COMPÓSITOS POLIMÉRICOS

TE466A – Materiais Elétricos Prof. Fernando Piazza - M.Sc.

Aluno : Rodrigo Liberatori PasciniNúmero de matrícula: 993709-9Contato: rpascini@furukawa.com.br

I. INTRODUÇÃO

Iremos começar definindo o que são compósitos e oque são polímeros. Os materiais compósitos são formadospor dois ou mais materiais, produzindo propriedades muitasvezes mais interessantes do que um único material. Concretoe fibra de vidro com resina de poliéster são típicosexemplos de materiais compósitos. Com os materiaiscompósitos é possível obter produtos com diferentespropriedades, como: leveza, ductilidade, materiaisresistentes à altas temperaturas, materiais duros e resistentesao choque, cortes e a propagação de trincas. Avançadasembarcações aéreas e veículos espaciais tem confiado emcompósitos com base de Fibra de Carbono, na execução deprodutos que são utilizados em comércio exterior.

Polímeros são materiais compostos pormacromoléculas. Essas macromoléculas são cadeiascompostas pela repetição de uma unidade básica, chamadamero. Daí o nome: poli (muitos) + mero. Os meros estãodispostos um após o outro, como pérolas num colar. Umamacromolécula assume formato muito semelhante ao de umcordão. Logo, pode-se fazer uma analogia: as moléculas deum polímero estão dispostas de uma maneira muitosemelhantes a um novelo de lã. É difícil extrair um fio deum modelo de lã. Também é difícil remover uma moléculade uma porção de plástico, pois as cadeias “seguram-se”entre si. Por exemplo, o polietileno (ou, abreviadamente,PE) - plástico extremamente comum usado, por exemplo,em saquinhos de leite - é composto pela repetição demilhares de unidades da molécula básica do etileno (oueteno). Os materiais poliméricos, apesar de abrangeremdiversos materiais classificados como naturais, envolvemainda aqueles de natureza sintética e artificial. Grande partedesses últimos tiveram sua utilização viabilizada a partir dadécada de 20, com os avanços da química orgânica. Aprincipal característica que diferencia os materiaispoliméricos dos outros tipos de materiais está relacionada àpresença de cadeias moleculares de grande extensãoconstituídas principalmente por carbono. O arranjo dosátomos da cadeia molecular pode levar a mesma a sercaracterizada como linear, ramificada ou tridimensional. Otipo de arranjo da cadeia controla as propriedades domaterial polimérico. Embora esses materiais não apresentemarranjos atômicos semelhantes ao cristalino, alguns podemexibir regiões com grande ordenação atômica (cristalinas)envolvidas por regiões de alta desordem (não-cristalina).Devido à natureza das ligações atômicas envolvidas(intramoleculares ligações covalentes e intermolecularesligações secundárias), a maioria dos polímeros não conduzeletricidade e calor. Além disso, em função do arranjoatômico de seus átomos, os materiais poliméricos exibem,em geral, baixa densidade e baixa estabilidade térmica. Tal

conjunto de características permite que os mesmos sejamfreqüentemente utilizados como isolantes elétrico outérmico ou na confecção de produtos onde o peso reduzido éimportante.

II. COMPÓSITOS E SUAS PROPRIEDADES

A. TIPOS DE COMPÓSITOS

Portanto podemos agora entender melhor o que éum compósito polimérico. Nada mais é do que um materialformado por polímeros ou por um polímeros e outra classede material. Um compósito é normalmente formado por umamatriz e um reforço. O material da matriz irá transmitir osesforços mecânicos aos reforços (mantendo-os em posição econtribuindo com certa ductilidade) enquanto eles irãosuportar os esforços no compósito (são materiais de altarigidez e resistência no geral). Há basicamente quatro tiposde materiais compósitos poliméricos. Abaixo temos algunsexemplos de cada um:Compósitos partículas: Betão, asfalto;Compósitos fibras: Kevlar, poliéster;Compósitos laminares: laminados de fibras e resina;Compósitos naturais: madeira.

Os compósitos mais utilizados no mercadoatualmente são os formados por uma matriz termorrígidacomo uma resina epoxi por exemplo, e fibras para seureforço. A fibra é incorporada a matriz geralmente com opropósito de torná-la mais resistente.

