UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

CURSO DE ENGENHARIA MECNIA

ALONSO PINHO RIBEIRO

BRUNO TURMINA GUEDES

FBIO JOS DE CAMARGO

GREGORI PICOLOTTO CONTERATO

COMPSITOS REFORADOS COM PARTCULAS E COMPSITOS

REFORADOS COM FIBRAS

TRABALHO DE PESQUISA

PATO BRANCO

2012

1

ALONSO PINHO RIBEIRO

BRUNO TURMINA GUEDES

FBIO JOS DE CAMARGO

GREGORI PICOLOTTO CONTERATO

COMPSITOS REFORADOS COM PARTCULAS E COMPSITOS

REFORADOS COM FIBRAS

Trabalho de Pesquisa apresentado ao Curso de Engenharia Mecnica da Universidade Tecnolgica Federal do Paran, Campus Pato Branco, como requisito para a obteno de nota parcial da disciplina de Cincia dos Materiais. Orientador: Msc. Valdir Celestino da Silva.

PATO BRANCO

2012

2

SUMRIO

1 RESUMO ................................................................................................................ 3

2 INTRODUO .................................................................................................... 4

3 COMPSITOS PARTICULADOS ...................................................................... 6

3.1 CONCRETO ......................................................................................................... 6

3.2 CERMETOS ......................................................................................................... 7

3.3 REFOROS POR DISPERO .......................................................................... 8

4 COMPSITOS REFORADOS POR FIBRAS .................................................. 9

4.1 INFLUNCIA DO COMPRIMENTO DA FIBRA .................................................... 9

4.2 INFLUNCIA NA ORIENTAO DAS FIBRAS .................................................. 10

4.2.1 Compsitos com fibras contnuas e alinhadas ................................................ 12

4.2.2 Compsitos com fibras descontnuas e alinhadas .......................................... 13

4.2.3 Compsitos com fibras descontnuas e orientadas aleatoriamente ................ 13

4.3 FASE FIBRA ....................................................................................................... 14

4.3.1 Wiskers ............................................................................................................ 14

4.3.2 Fibras ............................................................................................................... 14

4.3.3 Arames ............................................................................................................ 15

4.4 FASE MATRIZ .................................................................................................... 15

4.4.1 Matriz Polimrica ............................................................................................. 16

4.5 COMPSITOS COM MATRIZ POLIMRICA ..................................................... 16

4.5.1 Compsitos polimricos reforados com fibra de vidro ................................... 16

4.5.2 Compsitos polimricos reforados com fibra de carbono ............................. .17

4.5.3 Compsitos polimricos reforados com aramidas ......................................... 18

4.5.4 Outras fibras .................................................................................................... 19

4.6 COMPSITOS COM MATRIZ METLICA ......................................................... 19

4.7 COMPSITO COM MATRIZ CERMICA .......................................................... 20

4.7.1 Compsitos particulados de matriz cermica .................................................. 22

4.8 COOMPSITOS CARBONO-CARBONO .......................................................... 23

4.9 COMPSITOS HBRIDOS ................................................................................. 24

4.10 PROCESSAMENTO DE COMPSITOS REFORADOS O COM FIBRAS .... 25

4.10.1 Pultruso ....................................................................................................... 25

4.10.2 Processos de produo prepreg ................................................................... 26

4.10.3 Enrolamento filamentar................................................................................... 27

5 CONCLUSO ................................................................................................... 29

6 REFERNCIAS ................................................................................................ 30

3

1 RESUMO

Diferentemente do que muitas pessoas imaginam um material

compsito no uma inveno da atualidade. Como um compsito nada mais do

que a combinao de dois materiais em um nico material, atribuindo a esse novo

material a melhor propriedade de ambos, pode-se dizer que os compsitos j eram

utilizados pelos egpcios na construo de suas edificaes. Em um trecho da Bblia

Sagrada, mais especificamente no livro do xodo captulo cinco e versculo sete,

descrito um material que se constitui de barro e palha, que quando umedecidos com

gua e misturados, davam origem a um compsito que era empregado na confeco

de tijolos. Apesar de ser uma tcnica milenar, esse tipo de tijolo ainda utilizado em

alguns casos, denominado como tijolo adobe. No presente, os materiais compsitos

so utilizados no projeto de diversas reas, destaque para as reas aeronutica,

automobilstica, naval e esportiva.

Dentre as inmeras etapas inclusas no desenvolvimento de um projeto,

a seleo de materiais uma delas, sendo que nesse momento busca-se determinar

quais os materiais que sero utilizados para atenderem as necessidades exigidas na

concepo de determinado sistema. Assim, quando se escolhe dentre o grupo de

materiais que so classificados como ligas metlicas, cermicas ou polmeros,

certamente preciso ter em mente que se abre mo de algumas propriedades em

busca de outras. Contudo, os compsitos que so uma classe de materiais de

engenharia tm transcendido as propriedades dos materiais comuns, ou seja,

possvel adquirir um material com alta rigidez juntamente com uma boa resistncia

ao impacto, bastando apenas adequar estrutura do compsito. No contexto que se

refere a um compsito, a estrutura do material diz respeito maneira como esto

constitudas a fase matriz e a fase dispersa. A fase matriz pode ser descrita como

sendo a responsvel em envolver a fase dispersa. J a fase dispersa, garante a

rigidez do material. Essas duas fases so diferenciadas de diversas formas,

originando um considervel nmero de materiais compsitos, que so empregados

desde uma simples caixa dgua a complexas naves espaciais.

No decorrer do presente trabalho, procura-se descrever sucintamente

dois tipos de compsitos, compsitos reforados com partculas e compsitos

reforados com fibras, bem como o seu processamento e posteriormente aplicao.

4

2 INTRODUO

O primeiro requisito para a classificao dos materiais compsitos

definirmos o que faz de um material ser, ou no, considerado um material compsito.

