MATERIAIS COMPÓSITOS Um compósito resulta da associação de dois materiais de natureza diferente (fibras e resina), cujas qualidades se completam, originando um material homogéneo onde as características globais são superiores às dos constituintes. 2011
AGM / MDC
1
COMPÓSITOS – Da antiguidade até aos nossos dias
No Antigo Testamento é referida a existência de tijolos de argila reforçados com palha Actualmente o conjunto de materiais que se adjectivam como compósitos é muito vasto e vai desde o vulgar betão armado até aos compósitos de elevado desempenho, como é o caso dos compósitos de carbono-epóxido.
2011
AGM / MDC
2
OS COMPÓSITOS E AS SUAS EXCELENTES PROPRIEDADES As fibras apresentam propriedades mecânicas muito superiores às dos materiais idênticos na forma maciça. Griffith demonstrou que as fibras de vidro com 20 mm de diâmetro apresentavam tensões de rotura de 3500 MPa ao passo que o vidro na sua forma maciça apresentava tensões de rotura de 160 MPa. Devido às reduzidas dimensões da secção transversal, as fibras não são directamente aplicáveis em aplicações de engenharia. No entanto, embebidas numa matriz, dão origem a compósitos fibrosos que rapidamente se tornaram numa importante classe de materiais que permitem conceber estruturas de elevada resistência mecânica e assinalável leveza. 2011
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Propriedades de fibras e de materiais na sua forma maciça Módulo de elasticidade (E) (GPa)
Resistência à tracção (su) (GPa)
Densidade (r) (g/cm3)
Módulo específico (E/r (E/r)
Resistência específica (su/r)
Vidro E
72.4
3.5
2 .5 4
28.5
1 .3 8
Vidro S
85.5
4.6
2 .4 8
34.5
1 .8 5
Carbono (HM)
390
5.5
1 .9 0
205
2.9
Boro
385
2.8
2 .6 3
146
1.1
Sílica
72.4
5.8
2 .1 9
33
2 .6 5
Tungsténio
414
4.2
19.3
21
0 .2 2
Berílio
240
1.3
1 .8 3
131
0 .7 1
Kevlar® 49
130
2.8
1 .5 0
87
1 .8 7
aço
210
0.34 – 2.1
7.8
26 . 9
0.043 – 0.27
Ligas de Al
70
0.14 – 0.62
2.7
25.9
0.052 – 0.23
vidro
70
0.7 – 2.1
2.5
28
0.28 – 0.84
Tungsténio
350
1.1 – 4.1
19.3
18 . 1
0.057 – 0.21
Berílio
300
0.7
1 .8 3
164
0 .3 8
Material
Fibras:
Materiais convencionais:
2011
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4
2011
AGM / MDC
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COMPÓSITOS: MATRIZ
Função da Matriz:
2011
Transmitir a força entre as fibras Impedir quebras devido a expansão entre as fibras Manter as fibras na orientação apropriada Proteger as fibras do meio
AGM / MDC
Características da Matriz: Tensão de corte interlaminar
Resistência (dureza)
Resistência “mistura/meio”
Propriedades térmicas
Custo
6
Fases:
matriz, que é contínua e envolve outra fase (fase dispersa)
Propriedades:
quantidade relativa das fases constituintes geometria da fase dispersa: forma, tamanho, distribuição e orientação das partículas
(a) concentração (b) tamanho (c) forma (d) distribuição (e) orientação 2011
AGM / MDC
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CLASSIFICAÇÃO DOS COMPÓSITOS SEGUNDO O TIPO DE MATRIZ
COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA
COMPÓSITOS DE MATRIZ METÁLICA
COMPÓSITOS DE MATRIZ CERÂMICA
COMPÓSITOS DE MATRIZ CIMENTOSA
2011
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CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE REFORÇO Reforçado
Partículas Grandes
com Partículas
Reforçado
COMPÓSITOS
Reforçado por dispersão Contínuo (alinhado)
Com Fibras
Descontínuo (curto)
Alinhado Orientado
Laminados
Aleatoriamente
Estrutural Painéis em sanduíche 2011
AGM / MDC
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COMPÓSITOS DE FIBRAS
Fibras
fibras contínuas ou descontínuas, ou wiskers, colocados numa matriz. Exemplo: madeiras, ossos, polímeros reforçados com fibras de vidro ou de carbono e metais reforçados com fibras de boro ou SiC.
