aula 23 e 24_compósitos
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MATERIAIS COMPÓSITOS
Profa. Kaline Melo de Souto Viana
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Ex.: Esqui
Seção transversal de um esqui de
alto desempenho
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O QUE SÃO COMPÓSITOS
Na engenharia, um material compósito é geralmente entendido como
um material cujos constituintes se diferenciam à escala da
microestrutura ou, de preferência, à macro estrutura.
Um material compósito é uma mistura física de dois
ou mais materiais, combinados para formar um novo material
de engenharia útil com propriedades diferentes aos
componentes puros.
Polímeros
Metais Cerâmicas
Compósitos
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MATERIAIS COMPÓSITOS
Tecnologias modernas combinações não-usuais de propriedades
Aeroespaciais Subáquaticas
Transporte
Não atendidas pelos materiais convencionais:
Metais e suas ligas
Cerâmicas e vidros
Polímeros
Exemplo: Indústria aeronáutica busca por materiais com:
* baixa densidade * alta resistência e rigidez * resistência à abrasão e ao impacto * resistência à corrosão
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MATERIAIS COMPÓSITOS
Na prática:
* materiais resistentes são geralmente densos
* aumento na rigidez/resistência resist. ao impacto
Faixas de tipos e propriedades dos materiais estão sendo ampliadas pelo
desenvolvimento dos COMPÓSITOS.
Objetivo:
combinar de maneira “engenhosa” (criativa) vários metais,
cerâmicas e polímeros de forma a produzir uma nova geração
de materiais extraordinários.
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• A importância dos compósitos em engenharia advém do fato de que, ao combinar-se dois ou mais materiais diferentes, se pode obter um material compósito cujas propriedades são melhores, em alguns aspectos, às propriedades de cada um dos componentes.
Qual a importância na
engenharia?
• Ao invés de desenvolver um novo material que pode ou não ter as propriedades desejadas para uma determinada aplicação, modifica-se um material já existente, através de incorporações de outro componente.
Qual é o objetivo de preparar um
compósito?
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Aplicação: Automobilística: painéis , encaixe de faróis, para-choques,
carrocerias, etc.
Aeronáutica: hélices de helicópteros, aeronave, trem de
pouso, etc.
Náutica: casco de barcos, painéis, mastros, boias de
sinalização, etc.
Química: tubos, tanques de alta pressão, containers para
armazenamento de produtos corrosivos, etc.
Elétrica: suportes de cabos elétricos, painéis, isolantes,
chaves de comando, postes de alta tensão, etc.
Esportiva: itens de piscina, esquis, tacos de golfe, raquetes de
tênis, etc.
Outros: pontes, caixas d’água, plataforma de petróleo, etc.
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MATERIAIS COMPÓSITOS
São constituídos por apenas duas fases:
MATRIZ: fase contínua
REFORÇO: fase dispersa
As propriedades dos compósitos são uma função:
* das propriedades das fases constituintes,
* de suas quantidades relativas e
* da geometria do reforço.
forma, tamanho, distribuição e orientação
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MATERIAIS COMPÓSITOS
Representação esquemática de várias características geométricas e espaciais das partículas do reforço, que podem influenciar nas propriedades dos
compósitos:
concentração tamanho forma
distribuição orientação
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Interação
matriz/reforço é
macromolecular
(ex.: concreto) Cimento – matriz
Areia + brita – reforço
Classificação
Partículas
( = 10 a 100 nm)
Ex.: cermento Co – matriz
WC - reforço Folhas ou painéis bidimensionais são cimentados
umas as outras invertendo a direção do alinhamento das fibras de cada placa
(Ex.: cadeiras plásticas)
São projetados para serem painéis de baixo peso,
com rigidez e resistências elevadas. Consiste de duas laminas externas, que são unidas por adesivo
mais espesso
(Ex.: telhas plásticas)
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Concreto Cermento
100 nm
1 cm
Compósitos Reforçados por Partículas
Partículas grandes Reforçados por dispersão
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Laminados Compósitos Estruturais
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Compósitos Reforçados com Fibras
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Compósitos Reforçados com Fibras
A FASE FIBRA
Fibras: São tanto policristalinos quanto amorfos e tem pequenos diâmetros.
Materiais fibrosos podem ser polímeros ou cerâmicas.
Exemplo: aramidas,
vidro,
carbono,
boro,
óxido de alumínio ,
carbeto de silício.
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Direção
longitudinal
Direção
transversal
Fibras contínuas
alinhadas
Fibras descontínuas
alinhadas
Fibras descontínuas
e orientadas
aleatoriamente
INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO DA FIBRA
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Compósitos Reforçados com Fibras
A FASE MATRIZ
Várias funções imprescindíveis são realizadas pela fase matriz de
compósitos de fibra.
*capacidade de ligar as fibras entre si e agir como o meio
pelo qual uma tensão aplicada é transmitida e distribuída às
fibras
* sua resistência mecânica é extremamente baixa.
