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8/11/2019 10 - Compsitos
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10. COMPSITOS
Prof Fernando Montanare Barbosa
email: [email protected]
8/11/2019 10 - Compsitos
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13. Compsitos
Compsitos
Combinao de dois ou mais materiais que resultem em melhoras naspropriedades
Exemplos: ligas metlicas, perlita, madeira (celulose + lignina)
As propriedades finais dependem da disposio da matriz e da fase dispersa
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Compsitos
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Reforados com partculas
Partculas grandes so aquelas que no podem ser tratadas no nvelatmico ou molecular (enchimentos)
Para ter eficincia: grande adeso entre partcula e matriz
As partculas pequenas impedem o movimento das discordncias o queacarreta uma deformao plstica (aumenta-se o LRT e tenso deescoamento do material)
Maior mdulo de elasticidade
Menor mdulo de elasticidade
m: matrizp: partcula
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13. Compsitos
Tungstnio adicionado ao cobre
Carbeto cimentado: cobalto ecarbeto de tungstnio (matrizpara corte)
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Concreto
as fases matriz e dispersa so cermicas
Cimento portland
agregado de areia fina e agregado grosseiro (brita) e gua
Concreto armado
so adicionados vergalhes, aramesao tem coeficiente de expanso trmica quase igual ao do concreto
Reduz custo dematerial (enchimento)
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Concreto
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Concreto protendido
Adiciona-se tenses esticar cabos dentro do concreto (pontes)
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Recentemente: fibras naturais
Portas e carenagens de avies de guerra
Compsitos estruturais (fibras de vidro)
Segunda Guerra Mundial
Figura:. Nakajima Ki 43 "Hayabusa Japo Fig.ura: Mitsubishi A6M5 "Zero JapoFigura: Fibras de vidro
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Polmeros
Termorrgidos
Decomposio
Polimerizao1 estgio
Cadeiaslineares/ramificadas
Polimerizao2 estgio
Complexas ligaestransversais
Termoplsticos
Fundidosdiversas vezes
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Compsitos (naval,aeroespacial, esportiva, etc).
Resinas. Na presena de umcatalizador/agente de cura.
TERMORRGIDOS.
RESINAS
Ortoftlicas
Embarcaes/pouco tempo em gua
Menor custo: muito utilizada/pouco critrio
Isoftlicas
Mais caras
Melhor resistncia absoro (embarcaes; tubulaes, etc.)
ster vinlicas
resistncia a reagentes qumicos (gasolina/leo); boa adeso
Maior deformao de ruptura (kevlar/fibra de carbono)
Epxis
Notveis caractersticas mecnicas e qumicas
3,5 vezes mais cara que a ortoftlica
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ResinasMdulo de
Elasticidade (GPa)
Tenso de Ruptura
(MPa)
Deformao de
Ruptura (%)
Ortoftlicas 3,2 65 2,0
Isoftlicas 3,6 60 2,5
Ester Vinlicas 3,4 83 5,0
Epxi 3,0 85 5,0
Tabela 1. Comparao entre resinas
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Epi Oxi Epxi
Europeus Epoxide
Americanos Epoxy
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Resinas
epxi
AminasAlifticas
CicloAliflicas
Aromticas DGEBA
Resistncia aaltas
temperaturas
Vida til longa
Figura: Estrutura qumica do diglicidil ter de bisfenol A (DGEBA).