Um compsito, segundo Callister (2008, p. 423), um material multifsico que

feito artificialmente, em contraste com um material que ocorre ou se forma

naturalmente.

Como em grande parte os matrias compsitos esto ligados ao

desenvolvimento de tecnologias de alto nvel cientfico, vale a pena salientar a

importncia da Cincia dos Materiais. Morris Cohen define Cincia e Engenharia dos

Materiais com a rea da atividade humana associada gerao e aplicao de

conhecimentos que relacionem composio, estrutura e processamento s suas

propriedades de uso.

Com base na definio acima, quando analisado os materiais

compsitos, no diferente, sendo que podemos notar que quanto s propriedades,

esses materiais so excepcionalmente superiores aos seus materiais primitivos

(metais, polmeros e cermicas), devido ao princpio da ao combinada a qual

determinada pela juno das propriedades de dois ou mais materiais em um nico. A

estrutura dos materiais compsitos dividida em trs grandes grupos: compsitos

reforados com partculas, reforados com fibras e compsitos estruturais.

Estruturalmente, as caractersticas geomtricas e espaciais das partculas dispersas

(Figura 1), variam em (a) concentrao, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuio e (e)

orientao.

Figura 1 Caractersticas geomtricas e espacias das partculas dispersas

Fonte Adaptado de Callister (2008 p. 424)

5

Em virtude da grande abrangncia do tema referente aos compsitos,

iremos nos restringir a explanao dos dois primeiros grupos, que ainda podem ser

subdivididos em outros grupos ainda mais especficos, com apresentado

esquematicamente na Figura 2.

Figura 2 Principais tipos de Compsitos. Fonte Finkler (2005)

Como j foi introduzido um breve conceito de fase matriz e fase

dispersa em um primeiro momento, deixaremos para aprofundar a definio em

tpicos posteriores.

A composio dos materiais compsitos podem variar entre Epxis,

Silicones, Polisteres, Carbetos, xidos e dentre outros dependendo claro, da sua

aplicao. Por ltimo (nem por isso menos importante), o processo dos compsitos

ocorre via tcnicas especiais j bem dominadas, bem como, atravs de tcnicas

convencionais de processamento de ps (sinterizao).

6

3 COMPSITOS PARTICULADOS

Quando analisados, os compsitos particulados podem subdividir-se

em compsitos com partculas grandes e reforados por disperso, salientando que

nos dois tipos de compsitos particulados, as partculas possuem dimenses iguais

em todas as direes (so equiaxiais). A diferena esta na maneira como

alcanado o aumento da resistncia do material. No caso dos compsitos reforados

com partculas grandes, a interao existente entre matriz-partcula, no em nvel

atmico ou molecular, devido a proporo do tamanho existente entre os

constituintes, alm disso, ao ser solicitado por uma fora externa o material reage

internamente com a fora sendo dividida entre fase matriz e dispersa. Em contra

partida, o reforo por meio da disperso ocorre devido a existncia de uma interao

a nvel atmico ou molecular, uma vez que nesse caso as dimenses das partculas

esto em torno de 10 a 10 nm. Diferentemente dos compsitos reforados com

partculas grandes, os reforos por disperso quando recebe a aplicao de uma

fora a fase matriz absorve quase totalmente a energia adicional, restando s

partculas dispersas impedir/dificultar a dissipao das discordncias no material,

aumentando a resistncia do material.

3.1 CONCRETO

O concreto, um mistura de um aluminossilicato de clcio (cimento),

juntamente com areia e brita, um dos compsitos com partculas grandes mais

utilizados diariamente. A fase matriz nesse caso assumida pelo cimento e a fase

dispersa pela areia e a brita, sendo que os agregados (areia e brita) contribuem em

cerca de 60 a75% do volume total do concreto.

Para que a matriz do compsito tenha um bom desempenho, um tipo

especial de aluminossilicato de clcio empregado na fabricao do concreto,

denominado de Cimento Portland, devido a semelhana que possui com uma rocha

encontrada na Ilha de Portland, Inglaterra. As partculas agregadas apresentam uma

grande variao entre seus tamanhos contribuindo para a maximizao do volume

preenchido pela fase partcula. So adicionadas mais algumas misturas, que tem

com objetivo auxiliar durante o processo de cura do concreto, alguns exemplos so

os Aceleradores, Ligantes, Retardadores, dentre outros.

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Outro artifcio empregado na obteno do concreto (armado) uma

tcnica denominada de concreto protendido, a qual consiste em adicionar barras de

ao que so tensionadas, ento, posteriormente a cura do concreto so cessadas as

foras de tenso impostas sobre as mesmas. Com isso a tenso inicialmente

concentrada nas barras de ao e transferida para o concreto atravs de uma fora

compreensiva, aumentando as propriedades do material final, pois segundo Callister

(2008, p. 427) o concreto de cimento portland relativamente pouco resistente e

extremamente frgil; o seu limite de resistncia aproximadamente 10 a 15 vezes

menor do que sua resistncia compresso.

3.2 CERMETOS

Dentre os compsitos particulados, os cermetos talvez sejam os

compsitos que merecem uma maior ateno no que diz respeito a rea da

Engenharia Mecnica. Em geral, as propriedades mais importantes dos cermetos

destacam-se a baixa densidade (opcional), alta resistncia a temperaturas elevadas

(superiores a 1100C), alta dureza, alta resistncia a oxidao e ao choque trmico,

alta resistncia a abraso e a corroso. Tendo compreendido a tamanha importncia

dos cermetos, iremos definimos melhor a razo para que esses materiais tenham

tais propriedades.