Fibras de vidro / matriz epóxido 2011
Fibras de carbono (6,5 m) AGM / MDC
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COMPÓSITOS DE FIBRAS
São os mais importantes do ponto de vista tecnológico A secção recta pode ser circular, quadrada ou hexagonal
Objectivos:
alta rigidez e/ou resistência em relação ao seu peso Resistência específica = limite de resistência à tracção / densidade relativa Módulo específico = módulo de elasticidade / densidade relativa
Comprimento da fibra (L)
2011
existe um valor crítico “Lc”, o qual permite uma melhora efectiva da propriedade mecânica do material que é função do diâmetro da fibra e da ligação entre a fibra e a matriz. fibra de vidro ou carbono Lc ~ 1mm se L >> Lc: fibras contínuas se L < Lc: fibras descontínuas ou curtas (pequeno reforço!)
AGM / MDC
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COMPÓSITOS DE FIBRAS
Orientação e Concentração das fibras: tem influência significativa sobre as
propriedades dos compósitos reforçados com fibras .
Alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras propriedades anisotrópicas resistência e reforço máximo na direcção do alinhamento (longitudinal) e mínimo na direcção perpendicular (transversal)
Alinhamento aleatório utilizado quando a direcção das tensões são multidireccionais
2011
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COMPÓSITOS DE FIBRAS
Uísqueres (whysker )
2011
monocristais muito finos que possuem uma razão comprimentodiâmetro extremamente grande. elevado grau de perfeição cristalina e virtualmente isentos de defeitos resistência excepcionalmente elevadas. são os materiais mais resistentes que se conhecem Não são amplamente utilizados são extremamente caros praticamente impraticável de serem incorporados numa matriz Grafite, Carboneto de Silício (SiC), Nitreto de Silício (SiN), Óxido de Alumínio (Al2O3). AGM / MDC
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COMPÓSITOS DE FIBRAS
Fibras
materiais policristalinos ou amorfos diâmetros pequenos polímeros ou cerâmicas (vidros) aramidas poliméricas, vidro, carbono, boro, óxido de alumínio, carboneto de silício.
Arames
2011
diâmetros grandes aço, molibdénio, tungsténio reforço radial de aço nos pneus de automóveis, carcaças de motores a jacto, mangueiras de alta pressão.
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COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA
Fibra de Vidro
Composição: SiO2 - CaO - Al2O3 - B2O3 - MgO fibras com diâmetro de 3 a 20µm fácil fabricação e alta resistência económico e versátil compósito útil para aplicação em ambientes corrosivos.
Limitações: Baixa rigidez (não podem ser utilizados em peças de aviões e pontes) temperatura de serviço entre 200ºC e 300ºC (fibras com alta concentração de sílica e em polímeros de alta temperatura) Aplicações: carcaças de meios de transporte marítimo tubagens em plástico recipientes de armazenamento instrumento musical (flauta), tanques (piscina, caixa d´água), barcos, material desportivo. 2011
AGM / MDC
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COMPÓSITOS: LAMINADOS
Laminados
2011
camadas alternadas de materiais diferentes como metais, vidros, tecidos ou papéis impregnados com polímeros
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COMPÓSITOS: PARTÍCULAS
Partículas
os materiais são equiaxiais; podem ter forma esférica. São compostos com uma matriz metálica ou polimérica
2011
CMM - WC imerso numa matriz de Co
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COMPÓSITOS DE PARTÍCULAS
Partículas pequenas
2011
Pode-se aumentar a resistência de metais e ligas metálicas através da dispersão uniforme de partículas de materiais inertes e muito duros A fase dispersa pode tanto ser metálica quanto não-metálica. Frequentemente utilizam-se materiais à base de óxidos. Partículas pequenas dificultam o movimento de defeitos no material, a deformação plástica é restringida e a resistência à tração e a dureza são melhorados
Exemplos: negro-fumo: partículas pequenas e esféricas de carbono adicionadas à borracha vulcanizada. Melhora a resistência à tracção, a tenacidade, a resistência à abrasão. Metais ou ligas metálicas endurecidas por meio da dispersão uniforme de uma percentagem volumétrica de partículas finas de um material inerte e muito duro. ligas de Ni + ThO2 aumenta a resistência a altas temperaturas AGM / MDC
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EXEMPLOS DE MATERIAIS COMPÓSITOS
2011
AGM / MDC
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A) FIBRAS DE VIDRO (são os reforços mais utilizados)
Fibra de Vidro
Composição: SiO2 - CaO - Al2O3 - B2O3 - MgO fibras com diâmetro de 3 a 20µm fácil fabricação e alta resistência económico e versátil compósito útil para aplicação em ambientes corrosivos.
