Compositos reforcados com_fibras

0 Compósitos Reforçados com Fibras

10/2/2014

Aramida, Carbono e Vidro-E | André Luiz Morgado

VR-BAJA COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS

VR-Baja


Compo sitos

Para dar inicio aos nossos estudos, precisamos primeiramente entender o que são compósitos.

De maneira geral, um compósito pode ser considerado como qualquer material multifásico que exi-

be uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases que o constituem, de modo tal

que é obtida uma melhor combinação de propriedades. De acordo com esse principio da ação com-

binada, melhores combinações de propriedades são criadas por uma combinação judiciosa de dois

ou mais materiais distintos. Um equilíbrio de propriedades também é obtido para muitos materiais

compósitos.

No projeto de materiais compósitos, os cientistas e os engenheiros combinam de maneira en-

genhosa vários metais, cerâmicas e polímeros, para produzir uma nova geração de materiais extra-

ordinários. A maioria dos compósitos foi criada para melhorar combinações de características mecâ-

nicas, tais como a rigidez, a tenacidade às resistências as condições do ambiente a temperaturas

elevadas

Muitos materiais compósitos são constituídos de apenas duas fases; uma é denominada matriz

(matrix phase), a qual é continua e envolve a outra fase, chamada com frequência de fase dispersa

(dispersed phase). As propriedades dos compósitos são função das propriedades das fases consti-

tuintes, das suas quantidades relativas e da geometria da fase dispersa. Nesse contesto, subenten-

de-se por ‘’geometria da fase dispersa’’ a forma, o tamanho, a distribuição e a orientação dessas

partículas; essas características estão representadas na figura 1.

Figura 1 representação

esquemática das diversas

características geométricas e

espaciais da partícula da

fase dispersa, que podem

influenciar as propriedades

dos compósitos: (a) concen-

tração, (b) tamanho, (c)

forma, (d) distribuição e (e)

orientação.

Um esquema simples para a classificação dos materiais compósito esta mostrada na figura 2,

que evidencia três divisões principais: os compósitos reforçados com partículas, os compósitos re-

forçados com fibras e os compósitos estruturais; além disso, existem pelo menos duas subdivisões

para cada divisão. A fase dispersa nos compósitos reforçados com partículas é equiaxial (as dimen-

sões das partículas são aproximadamente as mesmas em todas as direções); nos compósitos refor-

çados com fibras, a fase dispersa possui a geometria de uma fibra (uma grande razão entre o com-

primento e o diâmetro). Os compósitos estruturais são combinações de compósitos e materiais ho-

mogêneos.

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Figura 2 Um esquema de classificação para os vários tipos de compósitos.

Iremos concentrar nossos estudos apenas nos compósitos reforçados com fibras para depois fazer

um estudo mais aprofundado sobre a fibra de vidro, a fibra de carbono e a fibra aramida (kevlar).

Compo sitos Reforçados com Fibras

Tecnologicamente, os compósitos mais importantes são aqueles onde a fase dispersa esta na

forma de uma fibra. Os objetivos de projeto dos compósitos reforçados com fibras incluem, com

frequência, alta resistência e/ou rigidez em relação ao peso. Essas características são expressas em

termos dos parâmetros resistência especifica e modulo especifico, os quais correspondem, respec-

tivamente, as razoes entre o limite de resistência à tração e o peso especifico e entre o modulo de

elasticidade e o peso especifico. Compósitos reforçados com fibras com resistências e módulos es-

pecíficos excepcionalmente elevados têm sido fabricados empregando materiais de baixo peso es-

pecífico tanto para a fibra quanto para a matriz.

Influencia do comprimento da fibra

As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não dependem somente

das propriedades da fibra, mas também pelo grau pelo qual uma carga aplicada é transmitida para

as fibras pela matriz. A magnitude da ligação interfacial entre as fases fibra e matriz é importante

para a extensão dessa transmissão de carga. Sob a aplicação de uma tensão, essa ligação fibra-

Comósitos

Reforçados com partículas

Partículas grandes

Reforçado por dispersão

Reforçados com fibras

Contínuas (alinhadas)

Descontínuas (curtas)

Alinhadas Orientadas

aleatoriamente

estrutural

Laminados Painéis-

sanduíche

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matriz cessa nas extremidades da fibra, produzindo um padrão de deformação da matriz como esta

mostrando esquematicamente na Figura 3; em outras palavras, não existe qualquer transmissão de

carga a partir da matriz em cada uma das extremidades da fibra.

Figura 3 O padrão de deformação na

matriz que esta envolvendo uma fibra

submetida a uma carga de tração.

