PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ESCOLA DE ENGENHARIA

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

Dissertação de Mestrado

ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE TENSÃO

E FLEXÃO DE COMPÓSITOS SANDUÍCHE

DANIEL PEREIRA NUNES GAMA

JULHO DE 2017

DANIEL PEREIRA NUNES GAMA

ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE TENSÃO E FLEXÃO DE COMPÓSITOS SANDUÍCHE

Dissertação de Mestrado apresentada ao

Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya

de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da

UFF como parte dos requisitos para a obtenção

do título de Mestre em Ciências em

Engenharia Mecânica

Orientador: João Marciano Laredo dos Reis, Ph. D. (PGMEC/UFF)

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE NITERÓI, 24 DE JULHO DE 2017

Aos Meus Pais

Douglas de Oliveira da Gama

e Leyla Pereira Nunes

Agradecimentos

Ao meu orientador João Marciano Laredo dos Reis, pelo ensinamento e orientação, e

a toda equipe do PGMEC e LMTA.

À equipe Blackbird Aerodesign da Universidade Federal Fluminense pelo

fornecimento dos materiais.

Aos meus pais e irmão: Leyla Pereira Nunes, Douglas de Oliveira da Gama e Victor

Pereira Nunes Gama, por prestarem total apoio durante a realização deste trabalho.

À Marina Saad Muller pelo apoio durante o mestrado e pela ajuda na revisão deste

trabalho.

RESUMO

O objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento mecânico de compósitos

sanduíches. As lâminas do compósito são formadas por fibra de vidro e fibra de carbono

enquanto o núcleo é constituído de chapas de madeira balsa e divinycell H45® (48 kg m-3).

O principal ponto do trabalho é avaliar a resistência a tração (σu), módulo de elasticidade (E),

resistência a flexão (σf), módulo de elasticidade a flexão (Ef) e a massa dos corpos de prova.

Para tal, foi confeccionado chapas laminadas pelo processo de infusão a vácuo e em seguida

foi recortado corpos de prova de dimensões 250 por 25 mm. O ensaio de tração e flexão

foram realizados de acordo com as respectivas normas: ASTM D3039 e ASTM D790. Os

compósitos sanduíche formados por lâminas de fibra de carbono apresentaram melhores

propriedades em comparação com os mesmos compósitos constituídos por lâminas de fibra

de vidro. Deste modo, os compósitos com núcleo de madeira balsa com lâminas de fibra de

carbono podem ser aplicados em áreas de maior esforço enquanto os compósitos com núcleo

de divinycell H45® e fibra de carbono pode ser aplicado em áreas de menor solicitação.

Palavras-chave: Propriedades mecânicas; Compósitos sanduíche; Ensaio de tração; Ensaio

de flexão.

ABSTRACT

This work is concerned with the study of the mechanical behavior of polymer composite

sandwich beams. The skins consist of glass and carbon reinforced epoxy composites. The

core is made from balsa wood and Divinycell H45 (48 kg m−3) foam. The main goal is to

evaluate the best composite system considering the ultimate tensile strength (σu), the elastic

modulus (E), flexural strength (σf) and flexural modulus (Ef) and the mass of the specimens.

For this purpose, laminated sheets were made by the vacuum infusion process and then 250

mm by 25 mm specimens were cut out. Tensile tests according to standard ASTM D 3039

and bending tests according to standard ASTM D 790 were performed. The sandwich beams

composites formed by carbon fiber presented a better performance in comparison to the same

composites constituted by fiberglass. Thus, composites with balsa wood core with carbon

fiber can be applied in areas of greater effort while composites with divinycell H45® core

and carbon fiber can be applied in less demanding areas.

Keywords: Mechanical properties, Sandwich beams, Tensile test, Flexural Test

SUMÁRIO

Lista de Figuras .....................................................................................................................10

Lista de Tabelas ....................................................................................................................11

Capítulo 1. INTRODUÇÃO................................................................................................12

1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS........................................................................................12

1.2. OBJETIVOS...................................................................................................................14

1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO..............................................................................15

Capítulo 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA........................................................................16

2.1. FIBRAS E MATRIZ POLIMÉRICA..............................................................................19

2.2. COMPÓSITOS LAMINADOS......................................................................................26

2.3. COMPÓSITOS SANDUÍCHE.......................................................................................30

2.4. PROCESSO DE INFUSÃO A VÁCUO.........................................................................34

2.5. ENSAIOS MECÂNICOS...............................................................................................37

2.5.1. Ensaio de Tração........................................................................................................37

2.5.2. Ensaio de Flexão.........................................................................................................40

Capítulo 3. MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................41

3.1. MATERIAIS..................................................................................................................41

3.2. EQUIPAMENTOS.........................................................................................................45

3.3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL...........................................................................46

3.3.1. Ensaio de Tração........................................................................................................48

3.3.2. Ensaio de Flexão.........................................................................................................49

Capítulo 4. RESULTADOS e DISCUSSÃO ..................................................................52

4.1. MASSA..........................................................................................................................52

4.2. ENSAIO DE TRAÇÃO..................................................................................................53

4.3. ENSAIO DE FLEXÃO...................................................................................................55

Capítulo 5. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS..........................................59

5.1. CONCLUSÕES..............................................................................................................59

5.2. PERSPECTIVAS FUTURAS........................................................................................60

Capítulo 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...........................................................61

ANEXO I..............................................................................................................................65

ANEXO II............................................................................................................................71

Lista de Figuras

Figura 2.1: Materiais compósitos empregados no EMB-314 [3]............................................18

Figura 2.2: Resistência mecânica em função do diâmetro da fibra. [4]..................................19

Figura 2.3: Arranjos de fibras [4]...........................................................................................21

Figura 2.4: Classificação dos polímeros [1]...........................................................................23

Figura 2.5: Comparativo de performance dos polímeros utilizados na matriz polimérica

[4]..........................................................................................................................................25

Figura 2.6: Exemplificação dos laminados [1].......................................................................27

Figura 2.7: Esquemático dos laminados [4]...........................................................................27

Figura 2.8: Falha das camadas de um compósito laminado [4]..............................................29

Figura 2.9: Exemplos de compósitos sanduíche, (a) núcleo de espuma, (b) núcleo de

honeycomb, (c) núcleo ondulado [11]....................................................................................31

Figura 2.10: Evolução do processo de infusão a vácuo em relação a demanda e ao

comprimento das pás de geradores e energia eólicos [18]......................................................34

Figura 2.11: Esquemático do processo por infusão a vácuo. (1) Equipamento de mistura da

resina com o catalizador; (2) Recipiente da resina; (3) Molde; (4) Recipiente intermediário e

bomba de vácuo [19]..............................................................................................................35

Figura 2.12: Corpo de prova típico do ensaio de tração [20]..................................................37

Figura 2.13: Tensão x deformação de um típico material metálico [20].................................38

Figura 2.14: Curva tensão-deformação da fibra, matriz e compósito [21]..............................39

Figura 2.15: Esquemático do ensaio de flexão de três pontos [23].........................................41

Figura 2.16: Curvas típicas de ensaio de flexão em três pontas em materiais compósitos.

Adaptado de [23]...................................................................................................................42

Figura 3.1: Máquina de ensaio de tração Shimadzu® Servopulser........................................45

Figura 3.2: Máquina de ensaio universal EMIC DL®............................................................46

Figura 3.3: Tipos de amostras confeccionadas.......................................................................47

Figura 3.4: Corpo de prova durante o ensaio..........................................................................48

Figura 4.1: Comparativo tensão x deformação.......................................................................53

Figura 4.2: Comparativo tensão de flexão x deformação – fibra de vidro e fibra de

carbono..................................................................................................................................56

Figura 4.3: Comparativo tensão de flexão x deformação – fibra de vidro/fibra de carbono +

madeira balsa/divinycell H45®.............................................................................................56

Figura A.1: Tensão x deformação – fibra de carbono.............................................................65

Figura A.2: Tensão x deformação – fibra de carbono + divinycell H45®..............................65

Figura A.3: Tensão x deformação – fibra de carbono + madeira balsa...................................66

Figura A.4: Tensão x deformação – fibra de vidro.................................................................66

Figura A.5: Tensão x deformação – fibra de vidro + divinycell H45®...................................67

Figura A.6: Tensão x deformação – fibra de vidro + madeira balsa........................................67

Figura A.7: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono............................................68

Figura A.8: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono + divinycell H45®..............68

Figura A.9: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono + madeira balsa...................69

Figura A.10: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro................................................69

Figura A.11: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro + divinycell H45®.................70

Figura A.12: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro + madeira balsa......................70

Lista de Tabelas

Tabela 2.1: Propriedades de fibras e arames [4].....................................................................24

Tabela 2.2: Vantagens e desvantagens do processo de fabricação por infusão a vácuo

[18]........................................................................................................................................38

Tabela 3.1: Características das fibras [24, 25]........................................................................45

Tabela 3.2: Propriedades dos núcleos dos compósitos sanduíches [26, 27]...........................46

Tabela 3.3: Propriedades da resina epóxi [28]........................................................................46

Tabela 3.4: Tipos e quantidade de corpos de prova utilizadas por ensaio...............................49

Tabela 3.5: Valores de distância entre suporte e taxa de deformação.....................................52

Tabela 4.1: Massa média e desvio padrão dos corpos de prova..............................................55

Tabela 4.2: Tensão máxima e módulo de elasticidade...........................................................60

Tabela 4.3: Tensão máxima de flexão e módulo de elasticidade............................................6

13

Capítulo 1

Introdução

1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS

Materiais compósitos laminados em matriz polimérica vem se destacando na

indústria nas últimas décadas. Amplamente aplicados às áreas da aviação, estruturas

espaciais, automotiva e petroquímica os compósitos laminados devem possuir propriedades

adequadas às solicitações mecânicas apresentadas. Especificamente para a engenharia

aeroespacial os conhecimentos das propriedades mecânicas são tratados com destaque por se

apresentar como um dos fatores principais para projetos em tais áreas da indústria [1-4].