Limitações: Baixa rigidez (não podem ser utilizados em peças de aviões e pontes) temperatura de serviço entre 200ºC e 300ºC (fibras com alta concentração de sílica e em polímeros de alta temperatura) Aplicações: carcaças de meios de transporte marítimo tubagens em plástico recipientes de armazenamento musical (flauta), tanques (piscina, caixa d´água), barcos, instrumento material desportivo. 2011
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REFORÇOS A)
FIBRAS DE VIDRO
2011
As fibras de vidro constituem o tipo de reforço mais utilizado; São produzidas por estiramento de vidro fundido (temperatura de fusão de 1260º) através de uma fieira em liga de platinaródio com orifícios de dimensões muito precisas; Revestimento têxtil para o fabrico de tecidos sem risco de danificação da fibra; Revestimento plástico para permitir a compatibilização da fibra com as matrizes; estes revestimentos contêm em geral, um ligante que mantém os filamentos unidos, um agente de adesão para facilitar a adesão fibra-matriz, um lubrificante e agentes anti-estáticos ou de impregnação. Uma vez que as fibras de vidro são fortemente higroscópicas, o revestimento tem, também, a função de impedir o contacto com a humidade evitando-se deste modo a destruição da interface fibra - matriz.
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Revestimento plástico para permitir a compatibilização da fibra com as matrizes 2011
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2011
AGM / MDC
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PROPRIEDADES DAS FIBRAS DE VIDRO O teor alcalino teor alcalino é o princi principa pall respo responsá nsável vel pela pela resistê resistênci ncia a ao envelhecimento envelhecimento.. Fibras Fibras com teores teores alcali alcalino noss inferi inferiore oress a 14% aprese apresenta ntam m altera alteraçõe çõess menos menos sign signifific icat ativa ivass em cont contac acto to com com agen agente tess atmo atmosf sfér érico icoss ou quím químic icos os particular particularment mente e desfavoráv desfavoráveis. eis. Assim, a fibra do tipo A, fortemente alcalina, foi sendo progressivamente substituída pela pela fibr fibra a do tipo E, um vidro vidro de boros borosili ilicat cato o com baixa baixa quanti quantidad dade e de compos compostos tos alcalinos, alcalinos, que apresent apresenta a boas proprieda propriedades des eléctricas, eléctricas, mecânicas mecânicas e químicas químicas.. As fibras do tipo S e R são produzidas a partir de vidros de alta resistência e são muito muito aplica aplicadas das na indúst indústria ria aerona aeronaúti útica. ca.
2011
Propriedade
Vidro E
Vidro S
Densidade (g/cm3)
2.6
2.49
2.55
Módulo de Young (GPa)
73.0
85.5
86.0
Tensão de rotura (MPa)
3400
4580
4400
Deformação na rotura (%)
4.4
5.3
5.2
Coeficiente de expansão térmica (10-6/ºC)
5.0
2.9
4.0
AGM / MDC
Vidro R
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2011
AGM / MDC
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B) FIBRAS DE CARBONO
“Fibras de carbono ”
Fibras de carbono – com percentagens de carbono carbono entre 80 e 95%. carbono Fibras de grafite – a percentagem de carbono chega aos 95%. Para aplicações exigentes como a aeronáutica e aeroespacial.
A produção de fibras de carbono centra-se na decomposição térmica de vários precursores orgânicos. Podemos apresentar três: as fibras produzidas a partir da celulose (designadas por “rayon fibers”), o poliacrilonitrilo (PAN) e as fibras produzidas a partir do alcatrão (“ pitch”).
2011
AGM / MDC
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B) FIBRAS DE CARBONO
A produção a partir da celulose exige elevadíssimas temperaturas na grafitização, tornando o processo muito dispendioso.
As fibras obtidas do precursor de alcatrão (pitch) apresentam propriedades mecânicas ligeiramente inferiores.
O precursor actualmente mais utilizado é o poliacrilonitrilo (PAN).