Um certo comprimento critico de fibra é necessário para um aumento efetivo na resistência e

na rigidez de um matéria compósito. Esse comprimento critico lc depende do diâmetro da fibra d e

de sua resistência máxima (ou limite de resistência a tração) , assim como da resistência da liga-

ção fibra-matriz (ou da tensão de escoamento ao cisalhamento da matriz, o que for menor) , de

acordo com

Para inúmeras combinações matriz-fibra de carbono, esse comprimento critico é da ordem de

1mm, o que se situa entre 20 e 150 vezes o diâmetro da fibra. Quando uma tensão igual a é apli-

cada a uma fibra que possui exatamente esse comprimento critico, tem-se como resultado o perfil

tensão-deformação mostrado na Figura 4a; ou seja, a carga máxima na fibra é atingida somente no

centro da fibra. Conforme o comprimento l aumenta, o reforço proporcionado pela fibra se torna

mais efetivo; isso esta demostrado na Figura 4b, que representa um perfil l > lc quando a tensão

aplicada é igual à resistência da fibra. A Figura 4c mostra o perfil tensão-deformação quando l < lc.

Figura 4

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As fibras para as quais l > > lc (normalmente l > 15lc) são denominadas fibras continuas; as

fibras descontinuas ou curtas possuem comprimentos menores do que este. Para fibras descon-

tinuas com comprimentos significativamente menores do que lc, a matriz se deforma ao redor da

fibra tal que virtualmente não existe qualquer transferência de tensão e há apenas um pequeno

reforço devido a fibra. Esses correspondem, essencialmente, aos compósitos particulados. Para que

se desenvolva uma melhora significativa na resistência do compósito, as fibras devem ser continu-

as.

Influencia da orientação e da concentração das fibras

O arranjo ou orientação das fibras umas em relação às outras, a concentração das fibras e sua

distribuição possuem uma influencia significativa sobre a resistência e outras propriedades dos

compósitos reforçados com fibras. Vários tecidos planos são fabricados a partir de uma série de con-

figurações. Os tecidos podem ser encontrados em diferentes gramaturas, largura, tipos de trama,

acabamento superficial compatível com vários sistemas de resina e orientação das fibras que variam

entre:

Unidirecionais: 0°

Tecidos unidirecionais são tecidos em que a maioria das fibras corre numa única direção. Uma

pequena quantidade de fibra ou outro material pode correr em outra direção com a principal inten-

ção de manter as fibras primárias juntas.

Figura 5 Unidirecional

Bidirecionais: 0°/90°

Nas tramas bidirecionais as fibras correm em duas direções perpendiculares de 0°/90°. Estão

disponíveis em uma grande variedade de tramas que terão diferentes características, as mais co-

muns são a plana, basket ou twil.

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Figura 6a Trama plana Figura 6b Trama twill

Biaxiais: 0°/90°, 45°/-45°

São formados por dois tecidos unidirecionais que não se cruzam, ligados por uma fina trama de

fios de poliéster. Como os fios ficam exatamente alinhados com a direção principal das tensões, sua

resistência é aproximadamente 40% maior do que os tradicionais woven rovings. Em geral, o peso

total do laminado é reduzido em 25%, o que é um ganho expressivo quando se trata estruturas de

alta performance. Esses tecidos biaxiais são produzidos em direções ortogonais [0°/90°] ou oblíquas

[45°/-45°] [60°/-60°], em várias gramaturas. Os padrões em direções não ortogonais são muito co-

nhecidos como double bias

Figura 7a 0°/90° Figura 7b 45°/-45°

Triaxiais: 0°/45°/-45º, 90°/45°/-45º

Os tecidos triaxiais apresentam três ou mais camadas unidirecionais alinhadas em diferentes di-

reções. Normalmente, tecidos triaxiais são comercializados nas direções [0°/45°/-45°] ou [90°/45°/-

45°].

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Figura 8a 0°/45°/-45° Figura 8b 90°/45°/-45°

Quadriaxiais: 0°/90°/45°/-45°

Os tecidos quadriaxiais apresentam quatro camadas unidirecionais alinhadas em diferentes di-

reções. Normalmente, esses tecidos são comercializados em direções de [45º, 0º, 90º e -45º].

Figura 9 0°/90°/45°/-45°

A fase fibra

Uma característica importante na maioria dos materiais, especialmente daqueles que são frá-

geis, é a de que uma fibra com pequeno diâmetro é muito mais resistente do que uma o material

volumétrico. A probabilidade da presença de um defeito superficial crítico capaz de levar a uma fra-

tura diminui com a redução do volume da amostra, e essa característica é usada de forma vantajosa

nos compósitos reforçados com fibras. Além disso, os materiais usados como fibras de reforço pos-

suem altos limites de resistência a tração.

