Materias Compósitos 1 - fenix.tecnico.ulisboa.pt · Materiais Compósitos Industria Automóvel (1) O primeiro chassis totalmente em compósito apareceu em 1981 (McLaren MP4-1). O

Materiais CompMateriais Compóósitossitos

MateriaisMateriais CompCompóósitossitos

DisciplinaDisciplina de de MateriaisMateriais no no DesenvolvimentoDesenvolvimento do do ProdutoProdutoCapCapíítulotulo de de Materiais CompósitosMestradoMestrado emem EngenhariaEngenharia dada ConcepConcepççãoão


O O queque éé um material um material compcompóósitosito??

MateriaisMateriais compostoscompostos de 2 de 2 ouou maismaismateriaismateriais, , matrizmatriz e e reforreforçço(so(s), ), queque::

NãoNão sejamsejam miscmiscííveisveisCompativeisCompativeis quimicamentequimicamentePropriedadesPropriedades mecânicasmecânicas complementarescomplementaresPropriedadesPropriedades finaisfinais do do compositocomposito funfunççãoão((maismais ouou menosmenos linear) linear) dasdas propriedadespropriedadesdos dos constituintesconstituintes


IndustriaIndustria AutomAutomóóvelvel (1)(1)

O primeiro chassis totalmente em compósito apareceu em 1981 (McLaren MP4-1). O chassis da figura é o Prost AP-01 em fibra de carbono/epoxy, depois de um acidente (Canadá 1997). O habitáculo é sujeito, por regulamento, a testes de impacto, tendo sofrido dois embates laterais nos muros de betão do Circuito, o primeiro dos quais a cerca de 180km/h. Num chassis em alumínio, o piloto teria certamente perdido a vida. Os compósitos vulgarizaram-se na F1 a partir de 1983.


IndustriaIndustria automautomóóvelvel (2)(2)


EvoluEvoluççãoão dada utilizautilizaççãoão de de compcompóósitossitos nanaindustriaindustria aeronauticaaeronautica

Ontem (Airbus A300/310)

Compósitos9%

Aço13%

Titânio6%

Diversos5%

Ligas leves67%

Hoje (Airbus A320/340)

Aço13%

Titânio6%

Diversos5%

Compósitos18% Ligas leves

58%

Amanhã (A380)

Aço

Titânio Diversos

Compósitos

Ligas leves


Airbus A300/310Airbus A300/310

No “fin” traseiro, reduziu-se o peso em 20%, em relação ao alumínio. Éconstruído em 95 peças, enquanto anteriormente compreendia 2076 peças.

Dimensões do fin: 8,3m de altura e 7,8m de largura.


Airbus A320Airbus A320


Airbus A 380Airbus A 380

Exemplo da cauda vertical do Aibus A 380 que vai ser fabricado em material compósito recorrendo a perfis pultrudidos


HarrierHarrier

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

Estabilizador horizontal do Harrier AV-8B II a entrar no autoclave para iniciar o processo de cura.


IndIndúústriastria naval (1)naval (1)

O casco do navio da figura é feito em estrutura sandwich com faces em Kevlar/epoxy e núcleo em espuma de PVC, obtendo-se com esta construção uma maior resistência ao impacto com menor peso. As velas são também reforçadas com fibras


IndIndúústriastria Naval (2)Naval (2)

SequênciaSequência de de fabricofabrico ememmateriaismateriaiscompcompóósitossitos de um de um cascocasco de um de um navionavio


DefiniDefiniççãoão e e contextocontexto

Compósitos

Matriz metálica Matriz polimérica

Termo-endurecíveis Termo-plásticos

Fibras longas

Unidireccionais

Tecidos

Fibras curtas

Multiaxiais


FibrasFibras

RAZÃO L/d DAS FIBRAS

Quanto maior fôreste valor, maior será a resistência da fibra e consequentemente do compósito onde se insere


FibrasFibras

ProduProduççãoão de de fibrasfibras de de carbonocarbonoApresentaApresentaççãoão dasdasfibrasfibras de de vidrovidro e e carbonocarbono


PropriedadesPropriedades mecânicasmecânicas dasdas fibrasfibras (1)(1)


PropriedadesPropriedades mecânicasmecânicas dasdas fibrasfibras (2)(2)


FibrasFibras emem lâminaslâminas

Alguns arranjos típicos de fibras em cada camada de compósito

a - Fibras unidireccionais contínuas

b - Fibras descontínuas orientadas de modo aleatório

c - Fibras unidirecionaistecidas ortogonalmente


TiposTipos de de tecidostecidos


TecidosTecidos tritri--dimensionaisdimensionais


TiposTipos de de matrizmatriz

1. Good mechanical properties2. Good adhesive properties3. Good toughness properties4. Good resistance to environmental degradation