Distintivamente dos metais cujas características previamente citadas foram

amplamente estudadas, os materiais compósitos carecem da quantidade de informações

disponíveis sobre os aspectos citados. Por se tratar de materiais formados pela composição

14

de dois ou mais constituintes que apresentam propriedades distintas, a matriz polimérica

apresentará particularidades provenientes de sua composição [2-4].

Durantes anos os compósitos laminados são estudados por sua alta resistência

mecânica e baixo peso. Porém, a fim de se propor novas características mecânicas os

compósitos híbridos foram desenvolvidos pela composição de dois ou mais tipos de

compostos adquirindo as propriedades mecânicas de ambas [4]. Compósitos híbridos podem

ser produzidos por várias configurações, como intra-camadas e sanduíches [5].

Os estudos típicos realizados por [6-10] mostram que os compósitos híbridos sob

carregamentos de flexão, tração, fadiga e impacto apresentam propriedades melhores em

relação aos compósitos com alta resistência mecânica e baixo deslocamento.

Dentre os compósitos híbridos há o tipo sanduíche que consiste em duas camadas

finas de lâminas rígidas de baixa espessura com um núcleo de maior espessura, composta por

um material menos denso e com menor resistência. Com isso, se obtém um compósito com

a resistência de suas lâminas externas, resistente a tração e compressão, e com as

características de seu núcleo com alta resistência a flexão e baixo peso [11].

Para [11-13] o comportamento sob tração nos compósitos sanduíche não se altera,

pois o limite de escoamento do núcleo é menor que o da lâmina, sendo esta predominante.

No entanto, para os corpos de prova sob flexão o núcleo distribui as tensões pelo corpo

minimizando os efeitos de cisalhamento e tração nas quais ficam concentrados nas lâminas.

Outros estudos avaliam a composição do núcleo e sua geometria sob flexão. Para [14]

os efeitos de cisalhamento e flexão podem ser previstos pela composição do sanduíche e sua

espessura por meio da lei das misturas. Para [15] os núcleos de PVC (usualmente aplicados)

podem ser substituídos por compósitos naturais e metais a fim de garantir maior ou menor

15

rigidez, enquanto para [16, 17] colunas de resina no núcleo ou uso da geometria de colmeia

produzirá o mesmo efeito.

Com estes aspectos em vista esta dissertação tem por objetivo avaliar e comparar

compósitos laminados com matriz polimérica e tipo sanduíche entre si, definindo a

composição com melhores propriedades. Os ensaios foram realizados de acordo com a

ASTM D3039 [23] e a ASTM D790 [29].

1.2. OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho é investigar e avaliar as propriedades mecânicas: resistência

a tração, resistência a flexão, módulo de elasticidade a tração, módulo de elasticidade a flexão

e massa por meio de ensaio de tração, conforme a norma ASTM D3039, e ensaio de flexão

de acordo com a norma ASTM D790 de compósitos formados por fibra de carbono e fibra

de vidro reforçados por matriz polimérica, assim como compósitos sanduíches com núcleo

de divinycell H45® e madeira balsa com lâminas de fibra de carbono e fibra de vidro a fim

de determinar o compósito com a melhor combinação destas propriedades levando em

consideração suas aplicações no aeromodelo da Universidade Federal Fluminense tanto

quanto para a indústria aeroespacial.

16

1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO

No capítulo II são apresentadas as referências bibliográficas abordando os materiais

compósitos reforçados por matriz polimérica e compósitos sanduíche, esclarecendo o papel

das fibras, do núcleo e da matriz polimérica. No mesmo capítulo é introduzido a noção do

processo de infusão a vácuo tal qual uma breve introdução aos ensaios de tração e flexão.

O capítulo III apresenta as propriedades dos materiais, o maquinário utilizado e a

metodologia experimental empregada.

O capítulo IV traz os resultados dos ensaios e a comparação das propriedades, tal

como a análise dos gráficos obtidos e suas interpretações.

As conclusões e perspectivas futuras para o trabalho se encontram no capítulo V.

Por fim, o Anexo I mostra os gráficos obtidos pelos ensaios de flexão e de tração

enquanto o Anexo II apresenta o artigo publicado no 6th International Symposium on Solid

Mechanics - MECSOL 2017.

17

Capítulo 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Os materiais compósitos vêm se tornando cada vez mais comum na indústria e no

cotidiano. Sendo amplamente versáteis, eles podem ser encontrados em veículos, aeronaves,

televisores e periféricos de computadores. O aumento de sua aplicação é devido à variedade

de propriedades mecânicas geradas pela combinação de dois ou mais componentes.

Para Jones [1], os materiais compósitos são formados por dois ou mais materiais que,

combinados em escala macroscópica formam um terceiro material com propriedades

mecânicas bem definidas em função dos materiais escolhidos para formar o compósito. No

entanto, pode-se afirmar que diferentes materiais podem ser combinados em escala

microscópica, como a adição de ligas metálicas ao compósito, porém o resultado deve ser

18

analisado de forma macroscópica pois os componentes não podem ser distinguidos e, na

prática, agem como um corpo único.

Segundo Dietz [2], uma série de vantagens são apontadas pelo uso dos materiais

compósitos, entre elas destacam-se:

• Resistência mecânica;

• Rigidez;

• Resistência a corrosão;

• Peso;

• Vida em fadiga;

• Dependência da temperatura;

• Isolamento térmico e acústico.

Seguramente, as propriedades supracitadas não são experimentadas ao mesmo tempo

pelo compósito obtido, algumas propriedades entram em conflito com outras, como por

exemplo: resistência mecânica e vida em fadiga, neste aspecto fica a cargo do projetista a

escolha das propriedades em função do tipo de solicitação na qual o material compósito irá

sofrer.

No âmbito histórico [1-4], o emprego de materiais compósitos é datado dos egípcios

que implementaram a expansão térmica da madeira a fim de adquirir melhores propriedades

mecânicas de resistência e impermeabilidade para a construção civil, passando pela idade

média na qual as espadas e armaduras eram produzidas por camadas sobrepostas de diferentes

ligas metálicas, até a década de sessenta quando os materiais compósitos de alto desempenho

foram introduzidos na indústria aeroespacial pelo desenvolvimento de fibras de carbono,

vidro e boro ofereceram aos desenvolvedores a oportunidade de flexibilizar os projetos

19

estruturais. Em conjunto, os tecidos de fibra de vidro e carbono foram desenvolvidos e

implementados em aeronaves militares e comerciais, assim como na indústria automotiva

permitindo uma redução em peso de até 40% de seus produtos. A Figura 2.1 exemplifica o

emprego de materiais compósitos no Embraer EMB-314.

Figura 2.1: Materiais compósitos empregados no EMB-314 [3].

Os materiais compósitos são comumente classificados em três subdivisões, sendo

elas:

• Compósitos fibrosos;

• Compósitos laminados;

• Compósitos de partículas.

Pelo escopo desde trabalho, serão descritos os compósitos fibrosos reforçados por

matriz polimérica e os compósitos laminados. O próximo tópico será relacionado aos

compósitos fibrosos constituídos por matriz polimérica e em seguida será apresentado os

compósitos laminados com ênfase nos laminados tipo sanduíche.

20

2.1. FIBRAS E MATRIZ POLIMÉRICA

As fibras são utilizadas como reforço por proporcionar força e rigidez a matriz

polimérica. As mais comuns são as fibras de vidro, carbono e aramida.

Independentemente de suas boas características as fibras podem apresentar queda de

desempenho devido a seu diâmetro, comprimento, orientação, formato e a matriz na qual ela

está inserida.

Para Kaw [4], a resistência mecânica é relacionada a pequenas falhas do material.

Removendo essas falhas haverá um aumento da resistência mecânica. Deste modo, as fibras

com menor diâmetro apresentarão menos áreas de falha, possuindo assim, maior resistência

mecânica. Pode-se dar o exemplo de uma placa de aço que possui resistência mecânica de

689 MPa enquanto um arame de mesmo material apresentará 4100 MPa. A Figura 2.2 ilustra

a resistência mecânica de fibra de carbono em função de seu diâmetro.

Figura 2.2: Resistência mecânica em função do diâmetro da fibra [4].