Com base no seu diâmetro e na sua natureza, as fibras são agrupadas em três classificações di-

ferentes: whiskers, fibras e arames. Os whiskers são monocristais muito finos que possuem razões

comprimento-diâmetro extremamente grandes. Como consequência de suas pequenas dimensões,

eles possuem um alto grau de perfeição cristalina e são virtualmente livres de defeitos, o que lhes

confere resistências excepcionalmente elevadas; eles estão entre os materiais mais resistentes co-

nhecidos. Apesar dessas altas resistências, os whiskers não são usados extensivamente como um

meio de reforço, pois são extremamente caros. Além disso, é difícil e frequentemente impraticável

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incorporar whiskers em uma matriz. Os materiais dos whiskers incluem grafite, carbeto de silício,

nitreto de silício e óxido de alumínio; algumas das características mecânicas desses materiais estão

apresentadas na tabela 1.

Os materiais que são classificados como fibras podem ser tanto policristalinos quanto amorfos

e têm pequenos diâmetros; os materiais fibrosos são geralmente polímeros ou cerâmicas (por

exemplo, as aramidas poliméricas, vidro, carbono, boro, óxido de alumínio e carbeto de silício). A

tabela 1 também apresenta alguns dados para uns poucos materiais que são usados na forma de

fibras.

Os arames finos possuem diâmetros relativamente grandes; materiais típicos incluem o aço, o

molibdênio e o tungstênio. Os arames são utilizados como um reforço radial de aço nos pneus de

automóveis, nas carcaças de motores a jato enroladas com filamentos e em mangueiras de alta

pressão enroladas com arame.

Material Densidade Relativa

Limite de Resis-tencia à Tração [GPa(10⁶psi)]

Resistencia Especifica

(Gpa)

Módulo de Elas-ticidade

[Gpa(10⁶psi)]

Módulo Especifico

(Gpa)

Whiskers

Grafite 2,2 20 (3) 9,1 700 (100) 318

Nitreto de silí-cio

3,2 5-7 (0,75-1,0) 1,56-2,2 350-380 (50-55) 109-118

Óxido de alu-mínio

4,0 10-20 (1-3) 2,5-5,0 700-1500 (100-220)

175-375

Carbeto de silício

3,2 20 (3) 6,25 480 (70) 150

Fibras

Óxido de alu-mínio

3,95 1,38 (0,2) 0,35 379 (55) 96

Aramida (kevlar 49™)

1,44 3,6-4,1 (0,525-0,600)

2,5-2,85 131 (19) 91

Carbonoᵃ 1,78-2,15 1,5-4,8 (0,22-0,70)

0,70-2,70 228-724 (32-100)

106-407

Vidro-E 2,58 3,45 (0,5) 1,34 72,5 (10,5) 28,1

Boro 2,57 3,6 (0,52) 1,40 400 (60) 156

Carbeto de Silício

3,0 3,9 (0,57) 1,30 400 (60) 133

UHMWPE (Spectra900™)

0,97 2,6 (0,38) 2,68 117 (17) 121

Arames Metálicos

Aço de alta resistência

7,9 2,39 (0,35) 0,30 210 (30) 26,6

Molibidênio 10,2 2,2 (0,32) 0,22 324 (47) 31,8

Tungstênio 19,3 2,89 (0,42) 0,15 407 (59) 21,1

Tabela 1

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A fase matriz

A fase matriz dos compósitos fibrosos pode ser um metal, um polímero ou uma cerâmica. Em

geral, ou metais e os polímeros são usados como os materiais de matriz, pois alguma ductilidade é

desejável; para os compósitos com matriz cerâmica, o componente de reforço é adicionado para

melhorar a tenacidade à fratura.

Nos compósitos reforçados com fibras, a fase matriz serve para varias funções. Em primeiro lu-

gar, ela une as fibras umas as outras e atua como o meio através do qual uma tensão aplicada exter-

namente é transmitida e distribuída para as fibras; apenas uma proporção muito pequena de uma

carga aplicada é suportada pela fase matriz. Além disso, o material da matriz deve ser dúctil. Além

disso, o modulo de elasticidades da fibra deve ser muito maior do que aquele da matriz. A segunda

função da matriz é a de proteger as fibras individuais contra danos superficiais em decorrência da

abrasão mecânica ou de reações químicas com o ambiente. Tais interações podem introduzir defei-

tos superficiais que são capazes de formar trincas, as quais podem levar a fala sob baixos níveis de

tensão e tração. Finalmente, a matriz separa as fibras e, em virtude de sua relativa baixa dureza e

plasticidade, previne a propagação de trincas frágeis de uma fibra para outra, o que poderia resultar

em uma falha catastrófica; em outras palavras, a fase matriz serve como uma barreira contra a pro-

pagação de trincas. Embora algumas das fibras individuais falhem, a fratura total do compósito não

irá ocorrer ate que um grande numero de fibras adjacentes, uma vez que tenham falhado, forme um

aglomerado com dimensões criticas.

