Materiais Compósitos
Introdução
Tecnologias ecnologias modernas modernas exigem materiais com combinações incomuns de propriedades que não podem ser atendidas atendidas pelos materiais convencionais isoladamente. isoladamente . Exemplo: Materiais com baixa densidade mas fortes e rígidos, resistentes à abrasão e ao impacto e que que não corroam.
Introdução
Compósito: Material Compósito: Material multifá multifásico, sico, ob obtido tido 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 ent re elas.
Compósitos – Fases Os materiais compósitos apresentam duas fases:
Matriz:
É a fase contínua contínua,, envolve a fase dispersa e a mantém na sua posição p osição relativa. Pode ser constituída constituída por por polímeros, polímeros, metais ou cerâmicas constituída pelo material de Dispersa: é constituída reforço, que confere confere grande parte parte das propriedades características características dos compósitos. Podem ser particulados, par ticulados, fibras descontínuas ou fibras contínuas.
Propriedades de um compósito Dependem
Propriedades das fases constituintes constitui ntes
Das quantidades quantidades relativas relativas das fases constituintes
Da geometria da fase dispersa
Materiais compósitos - Caracterização
PROPRIEDADES DEPENDE DA MATRIZ E DO REFORÇO UTILIZADO: Pode-se conseguir uma combinação de boas propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, corrosivas, etc. , em função das aplicações. Normalmente obtém-se elevada resistência mecânica, elevada rigidez, baixa densidade.
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)
Compósitos COMPÓSITOS
PARTÍCULA REFORÇADO
GRANDES PARTÍCULAS
DISPERSÃO REFORÇADA
FIBRA REFORÇADO
CONTÍNUA (ALINHADA)
DESCONTÍNUA (CURTA)
ESTRURAL REFORÇADO
LÂMINADAS
PAINÉIS SANDWICH
Compósitos – Fases dispersas
Compósitos – Fases dispersas
Tipos de compósitos a)Partículas em um polímero b)Compósito com carga de disco e)Cilindros em um polímero f) Compósito sanduiche i)Compósito colméia (“honeycomb”) transversal j)Compósito colméia (“honeycomb”) horizontal
m)Compósito “replamine” n)Compósito “burps”
Tipos de compósitos (cont.) c)Esferas em um polímero d)Compósito na forma de dado g)Compósito vitro-cerâmica h)Compósito com reforço transversal k)Compósito com um único lado perfurado l)Compósito com dois lados perfurados m)Compósito sanduiche entrecruzado n)Compósito escada estruturado
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.
Compósitos reforçados com fibras
Em geral deseja-se nesses materiais alta resistência, tenacidade e rigidez em relação ao seu peso.
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)
Comportamento mecânico de compósito reforçado com fibras. Curvas tensão- deformação Materiais individuais
Compósito
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)
Materiais compósitos Caracterização FOTOMICROGRAFIA DE UM MATERIAL COMPÓSITO DE RESINA E FIBRA.
Materiais compósitos - Caracterização
APLICAÇÕES GERAIS:
Indústria aeroespacial, Indústria naval e construção civil.
Reservatórios de combústiveis e outros produtos químicos
Indústria automobilística
Materiais compósitos - Caracterização APLICAÇÕES COMPÓSITOS DE PARTÍCULA
CONSTRUÇÃO CIVIL
Concreto: Cimento-matriz Areia e brita- particulados Cermetos (metais + cerâmicas): WC + Co (micrografia ao lado) ou Ni TiC + Co ou Ni
Dureza(cerâmico) + tenacidade(metal)
Materiais compósitos - Caracterização APLICAÇÕES COMPÓSITOS DE PARTÍCULA
INDÚSTRIA QUÍMICA Elastômeros e plásticos São reforçados com partículas de NEGRO DE FUMO. NEGRO DE FUMO: Queima do gás natural ou óleo gera partículas de carbono que melhora a resistência, tenacidade e dureza dos polímeros
Ex: Pneus
Materiais compósitos - Caracterização APLICAÇÕES COMPÓSITOS DE FIBRAS:
TETO; TAMPA DA MALA; SPOILER; PORTA; CAPOT; PARALAMA
AUTOMÓVEIS
Aplicação de Plásticos reforçados por fibras (folhas SMC) em automóveis. Em geral deseja-se nesses materiais alta resistência, tenacidade e rigidez em relação ao seu peso.