21

As fibras podem ser longas ou curtas. Fibras longas e contínuas são fáceis de se

orientar e facilitam o processo de fabricação, elas possuem melhor resistência, baixo

enrugamento, melhor qualidade superficial e estabilidade dimensional. Já, as fibras de menor

comprimento, apesar da dificuldade em sua orientação na fabricação são mais fáceis de se

trabalhar, apresentam menor tempo de cura e custo reduzido, além de, por serem menores,

possuem maior resistência.

Fibras orientadas em apenas uma direção possuem maior rigidez e resistência à tração

na direção escolhida. Se a fibra é orientada em múltiplas direções sua rigidez e resistência à

tração será equivalente ao percentual em volume do número de fibras nessas direções.

Por fim, as fibras são normalmente confeccionadas em formato circular. Porém,

podem ser produzidas com secções hexagonais e quadradas que possuem maior rigidez e

resistência mecânica, mas seu alto custo de fabricação e dificuldades no processo faz com

que sejam menos comuns no mercado. A Figura 2.3 apresenta diferentes arranjos de fibras.

22

Figura 2.3: Arranjos de fibras [4].

Os materiais compósitos tanto quanto os metais possuem propriedades bem definidas.

Para Jones [1], a fibra é caracterizada geometricamente não apenas pela relação

comprimento-diâmetro, mas também pela proximidade do diâmetro dos cristais da fibra.

Neste cenário a Tabela 2.1 apresenta a resistência à tração e módulo de elasticidade, assim

como sua relação com a densidade de algumas fibras e arames metálicos. Contudo, a

comparação direta entre os arames e fibra não deve ser feita, pois, para uso estrutural, as

fibras devem ser aplicadas juntamente à matriz polimérica, já os metais podem ser

23

empregados sem este preparo. A densidade é apresentada na Tabela 2.1 em razão de ser um

parâmetro indicativo da eficiência da fibra cujo peso é especialmente avaliado pela indústria

aeroespacial.

Tabela 2.1: Propriedades de fibras e arames [4].

Fibra/Arame

Densidade, ρ

(Kg/m3)

Tensão

máxima, S

(MPa)

S/ρ

Módulo de

elasticidade,

E (GPa)

E/ρ

Alumínio 26,3 620 24 73 2,8

Aço 76,6 4100 54 207 2,5

Fibra de

vidro

24,4 4800 197 86 3,5

Fibra de

Carbono

13,8 1700 123 190 14

Fibra de

Boro

25,2 3500 137 400 16

As fibras por si só não apresentam propriedades estruturais para resistir aos esforços

aplicados a elas. Desta maneira é necessário algum tipo de suporte, ou estrutura na qual as

fibras possam estar compactadas e assim serem capazes de suportar esforços. Para Dietz [2],

este suporte é fornecido pela incorporação das fibras em uma matriz suficientemente rígida

a fim de conter o colapso das fibras sob carregamento e transmitir os esforços de fibra para

fibra, principalmente em condições de cisalhamento. A matriz, usualmente com menor

resistência mecânica e rigidez que as fibras não suporta carregamento elevados, mas, com a

24

adição das fibras, o compósito formado apresenta propriedades tanto das fibras quanto da

matriz, ou seja: alta resistência mecânica, rigidez e dureza.

Os compósitos reforçados por matriz polimérica apresentam baixo custo, alta

resistência mecânica e manufatura simples. Como o nome sugere, a matriz polimérica é

formada por polímeros.

Os polímeros são formados a partir de unidades menores, chamadas monómeros.

Estes são moléculas de baixa massa que por meio do processo de polimerização geram o

polímero. As unidades repetitivas que provem do monómero são nomeadas de mero. Os

meros, como mostra a Figura 2.4, são divididos em três categorias: linear, ramificado e em

rede.

Os polímeros lineares são uma cadeia de meros, entre os três tipos é o que possui

menor rigidez e resistência mecânica. Os polímeros em ramos são constituídos por polímeros

lineares conectados uns aos outros. Por fim, os polímeros em rede são aqueles nas quais suas

cadeias formam uma larga estrutura tridimensional interconectada garantindo a eles maior

rigidez e resistência mecânica [1].

Figura 2.4: Classificação dos polímeros [1].

25

Outra classificação empregada para estruturas poliméricas é de acordo com o seu

comportamento perante ao aumento de temperatura. São elas: borracha, termoplástico e

termofixos. Para Jones [1], as borrachas são materiais poliméricos em rede cujo estado sólido

é abaixo da temperatura ambiente. Os termoplásticos são polímeros em ramos, ao aquece-

los, eles se tornam macios, ao resfriá-los tornam-se rígidos. Suas características são: alta taxa

de deformação, capacidade de reprocessamento e baixo tempo de cura. Pode-se citar como

exemplo de termoplástico: nylon e polietileno. Já, os polímeros termofixos são formados por

reações químicas até que todas as suas moléculas tomem uma forma irreversível de rede.

Uma vez que esta forma é adquirida ela não pode ser desfeita. As principais características

dos termofixos são: baixa taxa de deformação, alta resistência mecânica e maior resistência

a temperaturas elevadas. Exemplos de polímeros termofixos são: poliamidas e epóxi.

As principais matrizes poliméricas são formadas por resinas. A escolha do tipo de

resina é de acordo com a aplicação. Deve-se considerar a resistência mecânica, custo,

emissão de gás e temperatura de operação. A Figura 2.5 mostra um comparativo destas

qualidades para diferentes tipos de resina.

26

Figura 2.5: Comparativo de performance dos polímeros utilizados na matriz

polimérica [4].

Como pode ser observado na Figura 2.5, cada resina possui suas vantagens e

desvantagens. A resina mais utilizada pela indústria (cerca de dois terços) é a resina epóxi.

Apesar de seu custo elevado ela apresenta alta resistência mecânica, baixa viscosidade que

permite boa aderência com as fibras na matriz polimérica, baixa volatilidade durante a cura

e baixo enrugamento causando a redução das tensões de cisalhamento [4].

27

2.2. COMPÓSITOS LAMINADOS

Compósitos laminados são caracterizados pela união de duas ou mais lâminas ligadas

entre si por uma matriz, a Figura 2.6 apresenta uma exemplificação dos compósitos

laminados. A importância dos laminados se dá por razões estruturais. Ao examinar uma única

lâmina sua espessura é da ordem de 0,125 mm sendo necessário uma série de lâminas para

suportar cargas presentes em situações de esforço. Uma segunda justificativa é relacionada

as propriedades mecânicas, uma única lâmina unidirecional torna-se vulnerável a solicitações

de cisalhamento. Portanto, a fim de obter melhores propriedades mecânicas e condicionar as

lâminas para suportar cargas estruturais os laminados são projetados e fabricados por uma

série de lâminas empilhadas em uma matriz.

Em consequência dos esforços e rigidez exigidos, os laminados devem ser projetados

de acordo com os esforços de tração, compressão, cisalhamento, flexão e torção. As tensões

e deformações são observadas de forma local, global e em cada lâmina do laminado. Com

isso, as propriedades do laminado, em geral, estarão atreladas as seguintes características:

• Módulo de elasticidade;

• Posicionamento das lâminas;

• Espessura;

• Orientação das lâminas.

28

Figura 2.6: Exemplificação dos laminados [1].

Os laminados são formados por grupos de lâminas. Cada lâmina pode ser identificada

de acordo com sua posição e seu ângulo de aplicação no laminado. Para isso, como mostra a

Figura 2.7, deve-se seguir uma notação. Cada lâmina é representada por seu ângulo em

relação ao eixo x e cada camada é separa por um sinal de barra (/) entre colchetes.

Figura 2.7: Esquemático dos laminados [4].

29

Assim, um laminado composto por:

0

-45

90

60

30

É designado como [0/-45/90/60/30], isto é, o laminado consiste em cinco camadas

com cada uma delas em um ângulo diferente em relação ao eixo x [4].

Uma das propriedades mais importante dos compósitos laminados é a sua resistência

mecânica. Para Jones [1], ao analisar a resistência mecânica dos laminados a falha de uma

lâmina não necessariamente irá influência na falha do laminado, como mostra a Figura 2.8.

O laminado pode sustentar elevadas cargas mesmo com a queda de rigidez (ocasionada pela

falha de uma lâmina). A resistência, tanto para tração quanto para flexão dos laminados será

determinada pelo número de camadas, pelo ângulo de aplicação das lâminas e pelo material

empregado. Além disso, a temperatura de cura e o tipo de matriz irá influenciar na

propriedade.

30

Figura 2.8: Falha das camadas de um compósito laminado [4].

Muitos pesquisadores estudam a influência da direção da fibra na resistência

mecânica e no módulo de elasticidade dos compósitos laminadas.

Para Pamar [5], tensões de tração e flexão em fibras orientadas em 90º são superiores

pois as tensões são igualmente distribuídas por todas as fibras e transmitidas ao longo de seus

eixos principais (x e y). Maiores deformações são observadas com ângulo de 30º, entretanto,

camadas sobrepostas com ângulos diferentes de 90º resultam em concentradores de tensão

causando a ruptura precoce do corpo de prova.