É essencial que as forças de ligação adesivas entre a fibra e a matriz sejam grandes, para mini-

mizar o arranchamento das fibras. De fato, a resistência da ligação é uma consideração importante

na consideração de uma combinação matriz-fibra. A resistência máxima do compósito depende em

grande parte da magnitude dessa ligação; uma ligação adequada é essencial para maximizar a

transmissão da tensão de uma matriz de baixa resistência para as fibras mais resistentes.

A partir daqui, estudaremos apenas os três tipos de compósitos com matriz polimérica que nos

interessam, os reforçados com fibras de vidro, carbono e aramida.

Compósitos com matriz polimérica

Os compósitos com matriz polimérica (PMC – Polymer-Matrix Composites) consistem em uma

resina polimérica como a matriz, com fibras como o meio de reforço. Esses materiais são usados na

maior diversidade de aplicações dos compósitos, assim como nas maiores quantidades, como con-

sequência de suas propriedades à temperatura ambiente, da facilidade de fabricação e do custo.

Com frequência é a matriz que determina a máxima temperatura de serviço, uma vez que ela nor-

malmente amolece, funde ou degrada em uma temperatura muito mais baixa do que a da fibra de

reforço.

As resinas poliméricas mais amplamente utilizadas e mais baratas são os poliésteres e os éste-

res vinílicos; essas matrizes são usadas principalmente em compósitos reforçados com fibras de vi-

dro. Um grande número de formulações dessas resinas proporciona uma ampla variedade de pro-

priedades para esses polímeros. Os epóxis são mais caros e, além de aplicações comerciais, também

são utilizados extensivamente em PMCs para aplicações aeroespaciais; eles possuem melhores pro-

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priedades mecânicas e uma maior resistência à umidade do que as resinas poliésteres e vinílicas.

Para aplicações em temperaturas elevadas, são empregadas resinas poliimidas; seu limite superior

de temperatura para utilização em regime contínuo é de aproximadamente 230°C (450°F). Finalmen-

te, as resinas termoplásticas para altas temperaturas oferecem potencial para serem usadas em

futuras aplicações aeroespaciais; tais materiais incluem a poli-éter-éter-acetona (PEEK - polyethe-

retherketone), o sulfeto de polifenileno [PPS – poly (phenylene sulfide)] e a polieterimida (PEI –

polyetherimide).

Geralmente, os PMCs são acrescidos de catalizadores no momento em que são aplicados às fi-

bras. Esses catalizadores têm por finalidade acelerar o processo de cura da resina. Uma proporção

resina-catalizador deve ser obedecida. Tal proporção vai influenciar diretamente no tempo de cura

do material .

As várias classificações dos PMCs serão discutidas de acordo com o tipo do reforço (vidro, car-

bono e aramida), juntamente com as suas aplicações e as varias resinas poliméricas que são empre-

gadas.

Compo sitos Polime ricos Reforçados com Fibras de Vidro (GFRP – Glass Fi-ber-Reinforced Polymer)

A expressão fabricado em fibra identifica simplesmente um compósito que consiste em fibras

de vidro, continuas ou descontinuas, contidas em uma matriz polimérica; esse tipo de compósito é

produzido nas maiores quantidades. A composição do vidro mais comumente estirado na forma de

fibra (algumas vezes chamado de Vidro-E) é dada por 55% de SiO₂, 16% de CaO, 15% de AI₂O₃, 10%

de B₂O₃ e uma parte de 4MgO; os diâmetros das fibras variam normalmente entre 3 e 20 μm. O vi-

dro é popular como um material de reforço na forma de uma fibra por varias razoes:

1. Ele é estirado com facilidade na forma de fibras de alta resistência a partir do estado fundi-

do.

2. Ele é um material facilmente disponível e pode ser fabricado economicamente em um plás-

tico reforçado usando uma ampla variedade de técnicas de fabricação de compósitos.

3. Como uma fibra, ele é relativamente resistente e, quando incorporado em uma matriz de

plástico, produz um compósito que possui uma resistência especifica muito alta.

4. Quando associado a diferentes plásticos, ele possui uma inercia química que torna o compó-

sito útil em inúmeros ambientes corrosivos.

As características da superfície das fibras de vidro são extremamente importantes, pois mesmo

diminutos defeitos superficiais podem afetar negativamente as propriedades de tração. Os defeitos

superficiais são introduzidos com facilidade pelo atrito ou pela abrasão da superfície com um outro

material duro. Além disso, as superfícies de vidro que tenham sido expostas à atmosfera normal,

mesmo que por apenas curtos períodos de tempo, possuem geralmente uma camada superficial

enfraquecida que interfere na ligação com a matriz. As fibras ao serem estiradas são geralmente

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revestidas durante o estiramento com uma ‘’cobertura’’, ou seja, com uma fina camada de uma

substancia que protege a superfície da fibra contra danos e interações indesejáveis com o ambiente.

