Cap. 17 - CompósitosDefinição: Material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades dos materiais que o constitui.Obs: -Na prática os constituintes devem ser quimicamente diferentes e separados por uma interface - Muitos compósitos são constituídos por apenas duas fases; matriz e fase dispersa

liga metálica (perlita): -ferrita (Feα); dúctil e mole-cementita (Fe3C); frágil e dura

compósitos naturais:

-osso; colágeno (proteína forte mas mole) e apatita (mineral duro porém frágil)-madeira; fibras de celulose (resistentes e flexíveis) envolvidas pela lignina (rígida)

Exemplos:

concreto: -matriz; cimento -fase dispersa; areia (enchimento) e brita

cermets (cerâmica-metal), ex.: carbetos cimentados

aplicação: ferramentas de corte de aços endurecidosmatriz; metal (Co, Ni)fase dispersa; (WC, TiC)

Disciplina: EET – 310 Princípio de Ciência dos Materiais (PCM)

Fatores que influem nas propriedades dos compósitos: propriedades das fases, quantidades relativas e geometria da fase dispersa (forma, tamanho, distribuição e orientação)

Obs: Fração volumétrica; parâmetro que influencia nas propriedades mecânicas dos compósitos

Classificação dos compósitos:

Reforçados com patículas:

- grandes; as interações não são em nível atômico ou molecular, sãorígidas e restringem o movim. da matriz e, suportam parte da carga aplicada

- por dispersão; partículas entre 0,01 e 0,1 µm que dificultam o movim de discord., restringindo a deform. plast. e melhorando a e o LRT e a H.

Reforçados com fibras; tecnologicamente são os mais importantes para alta resist. e/ou rigidez com baixopeso. Parâmetros considerados:-resistência específica (LRT / densidade relativa do material)-módulo específico (E / densidade relativa do material)

Obs: -As características mecânicas dos compósitos além das propr. das fibras também dependem da transferência de carga da matriz para as fibras.-É necessário um comprimento crítico da fibra (Lc) para aumentar a resistencia e rigidez do compósito. ex.: Lc = 1 mm e 20d < Lc < 150d para vários tipos de matriz com fibra de vidro ou C e L

-fibras contínuas L > > Lc (L > 15Lc). -fibras descontínuas (L < Lc); a matriz se deforma ao redor das fibras, não há transferencia de carga -as orientações, concentração e distribuição das fibras também influem nas propriedades

Comportamento Elástico – Carregamento Longitudinal:Ec = Em.Vm + Ef.Vf (eq. 17.10a )

Ec = Em.(1-Vf) + Ef.Vf (eq. 17.10b )ou

uísqueres; monocristais (com elevada perfeição cristalina) com razão comprimento /diâmetro muito alta. São os materiais mais resistentes existentes e isentos de defeito. fibras: policristalinas ou amorfas com diâmetro relativamente pequenos. São geralmente polímeros (aramidas) ou cerâmicas (vidro, C, B, alumina)arames: tem diâmetro relativamente grandes. Incluem o aço, Mo e W

Fibras:

Obs: materiais frágeis na forma de são mais resistentes que os mesmos na forma de volume (< probab. de defeito crítico superficial produzir trinca)

Classificação das fibras:

Matriz: Pode ser metal, polímero ou cerâmico. Para aplicações que requerem ductilidade opta-se por metais ou polímeros

Funções da matriz em compósitos reforçados com fibras:

Meio de transmissão de carga.Proteção das fibras individuais contra danos superficiais (abrasão mecânica ou reações químicas com o meio.Separação das fibras para evitar a propagação de trincas.

Compósitos com Matriz Polimérica(PMC) reforçadas com:

fibras de vidro, vantagens:(3µm < diâm. < 20µm)

-alta resistência e facilm. estiradas do estado fundido-proporciona alta resist. específica no interior da matriz de plastico-inerte quimicamente junto com plástico( pode ser usada em ambientes corrosivos)

- aplicações, ex: indústria de transporte para < peso dos veículos e > eficiência dos combustíveis

fibras de C, vantagens:

-maiores resist. espec. e mód. espec. dentre todos os mat. fibrosos-mantêm estas propr. em temperaturas elevadas (mas; problema de oxidação)- não são afetadas por umidade, vários solventes , ácidos e bases-custo relativam baixo dos seus compósitos

- aplicações, ex: equipam. esportivos (tacos de golfe), componentes estruturais de aeronaves

Compósitos com Matriz Metálica (MMC):

-utilizadas em > temperaturas que seus metal-base

-tipos de reforços; partículas, fibras contínuas (C, SiC, alumina

e metais refratários.