Basicamente, os cermetos so compsitos gerados da combinao de

uma cermica e um metal, ou seja, uma cermica que foi adicionada um

complemento. Em uma definio mais rica em detalhes, COUTINHO diz que:

Na dcada de 80 houve um rpido desenvolvimento dos materiais cermicos a base de nitreto de silcio visando seu uso em aplicaes estruturais. [...] A introduo de uma segunda fase, formando um compsito, se mostrou promissora para o desenvolvimento de materiais para aplicaes estruturais. Um exemplo desse tipo de material o compsito Si3N4 + TiC + Co, onde o TiC permanece como uma fase dispersa que proporciona aumento de tenacidade e o Co aumenta a resistncia ao impacto.

O compsito citado por COUTINHO utilizado como ferramenta de

corte de materiais como ligas metlicas a base de Ni, porm, esse no o nico

cermeto empregado para esse fim, outros exemplos so os cermetos como carbeto

de tungstnio (WC) ou carbeto de titnio (TiC), ambos dispersos em uma matriz de

8

metal. As fraes volumtricas em que so adicionados as fases dispersas, podem

atingir cerca de 90% do volume total.

3.3 REFOROS POR DISPERO

A principal diferena entre esse tipo de compsito reforado por

disperso quando comparado aos cermetos, est no fato de eles terem como

constituintes no somente metais em disperso, podendo ocorrer tambm a

aplicao de partculas no ferrosas com xidos, alm da proporo da fase

dispersa no ultrapassar 15% do volume. Os xidos contribuem para o aumento das

propriedades do material, pois eles impedem a propagao das trincas j que

apresentam elevada dureza. Um exemplo de xido a Alumina ou xido de Alumnio

(Al2O3), que pode ser vista na Figura 1, obtidas por MEV.

Figura 3 Partculas de Al2O3 observadas por MEV; partculas pequenas (a) e partculas grandes (b). Fonte Cazotti; Oliveira; Fogagnolo (2006)

9

4 COMPSITOS REFORADOS POR FIBRAS

4.1 - INFLUNCIA DO COMPRIMENTO DA FIBRA

A principal influncia do comprimento da fibra em materiais compsitos

so as caractersticas mecnicas. Entretanto, uma alta resistncia mecnica no

depende somente das propriedades da fibra, mas tambm do grau pelo qual a carga

aplicada transmitida para as fibras atravs fase matriz.

A dimenso da ligao, ou adeso, entre as fases fibra e matriz

importante para a extenso dessa transmisso de carga. Sob a aplicao de uma

tenso, essa ligao fibra-matriz cessa nas extremidades da fibra, produzindo um

padro de deformao.

importante salientar que uma alta adeso entre as duas fases

confere boa resistncia mecnica atravs da transferncia eficiente de carga da

matriz para as fibras, porm o material torna-se frgil.

Inversamente, se existe uma baixa adeso entre a fibra e a matriz isso

resultar em baixa resistncia mecnica, mas a energia absorvida na fratura

aumenta por dissipao de energia durante o processo de descolamento da fibra

(puxamento da fibra, ou fiber pullout).

Figura 4: Relao de baixa e alta adeso entre fibra e matriz. Na figura esquerda

um compsito com alta adeso, na figura direita um compsito com baixa adeso.

Fonte Produzido pelo autor (Guedes)

Um determinado comprimento crtico de fibra necessrio para um

aumento na resistncia e na rigidez de um material compsito. A exemplo, para

inmeras combinaes de matriz-fibra de vidro e matriz-fibra de carbono, esse

comprimento crtico da ordem de um milmetro, o que se situa entre 20 e 150

10

vezes o dimetro da fibra.

O comprimento crtico (lc) de fibra dividido em trs possveis

situaes quando uma tenso aplicada a uma fibra, e esto descritas a seguir:

(a) Quando o comprimento de fibra (l) igual ao comprimento crtico (lc);

(b) Quando o comprimento de fibra (l) maior que o comprimento crtico (lc);

(c) Quando o comprimento de fibra (l) menor que o comprimento crtico (lc).

Figura 5: Em (a) a representao da tenso de trao ao longo de uma fibra

curta. Em (b) um grfico semelhante para o caso de uma fibra longa no qual

a tenso no meio da fibra atinge valor crtico.

Fonte Acrescentar

Quando uma tenso aplicada a uma fibra que possui exatamente o

comprimento crtico (a), tem-se que a carga mxima na fibra somente no centro da

fibra. J para fibras que possuem comprimentos menores que o comprimento crtico

da matriz (c), ou fibras descontnuas, a deformao ocorre ao redor da fibra tal que

no existe qualquer transferncia de tenso e h apenas um pequeno reforo devido

fibra. As fibras onde o comprimento de fibra maior que o comprimento crtico (b)

(geralmente maior na ordem de 15 vezes), so denominadas fibras contnuas.

4.2 - INFLUNCIA NA ORIENTAO DAS FIBRAS

De maneira geral, a principal caracterstica que a orientao das fibras

em materiais compsitos pode nos trazer o fato de que se as fibras estiverem

orientadas formando um ngulo raso com o sentido do esforo a resistncia ser

mxima.

Nessa mesma perspectiva, quando o ngulo entre as fibras e a direo

do esforo for tornando-se obtuso, a resistncia cai, e, ao formar um ngulo reto, a

11

resistncia mnima.

Figura 6: Grfico mostra a relao das propriedades

com relao orientao das fibras em uma liga de

Titnio reforadas com fibras de Boro.

Fonte Acrescentar

Visto esta relao entre orientao da fibra e a resistncia mecnica,

nos relevante dividir os compsitos fibrosos em duas categoriais: com fibras

contnuas e com fibras descontnuas.

J os materiais que possuem fibras descontnuas podem ainda serem

reclassificados em outras duas subcategorias: com fibras descontnuas alinhadas e

com fibras descontnuas desalinhadas (ou convenientemente chamados de

descontnuos aleatrios).

Figura 7: Em (a) fibras contnuas e alinhadas,

em (b) fibras descontnuas e alinhadas e em

(c) fibras descontnuas e desalinhadas.