Normalmente, essa ‘’cobertura’’ é removida antes da fabricação do compósito e substituída por um

‘’agente de acoplamento’’ ou acabamento, o qual promove uma ligação química entre a fibra e a

matriz.

Existem varias limitações para esse grupo de materiais. Apesar de possuírem resistências eleva-

das, eles não são muito rígidos e não exibem a rigidez que é necessária para algumas aplicações

(como por exemplo, elementos estruturais para aviões e pontes). A maioria dos materiais em fibra

de vidro esta limitada a temperaturas de serviço abaixo de 200°C (400°F); em temperaturas mais

altas, a maioria dos polímeros começa a escoar ou a se deteriorar. As temperaturas de serviço po-

dem ser estendidas ate aproximadamente 300°C (575°F) pelo uso de sílica fundida de alta pureza

para as fibras e de polímeros de alta temperatura, tais como as resinas poliimidas.

Muitas das aplicações das fibras de vidro são familiares: carcaças de automóveis e barcos, tubu-

lações de plástico, recipientes para armazenamento e pisos industriais. As indústrias de transporte

estão utilizando quantidades cada vez maiores de plásticos reforçados com fibras de vidro, em um

esforço para reduzir o peso dos veículos e aumentar a eficiência dos combustíveis. Uma gama de

novas aplicações esta sendo empregada ou esta atualmente sob investigação pela indústria automo-

tiva.

Compo sitos Polime ricos Reforçados com Fibras de Carbono (CFRP – Carbon Fiber-Reinforced Polymer)

O carbono é um material fibroso de alto desempenho, que é o reforço mais comumente utiliza-

do em compósitos avançados de matriz polimérica (que não usam fibra de vidro). A razoes para tal

são as seguintes:

1. As fibras de carbono possuem o maior modulo especifico e a maior resistência especifica

dentre todas as fibras de reforço.

2. Elas retêm os seus elevados módulos de tração e resistências sob temperaturas elevadas; a

oxidação em altas temperaturas, no entanto, pode ser um problema.

3. Na temperatura ambiente, as fibras de carbono não são afetadas pela umidade ou por uma

grande variedade de solventes, ácidos e bases.

4. Essas fibras exibem uma diversidade de característica físicas e mecânicas, permitindo que os

compósitos que incorporam essas fibras tenham propriedades especificamente engenheira-

das.

5. Foram desenvolvidos processos de fabricação para as fibras e para os compósitos que são

relativamente baratos e de boa relação custo-benefício.

O uso do termo ‘’fibra de carbono’’ pode parecer surpreendente, uma vez que o carbono é um

elemento e a forma estável do carbono cristalino nas condições ambientes é a grafita, cuja estrutura

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esta representada na figura 10. As fibras de carbono não são totalmente cristalinas, mas são com-

postas tanto por regiões grafíticas quanto por regiões não-cristalinas; essas áreas onde não há crista-

linidade estão desprovidas do arranjo ordenado tridimensional de redes hexagonais de carbono que

é característico da grafita (figura 10).

Figura 10 A estrutura da grafita

As técnicas de fabricação para a produção de fibras de carbono são relativamente complexas e

não serão aqui discutidas. No entanto, três materiais orgânicos precursores diferentes são utilizados:

o raiom, a poliacrilonitrila (PAN) e o piche. A técnica de processamento ira variar de acordo com o

precursor, da mesma forma como irão variar as características da fibra resultante.

Um sistema de classificação para as fibras de carbono é feiro de acordo com seu modulo em

tração; com base nesse critério, as quatro classes são as de modulo padrão, intermediário, alto e

ultra-alto. Além disso, os diâmetros das fibras variam normalmente entre 4 e 10 μm e estão disponí-

veis tanto em formas continuas quanto picadas. Além disso, as fibras de carbono são normalmente

revestidas com uma cobertura protetora de epóxi, a qual também melhora a adesão à matriz poli-

mérica.

Atualmente, os compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono estão sendo empre-

gados extensivamente em equipamentos esportivos e de recreação (varas de pescar, tacos de golfe),

em carcaças de motores a jato enroladas com filamentos, em vasos de pressão e em componentes

estruturais de aeronaves – tanto militares quanto comerciais, de asas fixas e helicópteros (por

exemplo, componentes da asa, da fuselagem, do estabilizador e da empenagem).