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Resina
Agentede cura
Polmerotermorrgido
TIPOS
Ciclo Alifticas Aromticas Alifticas (TETA)
Baixa viscosidade
Cura a temperatura ambiente
Vida til longa
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Compsitos
Laminados
Particulados
Fibrosos
Fibrascontnuas
Tecidos
Fibras cortadas
HbridosAlinhamento das fibras:
Fibra resina
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Tabela: Custo de produo de lanchas de patrulha do alumnio e fibra de vidro com kevlar
Tabela: Peso estrutural de Lanchas de Patrulha construdas com alumnio e fibra de vidro com kevlar
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A partir da dcada de 60 5% ao ano
60%20%
10%10%
Aeronutico comerdical
Defesa e espao
Recreativo
Indstria em geral
Figura: Distribuio do uso dos materiais compsitos.Fonte: MAZUMDAR S. K. Composites manufacturing, materials, product and process engeneering. CRC Press LLC, 1ed., p. 23-50, (2002)
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Fibras
Fibras sintticas(areia; argilafibra devidro; piche; sntesespolimricaskevlar)
Fibra de vidro
Fibra de carbono
Fibra de kevlar(araminda)
Fibras naturais
Fibras de coco
Fibras de sisal
Fibras de curau
Fibras de cana-de-acar
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O mais usado (preo)
Tipos E
FIBRA DE VIDRO
FIBRAS SINTTICAS:
Baixo preo
Grande resistncia ao impacto
Bom isolante
Tipo S
Melhores propriedades mecnicas
Barcos de regata ; lanchas de corrida
Comercializadas
Tecidos unidirecionais, biaxiais, triaxiais, quadriaxiais
Manta (fios unidos por um ligante)
Tapetes e fitas
Figura:Tecidos
Figura: Manta
Figura: Tapetes e fitas
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FIBRA DE CARBONO
Tipos de qualidade
HSHigh Strength (alta resistncia)
IMIntermediary Modulus (Mdulo Intermedirio)
HMHigh Modulus (Alto mdulo)
UHMUltra High Modulus (Superior Mdulo)
Vrias vezes mais resistente que ao
Superfcies oxidadas: adeso e no quebradia
Altamente resistentes e caras
Figura: Fibras de carbono
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Mdulo de Young
(GPa)Razo de Poisson
Tenso de ruptura
(GPa)
Deformao de
ruptura (%)
Vidro E 72 0,20 2,4 3,0
Vidro S 88 0,20 3,4 3,5
Carbono de alta
resistncia297 0,30 4,1 1,4
Carbono de alto
mdulo E520 0,20 2,1 0,4
Kevlar 49 124 0,34 2,8 2,5
Tabela: Principais propriedades de fibras sinttica
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FIBRAS NATURAIS:
Fibras: consequncias desastrosas
Floresta Amaznica
5,5 milhes de quiilmetros quadrados
Projeto Fenix Amaznico
Regio Nordeste
Figura: Veculos e embarcaes que utilizam fibras naturais em compsitos. (a) Fiat Concept Car II:carroceria com fibras naturais; (b) Focus: tampo do porta malas e forraodo teto feitos com fibras de curau; (c) Prtipo Lotus Eco Elise: carpetes com fibras de sisal, painis, carroceria e aeroflio com compsitos a base de fibras de cnhamo;
(d)Prottipo portofino: interior com compsitos de fibras naturais; (e) Dubbed: parte da estrutura feita com compsitos a base de fibras naturais
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so matrias primas renovveis e ilimitadas.
a floresta Amaznica apresenta 65 mil espcies de plantas vasculares, das quaispouco se conhecem das propriedades desejveis que as fibras destas plantaspodem ter.
so de fcil processamento quando comparadas com fibras sintticas, que causamgrande desgaste do maquinrio envolvido, encarecendo o processo.
apresentam uma forma de renda para a populao rural, evitando o fluxo do
campo para a cidade, verificado principalmente nas regies norte e nordeste dopas.
no so txicas e podem ser incineradas
VANTAGENS
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Tabela: Propriedades das principais fibras utilizadas em compsitos polimricos
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FIBRA DE SISAL
Solo pobre
Mercedez Benz, General Motors
Bahia, Rio Grande do Norte (700 mil empregos)
FIBRA DE CURAU
Rio Amaznia
Volkswagen
embarcaes, utenslios
300 famlias; 1/3 dos carros
Embrapa
biofbrica; 1 at 2 milhes de mudas por ano
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FIBRA DE CANA-DE-ACAR
A cana de acar
So Paulo: maior produtor
Figura: Estimativa da produo brasileira de cana-de-acar no perodo 2006/07 a 2015/16 Figura: Projeo para produo de cana-de-acar, acar e etanol no Brasil
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A fibra
Biodegradao
Grande vocao agrcola
Baixa densidade
Renovao do ciclo ecolgico
Reduo do custo de fabricao
Cuba, Colmbia, Argentina e Rssia
produo de painis
Fibra
celulose: 40 a 60%
lignina: 10 a 25%
Hemicelulose: 20 a 40%
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Comprimento crtico da fibra
d: dimetro da fibra
f: LRT da fibra
c: fora de ligao entre fibra e matriz ou limiteda tenso cisalhante da matriz
Fibras contnuas
Fibra de vidro e carbono:comprimento crtico de 1 mm
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Influncia da concentrao e da orientao das fibras
fibras contnuas Fibras descontnuas alinhadas Fibras descontnuas desalinhadas
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Fibras contnuas e alinhadas
Considera-se a fibra totalmente frgil e a matriz razoavelmente dctil
Estgio I: deformao da fibra e
matriz so elsticas
Estgio II: matriz se deformaplasticamente enquanto a fibracontinua se deformandoelasticamente
Falha: fibra comea a fratura
No catastrfica: as fibras nofraturam todas de uma vez edepois que a fibra fratura, a matrizcontinua intacta
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13. Compsitos
A carga total suportada pode ser expressa como:
utilizando F = .A (Lei de Hooke)
dividindo tudo pela rea do compsito (Ac):
Vm: frao volumtrica matriz
Vf: frao volumtrica fibra
Fibras contnuas e alinhadas
C
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13. Compsitos
Problema 01 Um compsito reforado com fibras de vidro contnuas e alinhadasconsiste em 40%vol de fibras de vidro com um mdulo de elasticidade de 69 GPa e60%vol de uma resina poliester que, quando endurecida, exibe um mdulo de3,4 GPaa) Calcule o mdulo de elasticidade desse compsito na direo longitudinalb) Se a rea da seo reta de 240 mm^2 e aplicada uma tenso de 50 MPa
nessa direo longitudinal, calcule a magnitude da carga suportada por cadauma das fases, ou seja, a fibra e a matriz
c) Determine a deformao que suportada por cada fase quando a tenso naparte b aplicada
13 C it
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13. Compsitos
Fibras carregadas transversalmente
e
Ect: mdulo de elasticidade na direo transversal
rearranjando
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13 C it
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13. Compsitos
LRT para fibras alinhadas carregadas longitudinalmente
Considerando que:
Fibra falha antes da matriz (a carga transferida para a matriz)
Adaptando a equao:Tenso na matriz no momento dafalha da fibra
13 C it
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LRT para fibras alinhadas carregadas transversalmente
LRT transversal pode ser mais baixo que o LRT da matriz pura
O QUE INFLUENCIA NOS RESULTADOS?