Liang [6], avaliou a ruptura por tensão de cisalhamento em amostras de fibra de

carbono unidirecionais e não lineares. As amostras não lineares possuem uma melhor

resposta às tensões de cisalhamento. Elas absorvem mais energia devido à alta resistência

mecânica comparada as amostras unidirecionais. Nas amostras unidirecionais a ruptura

começa nas bordas e rapidamente avança para o centro, a amostra falha pelo descolamento

das lâminas adjacentes.

Outros pesquisadores estudaram a alteração das propriedades mecânicas de

laminados compostos por fibras de materiais diferentes, em especial fibra de vidro e fibra de

carbono.

Os compósitos com fibra de vidro no exterior e fibras de carbono no interior

apresentam maior tensão de ruptura e maior resistência a tração. Há uma perda de 17% de

resistência a tração dos híbridos (fibras de carbono/vidro) em relação ao laminado

confeccionado apenas com fibra de carbono, porém há um aumento significativo (90%) da

tensão de ruptura [7].

31

Os ensaios de flexão realizados por Dong [8] e Tan [9] apontaram uma queda

significativa no módulo de flexão dos híbridos em relação a fibra de carbono pura. No

entanto, os resultados comparados com fibra de vidro apontaram um aumento significativo

na deformação e na resistência a flexão. Além disso, Irina [10] aponta a redução de custos ao

optar pelo hibrido de fibra de carbono/vidro em vez do compósito formado apenas por fibra

de carbono.

2.3. COMPÓSITOS SANDUÍCHE

Os tipos mais simples de compósitos sanduíche consistem em duas lâminas de pouca

espessura, chamadas de faces, com elevada rigidez e densidade, geralmente composta de

fibras de carbono e vidro, separadas por uma espessa camada com menor densidade e rigidez

chamado de núcleo.

Os núcleos possuem um papel fundamental nos compósitos tipo sanduíche. Eles

devem ser rígidos o bastante na direção perpendicular às faces a fim de resistirem a tensões

de cisalhamento nas quais podem fazer com que, ao ser dobrado, as faces não se soltem do

núcleo [11]. A Figura 2.9 apresenta alguns exemplos de compósitos sanduíche.

32

Figura 2.9: Exemplos de compósitos sanduíche, (a) núcleo de espuma, (b) núcleo de

honeycomb, (c) núcleo ondulado [11].

Os compósitos sanduíche são avaliados baseados na sua resistência, peso,

durabilidade, resistência a corrosão e custo.

Os materiais comumente aplicados para a face são ligas de alumínio e fibras

reforçadas. As ligas de alumínio possuem excelente resistência, porém necessitam de

tratamento anticorrosivo. As fibras reforçadas empregadas são as combinações de

carbono/epóxi e vidro/epóxi por sua resistência mecânica e resistência a corrosão, podendo

ser unidirecionais ou em tranças.

Ao se tratar do núcleo os materiais geralmente empregados são: madeira balsa por

sua resistência a compressão, boa vida em fadiga e alta resistência a cisalhamento; Placas de

33

polímeros de baixa densidade, como: poliuretano, poliéster e PVC pelo baixo peso; E, os

honeycombs que possuem diversas formas e configurações [4].

Para Frostig [12] os compósitos sanduíches com núcleo de materiais poliméricos

apresentam as seguintes características sob flexão:

• O núcleo afetará toda a estrutura;

• A lâmina superior será mais afetada que a inferior;

• Os esforços axiais serão maiores no centro do corpo de prova (onde a carga é

aplicada) e diminuem no sentido axial;

• As tensões de cisalhamento na vizinhança da área onde a carga é aplicada não

é uniforme, no entanto, ao longo do corpo de prova ela se mostra uniforme;

• Há tensões de compressão na face superior e tração na face inferior. A

distribuição de tensão depende da resistência a flexão do corpo de prova;

• As forças de cisalhamento nas faces são significantes na área onde a carga é

aplicada e vai diminuindo no comprimento do corpo de prova. No núcleo a

força de cisalhamento é nula em seu interior devido a simetria do corpo de

prova;

• O momento de flexão na face será dependente da rigidez do núcleo. Quanto

mais rígido o núcleo, maior será o efeito nas faces;

• Quanto menor a rigidez do núcleo mais suscetível o corpo de prova estará de

colapsar.

Lingaiah et al. [13] completa o trabalho de Frostig [12] ao avaliar a rigidez à flexão

em corpos de prova formados por núcleos de honeycombs de alumínio e espuma de PVC.

34

Lingaiah afirma que a rigidez à flexão de compósitos sanduíche com núcleo de espuma

aumenta à medida que a espessura do núcleo é elevada e que o valor experimental é 90

porcento em relação ao teórico. Diferentemente do núcleo de espuma, núcleos mais rígidos,

como o honeycomb de alumínio dispõem de maior rigidez que, neste caso, oferecem uma

rigidez experimental 55% do teórico.

Nilsson et al. [14] e Shahdin et al.[15] pesquisaram o efeito das vibrações em

materiais compósitos sanduíche uma vez que este é amplamente utilizado em aviões e

helicópteros. Suas conclusões levam a dependência da rigidez a flexão à frequência, isto é,

em sanduíches de maiores espessuras cujo funcionamento se dê em uma menor frequência

sua rigidez a flexão será menor.

Steeves et al. [16] propõem a seleção do compósito sanduíche feita a partir da massa

com uma tensão previamente estabelecida a fim de otimizar a estrutura. Em seu artigo ele

estabelece outras composições de sanduíche e afirma que a combinação com faces de fibra

de carbono e núcleo de espuma é ótima para estruturas com baixo carregamento. Estruturas

com alto carregamento devem ser formadas por sanduíches com faces hibridas de carbono e

núcleo de honeycomb, no entanto, núcleos de espuma com hastes poliméricas ou núcleos

oriundos de compósitos naturais podem ser utilizados como substitutos por possuir rigidez a

flexão equivalente.

No âmbito de substituição dos núcleos convencionais, Yalkin et al. [17] ao propor o

núcleo formado de espuma de PVC com hastes poliméricas aponta a melhora das

propriedades mecânicas em geral com um aumento de peso de 7 porcento em relação aos

núcleos de espuma sem haste. A melhora das propriedades está diretamente ligada ao número

de hastes introduzidas no núcleo de espuma. No entanto, as hastes restringem o movimento

do núcleo implicando na redução da deflexão máxima do compósito.

35

2.4. PROCESSO DE INFUSÃO A VÁCUO

Com o progresso da indústria de materiais compósitos o processo de infusão a vácuo

vem ganhando destaque no meio. Um exemplo evidente pode ser observado na indústria

eólica. As pás dos geradores, devido a suas dimensões, impulsionaram a indústria e o

desenvolvimento de novas técnicas para a confecção de peças oriundas dos materiais

compósitos. A Figura 2.10 mostra a evolução do processo de infusão a vácuo em relação a

demanda e ao comprimento das pás dos geradores de energia eólica [18].

Figura 2.10: Evolução do processo de infusão a vácuo em relação a demanda e ao

comprimento das pás de geradores e energia eólicos [18].

O processo de infusão a vácuo é uma técnica recente (1995) de injeção de resina sob

pressão, em molde fechado, para a produção de compósitos. Enquanto em um processo de

laminação manual os reforços são colocados sobre o molde e a resina é impregnada

manualmente com o auxílio de escovas ou rolos e o vácuo é apenas utilizado no final a fim

de remover o excesso de resina. No processo por infusão a vácuo o material compósito é

36

submetido a pressão do vácuo enquanto ainda está seco, sendo a força motriz da bomba de

vácuo responsável por sugar a resina para o interior do molde por meio de tubos

estrategicamente posicionados. Ao final do processo, o excesso de resina passa pelo laminado

e é conduzido à um recipiente intermediário posicionado entre o laminado e a bomba de

vácuo.

Com isso, a resina é introduzida de forma mínima no laminado e, consequentemente,

origina uma redução de peso no compósito. A Figura 2.11 exemplifica o processo [19].

Figura 2.11: Esquemático do processo por infusão a vácuo. (1) Equipamento de

mistura da resina com o catalizador; (2) Recipiente da resina; (3) Molde; (4)

Recipiente intermediário e bomba de vácuo [19].

A principal dificuldade encontrada durante o planejamento do processo remete ao

tamanho e a forma do laminado. Isto se dá pela necessidade de diferentes disposições dos

canais na qual a resina irá passar, e para que durante o processo não ocorra vazamentos ou a

cura da resina antes da infusão estar completa [19].

O processo de infusão a vácuo é realizado nas seguintes etapas [18]:

37

• Limpar o molde e aplicar cera desmoldante na superfície;

• Posicionamento das fibras;

• Aplicar a película sobra as fibras;

• Posicionar os tubos de injeção de resina na película;

• Aplicar a fita de vedação entre o saco de vácuo e a superfície onde se encontra

o laminado e a película;

• Conectar o tubo de extração da resina no recipiente intermediário e conecta-

lo na bomba de vácuo;

• Ligar a bomba de vácuo;

• Verificar vazamento;

• Aguardar a cura da resina.

Como todo processo de fabricação, o por infusão a vácuo também apresenta

vantagens e desvantagens. A Tabela 2.2 apresenta algumas delas.

Tabela 2.2: Vantagens e desvantagens do processo de fabricação por infusão a

vácuo [18].

