A FASE FIBRA E A FASE MATRIZCurso de Engenharia de Materiais

Tecnologia dos Materiais Conjugados

A FASE FIBRA

� Uma característica importante da maioria dos materiais, especialmente daqueles que são frágeis, é que uma fibra com menor diâmetro é muito mais forte e resistente que o material bruto.

� A probabilidade de haver presente um defeito crítico de superfície que seja capaz de levar a uma fratura diminui.

� Essa característica é usada com vantagem nos compósitos reforçados com fibras.

CLASSIFICAÇÃO DAS FIBRAS

� Uísqueres – consistem em monocristais muito finos que possuem razões comprimento –diâmetro extremamente grandes.� Possuem elevado grau de perfeição cristalina.� Virtualmente isentos de defeitos (o que é responsável

pelas suas resistências excepcionalmente elevadas).� São extremamente caros e difíceis de incorporá-los em

uma matriz.� Exemplos: grafita, carbeto de silício,nitreto de silício e o óxido de alumínio.

� Fibras – são materiais policristalinos ou amorfos, e possuem diâmetro pequenos.

� Os materiais fibrosos são geralmente polímeros ou cerâmicas.

� Exemplos – aramidas poliméricas, o vidro, o carbono, o boro, o óxido de alumínio e o carbeto de silício.

� Arames Finos – possuem diâmetro relativamente grandes.

� São utilizados como reforço radial de aço nos pneus de automóveis, nas carcaças de motores a jato enroladas com filamentos e em mangueiras de alta pressão enroladas em arame.

� Exemplos – aço, molibdênio e o tungstênio.

RELAÇÃO ALINHAMENTO DAS FIBRAS COM DIREÇÃO DO CARREGAMENTO

A FASE MATRIZ

� A fase matriz de compósitos com fibras pode ser feita a partir de metais, polímeros ou cerâmicas.

� Em geral os metais e polímeros são usados como materiais da matriz, pois é desejável alguma ductilidade.

� No caso dos compósitos com matriz cerâmica, o componente de reforço é adicionado para melhorar a tenacidade à fratura.

FUNÇÃO DA FASE MATRIZ

� Ligar as fibras umas às outras atuando como meio através do qual uma tensão aplicada externamente é transmitida e distribuída para as fibras.

� Proteger as fibras individuais contra danos superficiais, como resultado da abrasão mecânica ou de reações químicas com o ambiente.

� Separar as fibras uma das outras e prevenir a propagação de trincas frágeis.

COMPÓSITOS COM MATRIZ DE POLÍMEROS

� Consistem em uma resina polimérica como a fase matriz e fibras como meio de reforço.

� As fibras de reforço devem ser metálicas ou cerâmicas para que um polímero não reaja com outro.

� São usados em ampla diversidade de aplicações dos compósitos, bem como nas maiores quantidades.� Por causa das suas propriedades à temperatura

ambiente;� Facilidade de fabricação;

� Custo.

COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRA DE VIDRO

� Compósito que consiste em fibras de vidro, contínuas ou descontínuas, contidas no interior de uma matriz polimérica. Produzido em grandes quantidades.

POR QUE O VIDRO É POPULAR COMO MATERIAL DE REFORÇO

� É facilmente estirado na forma de fibras de alta resistência a partir do seu estado fundido.

� É um material amplamente disponível.

� Como uma fibra, ele é relativamente forte, e quando se encontra dentro de uma matriz de plástico produz um compósito que possui resistência específica muito alta.

� Quando associado com diferentes plásticos, possui uma inércia química relevante.

LIMITAÇÕES

� Não são muito rígidos e não exibem a rigidez necessária para algumas aplicações.

� A maioria dos materiais em fibra de vidro estálimitada para aplicações com temperaturas de serviço abaixo de 200 ₀C.

EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

� Carcaças de meios de transporte automotivos e marítimos;

� Tubulações de plástico, recipientes para armazenamento e pisos industriais, etc

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE CARBONO

� O carbono é um material de fibra de alto desempenho e o reforço mais comumente utilizado em compósitos avançados com matriz polimérica.

PROPRIEDADES

� As fibras de carbono possuem os maiores módulos específicos e as resistências específicas dentre todos os materiais fibrosos de reforço.

� Elas retêm seus elevados módulos de tração e suas grandes resistências mesmo em temperaturas elevadas;

� À temperatura ambiente, as fibras de carbono não são afetadas pela umidade ou por uma ampla variedade de solventes.

� Exibem múltiplas características físicas e mecânicas, permitindo que os compósitos que incorporam estas fibras possuam propriedades especificamente engenheiradas.

� Foram desenvolvidos processos de fabricação para as fibras e os compósitos que são relativamente baratos e de boa relação custo – benefício.

FIBRA DE CARBONO

� O uso do termo “fibra de carbono” pode parecer surpreendente, uma vez que o carbono é um elemento e a sua forma estável é a grafita.