propriedades da fibra e da matriz
resistncia da ligao fibramatriz
presena de vazios
NO SE EQUACIONA
13 C it
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13. Compsitos
Problema 03 Quer-se produzir um compsito reforado com fibras contnuas e
alinhadas, tal que ele consista em 30%vol de fibras aramidas e 70%vol de umamatriz a base de policarbonato; as caractersticas mecnica desses dois materiaisso as seguintes:
Dado:Ainda, a tenso sobre a matriz de policarbonato quando as fibras aramidas falham de 45 MPa. Para esse compsito, calcule:a) O limite de resistncia trao longitudinalb) O mdulo de elasticidade longitudinal
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13. Compsitos
Compsitos com fibras descontnuas e alinhadas
fibras de vidro picadas
o LRT pode chegar a 50% da fibra contnua
O E pode chegar a 90% da fibra contnua
sendo l > lc
= resistncia fratura da fibra
= tenso na matriz quando o compsito falha
13 Compsitos
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Sendo l < lc:
d: dimetro da fibra
= o menor valor entre a resistncia da ligao fibra-matriz e o limite de escoamento cisalhante da matriz
Fibra descontnuas e aleatoriamente orientadas
K
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A FASE FIBRA
Usqueres
dimetros muito pequenos (relao comprimento dimetro grande)
isentos de defeitos (pela perfeio cristalina) resistncias excepcionais
Fibras
dimetros pequenos
polmeros ou cermicas (vidro, carbono, aramida)
Arames finos
Dimetros grandes
ao, molibdnio, tungstnio (pneus, mangueiras de alta presso)
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Fibra aramida
alta resistncia e alto mdulo (iniciou-se o uso na dcada de 70)
Kevlar e Nomex
no resistem compresso
alta tenacidade, resistncia ao impacto, a fluncia e a falha por fadiga
usados geralmente com epxis e polister
coletes a prova de bala, carcaas de msseis, vasos de presso
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Compsitos com matriz cermica
resistente corroso a altas temperaturas, porm frgil
existem tcnicas que conseguem aumentar o k1C
Processamento de compsitos reforados com fibras
Pultruso
13 Compsitos
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13. Compsitos
Prepeg
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13 Compsitos
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Compsitos laminares
13. Compsitos
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Painis em sanduche
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PREPARAO DAS FIBRAS DE CANA-DE-ACAR
3,10 Polo (sacarose)
4,23 Brix (slidos)
Desmeduladase peneiradas
gua
70C/24h
NaOH10%/1h
Lavadas
FIBRAS 106 A 212 m1, 3, 5, 7,5 e 10%
DGEBA (aromtica)
TETA (amina aliftica) Aradur HY 951
resistncia a altas temperaturas; vida til longa; maior LRT e alongamento
baixa viscosidade; cura a temperatura ambiente; vida til longa
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Figura: Grficos obtidos nos ensaios: (a) Limite de resistncia trao, (b) Mdulo de elasticidade, c) Resistncia fratura.
LRT
Desvio padro mdio
6,44; 1,43 e 15,55% (erro nas trincas)
1% de fibra: 1,99%; 3%: 26,12% (26,42MPa33,32MPa)
E
3% fibra: 14%; microvazios; concentraes de tenses
K1C
Decrscimo com 1% fibras; reforo das fibras: propagao trincas
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