Vantagens Desvantagens

Controle das tolerâncias dimensionais Cura demorada

Boa qualidade superficial Requer baixas viscosidades da resina

Propriedades mecânicas uniformes Consumíveis caros

Razão volumétrica de fibra e resina elevada

Processo econômico

38

2.5. ENSAIOS MECÂNICOS

O objetivo desta seção é apresentar os conceitos dos ensaios mecânicos monótonos

de tração e flexão nas quais foram utilizados para caracterizar os materiais compósitos

analisados neste trabalho.

2.5.1. Ensaio de Tração

O ensaio de tração convencional é realizado com a finalidade de obter a resistência a

tração do corpo de prova. A Figura 2.12 ilustra um corpo de prova típico do ensaio de tração.

Figura 2.12: Corpo de prova típico do ensaio de tração [20].

O diâmetro do, o comprimento lo, e a área de seção transversal A são medidos

previamente ao ensaio. O corpo de prova é montado na máquina de testes e a carga P é

aplicada. A carga é convertida em tensão por meio da Equação 2.1 [20]:

𝜎 = 𝑃

𝐴 (2.1)

Por sua vez, a deformação do corpo de prova é caracterizada pelo alongamento

relativo, isto é, o comprimento final (l) do corpo de prova em relação ao seu comprimento

inicial lo. Deste modo, a Equação 2.2 representa a deformação [20]:

𝜀 = 𝑙−𝑙𝑜

𝑙𝑜 (2.2)

39

Com as equações 2.1 e 2.2 as propriedades mecânicas relevantes sobre o material

podem ser obtidas. A curva tensão x deformação é criada a partir das variáveis σ e ε. A Figura

2.13 mostra a curva tensão x deformação de um típico material metálico.

Figura 2.13: Tensão x deformação de um típico material metálico [20].

Na Figura 2.13 o ponto pl é chamado de limite de proporcionalidade. Até este ponto

o material experimenta a deformação elástica, ou seja, se o corpo de prova for carregado até

este ponto e logo em seguida a carga for removida não será observada deformação plástica.

Até este ponto a curva é caracterizada pela lei de hook, que é dada pela seguinte equação:

𝜎 = 𝐸𝜀 (2.3)

Onde a constante de proporcionalidade E é denominada módulo de elasticidade e

pode ser usada como indicativo da rigidez do material.

40

O ponto el é denominado limite de elasticidade. Este ponto é caracterizado por separar

o limite elástico do limite plástico. Abaixo dele, o material estará experimentando

deformação elástica. Acima, será observado a deformação plástica.

O ponto y correspondente a Sy e εy é o ponto de escoamento. Neste ponto a tensão Sy

é denominada tensão de escoamento, isto é, ao aplicar uma tensão maior que Sy o material

estará submetido a deformação plástica. Este ponto também está relacionado a reta a que

corresponde a uma deformação de 0,2% e é utilizada para definir o limite de escoamento do

material (em alguns casos esse porcentual é 0,1 ou 0,5%) [20].

A tensão máxima ou resistência mecânica corresponde ao ponto u na qual é registrado

o valor máximo de tensão suportado pelo corpo de prova. E o ponto f representa a tensão e a

deformação de ruptura do material [20].

A Figura 2.14 ilustra as relações tensão-deformação nos materiais compósitos.

Figura 2.14: Curva tensão-deformação da fibra, matriz e compósito [21].

A resistência à tração do compósito é dada pela soma das duas contribuintes

apresentadas na Figura 2.14 (matriz e fibra) A maior parte dos compósitos reforçados por

41

matriz polimérica há uma distribuição de comprimentos de fibra. Como resultado da

diferença de deformação entra a fibra e a matriz, são induzidas tensões de cisalhamento nas

fibras em direção ao seu eixo, tencionando-as. Com o aumento do esforço a tração, a tensão

na fibra aumenta até um ponto onde a resistência à tração máxima na fibra é excedida, pois

a área de sua seção reta é muito pequena, e a fibra quebra à medida em que o processo de

deformação do compósito continua, a fibra continuará a quebras até quando as tensões de

cisalhamento na superfície da fibra não forem mais suficientes para rompê-la [21].

2.5.2. Ensaio de Flexão

O ensaio de flexão consiste na aplicação de uma carga crescente em determinados

pontos de uma barra de geometria padronizada, a qual pode estar na condição bi apoiada ou

engastada em uma das extremidades. Mede-se o valor da carga versus a deformação máxima.

Em materiais dúcteis, quando sujeitos a esse tipo de carga, por serem capazes de absorver

grandes deformações, não fornecem resultados quantitativos qualificados para o ensaio de

flexão [22]. Portanto, o ensaio deve ser aplicado para materiais de maior rigidez.

As principais propriedades obtidas do ensaio de flexão são: tensão de ruptura em

flexão (σf), módulo de elasticidade em flexão (Ef). Os resultados podem variar com a

temperatura, velocidade de aplicação da carga, defeitos superficiais e geometria da seção.

Existem três tipos principais de ensaio de flexão: o ensaio de três pontos, em que a

barra a ser testada é apoiada nas extremidades e a carga é aplicada no centro do comprimento

do corpo de prova; o ensaio em quatro pontos, na qual a barra a ser testada é bi apoiada nas

extremidades e a carga é aplicada em dois pontos na região central do comprimento,

42

separadas por uma distância padronizada; e o método de engaste, que consiste em engastar

uma das extremidades e aplicar a carga na ponta oposta do engaste [22].

O ensaio de flexão em três pontos será comentado a seguir por se tratar do tipo de

ensaio utilizado neste trabalho para a obtenção das propriedades mecânicas de flexão dos

compósitos.

A Figura 2.15 apresenta um esquemático do ensaio de flexão em três pontos. O ensaio

consiste na aplicação de uma carga P no centro do corpo de prova, apoiado em dois pontos.

A carga é aplicada a partir de um valor zero e aumentada lentamente até a ruptura do corpo

de prova. O valor da carga versus o deslocamento do ponto central consiste na resposta do

ensaio. Este tipo de ensaio é aplicado à materiais frágeis, ou de elevada dureza, como o caso

de compósitos. Os principais parâmetros obtidos por este ensaio são: tensão de ruptura em

flexão (σf), módulo de elasticidade em flexão (Ef) [22].

Figura 2.15: Esquemático do ensaio de flexão de três pontos [23].

As equações de conversão da carga e deslocamento para tensão de flexão e

deformação de flexão, assim como o módulo de elasticidade à flexão serão discutidas no

43

capítulo 3 na seção metodologia experimental. Entretanto, a curva esperada para cada corpo

de prova é apresentada na Figura 2.16.

As curvas típicas do ensaio podem ser do tipo a, quando a ruptura ocorre antes da

deformação das fibras; do tipo b, quando há deformação das fibras e a ruptura 5% de

deformação após este ponto; e do tipo c, quando não há deformação das fibras e nem ruptura,

neste caso o ensaio deve ser interrompido e o valor máximo registrado [23].

Figura 2.16: Curvas típicas de ensaio de flexão em três pontas em materiais

compósitos. Adaptado de [23].

44

Capítulo 3

MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. MATERIAIS

Os compósitos ensaiados foram divididos em dois grupos, os compósitos reforçados

de fibra de carbono e fibra de vidro com matriz polimérica, e compósitos tipos sanduíches

constituídos com camadas externas de fibra de vidro e carbono com núcleo de espuma de

PVC Divinycell® H45 e madeira balsa. A Tabela 3.1 apresenta as características das fibras

utilizadas.

Tabela 3.1: Características das fibras [24, 25].

Propriedades Fibra de vidro Fibra de carbono

Fios/cm urdume 4,0 5,0

Fios/cm trama 4,0 5,0

Densidade (g/m2) 330 200

Espessura (mm) 0,30 0,30

45

Os compósitos tipo sanduíche são constituídos por núcleos. As propriedades dos dois

tipos de núcleos supracitados podem ser observadas na Tabela 3.2.

Tabela 3.2: Propriedades dos núcleos dos compósitos sanduíches [26, 27].

Propriedades Divinycell h45® Madeira Balsa

Resistência à tração (MPa) 1,4 19,9

Módulo de elasticidade (MPa) 55,0 900,0

Densidade (Kg/m3) 48,0 140,0

Com o intuito de conferir rigidez aos corpos de prova, a matriz polimérica utilizada é

a resina epóxi LY 5052 da Araldite® com proporção de mistura resina:catalisador de 2:1. A

Tabela 3.3 mostra as propriedades da resina de acordo com o fabricante.

Tabela 3.3: Propriedades da resina epóxi [28].

Propriedades Araldite® LY 5052

Densidade @ 25ºc (g/cm3) 1,16 – 1,18

Viscosidade @ 25ºc (mpas) 1000 – 1500

Resistência à tração (MPa) 80 – 83

Resistência à flexão (MPa) 126 – 126

Alongamento máximo (%) 8,5 – 13,4

46

3.2. EQUIPAMENTOS

Dois equipamentos foram utilizados. Um para os ensaios de tração e o outro para o

ensaio de flexão.

