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Introdução a Compósitos

Instituto Tecnológico de Aeronáutica

Divisão de Engenharia Mecânica

MT-717: Introdução a materiais e processos de

fabricação

Dr. Alfredo R. de Faria

Classificação de Materiais Compósitos2.

Definições Básicas1.

Agenda

Lâmina3.

Laminado4.

Processos de Fabricação5.

Definições básicas

Material compósito é um material constituído de duas fases combinadas

numa escala macroscópica cujo desempenho e propriedades para

uma dada aplicação são superiores aos materiais constituintes agindo

independentemente.

As fases constituintes de um compósito são:

• reforço: geralmente descontínua, mais rígida e mais resistente

• matriz: contínua e geralmente menos rígida e resistente

Além da matriz e do reforço, a interface entre essas fases também afeta as propriedades mecânicas do compósito

Uma boa interface (resultado da compatibilidade química entre as fases) é essencial para a resistência e rigidez do compósito

reforço

matriz

compósito

Funções da matriz

� mantém o reforço agregado e distribui as cargas

� protege o reforço de dano químico e mecânico

� componente dominante nas propriedades de:

resistência ao impacto e tenacidade

temperatura de serviço

comportamento viscoelástico (creep)

propriedades transversais

Homogeneidade

� um material é homogêneo quando as suas propriedades não variam de

ponto a ponto no material ou não dependem da localização

� um material é heterogêneo quando as suas propriedades variam de ponto a

ponto no material ou dependem da localização

� o conceito de homogeneidade de um material está associado a uma escala ou

volume característico

� um material pode ser considerado como homogêneo numa escala

macroscópica mas heterogêneo numa escala microscópica

� materiais compósitos se enquadram no caso acima

Homogeneidade

Material homogêneo numa

escala macroscópica

Material heterogêneo numa

escala microscópica

matrizfibra

Anisotropia

� muitas propriedades dos materiais, tais como rigidez, resistência, expansão

térmica e condutividade térmica estão associadas com uma direção ou com a

orientação dos eixos de referência

� um material é isotrópico quando as suas propriedades são as mesmas em

todas as direções ou independente da orientação dos eixos de referência

� o conceito de homogeneidade de um material está associado a uma escala ou

volume característico

Classificação de materiais compósitos2.

Definições básicas1.

Agenda

Lâmina3.

Laminado4.

Classificação de materiais compósitos

Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico

� particulado

� fibra descontínua

� fibra contínua

� um compósito particulado consiste de partículas de várias formas e tamanhos

dispersas aleatoriamente na matriz

� os compósitos particulados podem ser considerados quase-homogêneos

numa escala bem maior do que o tamanho médio das partículas

� devido a aleatoriedade da distribuição das partículas os compósitos

particulados podem ser considerados quase-isotrópicos

� Exemplos de compósitos particulados:

concreto

partículas de alumínio em poliuretano

(usado em propelentes de foguetes)

partículas de carbeto de silício em alumínio

� um compósito com fibras descontínuas contém fibras curtas ou whiskers

como reforço; as fibras são longas em relação ao diâmetro

� a orientação das fibras pode ser aleatória ou unidirecional

� utilização em geral em aplicações de baixa solicitação mecânica

� devido a aleatoriedade da distribuição das fibras os compósito com fibras

descontínuas com orientação aleatória podem ser considerados quase-

isotrópicos

� o material pode ser encontrado na forma de mantas de fibras picadas

Compósito com fibras descontínuas

aleatória unidirecionalmanta de fibra de carbono

(fibras curtas dispostas

aleatoriamente)

� um compósito com fibras contínuas contém fibras longas e contínuas como

reforço

� a orientação das fibras pode ser unidirecional, bi-direcional ou multidirecional

� utilização em aplicações onde se requer alta rigidez e resistência

unidirecional bi-direcional multidirecional

As fibras contínuas são fornecidas em várias formas:

� roving (fio seco)

� lâmina unidirecional pré-impregnada (tape)

� tecido (pré-impregnado ou seco)

roving

tecido

reforço particulado

b) orientação aleatória

a) unidirecional

reforço de fibras descontínuas

a) unidirecional

reforço de fibras contínuas

b) tecido (cross-ply)

c) multidirecional

quase-

isotrópico

Quanto ao tipo de matriz

� polimérica

� cerâmica

� metálica

� carbono

� Matriz polimérica termoplástica

� Matriz polimérica termorígida

� Aplicações: compósitos reforçados por fibra de vidro, kevlar ou carbono em

aplicações de temperaturas relativamente baixas

� Vantagens:

alta rigidez e resistência específica

fácil processamento

custo de fabricação relativamente baixo

flexibilidade na orientação das fibras

� Matriz polimérica termoplástica

PEEK (poli-éter-éter-cetona)