Compo sitos Polime ricos Reforçados com Fibras Aramidas

As fibras aramidas são materiais de alta resistência e alto modulo que foram introduzidos no

inicio da década de 1970. Eles são especialmente desejados devido às suas excepcionais relações

resistência-peso, que são superiores às dos metais. Quimicamente, esse grupo de materiais é conhe-

cido como poli (parafenilenotereftalamida). Existe uma variedade de aramidas; os nomes comerciais

para duas das mais comuns são Kevlar™ e Nomex™. Para o primeiro, existem vários tipos (quais se-

jam, Kevlar 29, 49 e 149), que representam diferentes comportamentos mecânicos. Durante a sínte-

se, as moléculas rígidas são alinhadas na direção do eixo das fibras, como os domínios de cristais

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líquidos; a unidade repetida e o modo

de alinhamento da cadeia estão repre-

sentados na figura 11. Mecanicamen-

te, essas fibras possuem módulos e

limites de resistência a tração longitu-

dinais (tabela 1) que são maiores do

que os de outros materiais poliméricos

fibrosos; entretanto, elas são rela-

tivamente pouco resistentes sob com-

pressão. Adicionalmente, esse materi-

al é conhecido pela sua tenacidade,

resistência ao impacto e resistências à

fluência e à falha por fadiga. Embora

as aramidas sejam termoplásticos, elas

são, todavia, resistentes a combustão e estáveis ate temperaturas relativamente elevadas; a faixa de

temperaturas na qual elas mantêm as suas elevadas propriedades mecânicas está entre -200°C e

200°C (-330°F e 390°F). Quimicamente, elas são suscetíveis à degradação pela ação de ácidos e de

bases fortes, mas são relativamente inertes frente a outros solventes e produtos químicos.

As fibras aramidas são utilizadas mais frequentemente em compósitos que possuam matrizes

poliméricas; materiais comum para as matrizes são os epóxis e os poliésteres. Uma vez que as fibras

são relativamente flexíveis e um tanto dúcteis, elas podem ser processadas pelas operações têxteis

mais comuns. As aplicações típicas desses compósitos com aramidas incluem produtos balísticos

(coletes e blindagens à prova de balas), artigos esportivos pneus, cordas, carcaças de misseis, vasos

de pressão, assim como um substituto para o amianto em freios automotivos e em revestimentos de

embreagens, e gaxetas.

As propriedades de compósitos de matriz epóxi reforçadas com fibras, contínuas e alinhadas, de

vidro, de carbono e aramidas estão incluídas na tabela 2. Dessa forma, pode ser feita uma compara-

ção entre as características mecânicas desses três materiais, tanto para a direção longitudinal quan-

to para a transversal.

Propriedade Vidro (Vidro-E) Carbono (Alta Resistência) Aramida (Kevlar 49)

Densidade relativa 2,1 1,6 1,4

Módulo de tração

Longitudinal [GPa (10⁶ psi)] 45 (6,5) 145 (21) 76 (11)

Transversal [GPa (10⁶ psi)] 12 (1,8) 10 (1,5) 5,5 (0,8)

Limite de resistência a tração

Longitudinal [Mpa (ksi)] 1020 (150) 1240 (180) 1380 (200)

Transversal [Mpa (ksi)] 40 (5,8) 41 (6) 30 (4,3)

Deformação no limite de resistência à tração

Longitudinal 2,3 0,9 1,8

Transversal 0,4 0,4 0,5

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Tabela 2 propriedade nas direções longitudinal e transversal de compósitos com matriz epóxi refor-

çados com fibras contínuas e alinhadas de vidro, de carbono e de aramidas. Em todos os casos, a

fração volumétrica da fibra é de 0,60.

Processamento de compo sitos reforça-dos com fibras

Para a fabricação de plásticos reforçados com fibras contínuas que atendem as especificações

de projeto, as fibras devem estar distribuídas uniformemente na matriz plástica e, na maioria dos

casos, todas devem estar orientadas virtualmente na mesma direção. Nessa seção, serão discutidas

varias técnicas (os processos de produção por pultrusão, enrolamento filamentar e prepreg) para a

fabricação de produtos úteis originados desses materiais.

Pultrusão

A pultrusão é utilizada para a fabricação de componentes com comprimentos contínuos e com

a forma constante da seção transversal (barras, tubos, vigas, etc). nessa técnica, que esta ilustrada

esquematicamente na figura 12 , as mechas ou cabos de fibras continuas são primeiramente im-

pregnadas com uma resina termofixa; elas são puxadas através de um molde de aço que as pré-

conforma para a configuração desejada e que também estabelece a razão resina/fibra. O material

passa então através de um molde de cura que é usinado com precisão, a fim de conferir à peça a sua

forma final; esse molde também é aquecido para iniciar a cura da matriz de resina. Um dispositivo

puxa o material através dos moldes e também determina a velocidade de produção. É possível fazer

tubos e seções ocas usando-se mandris centrais ou pela inserção de núcleos ocos. Os principais re-

forços são as fibras de vidro, de carbono e aramidas, que são adicionadas normalmente em concen-

trações entre 40 e 70%v. os materiais comumente utilizados como matriz incluem os poliésteres, os

ésteres vinílicos e as resinas epóxi.