A Figura 3.1 mostra a máquina de ensaio utilizada no ensaio de tração. O ensaio foi

realizado em uma Shimadzu® Servopulser hidráulica com uma célula de carga com 100 kN

de capacidade e deslocamento máximo de 250 mm.

Figura 3.1: Máquina de ensaio de tração Shimadzu® Servopulser.

47

O ensaio de flexão foi realizado na máquina de ensaio universal EMIC DL®

eletromecânica com célula de carga de 5 kN. A Figura 3.2 mostra a máquina.

Figura 3.2: Máquina de ensaio universal EMIC DL®.

3.3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Para investigar o comportamento mecânico dos materiais compósitos chapas de 300

x 300 mm foram confeccionadas pelo processo de infusão a vácuo, após montar e configurar

a máquina os vazamentos foram devidamente vedados, a pressão exercida pela bomba de

vácuo foi de 1 Bar e seu funcionamento se deu por 2 horas, a cura decorreu pelas 8 horas

seguintes à temperatura ambiente. Em seguida foram cortadas tiras com dimensões de 250

mm x 25 mm deixando, assim, uma seção de 200 mm nos corpos de prova para os ensaios.

A Tabela 3.4 apresenta os tipos e a quantidade de amostras para cada ensaio de acordo com

as normas ASTM D790 [23] e ASTM D3039 [29]. E a Figura 3.3 mostra os corpos de prova

48

nas dimensões estabelecidas pelas normas para os ensaios, onde: (a) fibra de vidro; (b) fibra

de vidro + madeira balsa; (c) fibra de vidro + Divinycell H45®; (d) fibra de carbono; (e) fibra

de carbono + madeira balsa e (f) fibra de carbono + Divinycell H45®.

Tabela 3.4: Tipos e quantidade de corpos de prova utilizadas por ensaio.

Corpos de prova Ensaio de tração

(ASTM D3039)

Ensaio de flexão

(ASTM D790)

Fibra de carbono 5 3

Fibra de vidro 5 3

Fibra de carbono + Divinycell

H45®

5 3

Fibra de carbono + Madeira balsa 5 3

Fibra de vidro + Divinycell H45® 5 3

Fibra de carbono + Madeira balsa 5 3

Figura 3.3: Tipos de amostras confeccionadas.

49

As amostras (a) e (b) são formadas por 8 camadas de fibra de carbono e vidro [0/90º],

enquanto as amostras de (c) à (f) são formadas pelo núcleo de madeira balsa com fibras em

sentido axial e divinycell H45® com 2 camadas de fibra de carbono ou vidro [0/90º] em cada

lado do corpo de prova. Por se tratar de materiais que serão aplicados no aeromodelo da

Universidade Federal Fluminense, a massa de cada amostra foi tomada e será discutida no

Capítulo Resultados e Discussões.

3.3.1. Ensaio de Tração

O Ensaio de tração foi realizado de acordo com a norma ASTM D3039. A velocidade

de ensaio empregada foi de 2,0 mm/min para todos os corpos de prova como consta na norma.

As garras do cabeçote foram calibradas para evitar a formação de uma seção menor nas

pontas do corpo de prova. A Figura 3.4 mostra um dos corpos de prova durante o ensaio.

Figura 3.4: Corpo de prova durante o ensaio.

50

Assim, após os ensaios os dados foram tratados no programa Microsoft Excel®. As

Equações 2.1 e 2.2 foram utilizadas para a determinação da curva tensão – deformação

enquanto a Equação 2.3 foi aplicada para a determinação do módulo de elasticidade.

3.3.2. Ensaio de Flexão

O ensaio de flexão em três pontos foi realizado de acordo com a norma ASTM D790.

A espessura do corpo de prova é essencial para o ensaio pois ela é responsável por determinar

a distância entre os pontos de apoio na máquina e a velocidade do ensaio.

A distância entre apoios é determinada pela Equação 3.1 apresentada a seguir:

𝐿 = 16 𝑥 𝑑 (3.1)

Onde: d – Espessura do corpo de prova, [mm]

L – Distância entre os suportes, [mm]

A taxa de deformação é determinada pela Equação 3.2:

R= 𝑍𝐿2

6𝑑 (3.2)

Onde: Z – Taxa de estiramento, deve ser igual a 0,01

R – Velocidade de ensaio, [mm/min]

Deste modo, para cada corpo de prova o cálculo da distância entre os suportes e da

taxa de deformação foi realizado. A Tabela 3.5 apresenta estes valores.

51

Tabela 3.5: Valores de distância entre suporte e taxa de deformação.

Fibra de Carbono Fibra de Vidro

Corpo de Prova

Espessura (mm)

Distância entre

suportes (mm)

Taxa de deformação (mm/min)

Corpo de Prova

Espessura (mm)

Distância entre

suportes (mm)

Taxa de deformação (mm/min)

1 1,8 28,8 0,768 1 3 48 1,28

2 1,8 28,8 0,768 2 3 48 1,28

3 1,8 28,8 0,768 3 3 48 1,28

Fibra de Carbono + Divinycell H45® Fibra de Vidro + Divinycell H45®

Corpo de Prova

Espessura (mm)

Distância entre

suportes (mm)

Taxa de deformação (mm/min)

Corpo de Prova

Espessura (mm)

Distância entre

suportes (mm)

Taxa de deformação (mm/min)

1 4,5 72 1,92 1 5 80 2,133

2 4,5 72 1,92 2 5 80 2,133

3 4,5 72 1,92 3 5 80 2,133

Fibra de Carbono + Madeira Balsa Fibra de Vidro + Madeira Balsa

Corpo de Prova

Espessura (mm)

Distância entre

suportes (mm)

Taxa de deformação (mm/min)

Corpo de Prova

Espessura (mm)

Distância entre

suportes (mm)

Taxa de deformação (mm/min)

1 3,5 56 1,493 1 4 64 1,706

2 3,5 56 1,493 2 4 64 1,706

3 3,5 56 1,493 3 4 64 1,706

Após os ensaios, os dados foram tratados no programa Microsoft Excel®. Segundo a

ASTM D790 para se determinar a curva tensão – deformação deve-se aplicar as Equações

3.3 e 3.4 exibidas a seguir:

52

Para tensão:

𝜎𝑓 = 3𝑃𝐿

2𝑏𝑑2 (3.3)

Onde: σf – Tensão de flexão, [MPa]

P – Carga aplicada, [N]

b – Largura do corpo de prova, [mm]

Para deformação:

𝜀𝑓 = 6𝐷𝑑

𝐿2 (3.4)

Onde: εf – Deformação à flexão

D – Deslocamento, [mm]

Deste modo, os gráficos tensão – deformação foram obtidos e os módulos de

elasticidade sob tensão e flexão foram analisados. Os resultados podem ser observados no

próximo capítulo.

53

Capítulo 4

RESULTADOS

4.1. MASSA

Por se tratar de uma propriedade importante para a engenharia aeroespacial a massa

média das amostras e seus respectivos desvios padrão podem ser analisados na Tabela 4.1.

Tabela 4.1: Massa média e desvio padrão dos corpos de prova.

Amostra /

Propriedades

Fibra de

Carbono

Fibra de

Vidro

Fibra de

Carbono

+

Madeira

Balsa

Fibra de

Vidro +

Madeira

Balsa

Fibra de

Carbono

+

Divinycell

H45®

Fibra de

Vidro +

Dininycell

H45®

Massa [g] 13,66 22,05 8,03 10,37 6,41 9,39

Desvio

Padrão 1,41% 2,90% 8,87% 9,55% 3,15% 2,35%

A diferença de massa é evidente entre os corpos de prova formado por fibra de

carbono em comparação com os constituídos de fibra de vidro. Isso se dá pela diferença de

densidade entre os dois compostos, tal diferença pode ser observada na Tabela 3.1. Entretanto

para as amostras com núcleo de madeira balsa o desvio padrão mostra-se elevado, 9,55%

54

para amostras com fibra de carbono e 8,87% para os corpos de prova com fibra de vidro, tal

diferença pode ser explicado pelo fato da madeira balsa ser um composto natural que, por

consequência, pode apresentar variações de densidade nos diferentes corpos de prova.

4.2. ENSAIO DE TRAÇÃO

Os ensaios de tração foram realizados conforme a norma ASTM D3039 com taxa de

deformação de 2,0 mm/min. A Figura 4.1 e a Tabela 4.2 apresentam, respectivamente, o

gráfico comparativo tensão x deformação dos corpos de prova e os resultados de tensão

máxima e módulo de elasticidade com seus desvios padrão.

Figura 4.1: Comparativo tensão x deformação.

55

Tabela 4.2: Tensão máxima e módulo de elasticidade.

Amostra /

Propriedades

Fibra

de

Carbo

no

Fibra

de

Vidro

Fibra de

Carbono

+

Madeira

Balsa

Fibra de

Vidro +

Madeira

Balsa

Fibra de

Carbono

+

Divinycell

H45®

Fibra de

Vidro +

Dininycell

H45®

Tensão máxima

(MPa)

582,94 210,44 107,09 69,67 158,09 58,25

Desvio padrão –

tensão máxima 2,92% 4,60% 11,95% 10,81% 4,22% 3,74%

Módulo de

elasticidade (GPA)

36,81 10,85 11,12 8,26 9,96 4,52

Desvio padrão –

módulo de

elasticidade

2,73% 4,82% 6,82% 9,85% 4,40% 3,52%

Deformação

máxima (mm/mm) 0,0183 0,021 0,009 0,0098 0,0163 0,0137

Os corpos de prova constituídos apenas de fibra de carbono e fibra de vidro, como

esperado, apresentaram os maiores valores de tensão máxima.