Polisulfona

PEI (poli-éter-imida)

� Características

alto custo

alta tenacidade e ductilidade

consolidação: transformação física

processamento difícil

temperatura de uso limitada pela temperatura de amolecimento ou fusão

� Matriz polimérica termorígida

poli-imida

poliester

fenólica

cura: transformação química

uma vez curada não pode ser re-fundida

resistente, rígida e frágil

armazenamento com refrigeração

perecível (shelf life limitada)

processamento simples

temperatura de uso relativamente baixa

Matriz cerâmica reforçada por fibras de cerâmica

carbeto de silício

óxido de alumínio

nitreto de silício

� Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas muito elevadas

alta temperatura de uso

baixa densidade

alta rigidez e dureza

processamento complexo

isolamento elétrico

frágil – baixa tenacidade à fratura

baixa tolerância ao dano

Matriz metálica reforçada por fibra de boro, carbono ou cerâmica

alumínio

magnésio

titânio

� Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas elevadas e

propriedades mecânicas elevadas

alta rigidez e resistência (3D)

alta condutividade térmica

dúctil – alta tenacidade à fratura

alta tolerância ao dano

Matriz de carbono reforçada por fibras de carbono

compósito carbono-carbono

� Aplicações que requerem alta resistência a temperaturas muito elevadas

(exemplos: tubeira de foguete, freios de aviões)

alta rigidez

baixa densidade

baixa expansão térmica

boa condutividade térmica e elétrica

processamento difícil

Lâmina3.

Agenda

Laminado4.

Lâmina

Definição

� lâmina é uma camada de fibras unidirecionais ou tecidas embebidas em uma

matriz

� os eixos principais do material são:

1. direção longitudinal à fibra

2. direção transversal à fibra no plano da lâmina

3. direção perpendicular ao plano da lâmina

(longitudinal)

(transversal, no plano)(perpendicular

ao plano)

Lâmina

Orientação

� o ângulo de laminação de uma lâmina é o ângulo que o eixo x do sistema de

coordenadas usado faz com a direção da fibra (ou longitudinal da lâmina)

� o eixo z do sistema de coordenadas deve ser sempre normal ao plano da

lâmina

� o ângulo de laminação depende do sistema de coordenadas escolhido

Lâmina

Orientação

� no caso de lâmina de tecido, há fibras em duas direções ortogonais: a direção

do urdume e a direção da trama

� nesse caso, o ângulo de laminação da lâmina é o ângulo que o eixo x do

sistema de coordenadas faz com a direção do urdume (ou trama, conforme

convencionado)

� quando se acrescenta 180o no ângulo de laminação, obtém-se a mesma

direção das fibras. Exemplo: θ1 = −90o e θ2 = 90o representam o mesmo ângulo

de laminação

� a orientação da lâmina depende do sistema de referência

Agenda

Lâmina3.

Laminado4.

Laminado

Definição

� um laminado é constituído por duas ou mais lâminas empilhadas em

orientações arbitrárias

� um laminado pode ser constituído de lâminas de materiais diferentes; nesse

caso o laminado é chamado laminado híbrido

Laminado

Notação

� um laminado é descrito pelas características de cada lâmina que o compõe

� os dados necessários de cada lâmina são:

material

espessura

ângulo de laminação

� se todas as camadas forem de mesma espessura e mesmo material, o

laminado pode ser descrito pelos ângulos de laminação ordenados do fundo do

laminado para o topo

� exemplo: [90 / +45 / −45 / 0]T� o sub-escrito “T” (de total) em geral é usado para indicar que todo o

laminado está sendo descrito

Laminado

Notação

� um sub-escrito “S” pode ser usado para indicar que um laminado é simétrico;

nesse caso, apenas metade das camadas precisam ser indicadas

� exemplo:

[0/+45/−45]S = [0/+45/−45 /−45 /+45/0]T

[0/ ±45]S = [0/+45/−45 /−45 /+45/0]T

� uma sobre-barra pode ser usada para indicar a camada do meio de um

laminado simétrico com um número ímpar de camadas

� exemplo:

[0/90]S = [0/90/0]T

[±45/0]S = [+45/−45/0/−45 /+45]T

Laminado

Notação

� quando camadas repetidas aparecem, um sub-escrito com o número de

repetições pode ser usado

� exemplo:

[02/+45/−45/02]S = [0/0/+45/−45 /0/0/0/0/−45 /+45/0/0]T[±30]2S = [+30/−30/+30/−30/−30/+30/−30/+30]T

� parênteses podem ser usados para agrupar um conjunto de camadas

� exemplo:

[0/(90/0)2]S = [0/90/0/90/0/0/90/0/90/0]T

[0/(±15)2/0]T = [0/±15/±15/0]T = [0/+15/−15/+15/−15/0]T

Agenda

Lâmina3.

Laminado4.

Processos baseados

em cura em autoclave

Processos baseados em

cura fora do autoclave

-Hand lay-up

-Automatic Tape Laying (ATL)

-Fiber Placement (FP)

-Resin Film Infusion (RFI)

-Filament Winding

-Resin Transfer Molding (RTM)

-Vacuum Assisted Transfer Molding

(VARTM/RTM Light)

-Resin Film Infusion (RFI)

-Filament Winding

Processos de Fabricação

� Hand lay-up

� Automatic Tape Laying (ATL)

� Fiber Placement (FP)

� Resin Film Infusion (RFI)

� Filament Winding

� Resin Transfer Molding (RTM)

� Vaccum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM)

� Pultrusão

Fita UD / tecido Consumíveis

Hand lay-up: matéria prima

1. Corte de camadas

2. Preparação do molde

3. Laminação

4. Saco de vácuo

5. Estrutura pronta para cura

6. Cura em autoclave

7. Estrutura curada

8. Desmoldagem

9. Inspeção

Hand lay-up: passos

Hand lay-up: sequência de laminação

Hand lay-up: tipos de molde

� Molde metálico: altos custos, maior durabilidade e capacidade térmica. Empregado na fabricação de peças aeronáuticas primárias

� Molde compósito: baixos custos, durabilidade reduzida e baixa capacidade térmica, reciclável. Empregado na fabricação de peças aeronáuticas secundárias.

Hand lay-up: ciclos de cura típicos

Vantagens

- Baixa porosidade e poucos

vazios

- Bom controle da fração

volumétrica e fibra e resina

- Altas frações volumétricas de

resina

- Fabricação em formas

complexas

Desvantagens

- Altos custos do pre-preg;

- Desperdício de material

- Necessita de ambiente

altamente controlado – sala limpa

- Alto consumo energético

- Acabamento superficial em uma

superfície apenas

Hand lay-up: vantagens e desvantagens

Automatic Tape Laying (ATL) e Fiber Placement (FP)

Vantagens

- Deposição de camadas na

orientação correta

- Reduz ciclo de custos

- Manufatura de partes planas ou

curvas

- Manufatura de grandes

estruturas (até 14 m) em apenas

uma etapa

- Processo automatizado

- Precisão, repetibilidade e

qualidade elevadas

Desvantagens

- Introdução de descontinuidades

no reforço durante o processo de

laminação

- Qualidade final de furos limitada

pela largura da fita depositada

- Altos custos associados com

cura em autoclave

Automatic Tape Laying (ATL) e Fiber Placement (FP)

Resin Film Infusion (RFI)

Tecidos secos são depositados entremeados por camadas de filmes de resina semi-sólidos. O laminado é submetido a um saco de vácuo para remover o ar através do tecido seco e posteriormente aquecido para que a resina inicialmente derreta e depois flua por meio do tecido livre de ar e, finalmente, a cura ocorra após algum tempo.

Resin Film Infusion (RFI): matéria prima

Resinas: geralmente apenas epóxi

Fibras: quaisquer

Núcleos: vários, embora espumas PVC necessitem de procedimentos especiais devido às altas temperaturas envolvidas no processo

Vantagens

-Altas frações volumétricas de fibra

podem ser obtidas com poucos vazios

-Processo seguro e limpo, como pre-preg

-Boas propriedades mecânicas da resina

devido ao estado inicialmente sólido do

polímero e elevada temperatura de cura

-Custos potencialmente mais baixos do

que aqueles do pre-preg, com quase

todas as mesmas vantagens.