A pultrusão é um processo contínuo facilmente automatizado; as taxas de produção são relati-

vamente altas, tornando-o muito eficiente em termos de custos. Além disso, é possível obter uma

ampla variedade de formas, não havendo realmente qualquer limite prático para o comprimento do

material que pode ser fabricado.

Figura 12 Diagrama esquemático mostrando o processo de pultrusão.

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Processos de produção prepreg

Prepreg é o termo utilizado pela indústria de compósitos para fibras contínuas de reforço pré-

impregnadas com uma resina polimérica, que está parcialmente curada. Esse material é enviado

para o fabricante na forma de uma fita, que então o molda diretamente e cura por completo o pro-

duto sem a necessidade de qualquer adição de resina. Essa é provavelmente a forma de material

compósito mais amplamente utilizada para aplicações estruturais.

O processo de fabricação prepreg, que esta representado esquematicamente para polímeros

termofixos na figura 13, começa pela colimação de uma serie de mechas de fibras contínuas previa-

mente enroladas em bobinas. Essas mechas são então ‘’ensanduichadas’’ e prensadas entre folhas

de papel de desmoldagem e de suporte, com o emprego de rolos aquecidos, em um processo de-

nominado ‘’calandragem’’. A folha de papel de desmoldagem foi revestida com uma fina película de

uma solução aquecida de resina de viscosidade relativamente baixa, de forma a proporcionar a

completa impregnação das fibras. Uma espátula espalha resina formando um filme com espessura e

largura uniformes. O produto final, o prepreg, - a fita fina que consiste em fibras contínuas e alinha-

das em uma resina parcialmente curada – é preparado para embalagem enrolando-o em uma bobi-

na de papelão. Como está mostrado na figura 13, a folha de papel de desmoldagem é removida con-

forme a fita impregnada é enrolada. As espessuras típicas para a fita variam entre 0,08 e a,25 mm, as

larguras das fitas variam entre 25 e 1525 mm, enquanto o teor de resina fica geralmente entre apro-

ximadamente 35 e 45%v.

Na temperatura ambiente, a matriz termofixa sofre as reações de cura; portanto, o prepreg é

armazenado a 0°C (32°F) ou menos. Além disso, o tempo em uso à temperatura ambiente (ou ‘’tem-

po fora’’) deve ser minimizado. Se manuseados da maneira apropriada, os prepregs de resina termo-

fixas possuem um tepo de vida útil de pelo menos seis meses, ate mais do que isso.

Tanto resinas termoplásticas quanto resinas termofixas são utilizadas; fibras de carbono, vidro e

aramidas são os reforços comumente utilizados.

A fabricação efetiva começa com o ‘’empilhamento’’ – a colocação de fita de prepreg sobre a

superfície da ferramenta. Normalmente, varias camadas são colocadas umas sobre as outras (após a

retirada do papel de revestimento usado como suporte) para atingir a espessura desejada. O arranjo

de colocação das camadas pode ser unidirecional, porém, com maior frequência, a orientação das

fibras é alternada, de forma a produzir um laminado com camadas cruzadas ou com camadas em

ângulo. A cura final é obtida pela aplicação simultânea de calor e pressão.

O procedimento de empilhamento pode ser executado de forma totalmente manual (empilha-

mento manual), onde o operador tanto corta os comprimentos das fitas quanto as posiciona na ori-

entação desejada sobre a superfície da ferramenta. Alternativamente, os conjuntos de fita podem

ser cortados à maquina e, então, colocados manualmente na posição. Os custos de fabricação po-

dem ser reduzidos ainda mais com a automação do empilhamento e do posicionamento do prepreg,

e também de outros procedimentos de fabricação (por exemplo, do enrolamento dos filamentos,

como será discutido a seguir), o que elimina virtualmente a necessidade de mão-de-obra. Esses mé-

todos automatizados são essenciais para que muitas aplicações de materiais compósitos sejam efi-

cazes em termos de custo.

VR-Baja


Figura 13 Diagrama esquemático ilustrando a produção de fitas de prepreg usando um políme-

ro termofixo.

