Lista de Exercicio 1 – Materiais Compósitos

1. Mistura física de dois ou materiais, combinados para formar um novo material de

engenharia útil com propriedades diferentes aos componentes puros, podendo ser obtidos

por combinação de metais, cerâmicas ou polímeros. As propriedades destes materiais

dependem principalmente da concentração, tamanho, forma, distribuição e orientação das

fibras.

2. O compósito endurecido por dispersão pode ser definido como um material que tem as

partículas do reforço com diâmetro entre 10 e 100 nm. Como é composto de particulas bem

pequenas, estas se interagem mais fortemente com a matriz (nível atômico ou molecular),

gerando melhores propriedades mecânicas, pois sendo menores, as partículas dificultam a

movimentação de defeitos do material, minimizando sua deformabilidade. Já os reforçados

por partículas, apresentam um tamanho médio de 1 𝜇𝑚, o que não permite esse tipo de

interação.

3. São compósitos cujas partículas de reforço são grandes, pois apresentam diâmetro médio de 1

𝜇𝑚. Um cermeto é uma classe de compósitos particulados compostos por uma mistura física

entre metais e cerâmicas, podendo ser WC + Co ou Ni; ou TiC + Co ou Ni. WC confere a

dureza e a resistência ao desgaste necessários ao corte de aços endurecidos. Co confere a

tenacidade para suportar grandes esforços sem se romper.

4. A) Matriz é continua, pois não apresenta nenhum tipo de variação brusca em suas

propriedades química ou físicas. Já as fibras apresentam pequeno diâmetro e maior

comprimento.

B) Unir as fibras;

Sustentar as fibras e mente-las em posição;

Proteger as fibras ou partículas do reforço do meio envolvente e do dano durante a

fabricação.

C) Matriz:

Resistência à tração

Resistência ao corte

Resistência ao impacto

Ductibilidade

Tenacidade à fratura

Fibras:

Resistência à tração, flexão

Rigidez

Tenacidade à fratura

Estabilidade térmica

Estabilidade dimensional

Reduz o encolhimento da peça resfriada a partir do fundido.

D) Capacidade de transmitir as tensões da matriz para a fibra;

Evitar descolamento durante o uso.

E) Matriz: Grande tenacidade

Fibras: Grande módulo de elasticidade

5. Fibra de Vidro: Ligações iônicas

Fibra de Carbono: Ligações covalentes

Fibra de Aramida: Ligações covalente

Resistencia a tração: Como apresentação ligações fortes e com cadeias bem alinhadas, as

fibras de carbono apresentam a maior resistência a tração.

Modulo de Elasticidade em Tração: O maior modulo é da fibra de carbono.

Alongamento até a ruptura: A aramida se deforma mais até a ruptura em função da presença

das ligações secundarias entre cadeias.

Densidade: Maior densidade da fibra de vidro, pois é uma cerâmica.

As ligações presentes nas fibras de aramida são do tipo covalentes. Já entre as suas cadeias

temos ligações secundarias do tipo ponte de hidrogênio. Essas ligações resultam em excelente

propriedades mecânicas além de uma boa tenacidade em função das interações entre cadeias.

6. A resistência especifica a tração é o limite intrínseco de cada material de suportar um

determinado nível de tensão quando é submetido a uma força axial de elongação. Já o modulo

de elasticidade especifico diz respeito ao valor que determinado material consegue suportar

de tensão aplicada sem que haja deformação plástica.

Para ambas, a fibra que apresenta o maio modulo é a fibra de carbono.

7. A) Baixo custo;

Elevada condutividade elétrica;

Elevada estabilidade dimensional, apresentam um baixo coeficiente de dilatação térmica;

Bom comportamento à elevadas temperaturas de serviço.

B) Funde-se a mistura próximo à 1500 ºC, depois passando em um refino a uma temperatura

de 1400 ºC, sendo enviada para a distribuição em uma temperatura um pouco mais baixa.

Depois, ela passa pelas fieira que, por gravidade ou tração, esticam as fibras que são

revestidas e bobinadas.

C) É através dela que a fibra adere a matriz do compósito.

D) As fibras são revestidas com substancias que garantem a integridade física da superfície do

material.

8. Quanto maio a concentração de fibras de vidro no compósito, mais frágil ele tende a ser, em

função da característica cerâmica do reforço. Porém, ele apresentará também um maior

modulo de elasticidade. Em função da disposição das fibras, quando alinhadas, o compósito

apresenta melhor distribuição de tensões, resultando em um produto com propriedades

mecânicas melhoradas.