Desvantagens

-Não muito aceito fora da indústria

aeronáutica

-Forno e saco de vácuo são necessários

para cura do componente assim como no

caso dos pre-pregs

-Ferramental suficiente resistente para

suportar as temperaturas de

processamento do filme de resina (60-

100°C);

-Material do núcleo deve ser capaz de

suportar temperaturas e pressões do

processo

Resin Film Infusion (RFI)

Filament Winding (enrolamento filamentar)

Filament Winding: matéria prima

Resinas: epóxi, poliéster, fenólicas

Fibras: vidro, carbono, aramida

Aplicações: estruturas axisimétricas como vasos de pressão, tanques de combustível e dutos

Parâmetros de processo: viscosidade da resina, tensão na fibra, velocidade, posicionamento das fibras

Vantagens

- Processo de posicionamento de

fibras controlado

- Baixo conteúdo de vazios

- Permite a fabricação de partes

unidas em oneshot

- Permite fabricação de estruturas

de qualquer tamanho

- Processo com baixíssimo

desperdício de material

Desvantagens

- Limitado a geometrias

axisimétricas

- Não permite bom controle do

conteúdo de resina

- A qualidade do produto final

depende dos parâmetros de

processo (viscosidade da resina,

tensão nas fibras, velocidade,

posicionamento das fibras)

Filament Winding

RTM é um processo de transferência de resina assistido por vácuo no qual uma pré-forma seca é colocada entre duas partes rígidas de um molde fechado seguido por impregnação de resina termofixa sob pressão com ajuda de vácuo. Resinas de baixa viscosidade devem ser utilizadas. Geralmente a cura é feita in-situ usando molde aquecido com controle de temperatura. Aplicável na produção em cadência média e alta de grandes componentes estruturais.

RTM: passos

RTM: matéria prima

Resinas: epóxi, poliéster, vinil éster

Fibras: vidro, carbono, aramida

Aplicações: gerais nas indústrias aeroespacial e automotiva (aeroestruturas primárias, painéis reforçados integrais)

Parâmetros de processo: viscosidade da resina, definição dos pontos de entrada e saída da resina, velocidade de infusão, qualidade do molde (rigidez e resistência), tecidos (“dobrabilidade” ou distorções geométricas e permeabilidade)

Boeing 787 → painel compósito reforçado

RTM: exemplos de aplicação

Desvantagens

- Altos custos (ferramental)

- Limitação de tamanho

- Quantidades produzidas

tipicamente entre 100-5000

partes

- Software para preenchimento

do molde em desenvolvimento

- Posicionamento da pré-forma

no molde é crítico

Vantagens

- Não há desperdício

- Alta cadência de produção

- Bom acabamento em ambos

lados da peça

- Boa tolerância dimensional

(espessura)

- Processo em molde fechado

(emissões voláteis reduzidas)

- Conteúdo de fibra elevado

VARTM é similar ao processo de RTM, porém utiliza apenas vácuo, tanto para a injeção de resina quanto para a cura do molde. Assim, ele opera a pressões mais baixas do que o processo RTM, o que permite a inclusão de núcleos de espuma facilmente incorporados no lay-up. O processo consiste em apenas um molde com uma bolsa de vácuo e pré-forma inserida entre essas duas partes. Um meio poroso é geralmente colocado sobre a pré-forma para facilitar a distribuição de resina.

Desvantagens

- Não atinge tolerâncias tão boas

quanto o RTM

- Acabamento ruim do lado da

peça voltado para bolsa de vácuo

- Dificuldade em atingir requisitos

de desempenho e qualidade

- Raramente se aplica a estruturas

primárias

Vantagens

- Opera a pressões mais baixas

que o RTM

- Não necessita de autoclave

- Uso de ferramental mais simples

- Permite fabricar peças maiores

que o RTM

Pultrusão → seções reta

Pultrusão

Pultrusão: matéria prima

Resinas: epóxi, poliéster, fenólica

Fibras: carbono, kevlar, vidro

Aplicações: indústrias automotiva e petróleo, trilhos, pórticos e maçanetas

Parâmetros de processo: velocidades e rotação e giro, aquecimento, medida e calibração da solidificação, resfriamento, trefilação e corte

Desvantagens

- Limitado a seções reta

uniformes

- Propriedades mecânicas podem

ser afetadas pelo reduzido ciclo

de cura durante solidificação

- Baixa resistência transversal

quando reforços unidirecionais

são utilizados

Vantagens

- Não há desperdício

- Altas taxas de produtividade

- Alto conteúdo de fibras

Pultrusão

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