Materiais compósitos

1. Materiais compósitos EMI – Engenharia Mecânica 1º. Sem/2011 Luis Carlos Resnauer 2011/1

2. Introdução • Tecnologias modernas exigem materiais com combinações incomuns de propriedades que não podem ser atendidas pelos materiais convencionais isoladamente. Exemplo: Materiais com baixa densidade mas fortes e rígidos, resistentes à abrasão e ao impacto e que não corroam. Luis Carlos Resnauer 2011/1

3. Introdução • Compósito: Material multifásico, obtido da combinação de materiais diferentes a fim de atingir propriedades que os componentes individuais não atingem. • A principal característica dos compósitos é que as duas fases presentes são completamente distintas, formando uma interface entre elas. Luis Carlos Resnauer 2011/1

4. Compósitos – Fases Os materiais compósitos apresentam duas fases: • Matriz: É a fase contínua, envolve a fase dispersa e a mantém na sua posição relativa. Pode ser constituída por polímeros, metais ou cerâmicas • Dispersa: é constituída pelo material de reforço, que confere grande parte das propriedades características dos compósitos. Podem ser particulados, fibras descontínuas ou fibras contínuas. Luis Carlos Resnauer 2011/1

5. Propriedades de um compósito Dependem • Propriedades das fases constituintes • Das quantidades relativas das fases constituintes • Da geometria da fase dispersa Luis Carlos Resnauer 2011/1

6. Compósitos – Matriz • Constituída por metais, polímeros ou cerâmicas • Metais e polímeros – ductilidade desejável • Cerâmicas – aumentar a resistência à fratura • mantém a fase dispersa unida • transmite e distribui a força externa aplicada para a fase dispersa • Energia de interação entre a matriz e o reforço deve ser elevada para minimizar o “pull-out” (arrancamento da fibra) Luis Carlos Resnauer 2011/1

7. Compósitos – Fases dispersas Luis Carlos Resnauer 2011/1

8. Compósitos – Fases dispersas Luis Carlos Resnauer 2011/1

9. Tipos de compósitos Luis Carlos Resnauer 2011/1

10. Tipos de compósitos (cont.) • Partículas em um polímero • Compósito com carga de disco • Esferas em um polímero • Compósito na forma de dado • Cilindros em um polímero • Compósito sanduiche • Compósito vitro-cerâmica • Compósito com reforço transversal • Compósito colméia (“honeycomb”) transversal • Compósito colméia (“honeycomb”) horizontal • Compósito com um único lado perfurado • Compósito com dois lados perfurados • Compósito “replamine” • Compósito “burps” • Compósito sanduiche entrecruzado • Compósito escada estruturado Luis Carlos Resnauer 2011/1

11. Compósitos reforçados com partículas Características gerais: • Em geral a fase particulada é mais dura e mais rígida que a matriz. • A matriz transfere parte da tensão aplicada às partículas que suportam uma fração da carga • Diâmetro das partículas de o,o1 μm até 0,1μm para dispersões com partículas pequenas. Luis Carlos Resnauer 2011/1

12. Compósitos reforçados com fibras • Em geral deseja-se nesses materiais alta resistência, tenacidade e rigidez em relação ao seu peso. Luis Carlos Resnauer 2011/1

13. Tipos de compósitos reforçados com fibras. Compósito reforçado com fibras: • Contínuo e alinhado (Fig. (a) ao lado) melhora a resistência • Descontínuo (curto): Fibra curta pouca alteração na resistência. • Alinhado (Fig. (b) ao lado) • Orientado aleatoriamente (Fig. (c) ao lado) Luis Carlos Resnauer 2011/1

14. Comportamento mecânico de compósito reforçado com fibras. Curvas tensão- deformação Compósito Materiais individuais Luis Carlos Resnauer 2011/1

15. Compósitos reforçados com fibras Exemplos de fibras: • De vidro • De carbono • De aramida Exemplos de matrizes: • Em geral metais ou polímeros, pois se deseja alguma ductilidade da matriz, e as fibras já são frágeis, mas pode ser cerâmicas também (matriz frágil e fibras frágeis) Luis Carlos Resnauer 2011/1

16. Resistências à tração na direção longitudinal e transversal às fibras Luis Carlos Resnauer 2011/1

17. Compósitos com matriz polimérica • Com fibra de vidro: diâmetro da fibra de 3 a 20 μm (pisos industriais, recipientes para armazenamento, tubulações) Processo Embobinamento (“Winding”) Processo HandLay-up Luis Carlos Resnauer 2011/1

18. Compósitos com matriz polimérica • Com fibra de carbono: (equipamentos esportivos, componentes estruturais de aeronaves, hélice de helicóptero) Tecido de fibra de carbono Roda em fibra de carbono apresentada no Detroit Auto Show 2009 Hélice em fibra de carbono Luis Carlos Resnauer 2011/1