TiposTipos de de resinaresina (1)(1)


TiposTipos de de resinaresina (2)(2)


MicroMicro--mecânicamecânica (1)(1)

mLfLL εεε ==

ffmmL VEVEE +=

mmLffLLL AAAF σσσ +==

AA

EA

AEE

AA

AA m

mLmLf

fLfLLLm

mLf

fLL εεεσσσ +=⇔+=

mf AAA +=

f – fibra ; m – matriz

L – direcção das fibras

T – direcção transversal às fibras

Força na direcção das fibras



ForForççaa nana direcdirecççãoãoperpendicular perpendicular ààssfibrasfibras

mTfTT σσσ ==

m

m

f

f

Tm

m

mTf

f

fT

T

T

mmTffTTc

c

EV

EV

EV

EV

EE

VVll

+=⇒+=

+==∆

1σσσ

εεε



ExemploExemplo dada variavariaççãoão do do modulo de modulo de elasticidadeelasticidade de um de um compcompóósitosito ((EEcc) de ) de fibrafibra de de vidrovidro e e resinaresina poliesterpoliester ememfunfunççãoão dada % vol. de % vol. de fibrafibra ((VVff) ) e dos e dos respectivosrespectivos mmóódulosdulos EEff((fibrafibra) e ) e EEmm ((matrizmatriz))



mn

mfn

fn

c VEVEE )()()( +=


ConstantesConstantes de de elasticidadeelasticidade

m

m

f

f

T EV

EV

E+=

1

mmffLT VV ννν +=

m

m

f

f

LT GV

GV

G+=

1

Coef. de Poisson

Módulo de elasticidade transversal

Módulo de corte


ComportamentoComportamento dada LâminaLâmina

LT

LTLT

LL

LT

T

TT

TT

TL

L

LL

G

EE

EE

τγ

σνσ

ε

σνσ

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=

−=

−=

G

EE

Eν

E

xyxy

y

x

xy

y

yx

x

τγ

εε

ν

σνσε

σσ

ε

=

−=

−=

−=

Material Material isotrisotróópicopico Material ortotrópico


PropriedadesPropriedades dada camadacamada ortotrortotróópicapica

nh

h

Vgramagemh

ti

ffi

=

=ρ

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−

=⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

LT

T

L

LT

TL

LT

T

TL

L

LT

T

L

G

EE

EE

τσσ

ν

ν

γεε

100

01

01

Gramagem (gr/m2)

hi – espessura da camada elementar

ht – espessura total

n - camadas

T

TL

L

LT

EEνν

=


ConstantesConstantes segundosegundo qualquerqualquer direcdirecççãoão (1)(1)

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−−=

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

LT

T

L

xy

y

x

sccscscscs

cssc

γεε

γεε

)(22 22

22

22

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−−=

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

LT

T

L

xy

y

x

sccscscscs

cssc

τσσ

τσσ

)(2

2

22

22

22

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−

=⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

xy

y

x

xyy

y

x

x

xy

xy

yx

xy

xy

xy

y

yx

x

xy

y

x

GEE

GEE

GEE

γσσ

µη

µν

ην

γεε

1

1

1

c – cos θ

s – sen θ


ConstantesConstantes segundosegundo qualquerqualquer direcdirecççãoão (2)(2)

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

−−−

−−−

−−−

xy

y

x

xy

y

x

EEE

EEE

EEE

γεε

τσσ

332313

232221

131211

TLLTT

TLLT

LL

LTLTLTL

LTLTLTL

LTlLTTL

TLLTLTL

LTLTLTL

LTLTLTL

EE

Eque em

GEscEcEscsE

GEscEsEccsE

EscGEEscE

GscEEEscE

GEscEcEsE

GEscEsEcE

νννν

νθ

νθ

νθ

νθ

νθ

νθ

−=

−=

+−+−−=

+−−−−=

−+−+=

−+−+=

+++=

+++=

−−

−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

11 e

1

))2)((()(

))2)((()(

)()4()(

)()2()(

)2(2)(

)2(2)(

222223

222213

442212

222233

224422

224411


PropriedadesPropriedades do do laminadolaminado (1)(1)

ConsidereConsidere--se um se um laminadolaminado de de espessuraespessura h, h, nn camadascamadas sendosendo eekk a a espessuraespessura de de cadacadacamadacamada