2011
AGM / MDC
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PRODUÇÃO A PARTIR DO PAN Formação de estrutura reticular
Supressão artificial do ponto de fusão 2011
Aquecimento a 1100ºC
Estrutura apenas com átomos de carbono
Obtenção de elevado grau de orientação da estrutura – alta rigidez
AGM / MDC
Tratamento superficial – elevados níveis de adesão 28
ETAPAS DO PROCESSO DE PRODUÇÃO A PARTIR DO POLIACRILONITRILO i) Oxidação – processo que consiste em aquecer as fibras até 300ºC em atmosfera rica em oxigénio permitindo a formação de uma estrutura reticular da cadeia molecular. O objectivo desta fase é suprimir artificialmente o ponto de fusão das fibras; ii) Carbonização – a cadeia molecular é aquecida até 1100ºC num forno de atmosfera neutra permitindo que apenas átomos de carbono permaneçam no final. iii) Grafitização – em atmosfera neutra é feita a pirólise das fibras, obtendo-se um elevado grau de orientação da estrutura e, consequentemente fibras com elevado módulo de elasticidade iv) Tratamento superficial – numa atmosfera de ácido nítrico ou ácido sulfúrico as condições de superfície são modificadas de forma a atingirem-se elevados níveis de adesão entre as fibras e os vários sistemas de resina empregues como matrizes. 2011
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PROPRIEDADES DE ALGUNS TIPOS DE FIBRAS DE CARBONO
PAN
Densidade (g/cm3)
1.8
2.0
1.7
Módulo de Young (GPa)
200-400
400
415-680
Tensão de rotura (MPa)
2480-3100
1550
2070-2760
Deformação na rotura (%)
0.6-1.2
1-1.5
0.5-0.6
-0.7 a -0.5
-1.6 a -0.9
-
Coeficiente de expansão térmica axial (10 -6/ºC)
2011
Alcatrão “Pitch”
Propriedade
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“Rayon fibers”
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DESIGNAÇÃO DAS FIBRAS DE CARBONO As fibras de carbono são designadas com base na sua resistência mecânica e comercializadas segundo a designação: -UHM para fibras com módulos superiores a 500 GPa; (THM) - HM para fibras com módulos superiores a 300 GPa e rácio resistência mecânica/módulo em tracção inferior a 1%; - IM para fibras com módulos até 300 GPa e rácio resistência mecânica/módulo de cerca de 1%; -fibras de baixo módulo, com valores inferiores a 100 GPa; - HT para fibras de resistências à tracção superiores a 3000 MPa e rácio resistência/rigidez entre 1.5 e 2%. (HS) 2011
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2011
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D) FIBRAS ARAMÍDICAS (Kevlar) As fibras aramídicas são produzidas à base de poliamidas aromáticas. A solução de polímero é mantida a baixa temperatura (entre –50ºC e –80ºC) e, depois, extrudida a uma temperatura de aproximadamente 200ºC. Por este método a cadeia molecular é alinhada conseguindo-se obter uma melhoria das propriedades mecânicas.
CARACTERÍSTICAS: Apresentam excelente resistência química, mecânica, óptima relação rigidez - peso, boa resistência ao impacto e à fadiga, boa capacidade de amortecimento de vibrações. As principais desvantagens são a baixa resistência à compressão e à flexão, bem como elevada sensibilidade ao corte interlaminar . 2011
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Propriedades mecânicas de fibras aramídicas.
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Propriedade
Kevlar 29
Kevlar 49
Twaron
Densidade (g/cm3)
1.44
1.45
1.44
Módulo de Young (GPa)
60
129
60
Tensão de rotura (MPa)
3000
3000
2600
Deformação na rotura (%)
3.6
1.9
3
Coeficiente de expansão térmica axial (10 -6/ºC)
-2.0
-2.0
-
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• Material com resistência mecânica muito elevada. Resistente a alta temperatura, e resistência ao choque. Utilizado no fabrico de equipamentos de Fórmula 1, coletes a prova de bala, capacetes, etc. • Tecido de Aramida: Confeccionado a partir de fibra aramida com outras fibras sintéticas, apresenta excelentes propriedades mecânicas, como alta resistência ao corte e à abrasão. Resiste a temperaturas na ordem de 280°C 2011
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2011
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E) FIBRAS DE BORO
2011
As fibras de boro são produzidas por deposição de boro em fase de vapor sobre um fio de tungsténio ou carbono, que actuam como substrato. O diâmetro das fibras que actuam como substrato é cerca de 12 mm e o resultado, após deposição do boro, é uma fibra que pode atingir os 200 mm. As fibras de boro utilizam-se na forma de fitas pré-impregnadas numa resina de epóxido, fenólica ou poliimida. Pelo seu elevado custo, os compósitos com fibras de boro aplicam-se sobretudo na indústria aeronaútica.