19. Compósitos com matriz polimérica • Com fibra de aramida: Nomes comerciais Kevlar e Nomex + epóxi ou poliéster. (Cordas, coletes a prova de bala, carcaça de mísseis, substituição do amianto em freios, embreagem gaxetas etc.) Luis Carlos Resnauer 2011/1

20. Comparação entre as propriedades de um polímero sem e com o reforço de fibras de vidro Sem reforço Com reforço Luis Carlos Resnauer 2011/1

21. Compósitos de matriz metálica Resiste à temperaturas mais altas que compósitos com matriz polimérica. MATRIZ: • Superligas: (a base de níquel, cobalto, molibdênio. • Ligas de alumínio • Ligas de magnésio • Ligas de titânio • Ligas de cobre FIBRAS: (10 a 60% vol.) • de carbono • de carbeto de silício SiC. • de alumina (particulados em geral) Luis Carlos Resnauer 2011/1

22. Comparação entre as propriedades de vários compósitos metal – reforço de fibra Luis Carlos Resnauer 2011/1

23. Compósitos carbono - carbono • Um dos materiais mais avançados e promissores em engenharia é o compósito de MATRIZ DE CARBONO com reforço de FIBRA DE CARBONO. • Grande resistência mecânica e a fluência alta tenacidade baixa expansão térmica e ótima condutividade térmica. Luis Carlos Resnauer 2011/1

24. Processamento dos compósitos reforçados com fibras Pultrusão: formatos de seção reta constante • Mechas ou cabos de fibras são impregnados com uma resina termofixa, sendo então estirados através de um molde de aço aquecido. • Passa na sequencia em um molde de cura aquecido que confere a peça sua forma final. • Matrizes usuais: Poliésteres, resinas epóxi. • Fibras usuais: vidro, carbono, aramida Luis Carlos Resnauer 2011/1

25. Processamento dos compósitos reforçados com fibras Prepreg: Processo mais utilizado para estruturas. • Fibras contínuas pré-impregnadas com resina polimérica parcialmente curadas. • Esse material é enviado ao fabricante em forma de fita. Essa fita molda e cura por completo com calor e pressão. • Teor de resina: 35 a 45 % em vol. termofixa ou termoplástica. • Após a remoção do papel de suporte várias camadas são colocadas, em geral com as fibras cruzadas para se ter mesma resistência nos dois sentidos Luis Carlos Resnauer 2011/1

26. Processamento dos compósitos reforçados com fibras Luis Carlos Resnauer 2011/1

27. Processamento dos compósitos reforçados com fibras Enrolamento de filamento: Processo no qual as fibras de reforço contínuas são posicionadas segundo um padrão pré-determinado para compor uma forma oca geralmente cilíndrica • Fios individuais ou em mechas são alimentados através de um banho de resinas e em seguida enroladas continuamente ao redor de um mandril (processo automático). Luis Carlos Resnauer 2011/1

28. Processamento dos compósitos reforçados com fibras • Após um número apropriado de camadas a cura é executada em forno ou a temperatura ambiente após a retirada do mandril. • Como alternativa pode-se enrolar prepregs estreitos e delgados (até 10 mm) ao redor do mandril. Luis Carlos Resnauer 2011/1

29. Compósitos estruturais • Compósitos laminares: Folhas ou painéis bidimensionais são cimentados umas as outras invertendo a direção do alinhamento das fibras de cada placa • Ex: Esqui moderno Luis Carlos Resnauer 2011/1

30. Compósitos estruturais Painéis em forma de sanduíches: Duas folhas externas mais resistentes separadas por uma camada de material menos denso. • Folhas externas • Recheio interno: Polímeros com espuma, colmeias. • Ex: Asas e fuselagem de aeronaves telhados, pisos, paredes. Luis Carlos Resnauer 2011/1

31. Nanocompósitos • A fase dispersa apresenta dimensões na escala de nanômetros (10-9 m) • Pequenos teores (2 -5%) apresentam propriedades superiores a materiais carregados com cargas convencionais (20-40%) • Principais nanocompósitos: polímeros reforçados com nano-argilas Luis Carlos Resnauer 2011/1

32. Nanocompósitos • Nanocompósitos poliméricos apresentam três possibilidades de interação com as nano-argilas: • Compósito convencional • Compósito intercalado • Compósito exfoliado Quanto maior o grau de exfoliação mais efetiva é a interação entre a matriz e a carga, ou seja, melhores as propriedades. Luis Carlos Resnauer 2011/1

33. Nanocompósitos Luis Carlos Resnauer 2011/1