Fonte Adaptao de Callister (2008 p. 587)

12

4.2.1 - Compsitos com fibras contnuas e alinhadas

As respostas mecnicas desse tipo de compsito dependem de

diversos fatores, que vo desde o comportamento tenso-deformao das fases

fibra e matriz, fraes volumtricas das fases at a direo a qual a carga aplicada.

Os compsitos que possuem fibras alinhadas possuem uma alta

anisotropia, ou seja, conforme a direo que em que o material solicitado ele

responde de uma maneira.

Para analisarmos o comportamento tenso-deformao consideramos

a tenso aplicada na direo longitudinal, que a direo do alinhamento das fibras.

Nesta anlise, notamos que a fibra totalmente frgil e que a fase matriz

razoavelmente dctil, o que visvel no grfico tenso versus deformao.

Grfico 1 : Mostrando a relao tenso versus deformao. Em (a) as curvas x versus

deformao da fibra e matriz, j em (b) adicionalmente mostrando a curva tenso x deformao

do compsito.

Fonte Adaptao de Callister (2008 p. 587)

O grfico (tenso versus deformao) pode ser dividido em dois

estgios. No primeiro estgio, na fase inicial do ensaio, percebe-se que tanto a

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matriz quanto a fibra deformam-se elasticamente, onde as curvas normalmente

ainda so lineares.

O segundo estgio a parte interessante que nos trs diversas

propriedades mecnicas dos compsitos, nesta regio do grfico a matriz escoa e

se deforma plasticamente, ou seja, entra em regime plstico, enquanto as fibras

continuam a se alongar elasticamente visto que o seu limite de resistncia a trao

significativamente maior do que o limite de escoamento da matriz.

Outro aspecto importante neste segundo estgio que a proporo de

carga aplicada que suportada pelas fibras aumenta consideravelmente. Nota-se

tambm que a fratura no catastrfica, visto que quando as fibras se rompem a

matriz ainda continua a deformar-se em regime plstico.

4.2.2 - Compsitos com fibras descontnuas e alinhadas

Estes compsitos possuem uma eficincia menor que os compsitos

com fibras descontnuas e desalinhadas, entretanto esto tendo cada vez mais

importncia no mercado. Todavia, os compsitos com fibras descontnuas e

alinhadas podem ser produzidos tendo mdulos de elasticidade e limites de

resistncia trao que se aproximam parcialmente aos seus anlogos com fibras

contnuas.

4.2.3 - Compsitos com fibras descontnuas orientadas aleatoriamente

Estes materiais so principalmente anisotrpicos, mas importante

salientar que a resistncia e o reforo mximos so obtidos ao longo da direo de

alinhamento (longitudinal). Estes compsitos tambm so chamados de compsitos

laminados.

Materiais com fibras curtas (tanto as alinhadas quanto as orientadas

aleatoriamente) tm custos de produo mais baixos que materiais com fibras

contnuas, ou longas. E mais, a produo tem destes primeiros tem um tempo bem

menor tambm. E as tcnicas de produo incluem moldagens por compresso,

injeo e extruso.

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4.3 FASE FIBRA

Os materiais usados com fibra possuem altos limites de resistncia a trao,

alm disso, possuem a vantagem de ser mais resistentes por possurem um

pequeno dimetro, a probabilidade de existir um defeito superficial que leve a fratura

e menor em relao ao mesmo material com um volume maior. As fibras so

classificadas em whiskers, fibras e arames.

4.3.1 Whiskers

So monocristais muito finos, com razes comprimento- dimetro muito

grande. Possuem alto grau de perfeio cristalina que lhe confere resistncia muito

elevada, esto entre os mais resistentes conhecidos, mas no so muito utilizados

por serem caros. Alguns materiais whiskers com suas propriedades so ilustrados na

Tabela 1.

Tabela 1: Caractersticas de alguns materiais fibrosos. (Whiskers)

Material Densidade

relativa

Limite de resistncia

a trao [GPa]

Resistncia especfica

[GPa]

Mdulo de elasticidade

[GPa]

Mdulo especfico

[GPa]

Grafite 2,2 20 9,1 700 318

Nitrato de alumnio 3,2 5 - 7 1,5 - 2,2 350 - 380 109 - 118

xido de alumnio 4,0 10 - 20 2,5 - 5,0 700 - 1500 175 - 375

Carbeto de silcio 3,2 20 6,2 480 150 Fonte: Callister, Jr.Willian D.( 2008 p.437)

4.3.2 Fibras

Possuem pequenos dimetros e podem ser formados por materiais

policristalinos ou amorfos, geralmente polmeros ou cermicos, a Tabela 2 traz

algumas propriedades de materiais classificados como fibras.

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Tabela 2: Caractersticas de alguns materiais fibrosos. (Fibras)

Material Densidade

relativa

Limite de resistncia

a trao [GPa]

Resistncia especfica

[GPa]

Mdulo de elasticidade

[GPa]

Mdulo especfico

[GPa]

xido de alumnio 3,95 1,38 0,35 379,00 96,00

Aramida (Kevlar 49) 1,44 3,60 - 4,10 2,50 - 2,85 131,00 91,00

Carbono 1,78 - 2,15 1,50 - 4,80 0,70 - 2,70 228 - 724 106 - 407

Vidro E 2,58 3,45 1,34 72,50 28,10

Boro 2,57 3,60 1,40 400,00 156,00

Carbeto de Silcio 3,00 3,90 1,30 400,00 133,00

Spectra 900 0,97 2,60 2,68 117,00 121,00 Fonte: Callister, Jr.Willian D.( 2008 p.437)

4.3.3 Arames

As fibras classificadas como arames so as que possuem maiores dimetros,

os materiais incluem aos, molibdnio e tungstnio, geralmente utilizados como

reforo em pneus, mangueiras de alta presso. A Tabela 3 traz algumas

propriedades dos arames.