� As fibras de carbono não são totalmente cristalinas, mas são compostas por regiões grafíticas e regiões não-cristalinas

FABRICAÇÃO

� As técnicas de fabricação para produção de fibras de carbono são relativamente complexas. Provém da pirólise de materiais carbonáceos (ricos em carbono).

� Três materiais precursores são utilizados:

� Raiom� Poliacrilonitrila

� Piche

� A técnica de processamento varia de acordo com o precursor, da mesma forma como irão variar as características das fibras resultantes.

� As fibras de carbono são classificadas de acordo com o módulo de tração:� Módulo padrão� Módulo intermediário� Módulo alto� Módulo ultra-alto.

EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

� Equipamentos esportivos e de recreação:� Varas de pescar� Tacos de golfe...

� Carcaças de motores a jato enroladas em filamentos.

� Componentes estruturais de aeronaves

� Vasos de pressão

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS ARAMIDAS

� São materiais de alta resistência e com alto módulo de elasticidade.

� São especialmente desejáveis devido as suas excepcionais relações resistência – peso.

� Quimicamente este grupo é conhecido como poli-parafenileno-tereftalamida.� Kevlar� Nomex

� Existem várias classes desses materiais comerciais que apresentam diferentes comportamentos mecânicos.

� Durante a síntese, as moléculas rígidas são alinhadas na direção do eixo das fibras.

� Mecanicamente, essas fibras possuem módulos de tração e limites de resistência à tração longitudinal que são maiores do que outros materiais fibrosos poliméricos, entretanto, eles são relativamente fracos quando submetidos à compressão.

� É conhecido pela sua tenacidade, resistência ao impacto, resistência à fluência e a falha por fadiga.

� Embora as aramidas sejam termoplásticas, elas são todavia, resistentes à combustão e estáveis atétemperaturas relativamente elevadas.

� São quimicamente susceptíveis à degradação por ácidos e bases fortes, mas são relativamente inertes frente a outros solventes e produtos químicos.

EXEMPLO DE APLICAÇÃO

� Produtos balísticos (coletes à prova de balas),� Artigos esportivos

� Pneus,

� Cordas,� Carcaças de mísseis,

� Vasos de pressão� Freios automotivos, etc

OUTROS MATERIAIS PARA REFORÇO COM FIBRAS

� O vidro, o carbono e as aramidas são os reforços com fibras mais comuns incorporados em matrizes poliméricas.

� No entanto, outros materiais fibrosos usados em menor intensidade são:� Boro,� Carbeto de silício� Óxido de alumínio

LIMITAÇÃO DOS MATERIAIS DE MATRIZES POLIMÉRICAS

� Normalmente a matriz determina a máxima temperatura de serviço, uma vez que ela normalmente amolece, se funde ou se degrada a uma temperatura muito mais baixa do que a fibra de reforço.

COMPÓSITOS COM MATRIZ METÁLICA

� A matriz é um metal dúctil.

� Podem ser utilizados a temperaturas de serviços mais elevadas do que seus metais-base análogos.

� O reforço pode melhorar sua rigidez específica, a resistência específica, a resistência à abrasão, àresistência a fluência, a condutividade térmica e a estabilidade dimensional.

VANTAGENS EM RELAÇÃO AOS COMPÓSITOS COM MATRIZ DE POLÍMERO

� Maiores temperaturas operacionais;

� Não – inflamabilidade;

� Maior resistência contra degradação por fluidos orgânicos.

MATRIZES METÁLICAS

� Superligas

� Ligas de alumínio

� Magnésio� Titânio

� Cobre

O REFORÇO PODE SER:

� Na forma de particulados.

� Fibras – tanto contínuas como descontínuas e de uísqueres.

� Os materiais de fibras contínuas incluem o carbono, o carbeto de silício, o boro, a alumina e os metais refratários.

� Os reforços descontínuos consistem principalmente em uísqueres, carbeto de silício e alumina.

PROPRIEDADES DOS COMPÓSITOS COM MATRIZ METÁLICA

LIMITAÇÕES

� Algumas combinações de reforço de matriz são altamente reativas a temperaturas elevadas. Conseqüentemente a degradação do compósito pode ser causada pelo processamento a altas temperaturas ou ao se sujeitar a condições de serviço a temperaturas elevadas.

� Esse problema é resolvido comumente ou pela aplicação de um revestimento superficial de proteção ao reforço ou pela modificação da composição da matriz

COMPÓSITOS COM MATRIZ CERÂMICA

� Os materiais cerâmicos são inerentemente resilientes à oxidação e a deterioração a temperaturas elevadas.

� Não fosse pela predisposição desses materiais àfratura frágil, alguns seriam candidatos ideais par uso em aplicações a altas temperaturas e sob severas condições de tensão.