Propriedades mecânicas de fibras de boro em função do seu diâmetro Propriedade
100 m
140 m
200 m
Densidade (g/cm3)
2.61
2.47
2.39
Módulo de Young (GPa)
400
400
400
Tensão de rotura (MPa)
3450
3450
3450
Deformação na rotura (%)
0.7-0.9
0.7-0.9
0.7-0.9
Coeficiente de expansão térmica (106/ºC)
4.9
4.9
4.9
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F) OUTROS TIPOS DE FIBRAS
Poliamidas - são mecanicamente resistentes, tenazes e resistentes à abrasão. São produzidas em filamentos contínuos e podem ser processadas em várias formas para aplicações na indústria têxtil. Apresentam baixo módulo de elasticidade. Poliesteres - apresentam propriedades semelhantes às poliamidas, excepto o módulo de elasticidade, que é superior. Os laminados com fibras de poliester comportam-se melhor que os seus congéneres em fibra de vidro nos casos em que se exige resistência ao impacto e à abrasão. Material
Módulo de elasticidade (E) (GPa)
Resistência à tracção (su) (GPa)
Densidade (r) (g/cm3)
Módulo específico (E/r)
Resistência específica (su/r)
Nylon
6
1
1.14
5.3
0.9
Poliéster
12
1.2
1.39
8.6
0.9
Fibras:
2011
AGM / MDC
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OUTROS TIPOS DE FIBRAS
Sisal - é constituído por fibras naturais com diâmetros entre 125 e 500 mm e com comprimentos, habitualmente, entre 100 e 150 cm. Como reforço em materiais compósitos as suas propriedades estão francamente abaixo das que se conseguem com reforços em fibra de vidro. Além disso salienta-se o facto de serem bastante higroscópicas. Cerâmicas - obtidas por deposição química em fase de vapor. Combinam uma elevada resistência mecânica e elevado módulo de elasticidade a uma capacidade de resistência a altas temperaturas bastante apreciável. São normalmente produzidas sob a forma de pequenos whiskers (cristais simples).Vários materiais, como os metais, óxidos, carbonetos e compostos orgânicos podem ser preparados sob a forma de whiskers.
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Whisker de Mg2Si embebido numa matriz de Mg 43
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2011
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RESUMO
2011
Os materiais compósitos são conhecidos por resultarem de uma combinação macroscópica de dois, ou mais, materiais que estabelecem entre si uma interface reconhecida e cujas propriedades não podem ser obtidas simplesmente pela soma dos diferentes materiais individualmente; O reforço, sob a forma de fibras ou partículas, é o elemento resistente e, para o efeito, ocupa uma substancial fracção volúmica do material – normalmente 20 % ou mais; A matriz, geralmente uma resina de epóxido ou de poliester, acrescenta a necessária tenacidade ao compósito. Para além disso, assegura a transferência de carga para o reforço e protege a superfície das fibras; Os materiais utilizados para a produção de compósitos são agrupáveis em três domínios: reforços, matrizes e cargas. AGM / MDC
46
Compósitos: Exemplo • O gráfico mostra a resistência de um compósito de fibra de vidro, em função da fracção do volume de fibra • Para baixas quantidades de fibra, a resistência é controlada pela resistência da matriz; A resistência aumenta à medida que aumenta a quantidade de fibra adicionada ao compósito. • A tensão de rotura da matriz é de ~50MPa. • A tensão de rotura da fibra é de ~1200MPa. 2011
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Materiais compósitos Caracterização dos reforços
Forma dos reforços Orientação dos reforços Tipos de fibras Fio, Mantas e Tecidos
Materiais compósitos Caracterização dos reforços - Forma
Quanto menor for a área da secção transversal melhor será a ligação à matriz, maior será a flexibilidade das fibras o que facilita a
produção de peças e maior será a rigidez e a resistência como consequência
da menor quantidade de fendas superficiais (defeitos). Fibras hexagonais ou quadradas podem conduzir a um
maior teor de fibra. As fibras cilíndricas são mais económicas.
Materiais compósitos Caracterização dos reforços - Orientação
A orientação unidireccional proporciona maior rigidez e maior resistência à tracção na direcção das fibras. A orientação bi- ou multi-direccional proporciona um comportamento mecânico mais uniforme e uma melhor resistência ao impacto. A orientação aleatória proporciona um comportamento isotrópico
com menores propriedades mecânicas e
um melhor acabamento superficial.
Materiais compósitos Caracterização dos reforços – Tipo de Fibra
Os reforços para utilização em compósitos com matriz polimérica surgem vulgarmente nas seguintes formas comerciais: •
Fibra curta (< 6mm)
•
Fibra longa (> 6mm)
Materiais compósitos Fibras Curtas
Métodos de produção mais fáceis e rápidos do que para as fibras longas. Menor custo das peças do que para as fibras longas. Funções: Melhorar as propriedades mecânicas (resistência à tracção) Melhorar o aspecto superficial (<1mm) – fibras com dimensão inferior ao comprimento crítico -pequeno reforço .