Tabela 3: Caractersticas de alguns materiais fibrosos. (Arames)

Material Densidade

relativa

Limite de resistncia

a trao [GPa]

Resistncia especfica

[GPa]

Mdulo de elasticidade

[GPa]

Mdulo especfico

[GPa]

Ao de alta resistncia

7,9 2,39 0,30 210 26,6

Molibdnio 10,2 2,20 0,22 324 31,8

Tungstnio 19,3 2,89 0,15 407 21,1

Fonte: Callister, Jr.Willian D.( 2008 p.437)

4.4 FASE MATRIZ

A fase matriz nos compsitos fibrosos podem ser um metal, um polmero ou

uma cermica, sendo o metal e o polmero os mais utilizados por serem mais dcteis.

A funo da fase matriz unir as fibras umas as outras e o meio pelo qual a

tenso aplicada ao compsito transmitida para a fibra. A maior parte de uma

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tenso aplicada a um compsito suportada pela fibra, somente uma pequena parte

suportada pela matriz. Sendo assim o mdulo de elasticidade da fibra deve ser

muito maior do que o da matriz.

Outra funo da matriz proteger as fibras contra danos superficiais em

decorrncia de abraso mecnica ou mesmo de reaes qumicas com o ambiente.

Por ser mais dctil a matriz separa as fibras e previne a propagao de trincas de

uma fibra para outra.

imprescindvel que as foras de ligao entre a fibra e a matriz sejam

grandes, sendo este fator muito importante na seleo de uma combinao matriz-

fibra.

4.4.1 Matriz Polimrica

As resinas polimricas mais utilizadas e mais baratas so polisteres e os

steres vinlicos, geralmente usados em compsitos reforados com fibra de vidro.

Uma ampla variedade nas propriedades possvel a partir de formulaes destas

resinas.

Outro polmero utilizado o expxi, que possui maior resistncia umidade e

melhores propriedades mecnicas, porm so mais caros, geralmente utilizados em

aplicaes aeroespaciais.

Para aplicaes em elevadas temperaturas so empregadas resinas

poliamidas que suportam em regime contnuo 230 C.

4.5 COMPSITOS COM MATRIZ POLIMRICA

Os compsitos com matriz polimrica ( PMC Polymer Matrix Composites)

so compsitos com matriz em uma resina polimrica e fibras como meio de reforo,

muito utilizada por possurem boas propriedades a temperatura ambiente, facilidade

na fabricao e baixo custo. So classificados pelo tipo de reforo, vidro, carbono, e

aramida.

4.5.1 Compsitos polimricos reforados com fibra de vidro

Tambm chamados de GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer, as fibras de

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vidro podem ser contnuas ou descontnuas, seus dimetros variam entre 3 e 20

micrmetros.

Suas maiores vantagens so: o vidro estirado com facilidade na forma de

fibras de alta resistncia a partir do estado fundido, um material facilmente

disponvel, o compsito pode ser fabricado economicamente e com uma ampla

variedade de tcnicas de fabricao, o compsito formado possui uma resistncia

especfica muito alta e resistente a ambientes corrosivos.

Um cuidado especial deve ser tomado quanto superfcie da fibra de vidro,

pequenos defeitos superficiais afetam negativamente comprometendo a fibra. Estes

defeitos podem ocorrer pelo atrito ou abraso ou mesmo pelo contato com a

atmosfera normal. Geralmente ao serem fabricadas, as fibras de vidro so

recobertas com uma substncia que as protege, no processo de fabricao do

compsito esta substncia retirada e substituda por um agente acoplador o qual

promove uma forte ligao entre a fibra e a matriz.

Algumas das limitaes deste compsito o fato de no serem muito rgidos ,

sua resistncia alta mas a rigidez no, por exemplo no serve como elemento

estrutural em um avio. Sua temperatura de servio est abaixo de 200C, salvo

pelo uso de slica fundida de alta pureza para as fibras e polmero de alta

temperatura como as resinas poliamidas, podendo assim chegar a uma temperatura

de servio de 300C.

Algumas aplicaes para a fibra de vidro so: carcaas de automveis e

barcos, tubulaes de plsticos, recipientes para armazenamento, pisos industriais,

etc. Na tentativa de diminuir o peso dos veculos e aumentar a eficincia dos

combustveis, as indstrias de transportes veem utilizando cada vez mais os

compsitos polimricos reforados com fibra de vidro.

4.5.2 Compsitos polimricos reforados com fibra de carbono

Tambm chamado de CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer, so

compsitos avanados que utilizam o carbono que um material fibroso de alto

desempenho.

Algumas caractersticas que levam a sua utilizao so: dentre todas as fibras

de reforo o carbono o que possui maior mdulo especfico e maior resistncia

especfica, suas propriedades mecnicas permanecem a altas temperaturas, a

18

temperatura ambiente resistente a meios corrosivos como umidade, solventes,

cidos e bases, foram desenvolvidos processos de fabricao que so

economicamente viveis com boa relao custo benefcio.

A produo de fibra de carbono feita a partir de trs materiais orgnicos

precursores, o raion, a poliacrilonitrila e o piche, as caractersticas da fibra varia de

precursor para precursor.

As fibras de carbono so classificadas de acordo com o mdulo em trao e

so mdulo padro, mdulo intermedirio, mdulo alto e mdulo ultra-alto. Os seus

dimetros variam entre 4 e 10 micrometros e podem ser contnuas ou descontnuas.

So amplamente utilizados em equipamentos esportivos, em carcaas de

motores a jato, em vasos de presso, em componentes estruturais de aeronaves,

etc.

4.5.3 Compsitos polimricos reforados com fibra de aramidas

A grande vantagem desse tipo de compsito a relao resistncia peso,

os nomes comerciais para as duas mais comuns so Kevler e Nomex, elas ainda

so classificadas em vrios tipos de acordo com os comportamentos mecnicos.