9. A) Elas podem ser classificadas com base em suas propriedades mecânicas, no tipo de

precursor ou na sua temperatura de tratamento térmico.

B) Podem ser produzidas a partir da PAN, do piche mesofasico, do rayon, e a partir de fase

gasosa.

C) Pan: Mais produzida, permite melhor controle do processo de produção e tem o melhor

rendimento industrial, mas é a mais cara.

Rayon: Baixa fixação de carbono e é uma técnica quase obsoleta.

Piche: Melhor rendimento em fixação de carbono, estrutura próxima ao grafite, mas apresenta

variações nas suas propriedades mecânicas.

C)A partir da PAN, estira-se o mesmo e faz-se um processo de estabilização oxidativa a até

300 ºC, obtendo-se o PANox. Depois disso, faz-se a carbonização a temperaturas de até 1700

ºC, passando-se em seguida a etapa de grafitização, em atmosfera inerte a até 2800 ºC.

10. O principais pontos a serem destacados em compósitos reforçados com este tipo de fibra é o

ganho exponencial das propriedades mecânicas do produto final, alcançando valores

altíssimos de modulo de elasticidade, resistência a tração e compressão, além de manter

valores de densidade baixa. Já as contribuições da matriz são a maior tenacidade do

compósito, pela distribuição de tensões mais eficaz.

11. Fibra: Filamentos delgados, de comprimentos definidos pelo processamento de obtenção.

Geralmente apresenta resistência mecânica inversamente proporcional ao diâmetro da fibra.

Whiskers: fibras monocristalinas, que apresentam seção transversal de ~10m e comprimento

de ~10.000 vezes maior que o diâmetro, generalizando sua dimensão se dá da seguinte forma:

~ 1 milímetros de comprimento para 1 micrômetro de diâmetro.

12. Existem vários mecanismos de adesão na região interfacial. Temos o entrelaçamento

molecular, que é o emaranhamento de cadeias; atração eletrostática, por efeitos de carga;

reorientação catiônica, que é um orientação das cadeias em função de suas cargas finais;

reação química; e intertravamento mecânico. Os métodos mais comuns para se medir a

adesão na interface é pelo método da gota, onde mede-se o ângulo de molhamento da fibra e o

método Wilhelmy, onde mede-se o ângulo de contato da fibra ao ser imersa em um liquido de

energia superficial conhecida.

13. Convencionalmente um barco é confeccionado por molde aberto, como o spray-up (à pistola)

e hand lay-up (manual), ou por processos de molde fechado, como o RTM e moldagem por

infusão.

Passos básicos envolvidos na laminação manual:

Inicia-se com a aplicação do desmoldante. Em seguida pode-se aplicar o gel coat ou o véu de

superfície, caso seja necessário.

Disposição e empilhamento do reforço (na forma de mantas ou tecidos) em orientações pré-

determinadas sobre o molde.

A cada camada de reforço sobreposta é efetuada a impregnação com a resina pré-formulada.

A espessura do componente moldado é obtida pelo número de camadas sobrepostas.

A cura se processa a temperatura ambiente ou em estufa.

Passos básicos envolvidos na laminação por projeção(spray-up):

Utilização de um dispositivo que realiza a aspersão de um mistura de fibras curtas e resina

pré-acelerada/iniciador, envolvendo toda a superfície do molde. No momento da aspersão, a

resina pode estar previamente formulada, ou então, o agente endurecedor (ou iniciador) pode

ser adicionado durante a aspersão. A quantidade de material aspergido fornece a espessura do

componente. A regularidade nas frações volumétricas do laminado é dada pela regulagem

feita previamente no cabeçote da pistola e no motor do cortador.

A cura é realizada de maneira similar ao processo de moldagem manual.

14. Os pré impregnados são produtos intermediários para moldagem de compósitos, sendo

constituídos de uma mistura de fibras de reforço impregnadas com um determinado polímero.

Surgiu em função da necessidade de desenvolver um processo para impregnar as fibras de

forma precisa e homogênea antes da moldagem. As duas matérias-primas básicas para a

produção de pré-impregnados são a matriz polimérica e a fibra de reforço, na forma

de tecidos ou telas unidirecionais que formam uma lâmina. É empregado no processo de

moldagem por autoclaves.