Materiais compósitos - Caracterização APLICAÇÕES COMPÓSITOS DE ESTRUTURA
MATERIAIS ESPORTIVOS
Compósitos laminares: Folhas ou painéis bidimensionais são cimentados umas as outras invertendo a direção do alinhamento das fibras de cada placa.
Ex: Esqui moderno
Materiais compósitos - Caracterização APLICAÇÕES COMPÓSITOS DE ESTRUTURA
INDÚSTRIA AEROESPACIAL CONSTRUÇÃO CIVIL Painéis em forma de sanduíches: Duas folhas externas mais resistentes separadas por uma camada de metal menos denso. Folhas externas: madeira compensada, alumínio e ligas, plásticos + fibras, titânio aço. Recheio interno: Polímeros com espuma, borrachas sintéticas, colméias. Ex: Asas e fuselagem de aeronaves telhados, pisos, paredes.
Resistências à tração na direção longitudinal e transversal às fibras
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 Hand Lay-up
Compósitos com matriz polimérica
Com fibra de carbono: (equipamentos esportivos, componentes estruturais de aeronaves, hélice de helicóptero)
Tecido de fibra de carbono
Hélice em fibra de carbono
Roda em fibra de carbono apresentada no Detroit Auto Show 2009
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.)
Comparação entre as propriedades de um polímero sem e com o reforço de fibras de vidro
Sem ref o rço
Co m ref o rço
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)
Comparação entre as propriedades de vários compósitos metal – reforço de fibra
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.
Processos de fabricação
RTM(resin transfer molding)
O Processo RTM é um dos processos de fabricação de materiais compósitos de maior importância para o setor e consiste na injeção de uma resina polimérica em um molde, infiltrando o reforço fibroso disposto dentro dele.
RTM(resin transfer molding) O processo de RTM Ligh t é a evolução do RTM convencional para fabricação de peças em compósitos, utilizando molde fechado com injeção de resinas termo fixa á baixa pressão (abaixo de 1 ATM) e reforços de fibra de vidro.
RTM = (Resin Transfer Molding) RTM LIGHT = (Resin Transfer Molding) + Vácuo.
Filament Winding Filamento winding ou enrolamento filamentar consiste em um processo de fabricação de peças através do enrolamento de fios contínuos previamente impregnados com resina sobre um mandril giratório que servirá como molde. O suporte de fios ou guias se desloca ao longo do mandril giratório fazendo movimento de vai-e-vem. O posicionamento das guias e a velocidade de rotação do mandril permitem variar o tipo de peça a ser produzida. Esse posicionamento pode ser em ângulos variados para conferir a peça, planos de laminação que aumentam as propriedades estruturais do produto. O processo de filamento Winding é utilizado geralmente para fabricação de peças tubulares, tanques, vasos de pressão, postes e algumas peças estruturais.
Filament Winding
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). Após um número apropriado de camadas a cura é executada em m 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.
Pultrusão
Pultrusão: Para produção de formatos de seção reta constante (barras tubos vigas). Mechas ou cabos de fibras são impregnados com uma resina termofixa, sendo então estirados através de um molde de aço aquecido. Passa na seqüência em um molde de cura aquecido que confere a peça sua forma final. Matrizes usuais: Poliésteres, ésteres vinílicos, resinas epoxi. Fibras usuais: De vidro , carbono, aramida
Prepreg
Processo mais utilizado para estruturas. Fibras contínuas pré-impregnadas com resina polimérica parcialmente curadas em espessuras de 0,08mm a 0,25 mm e larguras de 2,5 mm a 1525 mm. Esse material é enviado ao fabricante em forma de fita. Essa fita molda e cura por completo o produto sem a necessidade de adicionar qualquer resina adicional apenas com calor e pressão. Teor de resina: 35 a 45 % em vol. termofixa ou termoplástica. O prepreg deve ser mantido a 0 C pois a cura prosseguiria à temperatura ambiente Após a remoção do papel de suporte várias camadas são colocadas, em geral com as fibras cruzadas para se ter mesma resistência nos dois
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