Essas fibras possuem mdulo e limite de resistncia a trao longitudinais

maiores que os outros materiais polimricos fibrosos, mas no so resistentes a

compresso. Possuem boa tenacidade, resistncia ao impacto e so resistentes a

fluncia e a fadiga. Sua temperatura de servio varia entre -200C e 200C, no so

resistentes a ao de cidos e bases fortes, mas inertes a outros solventes e

produtos qumicos.

Esse tipo de fibra pode ser processada por operaes txteis uma vez que

so flexveis. As maiores aplicaes para compsitos polimricos reforados com

fibra de aramidas so: produtos balsticos (coletes e blindagens a prova de bala),

artigos esportivos, pneus, cordas, carcaas de msseis, vasos de presso, freios e

embreagens.

Uma comparao entre as caractersticas mecnicas de trs materiais compsitos

na direo longitudinal e transversal pode ser feita a partir da Tabela 4.

19

Tabela 4 : Propriedades de compsitos com matriz expxi reforados com fibra contnuas e

alinhadas de vidro, carbono e aramidas. Frao volumtrica da fibra de 0,6.

Propriedade Vidro E Carbono

(Alta Resistncia) Aramida

(Kevler 49)

Densidade Relativa 2,1 1,6 1,4

Mdulo de Trao Longitudinal [GPa] 45 145 76

Mdulo de Trao Transversal [GPa] 12 10 5,5

Limite de Resistncia Trao Longitudinal [MPa] 1020 1240 1380

Limite de Resistncia Trao Transversal [MPa] 40 41 30

Deformao no LRT Longitudinal 2,3 0,9 1,8

Deformao no LRT Transversal 0,4 0,4 0,5

Fonte: Callister, Jr.Willian D.( 2008 p.440)

4.5.4 Outras fibras

Boro, carbeto de silcio e o xido de alumnio so utilizados em componentes

de aeronaves militares, ps de rotores de helicpteros, artigos esportivos,

extremidades de foguetes , etc.

4.6 COMPSITOS COM MATRIZ METLICA

Visto que a grande maioria dos metais so dcteis, podem tambm ser usados

como fase matriz em compsitos reforados por fibra. Um nmero de compsitos de

fibra contnua nos quais ligas de alumnio, magnsio, cobre e titnio tem sido mais

utilizadas, eventualmente, como a fase matriz, que pode ser reforada com fibras de

outros materiais.

Estes metais reforados com fibra podem ser utilizados em temperaturas mai-

ores do que os compsitos polimricos. Alm disso, alta resistncia mecnica espe-

cfica e alto mdulo especfico so possveis uma vez que as densidades destes me-

tais bsicos so relativamente baixas, como podemos ver na tabela abaixo.

20

Tabela 5: Propriedades de Diversos Compsitos com Matriz Metlica Reforados com Fibras

Contnuas e Alinhadas.

Fibra Matriz Teor de Fibra

(Vol %) Densidade

[g/cm3] Resistncia a Trao Longitudinal [GPa]

Mdulo de Elasticidade Longitudinal

[MPa]

Carbono 6061 Al 41 2.44 320 620

Boro 6061 Al 48 - 207 1515

SiC 6061 Al 50 2.93 230 1480

Alumina 380.0 Al 24 - 120 340

Carbono AZ31 Mg 38 1.83 300 510

Borsic Ti 45 3.68 220 1270 Fonte: Adaptao de Callister (2008 p. 443)

Algumas combinaes de reforo-matriz so altamente reativas em tempera-

turas elevadas. Consequentemente, a degradao do compsito pode ser causada

pelo processamento a altas temperaturas ou ao se submeter o compsito com Ma-

triz Metlica a temperaturas elevadas durante o servio. Esse problema resolvido,

e geral, ou pela a aplicao de um revestimento superficial protetor no reforo ou

pela modificao da composio da liga que forma a matriz.

Esta combinao de propriedades torna estes materiais especialmente atrati-

vos para uso em algumas aplicaes aeroespaciais e aplicaes em novos motores.

As propriedades de fluncia e de ruptura em altas temperaturas de algumas superli-

gas (ligas base de Ni e Co) podem ser melhoradas pelo reforo com fibra usando

metais refratrios tais como tungstnio. tima resistncia oxidao sob altas tem-

peraturas e resistncia ao impacto tambm esto presentes. Projetos incorporando

estes compsitos permitem maiores temperaturas de operao e melhores eficin-

cias para motores a turbina.

4.7 COMPOSITOS COM MATRIZ CERMICA

Desde os primrdios da humanidade os materiais cermicos sos alguns dos

mais utilizados, no entanto o desenvolvimento dos compsitos de matriz cermica

vem sendo menos utilizado do que os demais tipos de matrizes, dentre outros

motivos, devido sua dificuldade de fabricao, que envolve altas temperaturas em

suas etapas, sendo assim, necessria a utilizao de reforos que suportem altas

21

temperaturas. Outro motivo o aparecimento de tenses trmicas, devido

diferena de coeficientes de expanso trmica entre matriz e reforo durante o

resfriamento.

Segundo Callister (2008), os compsitos com matriz cermica (CMC) so

inerentemente resilientes oxidao e deteriorao a temperaturas elevadas. So

fortemente suscetveis a fratura frgil e podem ser fabricados utilizando-se

estampagem a quente, estampagem isosttica a quente e tcnicas de sinterizao

na fase lquida.

Os compsitos cermicos possuem maiores tenacidades fratura. Dentre os

compsitos de matriz cermica destacam-se os compsitos de matriz cimentcia,

que podem ser considerados com uma subcategoria, que engloba as argamassas e

os concretos.

A matriz cimentcia a principal matriz cermica empregada na engenharia

civil, sendo ela formada pela hidratao e que se caracteriza pela boa resistncia e

compresso, reduzida resistncia a trao, modesto modulo de elasticidade e

comprimento frgil (SILVA; GARCEZ, 2010).