- funções do reforço, melhorar: sua resist. espec., rigidez espec.,

resist à abrasão, resist. à fluência, condut.

térm. e estabilidade dimensional.

Vantagens dos MMC em relação aos PMC:-tem > resist. à degradação por fluidos orgânicos- podem ser usados em > temperaturas- não são inflamáveis

fibras aramidas, vantagens:

(nomes comerciais: Kevlar e nomex)

-materiais com cuja realação resistência – peso superam às dos metais-seu LRT é > aos demais materiais poliméricos fibrosos- tem alta tenacidade, resist. ao impacto, à fluência e à fadiga ( mas fracas sob compressão- resistentes à combustão (embora termoplásticas)- embora susceptíveis à degradação por ácidos e bases fortes, são inertes a outros solventes e produtos químicos

-aplicações; normalmente usadas com matriz de epóxi ou poliésteres, ex: produtos balísticos ( coletes à prova de balas

Algumas aplicações de MMC:

- recente: componentes de motores de automóveis com matriz Al reforçada com fibras de alumina ( compósitos leves, resist. ao desgaste e à distorções térmicas- estruturais; matriz de Al reforçada com fibras de B para ônibus espaciais-espaciais; matriz de Al com fibras de grafita para o telescópio Hubble.

Compósitos com Matriz Cerâmica (CMC):

Obs: -Os materiais cerâmicos são mais resistentes à oxidação e deterioração em temperaturas elevadas, não fosse a sua fragilidade seriam ideais para aplicações nestas temperaturas e severas condições de Tensão como em motores de turbina a gás. Tem tenacidade a fratura (KIC) muito inferior à dos metais.-A KIC dos cerâmicos tem melhorado com a geração de CMC com partículas, fibras ou uísqueres de outroCerâmico (a trinca iniciada na matriz é barrada ou retardada pela fase dispersa)

Algumas vantagens dos CMC :-boa resist. à fluência à temperaturas elevadas- tem > resist. à choques térmicos

Algumas aplicações de CMC: alumina reforçada com uísqueres de SiC usadas como enxerto em ferramentas de corte para usinagem de ligas metálicas duras (vida útil > do que ferramentas com carbetos cimentados).

Compósitos estruturais: São compostos tanto por materiais homogêneos quanto por materiais cujas propriedades dependem da geometria dos seus constituintes (além das suas características individuais).

-Tipos:

Compósitos laminares : Folhas ou painéis bidimensionais empilhados e cimentados e, com uma direção preferencial de alta resistência.Ex.: madeira, plásticos reforçados comfibras contínuas e alinhadas.

Painéis em sanduíche : Duas folhas externas (faces) mais resistentes separadas por material menos denso e menos rígido (recheio).-materiais típicos para as faces: ligas de Al, plásticos reforçados com fibras, Ti, aço e madeira compensada.-recheio: polímero em espuma, borracha sintética

Obs: Outro recheio popular: estrutura em colméia (finas folhas intertravadas em formato hexagonal com eixos perpendiculares às faces.

Aplicações: pisos, telhados, paredes de prédios, aeronaves ( asas, fuselageme revestimento do leme horizontal)

Métodos de Processamento de Compósitos (reforçados com fibras) :

Prepeg: mais utilizada para aplicações estruturais. As fibras contínuas são pré-impregnadas com resina polimérica parcialmente curada.

Pultrusão: para componentes com comprimento contínuo e secção reta constante (barras, tubos, vigas)

-matriz; poliéster, éster vinílico, resina epóxi-reforço: fibras de vidro, fibras de C e fibras aramidas

Enrolamento de filamento: As fibras são posicionadas em um padrão pré-determinado para obtenção de uma forma oca (em geral cilíndrica). Obs:- Esta técnica permite um elevado controle sobre a uniformidade e orientação dos enrolamentos-Vários padrões de enrolamento são possíveis; circunferencial, helicoidal e polar-São obtidas peças com altas razões entre resistência e peso.