica parcialmente curadas.

Esse material é enviado ao fabricante em forma de fita. Essa fita molda e cura por completo com calor e pressão.

Teor de resina: 35 a 45 % em vol. termofixa ou termoplástica.

Após a remoção do papel de suporte várias camadas são colocadas, em geral com as fibras cruzadas para se ter mesma resistência nos dois sentidos

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Processamento dos compósitos reforçados com fibras

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Processamento dos compósitos reforçados com fibrasEnrolamento de filamento: Processo no

qual as fibras de reforço contínuas são posicionadas segundo um padrão pré-determinado para compor uma forma oca geralmente cilíndrica

Fios individuais ou em mechas são alimentados através de um banho de resinas e em seguida enroladas continuamente ao redor de um mandril (processo automático).

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Processamento dos compósitos reforçados com fibrasApós um número

apropriado de camadas a cura é executada em forno ou a temperatura ambiente após a retirada do mandril.

Como alternativa pode-se enrolar prepregs estreitos e delgados (até 10 mm) ao redor do mandril.

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Compósitos estruturaisCompósitos

laminares: Folhas ou painéis bidimensionais são cimentados umas as outras invertendo a direção do alinhamento das fibras de cada placa

Ex: Esqui moderno

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Compósitos estruturaisPainéis em forma de

sanduíches: Duas folhas externas mais resistentes separadas por uma camada de material menos denso.

Folhas externasRecheio interno:

Polímeros com espuma, colmeias.

Ex: Asas e fuselagem de aeronaves telhados, pisos, paredes.

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NanocompósitosA fase dispersa apresenta

dimensões na escala de nanômetros (10-9 m)

Pequenos teores (2 -5%) apresentam propriedades superiores a materiais carregados com cargas convencionais (20-40%)

Principais nanocompósitos: polímeros reforçados com nano-argilas

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NanocompósitosNanocompósitos poliméricos apresentam

três possibilidades de interação com as nano-argilas:

Compósito convencionalCompósito intercalado Compósito exfoliado

Quanto maior o grau de exfoliação mais efetiva é a interação entre a matriz e a carga, ou seja, melhores as propriedades.

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Nanocompósitos