Essencialmente, essa melhoria nas propriedades de fratura resulta das

interaes entre as trincas que avanam e as partculas da fase dispersa, onde a

iniciao da trinca ocorre normalmente na fase matriz, enquanto a propagao da

trinca impedida ou retardada pelas partculas, fibras ou whiskers, como

esquematizado na Figura 8.

Figura 8 Demonstrao esquemtica do aumento da tenacidade por transformao. (a)

Uma trinca antes da induo da transformao de fases da partcula ZrO2. (b) Parada da

trinca devido transformao de fases induzida pela tenso.

Fonte: Callister (2008 p. 444)

22

Uma tcnica de aumento da tenacidade interessante nesses casos, utiliza

uma transformao de fases para bloquear a propagao das trincas e

denominada como aumento da tenacidade por transformao, onde pequenas

partculas de zircnia parcialmente estabilizada so dispersas no interior do material

da matriz, sendo este frequentemente Al2O3, ou a prpria ZrO2. Geralmente Cao,

MgO, Y2O3 e CeO so usados como estabilizadores.

Outras tcnicas de aumento da tenacidade vem sendo desenvolvidas

recentemente e envolvem a utilizao de whiskers cermicos, com frequncia SiC

ou Si3N4. Esses whiskers podem inibir a propagao de trincas defletindo as

extremidades das trincas, formando ligaes atravs das faces das trincas,

absorvendo energia durante o arranchamento conforme os whiskers se deslocam da

matriz e/ou causando uma redistribuio das tenses nas regies adjacentes.

4.7.1 Compsitos particulados de matriz cermica

Em nvel microscpico, consequentemente, o concreto pode ser considerado como

um material compsito particulado, consistindo de partculas de agregado dispersa

em uma matriz de cimento.

Figura 9 - Concreto com fibras metlicas. Fonte: Disponvel em

Ao se analisar de uma seo transversal do concreto (Figura 8) podemos

diferenciar rapidamente os dois micro constituintes, so partculas de agregado de

23

tamanho e formas variadas, e o meio ligante, composto de uma massa contnua da

pasta endurecida.

4.8 COMPSITOS CARBONO-CARBONO

Certamente um dos mais avanados materiais de engenharia, os compsitos

Carbono Reforados com Fibras de Carbono (CRFC) ou Compsitos Carbono-

Carbono so obtidos por meio de uma combinao adequada de fibras de carbono e

matriz de carbono. Sendo relativamente caros e, por causa disso ainda no so

usados extensivamente.

Estes materiais apresentam excelentes propriedades termomecnicas aliadas

baixa massa especfica (menor que 2g/cm3), como podemos ver na Tabela 6.

Tabela 6 Resistncia Fratura na Temperatura Ambiente para Vrios Teores de Whiskers de

SiC em Al2O3.

Teor de Wisker (Volume) Resistncia Fratura [Mpa] Tenacidade Fratura [Mpa.m1/2]

0 - 4.5

10 455 +/- 55 7.1

20 655 +/- 135 7.5 9.0

40 850 +/- 130 6.0 Fonte: Adaptado de Callister (2008 p. 445)

Estas caractersticas fazem com que possam ser utilizados em componentes

estruturais submetidos a altas temperaturas (Temperaturas maiores do que 1273K),

como por exemplo, componentes de turbinas e componentes para aplicao em

reas de processo a altas temperaturas. Estas aplicaes ocorrem em ambientes

oxidantes, porm a principal desvantagem uma propenso a oxidao em altas

temperaturas.

Embora os compsitos CRFC exibam estas boas caractersticas, seu ponto

fraco a baixa resistncia oxidao para temperaturas maiores que 673 K e,

portanto, para que estas aplicaes sejam possveis necessrio a incorporao de

um material refratrio na forma de um inibidor interno, como modificador da matriz,

e/ou recobrimento externo, para isolar o material do contato com oxignio.

O material refratrio mais utilizado para incorporao e/ou recobrimento de

24

compsitos CRFC, para temperaturas at 1773 K, o carbeto de silcio (SiC).

Os CRFC so utilizados em motores de foguetes, como materiais de atrito

em aeronaves e em automveis de alto desempenho, para moldes em processo de

prensagem a quente, em componentes para turbinas de motores avanados e como

escudos trmicos para reentrada na atmosfera de veculos espaciais.

A principal razo pela qual este tipo de material ser to caro so as tcnicas

de processamento relativamente complexas empregadas. Os procedimentos so

similares aos usados para os compsitos com Matriz Polimrica e fibra de carbono,

ou seja, as fibras as fibras contnuas de carbono so posicionadas de acordo com o

padro bidimensional ou tridimensional desejado, onde essas fibras so

impregnadas com uma resina polimrica lquida, frequentemente uma resina fenlica

e na sequncia, a pea conformada ao seu formato final e feita a cura da resina.

Nesse momento, a resina matriz pirolisada, ou seja, convertida em carbono

pelo seu aquecimento em uma atmosfera inerte, onde aps esta etapa, a pea sofre

tratamentos trmicos conduzidos em temperaturas mais altas, que faze com que

essa matriz de carbono fique mais densa e aumente sua resistncia.

Assim, o compsito resultante consiste nas fibras de carbono originais, as

quais permaneceram essencialmente inalteradas, que esto contidas nessa matriz

de carbono pirolisado.

4.9 COMPSITOS HBRIDOS

Compsitos reforados com fibras hbridos so obtidos utilizando-se dois ou

mais diferentes tipos de fibras numa nica matriz. Estes materiais tm uma melhor

combinao geral de propriedades do que compsitos contendo apenas um nico

tipo de fibra. Uma variedade de combinaes de fibras e materiais de matriz usa-

da.