Materiais compósitos Fibras Longas
A fibra longa pode apresentar-se nas seguintes formas: • Fio (Roving) • Mantas • Tecidos • Malhas • Pré-formas
Materiais compósitos Roving (Fio) • Filamento – fibra única isolada; não é forma comercial. • Feixe (tow) – filamentos não entrançados. • Feixe entrançado (yarn) – filamentos entrançados. • Fio (roving) – conjunto não entrançado de feixes ou de filamentos, enrolados helicoidalmente em bobines.
Materiais compósitos Roving • Diâmetro de cada filamento, geralmente 9 ou 13 m. •
Tex – massa em gramas de 1000 m de feixe; geralmente varia entre 300 e 4800.
• Tipos de fio (produção): Fio directo – obtido por junção dos filamentos a seguir à
fusão (fibras com diâmetro maior, mais barato) Fio conjugado – obtido por junção de feixes (melhores
propriedades mecânicas e melhor capacidade de molhagem pela resina).
Materiais compósitos Mantas Manta de filamentos cortados (CSM: choped strand mat); fibras < 50mm; Carecterísticas mecânicas inferiores
Manta de filamentos contínuos (CRM: continuous random mat); pior conformabilidade (drapability); carac. mec. superiores
Manta de superfície acabamentos
Materiais compósitos Tecidos
Define-se como a confecção de uma ligação entre feixes de fibras longas (de carbono, aramida, vidro ou a combinação destas). O tecido é produzido entrelaçando as fibras a 0 e a 90º de forma regular, obtendo-se uma resistência elevada em mais do que uma direção. São caracterizados pela orientação das fibras, pelos métodos de confecção e são classificados pela massa por unidade de área (como as mantas).
Materiais compósitos Tipos de tecido Os principais tipos de tecido são: • Tecido (entrelaçado; “quase” unidireccional; híbrido). • Malhas. • Tecido 3D
Características gerais a qualificar: capacidade adaptação a superfícies complexas (conformabilidade, drapability), qualidade da superfície e estabilidade do tecido.
Tecido entrelaçado Características
Quanto mais entrelaçado for o tecido mais: Simétrica é a tela (comportamento uniforme) Estável é a tela
SIMPLES
Baixo é o nível de porosidade.
Difícil é a moldação de superfícies complexas (baixo drape) Difícil é a capacidade da resina impregnar a tela Baixas são as propriedades mecânicas Rugosa é a superfície
MÚLTIPLO
ACETINADO
Materiais compósitos Tecido (quase) unidireccional
• A maioria das fibras (90 a 100%) é colocada numa única direção (geralmente a 0º relativamente ao comprimento da tela; podem ser colocadas a 90º). • Uma pequena quantidade de fibras (até 10%) pode ser entretecida ou colada noutra direção (geralmente transversal) de modo a manter as fibras principais na posição desejada; as fibras secundárias podem fornecer alguma resistência mecânica na direção da sua aplicação.
Materiais compósitos Comparação dos tecidos
Materiais compósitos Tecidos híbridos • Tecidos híbridos, com fibras de mais do que um material (geralmente dois), podendo ter um material numa direção e o outro na direção transversal ou, o que é mais vulgar, fibras ou conjuntos de fibras de materiais diferentes colocadas alternadamente numa e noutra direcção. Vantagens genéricas: melhor compromisso entre resistência mecânica, rigidez e tenacidade; reduções de peso / custo. Tecido híbrido (kevlar + carbono)
Materiais compósitos Tecidos híbridos • Carbono / Aramida A alta resistência ao impacto e baixo peso das fibras de aramida
combinam com a elevada resistência à compressão e rigidez das fibras de carbono. Telas de baixo peso específico mas de elevado custo.
• Aramida / Vidro O baixo peso específico e alta resistência ao impacto e da aramida
combina-se com a boa resistência à compressão e baixo custo do vidro. Custo reduzido pelo menor preço das fibras de vidro.
• Carbono / Vidro As fibras de carbono contribuem com a elevada rigidez. Contribuem ainda para a redução do peso específico da tela. A fibra de vidro contribui para a redução do custo.
Materiais compósitos Malhas
• Camadas de fibras longas unidireccionais ligadas por fibras transversais (em espessura) aplicadas sem fins estruturais. • A fibra transversal é geralmente uma fibra de poliester dada a sua flexibilidade e o seu reduzido custo.