Para solicitações no planoNx, Ny e TxyAs deformações sãouniformes em toda a espessuraAs solicitações estão emequilíbrio com as tensõesno laminado

∑∫

∑∫

∑∫

=

+

−

=

+

−

=

+

−

==

==

==

n

kkkxy

h

hxyxy

n

kkky

h

hyy

n

kkkx

h

hxx

edzT

edzN

edzN

1

2/

2/

1

2/

2/

1

2/

2/

)(

)(

)(

ττ

σσ

σσ


PropriedadesPropriedades do do laminadolaminado (2)(2)

As As tensõestensões podempodem ser ser espressasespressas emem funfunççãoão dasdasdeformadeformaççõesões, , considerandoconsiderando queque as as deformadeformaççõesõessãosão uniformesuniformes

xyyxk

n

kxy

k

y

k

x

k

xy

xyyxk

n

kxy

k

y

k

x

k

y

xyyxk

n

kxy

k

y

k

x

k

x

AAAeEEET

AAAeEEEN

AAAeEEEN

0330320311

033032031

0230220211

023022021

0130120111

013012011

γεεγεε

γεεγεε

γεεγεε

++=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

++=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

++=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

∑

∑

∑

=

−−−

=

−−−

=

−−−


PropriedadesPropriedades globaisglobais parapara solicitasolicitaççõesões no no planoplano do do laminadolaminado

[ ]⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

−−

−−

=⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

==⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

−

=∑

xy

y

x

xyy

y

x

x

xy

xy

yx

xy

xy

xy

y

yx

x

xy

y

x

xy

y

x

ji

n

kk

kijij

xy

y

x

xy

y

x

GEE

GEE

GEE

Ah

AeEAAAAAAAAAA

TNN

0

0

0

__

_

_

_

_

_

__

_

_

_

_

_

_

0

0

01

0

0

0

1

_

0

0

0

333231

232221

131211

1

1

1

que em

τσσ

µη

µν

ην

τσσ

γεε

γεε

Os Os coeficientescoeficientes AAijij sãosão independentesindependentes dada ordemordem de de empilhamentoempilhamento dadacamadacamadaNNxx e e NNyy provocamprovocam distordistorççõesões angularesangulares devidodevido a Aa A1313, A, A2323, A, A3131 e Ae A3232; ; estaestadistordistorççãoão desaparecedesaparece quandoquando o o laminadolaminado apresentaapresenta o o mesmomesmo nnúúmeromero de de camadascamadas com a com a direcdirecççãoão ++θθ e e ––θθ ((empilhamentoempilhamento simsiméétricotrico e e equilibradoequilibrado))


DeformaDeformaççõesões emem laminadoslaminadosExemplo da deformação não uniforme no plano, de um laminadocomposto de 2 lâminas de +30º e -30º, (não simétrico nemequilibrado), isto é o efeito de A13 e A23 serem não nulos


ExemploExemplo de de ccáálculolculo

CCáálculo constantes ellculo constantes eláásticassticas


LaminadosLaminados emem flexãoflexão (1)(1)TeoriaTeoria clcláássicassica de de laminadoslaminados

As As secsecççõesões transversaistransversaispermanecempermanecem planasplanas e e perpendicularesperpendiculares aoao eixoeixo apapóóssdeformadeformaççãoãoCampo de Campo de deslocamentosdeslocamentos uu, , vv e e wwSolicitaSolicitaççõesões: : momentosmomentos MMxx, M, Myy e e MMxyxy

0

00

00

wwy

wzvv

xw

zuu

=∂

∂−=

∂∂

−=

yxw

z

yw

z

xw

z

xyxy

yy

xx

∂∂∂

−=

∂∂

−=

∂∂

−=

02

0

02

0

02

0

2γγ

εε

εε


LaminadosLaminados emem flexãoflexão (2)(2)

∑ ∫∫

∑ ∫∫

∑ ∫∫

=

−−−+

−

=

−−−+

−

=

−−−+

−

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++==

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++==

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++==

−

−

−

n

k

z

zxy

k

y

k

x

kh

hxyxy

n

k

z

zxy

k

y

k

x

kh

hyy

n

k

z

zxy

k

y

k

x

kh

hxx

k

k

k

k

k

k

zdzEEEzdzM

zdzEEEzdzM

zdzEEEzdzM

1333231

2/

2/

1232221

2/

2/

1131211

2/

2/

1

1

1

γεετ

γεεσ

γεεσ

∑ ∫=

−−−

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∂−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂−=