15. Acho que :

Moldagem CPMs:

Desmoldantes (de sacrifício ou semipermanente): hand lay up, aspersão,

Iniciador: na aspersão, LMC

Vácuo: autoclave

Retardante: bobinagem (termorrígido)

Pressão: compressão, transferência de resina

16. Processo de pultrusão: Utilizado na fabricação de barras , tubos e perfis retos em diversas

formas e geometria, este processo impede que os componentes apresentem variações na seção

transversal ao longo do comprimento.

Processamento:

- reforço na forma de mechas de fibras contínuas é impregnado com a resina em uma cuba.

- pós impregnação, o conjunto fibra/matriz adentra o molde ( molde define a seção transversal

do componente) que vai conferir uma geometria ao componente que se deseja obter.

- molde submetido ao aquecimento. Após a saída do molde a peça está pronta. Vantagens

Processo contínuo e pode ser completamente automatizado. Adequado para produção de

grandes volumes de peças.

Utiliza fibras e resinas de baixo custo e produz produtos comerciais de baixo custo.

Desvantagens

É adequado para partes que tem área de seção transversal constante. Formas cônicas e

complexas não podem ser produzidas. Partes com paredes espessas não podem ser

produzidas.

Estruturas que requerem carregamento complexo não podem ser produzidas porque as

propriedades são limitadas a direção axial.

Enrolamento filamentar: Ideal para a manufatura de tubos e vasos cilíndricos( como vasos

cilindrícos de pressão tanques de combustível dutos), utilizando como matriz termoplásticos e

termorrígidos e fibras de carbono, aramida ou vidro e híbridos destas.

Processamento:

Filamentos são apropriadamente impregnados pelo polímero e submetidos à bobinagem sobre

um mandril rotatório.

Uma tensão é aplicada ao reforço a medida que ele é enrolado.

Quando são utilizados polímeros termorrígidos, as formulações devem apresentar maior

tempo de gelificação, para permitir que o trabalho seja completado em uma só etapa.

O componente é devidamente curado ou solidificado e o mandril é removido por um

dispositivo de extração. Existem casos onde o mandril não é removido.

Variáveis deste processo: tensão na fibra, velocidade, T de banho de impregnação,

viscosidade da matriz, velocidade do carro e rotação do mandril. Exigências como forma,

acabamento superficial, capacidade de suportar esforços de bobinagem e os vários ciclos de

cura ao qual estará submetido ao longo de sua vida útil estão entre as mais importantes para

garantir a qualidade da peça bobinada.

Vantagens

Investimento inicial alto em equipamento e ferramentas, mas os materiais utilizados na

manufatura e a mão-de-obra têm pouco impacto no custo final do componente a ser obtido.

Utiliza matéria-prima de baixo custo e ferramentas de baixo custo.

A automatização do projeto permite que a disposição do reforço sobre a superfície do mandril

seja bastante precisa e reprodutível, resultando em redução de custo e alto volume de

produção.

Produz peças grandes e pequenas.

Controle da posição da fibra e aproveitamento do material.

Desvantagens

É limitado a produzir estruturas convexas e fechadas.

Não é adequado para fazer estruturas abertas tais como banheiras.

A fração volumétrica máxima de fibras possível por este processo é 60%.

Dificuldade em obter distribuição uniforme das fibras e resinas. Mau controle do conteúdo de

resinas.

Controle operacional (programação, parâmetros de processo).

17. Densidade do WC: 15,63 g/cm³;

Densidade do TiC: 7,3 g/cm³;

Densidade do TaC: 13.9 g/cm³;

Densidade do Co: 8,9 g/cm³;

Frações volumétricas:

WC: 75%

TiC: 15%

TaC: 5%

Co: 5%

𝜌𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑜 = 15,63 ∗ 0,75 + 7,3 ∗ 0,15 + 13,9 ∗ 0,05 + 8,9 ∗ 0,05

𝜌𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑜 = 13,9575 g/cm³

18. Procure a densidade do tungstênio puro e da prata (dW = 19,3 g/cm3 e dAg = 10,49 g/cm3).

Use a regra das misturas:

dcompósito = dW.VW + dporo.Vporo onde V é a fração volumétrica.

Assumir que a densidade de um poro é zero (dporo = 0):

Então:

14,5 = (19,3)VW +(0).Vporo

VW = 0,75

Vporo = 1-0,75 = 0,25.

Após a infiltração, a fração volumétrica de prata se iguala à fração volumétrica dos poros =

0,25

Entâo:

%Ag = (0,25).(10,49)/((0,25).(10,49)+ (0,75).(19,3) = 15,3%