Enrolamento filamentar

O enrolamento filamentar é um processo no quais fibras contínuas de reforço são posicionadas

de uma maneira precisa, de acordo com um padrão predeterminado, para gerar uma peça oca (ge-

ralmente cilíndrica). As fibras, tanto na forma de fios individuais quanto na forma de mechas, são

primeiramente alimentadas através de um banho de resina e, então, enroladas continuamente ao

redor de um mandril, utilizando em geral um equipamento de enrolamento automático (figura 14).

Após o numero apropriado de camadas terem sido aplicados, a cura é conduzida ou em um forno ou

à temperatura ambiente, após o mandril é removido. Como alternativa, prepregs estritos e finos

(exemplo: mechas impregnadas) com 10 mm ou menos de largura podem ser enrolados.

São possíveis vários padrões de enrolamento (circunferencial, helicoidal e polar) para gerar as

características mecânicas desejadas. As peças obtidas por enrolamento filamentar possuem razoes

resistência-peso muito alta. Além disso, essa técnica permite um alto grau de controle sobre unifor-

midade e a orientação do enrolamento. Adicionalmente, quando automatizado, o processo é muito

atrativo em termos econômicos. Estruturas comuns fabricadas por enrolamento filamentar incluem

as carcaças de motores de foguetes, tanques de armazenamento e tubulações, e vasos de pressão.

Atualmente, estão sendo utilizadas técnicas de fabricação para a produção de uma grande vari-

edade de formas estruturais, que não estão limitadas necessariamente a superfícies de revolução

(como por exemplo, vigas em ‘’I’’). essa tecnologia esta avançando muito rapidamente, pois é muito

eficiente em relação ao custo.

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16 VR-Baja

Figura 14 Representações esquemáticas das técnicas de enrolamento filamentar Helicoidal, cir-

cunferencial e polar.

Informaço es Adicionais

Dosagem recomenda de catalizador

Deve-se sempre usar uma quantidade adequada de peróxido para iniciar o processo e curar

uma resina. Geralmente, o teor varia de 0,75 a 3%. Ao se usar valores extremos deve-se tomar muito

cuidado. Porque poderá haver cura incompleta. Por questões de segurança, é interessante manter o

teor em 1 a 2,5%, pois este valor é suficiente.

O uso de catalisador em excesso acarretara um alto numero de cadeias curtas reagindo ao

mesmo tempo, tornando a resina curada muito fraca e com propriedades físicas muito pobres. Por

outro lado, a falta de catalisador deixara o gel time muito longo e o crescimento da cadeia poliméri-

ca irá cessar antes que todos os grupos insaturados entrem em reação. A resina por fim não curará

adequadamente, mesmo que pós-curada, tendendo a ser fisicamente fraca e possivelmente embor-

rachada. Em suma, a redução no teor do catalisador certamente alongara o gel time, e poderá não

existir radicais livres suficientes para curar adequadamente a resina.

VR-Baja


Agentes de cura

-Amínicos: aminas alifáticas (DETA, dietilenotriamina) e aminas aromáticas (DDM (difenil diami-

no metileno), DDS (difenil diamino sulfona)).

-Anidridos : menor reatividade que as aminas aromáticas, ciclos de cura relativamente longos;

- Geralmente sao usados com aceleradores (aminas terciárias BDMA - benzildimetilamina): sis-

temas tricomponentes.

Quantidade de Amina:

Peso equivalente em hidrogênio ativo [PEHA] ou Massa equivalente em hidrogênio ativo

[MEHA]:

Unidade: gramas / equivalente.

(também referido como peso equivalente hidrogênio-amina)

–Definição: massa molar da amina dividida pelo número de hidrogênios ativos.

Partes em peso do agente de cura por cem partes de resina [phr] unidade: gramas

–Definição: gramas do endurecedor necessárias para cem gramas de resina epóxi.

Como calcular a razão da mistura

•Massa equivalente em hidrogênio ativo [MEHA]

•Massa equivalente em epóxi [MEE]

Quantidade de endurecedor necessária para 100 g de resina epóxi = (100 * MEHA) / MEE

A razão da mistura pode ser otimizada para alcançar as propriedades desejadas.

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18 VR-Baja

Algumas das principais resinas poliméricas usadas R

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VR-Baja


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20 VR-Baja

Alguns dos principais materiais compósitos

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ANOTAÇÕES

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ANOTAÇÕES

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ANOTAÇÕES

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ANOTAÇÕES

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ANOTAÇÕES

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ANOTAÇÕES

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ANOTAÇÕES

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Bibliografia Ciência e Engenharia dos Materiais: uma Introdução, 7ᵒ edição / William D. Callister, Jr. – ed. LTC

Materials Science and Engineering: An Introduction, 8ᵒed. /William D. Callister, Jr

Barcos: Métodos Avançados de Construção em Composites / Jorge Nasseh

Matrizes para Materiais Compósitos/Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) - Campus Itabira