* espera-se que a matriz seja dúctil.
* módulo elástico da fibra que deve ser muito maior do que o
da matriz.
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Comportamento tensão-deformação em tração
A tensão-deformação depende:
Comportamento tensão-
deformação das fases;
Frações volumétrica das fases;
Direção no qual a carga ou
tensão é aplicada.
Comportamento tensão-deformação
para as fases fibra e matriz
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Comportamento tensão-deformação em tração
Comportamento tensão-deformação
para o compósito
1° estágio tanto a matriz
como a fibra se deformam
elasticamente
2° estágio a matriz escoa e
se deforma plasticamente,
enquanto as fibras continuam a
se deformar elasticamente
A falha no compósito ocorre
conforme as fibras começam a
fraturar.
A falha no compósito não é
catastrófica.
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Compósitos Reforçados com Fibras
Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas
Comportamento elástico – carregamento longitudinal
Considerar um compósito fibroso contínuo, com fibras alinhadas
carregado na direção do alinhamento das fibras.
Assume-se que a ligação interfacial entre a fibra e a matriz é muito
boa.
Existe isodeformação deformação da matriz = deformação da
matriz.
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Compósitos Reforçados com Fibras
Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas
Comportamento elástico – carregamento longitudinal
A carga total suportada pelo compósito Fc é dada por:
A tensão total suportada pelo compósito c é dada por:
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Compósitos Reforçados com Fibras
Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas
Comportamento elástico – carregamento longitudinal
A deformação total sofrida pelo compósito c é dada por:
O módulo de elasticidade de um compósito com fibras contínuas e
alinhadas, na direção do alinhamento (ou direção longitudinal), Ecl é :
Relação entre a carga e o módulo de elasticidade das fases
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Compósitos Reforçados com Fibras
Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas
Comportamento elástico – carregamento transversal
Um compósito de fibras contínuas e orientadas com carregamento na direção transversal ao alinhamento das fibras:
isotensão
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Compósitos Reforçados com Fibras
Compósitos com Fibras Descontínuas e Alinhadas
lc = comprimento crítico
d = diâmetro da fibra
σ*f = resistência mecânica (ou tensão) final
c = resistência mecânica da ligação fibra-matriz (ou limite de escoamento cisalhante da matriz)
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Compósitos Reforçados com Fibras
Compósitos com Fibras Descontínuas e Orientadas Aleatoriamente
K = parâmetro de eficiência da fibra
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Compósitos Reforçados com Fibras
Processamento de Compósitos Reforçados com Fibras
O processamento de compósitos reforçados com fibras pode ser realizado
por:
PULTRUSÃO
PREPREG
ENROLAMENTO FILAMENTAR
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Compósitos Reforçados com Fibras
Processamento de Compósitos Reforçados com Fibras
Pultrusão
Esta técnica é usada para a fabricação de componentes que possuem
comprimentos contínuos e uma forma com seção reta constante (hastes, tubos,
feixes).
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Compósitos Reforçados com Fibras
Processamento de Compósitos Reforçados com Fibras
Processos de Produção de Prepreg
Prepreg é o termo industrial de compósito para reforço com fibra contínua
impregnada com uma resina polimérica que é apenas parcialmente curada.
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Compósitos Reforçados com Fibras
Processamento de Compósitos Reforçados com Fibras
Enrolamento Filamentar
Consiste num processo pelo qual fibras de reforço
contínuas são precisamente posicionadas num
molde para formar uma forma vazada, usualmente
cilíndrica.
Estruturas comuns de enrolamento de filamento
incluem carcaças de motor de foguete, tanques de
armazenamento e tubos, e vasos de pressão.
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Exercício
1. É possível produzir um compósito com matriz epóxi e fibras
aramida contínuas e orientadas com módulos de elasticidade
longitudinal e transversal de 57,1 GPa e 4,12 GPa, respectivamente?
Porque isso é possível ou não?
Considere: Em = 2,4 GPa
R : SIM
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2. Para um compósito reforçado com fibras contínuas e orientadas,
os módulos de elasticidade nas direções longitudinal e transversal
são de 19,7 GPa e 3,66 GPa, respectivamente. Determine os
módulos de elasticidade das fases matriz e fibra, se a fração
volumétrica de fibras é de 0,25.
R : Ef = 70,98 GPa e Em = 2,79 GPa
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3. Um compósito reforçado com fibras contínuas e alinhadas deve ser produzido
com 30% de fibras de aramida e 70% de matriz de policarbonato. As
características mecânicas desses dois materiais são:
Sabendo-se que a carga suportada pela matriz quando as fibras falham é de
44500N:
(a) Calcule a razão entre as cargas na fibra e na matriz. (Ff/Fm = 23,4)
(b) Calcule as cargas reais suportadas pelas fases ,fibra e matriz. (Ff = 42,676 N e Fm = 1824 N)
Material E (GPa)
Aramida 131
Policarbonato 2,4