’Knitted fabric’
•Elevada resistência interlaminar, conformabilidade, módulo. Podem ser isotrópicas (através de diferentes orientações das fibras)
Materiais compósitos Tecidos 3D
• Os tecidos 3D são obtidos por processos especiais de tecelagem que ligam múltiplas camadas de fibras com orientações diversas. • Esta tecnologia permite a confecção de formas para painéis e perfis com fins estruturais. • A sua resistência interlaminar é naturalmente boa.
Materiais compósitos Pré-formas As pré-formas consistem na conformação de uma ou várias camadas de reforço com a forma aproximada da que deverá possuir a peça. As pré-formas são produzidas com formas diversas bi ou tridimensionais com fibras curtas ou fibras contínuas.
As pré-formas de fibras curtas podem resultar do corte e sobreposição manual de mantas ou da projecção das fibras e um ligante sobre um molde.
Pré-forma realizada em carbono
Materiais compósitos Pré-formas
As de fibras contínuas possuem um ligante de termoplástico que, após aquecimento pode ser conformado com um molde e contramolde numa prensa.
Pré-forma tridimensional
Materiais compósitos Pré-impregnados
Pré-impregnado – Fibras pré-impregnadas em resina sob a forma unidireccional, manta, de tecido ou roving. São muito usados na indústria sobretudo com resina epóxido, embora também existam préimpregnados de termoplástico. São utilizados inibidores que mantêm as resinas epóxido não endurecidas desde que mantidas a baixa temperatura.
Materiais compósitos Pré-impregnados
Tela de fibra de vidro pre-impregnada
Roving de carbono préimpregnado com resina epóxida e Fibra de vidro sem resina
Materiais compósitos Compostos de Moldação Os compostos de moldação são produzidos a partir de fibras curtas ou fibras longas impregnadas com resina. Geralmente são utilizados para a moldação por injecção ou moldação por compressão.
SMC ‘SHEET MOLDING COMPOUND’ A designação SMC refere-se a um composto constituído por uma mistura de fibras e resina (poliester ou vinilester) envolvidas por folhas de polietileno. Utilizam-se para produção de componentes em que se exige uma elevada cadência de produção e uma resistência mecânica moderada. Os compostos SMC apresentam tipicamente 30% de fibras em peso. Existem em várias espessuras até um máximo de 6 mm.
Materiais compósitos Compostos de Moldação
Resina + catalizador + aditivos (33%)
Cargas (carbonato de cálcio – 33%)
Roving (33%)
Fibras cortadas (até 50mm)
Filme de polietileno
Materiais compósitos Compostos de Moldação TMC ‘THICK MOLDING COMPOUND’ Distinguem-se dos espessuras que podem ir até 50 mm.
compostos
SMC
porque
apresentam
Com este tipo de composto de moldação evita-se a necessidade de utilizar várias camadas de SMC para produzir peças moldadas mais espessas. Devido à sua espessura, é reduzida a possibilidade de empilhamento. Nos compostos TMC, as fibras cortadas são dispersas aleatoriamente de uma forma tridimensional.
Materiais compósitos Compostos de Moldação DMC ‘DOUGH MOLDING COMPOUND’ OU BMC ‘BULK MOLDING COMPOUND’ Os compostos DMC, também designados por BMC (Bulk Molding Coumpound) referem-se a uma mistura pastosa de uma resina de poliester ou vinilester com fibras curtas. A percentagem de fibras é de 15 a 20% e o seu comprimento varia entre 6 e 12 mm. Devido à menor quantidade de fibras e menor comprimento, a resistência mecânica é inferior à dos compostos SMC.
Materiais compósitos Compostos de Moldação – Matriz Termoplástica
Estes materiais oferecem algumas vantagens relativamente aos compósitos de matriz termoendurecível, nomeadamente porque podem ser processados e reprocessados sem qualquer tipo de constrangimento. Consideram-se duas formas pré-preparadas:
GMT (Glass Mat Thermoplastics ) e ATC ( Advanced Thermoplastic Composites ).
Materiais compósitos Compostos de Moldação – Glass Mat Termoplastic No GMT pode-se utilizar qualquer tipo de matriz termoplástica, embora 95% das aplicações comerciais sejam à base de polipropileno. O reforço é constituído por fibras curtas de vidro E. A temperatura de utilização destes não excede os 110ºC. O seu domínio de utilização é fundamentalmente a indústria automóvel.