−

n

k

z

zxy

k

y

k

xk

x dzyx

wzzE

yw

zzExw

zzEMk

k1

02

20132

02

20122

02

2011

1

2γεε

Exemplificando para Mx, através da substituição das deformações

Operando a separação dos termos em z e em z2

3 por oacompanhad

2 por oacompanhad

31

3

1

21

21

21

2

111

11

11

−

=

−−

−

−−

−

=

−−

−

−−

−=⇒

−=⇒

∑∫∫

∑∫∫

−−

−−

kkn

k

k

ijij

z

z

j

z

z

j

kkn

k

k

ijij

z

z

j

z

z

j

zzEDdzzEdzzE

zzEBzdzEzdzE

k

k

k

k

k

k

k

k


LaminadosLaminados emem flexãoflexão (3)(3)

⎪⎪⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

∂∂∂∂

∂∂

∂

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

⎪⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

yxwywxw

DDDBBBDDDBBBDDDBBBBBBAAABBBAAABBBAAA

MMMTNN

xy

y

x

xy

y

x

xy

y

x

02

20

2

20

20

0

0

333231333231

232221232221

131211131211

333231333231

232221232221

131211131211γεε

em que:

∑

∑

∑

=

−

=

−

=−

−

−=

−=

−=

n

k

kkkijij

n

k

kkkijij

n

kkk

k

ijij

zzED

zzEB

zzEA

1

31

31

21

21

1

3

2

)(

Os termos Bij (matriz B de acoplamento) são nulos sempre que existirsimetria no empilhamentoOs termos A13=A23=0 sempre que o empilhamento for equilibrado, i. e. tiverpares +θ e –θ do mesmo lado da simetriaOs termos D13 e D23 só são nulos quando o empilhamento tiver apenascamadas a 0o e 90o; para os empilhamentos com +θ e –θ verificar-se-ásempre D13≠0 e D23≠0


MMéétodostodos de de produproduççãoão de de laminadoslaminados

Produção de laminados

Método clássicopré-impregnados

Resin Transfer MoldingRTM

Prensa

Autoclave

Hand and Spraylay-up


Hand and spray layHand and spray lay--upup


Vacuum baggingVacuum bagging


EnrolamentoEnrolamento filamentarfilamentar


PultrusãoPultrusão


PrPréé--impregnadosimpregnados

FibrasFibras prpréé--impregnadasimpregnadas de de resinaresinaArmazenamentoArmazenamento a a --1818ººC (max 6 C (max 6 mesesmeses), ), devidodevido ààpresenpresenççaa de de resina+catalisadorresina+catalisadorDificuldadeDificuldade de de manuseamentomanuseamentoIdeal Ideal parapara produtosprodutos planosplanos, , semsem formasformas curvascurvas

AusenciaAusencia de de fibrasfibras nana direcdirecççãoão ZZEquipamentosEquipamentos pesadospesados de de produproduççãoão(autoclaves, (autoclaves, prensasprensas))CustosCustos elevadoselevados


Autoclave Autoclave parapara produproduççãoão de de compcompóósitossitos

FabricoFabrico com com prpréé--impregnadosimpregnados, com , com vváácuocuo e e emem autoclaveautoclave


TecidosTecidos MultiaxiaisMultiaxiais


Processo de fabrico RTM

fabricação de CRF contínuasredução de custos à volta de 30% relativamente a tecnologia

“clássica” baseada em pré-impregnados

Fases do processo

Pré-forma de fibras

coloca-se dentro da

cavidade do molde

Fecha-se o molde

Utilizando uma bomba move-se a resina e o

catalisador atéo misturador

Fim da fase de injecção

Início da fase de cura

Demoldação

A resina mistura-se

com o catalizador e começa a fase

de injecção


EquipamentoEquipamento de de injecinjecççãoão de de resinaresina


VantagemVantagem dada tecnologiatecnologia RTM RTM emem relarelaççãoãoàà utilizautilizaççãoão de prede pre--impregnadosimpregnados

•• Maior complexidade da formaMaior complexidade da forma

•• Dimensões mais precisasDimensões mais precisas

•• Melhor acabamento de superfMelhor acabamento de superfííciecie

•• Fibras na direcFibras na direcçção da espessuraão da espessura

•• Volume de fibras alto, atVolume de fibras alto, atéé 65%65%

•• IncorporaIncorporaçção directa dos insertosão directa dos insertos

•• ReduReduçção dos custos de fabricoão dos custos de fabrico

•• Possibilidade da automaPossibilidade da automaçção do processoão do processo

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