Ao introduzir o núcleo de madeira balsa e divinycell H45® os corpos de prova

constituídos pelas camadas de fibra de carbono mantiveram-se com tensão máxima maior do

que as com lâminas de fibra de vidro, isto se deve a maior resistência a tração da fibra de

carbono em comparação à fibra de vidro.

56

Os núcleos constituídos de madeira balsa apresentam elevado desvio padrão. Por ser

um composto natural, a madeira balsa pode ser tratada como material anisotrópico que

justifica as diferenças das curvas observadas nas Figuras A.3 e A.6 e o desvio padrão

apresentado na Tabela 4.2. Diferentemente da madeira balsa, os corpos de prova compostos

por núcleo de Divinycell H45® não apresentam os mesmos efeitos. Os desvios padrão de

4,22% para fibra de carbono e 3,74% para fibra de vidro mostram a isotropia do material,

que, por sua vez, é industrializado e passa por um rigoroso processo de qualidade.

Com maior módulo de elasticidade, a fibra de carbono incorporada aos núcleos de

madeira balsa e divinycell H45® apresentam excelentes resultados, visto que, seus módulos

de elasticidade estão no mesmo patamar que os corpos de prova constituídos apenas por fibra

de vidro.

Do mesmo modo que a tensão máxima, o módulo de elasticidade segue a mesma

tendência. Nas comparações diretas, os compósitos constituídos de fibra de carbono

apresentam melhor resultado pela maior resistência a tração. Porém, diferentemente da tensão

máxima, o módulo de elasticidade dos compósitos com núcleo de madeira balsa mostraram-

se com valores superiores aos com núcleo de divinycell H45®. Isto se deu pela maior rigidez

da madeira balsa.

4.3. ENSAIO DE FLEXÃO

Os ensaios de flexão foram realizados conforme a norma ASTM D790 com taxa de

deformação e distância entre pontos apresentados na Tabela 3.5. As Figuras A.7 a A.9 são

referentes aos corpos de prova formados por fibra de carbono enquanto as Figuras A.10 a

57

A.12 são referentes aos corpos de prova formados por fibra de vidro. A Tabela 4.3 mostra os

valores das propriedades analisadas em conjunto com seus desvios padrão.

Figura 4.2: Comparativo tensão de flexão x deformação – fibra de vidro e fibra de

carbono.

Figura 4.3: Comparativo tensão de flexão x deformação – fibra de vidro/fibra de

carbono + madeira balsa/divinycell H45®.

58

Tabela 4.3: Tensão máxima de flexão e módulo de elasticidade.

Amostra /

Propriedades

Fibra de

Carbono

Fibra de

Vidro

Fibra de

Carbono

+

Madeira

Balsa

Fibra de

Vidro +

Madeira

Balsa

Fibra de

Carbono

+

Divinycell

H45®

Fibra de

Vidro +

Dininycell

H45®

Tensão máxima

(MPa)

751,43 284,79 125,27 52,20 30,04 26,97

Desvio padrão –

tensão máxima 9,46% 8,75% 1,96% 1,90% 5,98% 4,10%

Módulo de

elasticidade

(GPA)

47,28 17,74 24,91 9,45 6,15 4,42

Desvio padrão –

módulo de

elasticidade

6,24% 4,97% 3,07% 4,47% 5,98% 5,92%

Deformação

máxima

(mm/mm)

0,022 0,022 0,0058 0,0061 0,0078 0,0095

Os compósitos formados por fibra de carbono e fibra de vidro apresentaram os

maiores valores de resistência a flexão.

Ao se tratar de resistência a flexão a rigidez do material e do núcleo deve ser levada

em consideração, neste caso, os compósitos com núcleo de maior rigidez obtiveram maiores

valores de resistência a flexão.

59

No caso dos compósitos reforçados por fibra de vidro e fibra de carbono foi observado

um elevado desvio padrão. Tal fato, deve-se ao início da ruptura das fibras que gera um

processo em cadeia de quebra das mesmas não sendo possível observar um padrão em relação

a tensão máxima de flexão. Os corpos de prova formados por núcleo de madeira balsa

apresentaram um efeito similar aos compósitos reforçados. A ruptura do núcleo ocorre antes

da ruptura das lâminas ocasionando as quedas bruscas de tensão a flexão. Por outro lado, as

amostras com núcleo de divinycell H45® formam curvas mais suaves pela baixa rigidez de

seu núcleo devido à transmissão dos esforços por todo o corpo de prova.

Os módulos de elasticidade apresentados na Tabela 4.3 mostram que a fibra de

carbono como lâmina nos compósitos sanduíche são responsáveis pelo valor superior do

módulo de elasticidade encontrado em relação aos formados por fibra de vidro. Tal qual a

resistência a tração, o núcleo do compósito sanduíche, por sua rigidez, irá influenciar o

módulo de flexão, ou seja, quanto mais rígido for o núcleo, maior será o módulo de

elasticidade. No entanto, a combinação fibra de carbono mais madeira balsa apresentou

valores superiores em relação ao compósito reforçado por fibra de vidro apesar de não

superar a tensão a flexão.

60

Capítulo 5

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS

5.1. CONCLUSÕES

A análise do comportamento mecânico sob tração e flexão dos corpos de prova

constituídos de fibra de carbono e vidro reforçados por matriz polimérica e dos compósitos

sanduíches com núcleo de madeira balsa e divinycell H45® combinados com lâminas de

fibra de carbono e fibra de vidro mostraram a alta resistência a tração/flexão e elevado

módulo de elasticidade a tração/flexão das fibras reforçadas por matriz polimérica.

Os compósitos sanduíches com lâminas de fibra de carbono apresentaram melhor

desempenho em todos os parâmetros analisados comparados aos compósitos de mesmo

núcleo com lâmina de fibra de vidro. Isto se deve a menor densidade da fibra de carbono e

suas propriedades superiores.

61

Ao comparar os compósitos constituídos com núcleo de madeira balsa e divinycell

H45®, durante os ensaios de tração e flexão, a madeira balsa, por ser um composto natural,

possuir maior rigidez e ser um material anisotrópico provoca a ruptura do núcleo antes das

fibras gerando quedas acentuadas de tensão. Já os compósitos com núcleo de divinycell

H45® absorvem e dissipam as tensões em todo o corpo de prova devido à baixa rigidez do

material, gerando curvas mais suaves e previsíveis, principalmente no ensaio de flexão.

Ao avaliar as propriedades e a massa de cada compósito, e também, levando em

consideração a aplicação aeroespacial, os compósitos formados por fibra de vidro não são

desejáveis pela baixa resistência a tração e flexão, assim como pela massa mensurada em

comparação aos compósitos de fibra de carbono. Por fim, dentre os compósitos com fibra de

carbono os com núcleo de madeira balsa podem ser aplicados em áreas de maior esforços e

concentração de tensões, para áreas de menor esforços pode-se aplicar os compósitos com

núcleo de divinycell H45®.

5.2. PERSPECTIVAS FUTURAS

Para sequencia deste trabalho sugere-se:

• Análise dos compósitos sanduíches com núcleo de divinycell H45® com

variantes de espessura e número de lâminas de fibra de carbono;

• Análise de fadiga dos compósitos sanduíches com núcleo de madeira balsa e

divinycell H45® com lâminas de fibra de carbono.

62

Capítulo 6

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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66

ANEXO I

Gráficos tensão – deformação dos corpos de prova tanto sob tração quanto sob flexão.

Figura A.1: Tensão x deformação – fibra de carbono.

Figura A.2: Tensão x deformação – fibra de carbono + divinycell H45®

67

Figura A.3: Tensão x deformação – fibra de carbono + madeira balsa.

Figura A.4: Tensão x deformação – fibra de vidro.

68

Figura A.5: Tensão x deformação – fibra de vidro + divinycell H45®.

Figura A.6: Tensão x deformação – fibra de vidro + madeira balsa.

69

Figura A.7: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono.

Figura A.8: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono + divinycell H45®.

70

Figura A.9: Tensão de flexão x deformação – fibra de carbono + madeira balsa.

Figura A.10: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro.

71

Figura A.11: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro + divinycell H45®.

Figura A.12: Tensão de flexão x deformação – fibra de vidro + madeira balsa.

72

ANEXO II

Artigo publicado no 6th International Symposium on Solid Mechanics - MECSOL

2017.