Materiais compósitos Compostos – Advanced Termoplastic Composites
Os ATC utilizam termoplásticos amorfos para a matriz, PEEK (Poli-éteréter-cetona) , PPS (Polisulfureto de fenileno) ou poliimidas. As fibras contínuas podem ser vidro E, carbono ou aramida. O seu domínio preferencial de utilização é a indústria aeronáutica.
Podem ser utilizados outros materiais como o PET, PC, PA A grande vantagem em relação aos termoendurecíveis é a resistência ao impacto (bastante superior) e o tempo de processamento bastante inferior.
MATRIZES As matrizes de natureza polimérica dividem-se em:
Termoplásticas
maior resistência ao impacto, maior tenacidade e bastante menor higrospicidade quando comparados com os polímeros termoendurecíveis, fácil reciclagem, resistência química, maior flexibilidade de ligação por fusão, maior potencial de reparação. Exigem mais pressão e temperatura de processamento.
e termoendurecíveis.
facilidade de impregnação do reforço (menor viscosidade antes da cura) Exigem mais tempo de processamento.
MATRIZES TERMOENDURECÍVEIS
Para aplicações não-estruturais e semi-estruturais: poliesteres insaturados, as resinas de vinilester e as resinas fenólicas. Nos compósitos avançados de alta resistência, podemos encontrar os epóxidos, as bismaleimidas e as poliimidas.
MATRIZES TERMOENDURECÍVEIS POLIESTERES INSATURADOS
São das mais utilizadas no fabrico de materiais compósitos devido ao seu baixo custo, facilidade de processamento e bom compromisso entre propriedades mecânicas, eléctricas e químicas. Existem algumas variantes: -Para aplicação geral (ortoftálicas); -Resistência térmica e meios ligeiramente agressivos (isoftálicas); -Meios agressivos (bisfenólicas). A principal desvantagem é o facto haver libertação de voláteis (estireno) na cura: peças de menor qualidade.
MATRIZES TERMOENDURECÍVEIS RESINAS VINILESTER
Foram especificamente desenvolvidas para o fabrico de compósitos com aplicações em ambientes corrosivos e, por isso, é grande a sua utilização no fabrico de tubos e tanques para a indústria química. (Custo: 2x Poliester). Elevada contracção volumétrica (10%). RESINAS FENÓLICAS
As resinas fenólicas têm geralmente excelente comportamento ao fogo, com baixa emissão de fumos. A principal desvantagem é o facto haver libertação de voláteis na cura, que faz com sejam pouco usadas em compósitos de alto desempenho.
MATRIZES TERMOENDURECÍVEIS RESINAS DE EPÓXIDO
Vantagens principais: elevada resistência mecânica, resistência à abrasão, resistência química (sobretudo em meios alcalinos), boas propriedades de adesão à fibra, processo de cura sem libertação de voláteis, grande estabilidade dimensional em resultado da sua baixa contracção (2 a 3%), baixa absorção de água e temperaturas de funcionamento tipicamente entre 100 e 220ºC. Desvantagens: Necessita de aditivos para diminuir a fragilidade (ABS, borrachas), O custo 4x poliester.
MATRIZES TERMOENDURECÍVEIS BISMALEIMIDAS
São utilizadas como matrizes para compósitos de elevado grau de desempenho para a indústria aeronáutica e espacial. Apresentam excelente resistência térmica, bom comportamento ao desgaste, baixa flamabilidade e baixa emissão de fumos. Caras e susceptíveis de ataque por alcalis. POLIIMIDAS
Elevada resistência térmica (260ºC em funcionamento contínuo, podendo chegar a 460ºC para curtos períodos, mesmo na presença de solventes), a elevada resistência mecânica, a boa resistência ao impacto, a resistência à oxidação, a boa capacidade de adesão e o baixo coeficiente de atrito. Elevado custo, a tendência para uma elevada absorção de água e a sua difícil transformação. São geralmente utilizadas em compósitos aos quais é exigida elevada estabilidade dimensional a temperaturas elevadas.
ADITIVOS Para além do reforço e da matriz os compósitos são constituídos por cargas e outros aditivos que se juntam com o propósito de produzir vários efeitos como: - diminuição do preço, - facilidade de manuseamento, - melhoria das características de moldação, - melhoria das propriedades pós-cura, - introdução de motivos decorativos.
CARGAS
Exemplos: mica, feldspato, sílica, quartzo, argila ou cálcio
Têm como principal função diminuir o preço do compósito. As suas principais características devem ser a boa dispersabilidade, estabilidade de suspensão, baixa densidade, cor clara, baixa percentagem de humidade, baixa absorção de óleo, resistência ao calor e resistência química.