10 - Compósitos

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    10. COMPSITOS

    Prof Fernando Montanare Barbosa

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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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    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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    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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    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

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    Fibras carregadas transversalmente

    e

    Ect: mdulo de elasticidade na direo transversal

    rearranjando

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    13 C it

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    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

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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

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    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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    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

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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

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    Prepeg

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    Compsitos laminares

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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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