VI International Symposium on Solid Mechanics - MecSol 2017

April 26 - 28, 2017 - Joinville - Brazil

TENSILE AND FLEXURAL PROPERTIES OF POLYMER

COMPOSITE SANDWICH BEAMS

Daniel P.N. Gama Laboratory of Theoretical and Applied Mechanics – LMTA

Mechanical Engineering Graduated Program – PGMEC, Universidade Federal Fluminense – UFF danielgama@id.uff.br

João M.L. Reis Laboratory of Theoretical and Applied Mechanics – LMTA

Mechanical Engineering Graduated Program – PGMEC, Universidade Federal Fluminense – UFF

jreis@mec.uff.br

ABSTRACT

This work is concerned with the study of the mechanical behavior of polymer composite sandwich

beams. The skins consist of glass and carbon reinforced epoxy composites. The core is made from balsa wood

and Divinycell H45 (48 kg m−3) foam. The main goal is to evaluate the best composite system considering the

ultimate tensile strength (σu), the elastic modulus (E), flexural strength (σf) and flexural modulus (Ef). Tensile

tests according to standard ASTM D 3039 and bending tests according to standard ASTM D 790 were

performed. The mechanical properties were analyzed and compared, in order to present the composite laminate

with finest properties.

Keywords: Mechanical properties, Sandwich beams, Tensile test, Flexural Test

INTRODUCTION

Laminated polymer matrix composite materials have been excelling in the industry in recent

decades. Widely applied to the areas of aviation, spacecraft, automotive and petrochemical

structures, composite laminates must have appropriate properties to mechanical stress.

Specifically, for the aerospace engineering knowledge of the mechanical properties are

treated especially for performing as one of the main factors for projects in such areas of

industry [1-3].

Distinctively of metals, which characteristics previously cited have been widely studied,

composite materials lack the amount of information available on those aspects. Because it is

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April 26 - 28, 2017 - Joinville - Brazil

formed by the material composition of two or more constituents which have distinct

properties, the polymer matrix will present special features from their composition [2,3].

For years, the laminated composites have been studied for its high mechanical strength and

low weight. However, in order to propose new mechanical characteristics, the hybrid

composites have been developed. Formed by two or more types of compounds they have

mechanical properties of both [4]. Hybrid composites can be produced for various settings,

such as intra-ply, inter-ply and sandwiches. In this way, the mechanical properties of the

hybrids can be quantified by the law of mixtures [5].

Typical studies conducted by [6-9] show that the hybrid composites under flexural loads,

traction, fatigue and impact feature improvements in relation to properties, composites with

high mechanical strength and low displacement as carbon fiber and reinforced glass.

Among the hybrid composites the sandwich type, consisting of two thin layers of rigid skins

of low thickness with a core of greater thickness, less dense material and less resistance.

Thus, a composite with the strength of its external skin is obtained, which is consistent with

traction and compression characteristics as well as its core with high flexural strength and

low weight [10].

For [11-13] the tensile behavior in the sandwich composites does not change, therefore, the

yield strength of the core is smaller than the skin, which is predominant. However, for

flexural strength the core distributes tensions through the body, minimizing the shear and

traction effects which are concentrated in the skins.

Other studies evaluate the composition of the core and its geometry under flexion. For [14]

the effects of shear and bending can be predicted by the composition of the sandwich and its

thickness. For [15, 16] PVC cores (usually applied) can be replaced by natural composites

and metals in order to guarantee greater or less stiffness, whereas for [17, 18] resin columns

in the core or honeycomb geometry can produce the same effect.

With these aspects in view, this paper aims to evaluate and compare sandwich composites

and laminated composites. To this end, it was performed tensile tests according to standard

ASTM D 3039 [19] with five specimens and bending tests according to standard ASTM D

790 [20] with three specimens of each polymer/matrix combination. The proposed

mechanical properties were analyzed and compared, obtaining from them the composite

laminate with finest properties.

MATERIALS AND EXPERIMENTAL PROCEDURES

The apparatus and procedures used to obtain the tensile and flexural properties are described

below.

Tensile and flexural tests were performed according to ASTM D3039 [20] and ASTM D790

[21]. The test specimens were cut from hand lay-up sheets. The glass and carbon composites

were a cross-ply plain weave [0/90º] with eight layers of glass and carbon. The sandwich

beam specimens are composed of two layers of glass or carbon fiber with balsa wood or

divinycell H45® (PVC foam) core. Table 1 and Table 2 shows the properties of fibers and

cores used in the specimens. The epoxy resin system used was LY 5052 from Araldite® with

a mix ratio of 2:1. The resin system properties provided by manufacturers are presented in

Table 3.

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The specimens were cut 250 mm x 25 mm, leaving a gauge section of 200 mm. The tensile

tests were performed on a Shimadzu AG-X tensile test machine at a rate of 2,0 mm/min. The

flexural tests were performed on an EMIC DL test machine at different rates according to the

thickness of each specimens as the ASTM D790 suggests. Five specimens of each

combination of layer and core have been used for tensile tests, and three specimens such as

used in tensile, have been tested in flexural tests.

Table 1 Layer Properties PROPERTIES Glass fiber Carbon fiber WIRES/CM WARP 4,0 5,0 WIRES/CM WEB 4,0 5,0 DENSITY (g/m2) 330 200 THICKNESS (mm) 0,30 0,30

Table 2 Core Properties PROPERTIES Divinycell H45® Madeira Balsa TENSILE STRENGTH (MPa) 1,4 19,9 ELASTICITY MODULUS (MPa) 55,0 900,0 DENSITY (Kg/m3) 48,0 140,0

Table 3 Properties of Epoxy Resin PROPERTIES Araldite® LY 5052 DENSITY @ 25ºC (g/cm3) 1,16 – 1,18 VISCOSITY @ 25ºC (mPas) 1000 - 1500 TENSILE STRENGTH (MPa) 80 - 83 FLEXURAL STRENGTH (MPa) 126 - 126 MAXIMUM ELONGATION (%) 8,5 – 13,4

3 RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Tensile Testes

Figure 1 present the curve stress (σ) x strain (ε) obtained in tensile tests for each composite

combination. The carbon fiber reinforced matrix has higher tensile strength (582,94 MPa)

and elasticity modulus (36,81 GPa) as expected. In another way, glass fiber reinforced matrix

did no show the same aspect compared to sandwich composites. In fact, it has a higher tensile

strength than sandwich beam composites, but the elasticity modulus is practically the same

compared to carbon fiber/balsa wood and carbon fiber/divinycell composites.

Sandwich beams with balsa wood core presented a slight stress drop as the core start to crack,

this behavior is not surprising since balsa wood is a natural composite with large fibers.

Composites with divinycell core revealed to be more reliable due to the pattern that tensile

tests generated.

Figure 2 presents three different bar graphics that show the average value of tensile strength

(σu), elasticity modulus (E) and the mass (m) of specimens. The blue bars are related to

sandwich composites with carbon fiber layers and orange bars are to sandwich with glass

fiber. As commented before, sandwiches with a carbon fiber layer has better properties in

those parameters since carbon fiber is more strength and less heavy than glass fiber.

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Figure 1: Stress x Strain Comparison in Tensile Tests

Figure 2: Properties Comparison in Tensile Tests

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3.2 Flexural Tests

Figures 3 and 4 presents the curve flexural stress (σf) x strain (ε) obtained in flexural tests for

each composite combination. Carbon fiber reinforced matrix has the highest flexural strength

(751,43 MPa) and flexural modulus (47,28 GPa) as expected. Besides the lower value of

flexural strength obtained in glass fiber reinforced matrix (284,79 MPa), the strain behavior

in relation to carbon fiber reinforced matrix were same.

For sandwich beams composites, it can be verified the difference between the core and skin

that was used in specimens. In fact, the flexural strength and flexural modulus is strongly

dependent on the stiffness of the core and the skin that the sandwich was composed.

Composites with balsa wood cores presents a higher flexural strength and flexural modulus

in comparison with divinycell cores due to stiffness of the core, in the same way, sandwich

beams with carbon fiber skin shows the same patter in comparison with the glass fiber skin.

Those properties comparisons are presented in Figure 5.

Figure 3: Stress x Strain Carbon and Glass Fiber Comparison of Flexural Tests

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Figure 4: Stress x Strain Sandwich Beams Comparison of Flexural Tests

Figure 5: Properties Comparison of Flexural Tests

Conclusion

Tensile and flexural tests are so far the most important techniques used to estimate the

relation of stress/strain of composite materials.

The purpose of this work was to evaluate and compare laminated and sandwich beams

composites in order to identify the composite with finest properties by tensile and flexural

tests. The main idea was to use carbon and glass fiber reinforced matrix as control specimens

and compare with sandwich beams made of balsa wood and divinycell H45 core with carbon

fiber and glass fiber skins evaluating tensile and flexural strength, tensile and flexural

modulus as well the mass of each specimen.

Assuming the properties mentioned before the carbon fiber reinforced matrix has the finest

properties of all, but mass, in this case, is an important property because the aim of this paper

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is aerospace engineering. So, by the mass, and other properties showed in this paper, the

sandwich beam composed by Divinycell H45 core and carbon fiber skin is the composite

laminated with the finest properties.

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[20] ASTM Subcommittee D20. 10 on Mechanical Properties. "Standard test methods for

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materials." American Society for Testing Materials, 1997.

RESPONSIBILITY NOTICE

The following text, properly adapted to the number of authors, must be included in the

last section of the paper:

The author(s) is (are) the only responsible for the printed material included in this paper.