TENACIDADE À FRATURA

� A tenacidade à fratura das cerâmicas tem sido melhorada significativamente pelo desenvolvimento de uma nova geração de compósitos com matriz cerâmica (CMC – ceramic – matriz composites) –particulados, fibras ou uísqueres de um material cerâmico que se encontram embutidos no interior de uma matriz de um outro material cerâmico.

� A melhoria nas propriedades de fratura resulta das interações entre as trincas que avançam a as partículas da fase dispersa.

� A iniciação das trincas ocorre normalmente com a fase matriz, enquanto sua propagação é obstruída ou retardada pelas partículas, fibras ou uísqueres.

TÉCNICAS PARA RETARDAR A PROPAGAÇÃO DE TRINCAS

� Aumento de Tenacidade por Transformação –pequenas quantidades de zircônia são dispersas no interior do material da matriz, freqüentemente AL2O3 ou a própria ZrO2.

� Tipicamente CaO, MgO, Y2O2 e CeO são usados como estabilizadores.

� A estabilização parcial permite a manutenção da fase tetragonal metaestável em condições ambientes, em vez da fase monoclínica estável.

Os campos de tensão em frente de uma trinca que se propaga faz com que essas partículas tetragonais sofram transformação para fase estável.

Há um ligeiro aumento no volume da partícula que tendem a estrangular e fechar a trinca.

OUTRAS TÉCNICAS DE AUMENTO DE TENACIDADE.

� Utilização de uísqueres cerâmicos para inibir a propagação de trincas pela:

� Deflexão das pontas das trincas.

� Formação de pontes através das faces das trincas.

� Absorção de energia durante à extração a medida que os uísqueres se deslizam e se separam da matriz.

� Indução de uma redistribuição das tensões em regiões adjacentes às pontas das trincas.

COMPÓSITOS CARBONO - CARBONO

� Um dos materiais mais promissores em engenharia é o compósito feito a partir de uma matriz de carbono e um reforço com fibras de carbono.

� Como o próprio nome indica, tanto o reforço como a matriz são feitos de carbono.

� São relativamente novos e caros e, portanto não são muito utilizados no momento.

� Suas melhores propriedades são:

� Altos módulos de tração.� Limites de resistência à tração que são

mantidos até temperaturas superiores a 2000 ºC.

� Resistência a fluência.� Valores de tenacidade à fratura relativamente

altos.� Baixos coeficientes de expansão térmica.� Condutividade térmica alta.

APLICAÇÕES.

� Motores de foguetes.� Materiais sujeitos a atritos em aeronaves.

� Automóveis de alto desempenho.

� Moldes em estampagem a quente.� Componentes para motores deturbinas.

� Escudo térmico em veículos espaciais de reentrada na atmosfera.

DESVANTAGENS.

� A sua principal desvantagem é a sua propensão àoxidação quando são submetidos a altas temperaturas.

� São muito caros.� A razão principal de serem caros são as técnicas de

processamento relativamente complexas empregadas na sua fabricação.

COMPÓSITOS HÍBRIDOS.

� Obtido pelo uso de dois ou mais tipos de fibras diferentes no interior de uma única matriz.

� Possuem uma melhor combinação global de propriedades do que os compósitos que possuem somente um tipo de fibra.

� O sistema mais comum envolve fibras de carbono e fibras de vidro em uma matriz polimérica.� As fibras de carbono são fortes e relativamente e

rígidas, mas são caras. As fibras de vidro são baratas, mas carecem da rigidez do carbono.

FORMAS DE COMBINAÇÕES DE FIBRAS.

� As fibras podem estar:� Todas alinhadas e intimamente misturadas.� Laminadas – camadas superpostas, sendo cada uma

das camadas de um tipo de fibra, alternadamente.

FALHA DO COMPÓSITO HÍBRIDO.

� Geralmente não é catastrófica.

� As fibras de carbono são as primeiras a falhar, no momento em que a carga é transferida para as fibras de vidro.

� Com a falhas das fibras de vidro, a matriz deve suportar a carga aplicada.

� A falha final do compósito coincide com a falha da matriz.

APLICAÇÕES.

� Componentes estruturais de transportes terrestres, aquáticos e aéreo.

� Artigos esportivos.

� Componentes ortopédicos de peso reduzido.

ATIVIDADES

� Para um compósito reforçado com fibras de matriz polimérica listar três funções da fase matriz.

� Comparar as características mecânicas desejadas para a fase matriz e fibra.

� Qual é a distinção entre a fase matriz e a fase dispersa em um material compósito?

� Do que depende as propriedades dos materiais compósitos reforçados com fibras?

� Comparar as características mecânicas das fases matriz e dispersa para compósitos reforçados com fibras.

� Listar quatro razões pelas quais as fibras de vidro são mais comumente utilizadas como reforço.

� O que é um compósito híbrido?� Listar duas vantagens importantes dos compósitos híbridos

em relação aos compósitos com fibras normais.