B. PROPRIEDADES

A resistência mecânica do material será fortementedependente da ligação entre a matriz e a fibra sendo estauma propriedade difícil de prever teoricamente. Podemos atéestimar algumas propriedades como:

Densidade:

Módulos de elasticidade:

Condutividade térmica e elétrica:

A resistência neste tipo de compósito seráfortemente da relação entre o comprimento da fibra e seudiâmetro (L/d) e da relação entre a orientação da fibra e oesforço que o material sofre. Portanto, estes são parâmetrosimportantes para a construção de um compósito dependendoda aplicação na qual ele será utilizado. A principal utilizaçãode materias deste tipo será aplicações que requerem poucopeso e alta resistência como na aeronáutica, materiaisesportivos, automobilismo, etc.

PROPRIEDADES DA MATRIZ

Matrizes poliméricas têm em geral baixa resistênciae baixo ponto de fusão. Matrizes metálicas têm maiorresistência e maior ponto de fusão, mas são mais pesadas.Podem ser usadas matrizes cerâmicas para resistência atemperaturas extremamente elevadas, perdendo-se

mmffCOMP VV ρ+ρ=ρ .

mmffL EVEVE +=

m

m

f

f

T EV

E

V

E+=1

tenacidade A matriz será a reponsável por absorver energiapela deformação do material e também irá responder peladureza do mesmo.

LIGAÇÃO FIBRA-MATRIZ

Se não houver boa aderência da matriz à fibra, nãohá distribuição de esforços eficiente. e o coeficiente deexpansão térmica deve ser muito semelhante entre fibras ematriz para um bom resultado. Quanto maior for a relaçãoentre fibra-matriz dentro do material, maior será aresistência do compósito, até um valor limite de 80%, apartir do qual deixa de haver “molhagem” total das fibraspela matriz.

III. FABRICAÇÃO

A. PRODUÇÃO DE FIBRAS

Fibras metálicas, de vidro e poliméricas sãoproduzidas por trefilagem e por spinning com diâmetros até0,01mm. Fibras de Boro são fabricadas por CVD (chemicalvapor deposition). Fibras de Carbono são produzidas porcarbonização de um filamento orgânico (pitch) que pode serPAN ou um polímero celulósico.

As fibras podem ser adquiridas em forma de fios oucabos, ou sob a forma de pré-impregnados (de resina nãopolimerizada a baixa temperatura) com um determinadoarranjo. No caso de matrizes metálicas, a impregnação dasfibras é feita em banho de metal fundido, poreletrodeposição ou por recobrimento sendo ligadas as duaspartes por difusão ou fusão parcial.

Figura 1.Produção de compósitos com fibras e banho de resina

Figura 2. Produção automática de filmes reforçados com fibras curtas

IV. DIFERENTES TIPOS DE MATRIZES

A. COMPÓSITOS DE MATRIZ METÁLICA

Podem ser usados a temperaturas superiores emrelação aos compósitos de matriz polimérica.Possuem maior resistência mecânica que o metal da matriznão reforçado e atenua-se a vantagem das maioresresistência e rigidez específicas.

B. COMPÓSITOS CERÂMICO-CERÂMICO

Possuem uma maior tenacidade à fractura em relação aocerâmico não reforçado e são Usados apenas em aplicaçõesde elevada temperatura (+ 1000ºC).

C. COMPÓSITOS TIPO SANDWICH E NATURAIS

Menos utilizados que os acima, porém não tão importantesquanto. A madeira por exemplo (compósito natural) estáaltamente presente no nosso dia a dia.

V. APLICAÇÕES

Segue abaixo algumas ilustrações de aplicações doscompósitos poliméricos:

Figura 3. Uso de compósitos num Harrier AV-8B II. Cerca de 26% do pesodesta aeronave é em compósito, na sua grande maioria de carbono/epoxy.

Figura 4. O quadro (que já nem sequer tem a forma tradicional de umquadro...) da bicicleta da figura é feito em carbono/ epoxy, bem como asjantes das rodas. Consegue-se maior rigidez e menor peso em relação às

estruturas de alumínio. Além disso, o design pode e deve ser alterado paramaximizar os benefícios do novo material.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.psrc.usm.edu/spanish/floor3.htmhttp://www.fem.unicamp.br/~caram/cap1.doc.