Compsitos hbridos comuns so aqueles contendo fibras de vidro e carbono.

As fibras de carbono so fortes e relativamente rgidas e fornecem um reforo de

baixa densidade; entretanto, elas so caras. Fibras de vidro so baratas e lhes falta

a rigidez do carbono. O hbrido vidro-carbono forte e tenaz, tem maior resistncia

25

ao impacto e pode ser produzido num custo menor do que qualquer um dos plsti-

cos reforados com carbono ou com vidro.

Neste tipo de compsito hbrido, quando submetido tenso ou trao produz

falhas usualmente no catastrficas. As fibras de carbono so as primeiras a falha-

rem, quando ento a carga transferida s fibras de vidro. Na falha das fibras de

vidro, a fase matriz deve suportar a carga aplicada.

Aplicaes principais para compsitos hbridos so componentes estruturais

de transporte leve rodovirio, aqutico e areo, equipamentos esportivos, e compo-

nentes ortopdicos leves.

4.10 PROCESSAMENTO DE COMPSITOS REFORADOS COM FIBRAS

4.10.1 Pultruso

Esta tcnica usada para a fabricao de componentes que possuem com-

primentos contnuos e uma forma com seo reta constante (hastes, tubos, feixes).

Impregna-se uma resina termorrgida nas fibras; estas so a seguir puxadas atravs

de uma matriz de ao da a forma desejada e tambm estabelece a razo resina-

fibra. O material passa, ento, atravs de uma matriz de cura que usada com pre-

ciso de maneira a conferir a forma final. Esta matriz tambm aquecida a fim de

iniciar a cura da matriz de resina. Um dispositivo de puxamento estira o material

atravs da matriz e tambm determina a velocidade de produo.

As principais fibras empregadas so fibras de vidro, carbono e de aramida e

os materiais de matriz incluem polisteres, steres vinlicos e resinas epoxis. Obser-

va-se o esquema abaixo.

26

Figura 10 Diagrama esquemtico mostrando o processo de pultruso.

Fonte: Adaptado de Callister (2008 p. 446)

4.10.2 Processos de produo de prepreg

Prepreg o termo industrial de compsito para reforo com fibra contnua im-

pregnada com uma resina polimrica que apenas parcialmente curada. Este mate-

rial entregue na forma de uma fita para o fabricante, que a seguir molda diretamen-

te e cura completamente o produto sem ter que adicionar nenhuma resina. Este

provavelmente ao material compsito mais largamente usado para aplicaes estru-

turais.

O processo "prepreg" comea pela colimao de uma srie de mechas de fi-

bras contnuas enroladas numa bobina. Essas mechas so ento sanduichadas e

prensados entre chapas de papel de liberao e conduo usando rolos aquecidos,

um processo denominado "calandragem". Estas folhas de papel de descarga so

recobertas com um filme fino de soluo de resina aquecida de relativamente baixa

viscosidade de maneira a fornecer a completa impregnao das fibras. Uma lmina

de metal (esptula) espalha a resina num filme de espessura e largura uniforme. O

produto final consiste na fita fina de fibras contnuas e alinhadas embutidas numa

resina parcialmente curada. Apresenta este processo no esquema abaixo.

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Figura 11 Diagrama esquemtico ilustrando a produo de fitas de

prepreg usando um polmero termofixo.

Fonte: Callister (2008 p. 447)

4.10.3 Enrolamento filamentar

Consiste num processo pelo qual fibras de reforo contnuas so precisamen-

te posicionadas num molde para formar uma forma vazada, usualmente cilndrica.

As fibras so primeiramente alimentadas atravs de um banho de resina e a seguir

continuamente enroladas sobre um mandril, usualmente empregando um equipa-

mento automatizado de enrolamento. Aps o apropriado nmero de camadas terem

sido aplicadas, cura realizada quer numa estufa quer temperatura ambiente,

aps o que o mandril removido.

Estes compsitos tem alta resistncia mecnica. Alm disso, possuem um

alto grau de controle sobre a uniformidade e orientao do enrolamento das fibras.

Quando automatizado, o processo muito atraente economicamente.

Estruturas comuns de enrolamento de filamento incluem carcaas de motor

de foguete, tanques de armazenamento e tubos, e vasos de presso. Observa-se no

esquema abaixo os tipos de enrolamento das fibras.

28

Figura 12 Representao esquemtica das tcnicas de

enrolamento filamentar helicoidal, circunferencial e polar.

Fonte: Callister (2008 p. 447)

Sendo que as principais vantagens do processo de enrolamento

filamentar o fato de no existirem limitaes relativas s dimenses das peas a

fabricar, aliada a possibilidade de realizar a produo de uma forma contnua e ainda

obter uma produo muito fivel e repetitiva com pouca necessidade de mo de

obra. Como limitaes pode salientar-se que necessita de um nmero de afinaes

relativamente elevado e mo-de-obra qualificada.

29

5 CONCLUSO

Este campo ainda ser complementado aps todos os integrantes do

grupo tiverem cincia de cada segmento apresentado no decorrer do trabalho, para

ento, tirar as concluses em torno do mesmo.

30

REFERNCIAS

BAZZO, Antonio Walter, PEREIRA, Luiz Teixeira do Vale. Introduo Engenharia; 5.ed. Florianpolis: Editora da UFSC, 1997.

PEREIRA, Jos Carlos. Curso de Projeto Estrutural Com Materiais Compsitos. Florianpolis, 2003. 126 p.

SHACKELFORD, James F.. Cincia dos Materiais. 6. ed. So Paulo: Pearson Prentic Hall, 2008

CALLISTER, Jr. William D.. Cincia e Engenharia de Materiais : uma introduo, 7 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008

FINKLER, Maira. Desenvolvimento de Compsitos com Base em Rejeito de Tecidos de Algodo e Acrlico em Matriz de Polietileno de Alta Densidade. Disponvel em: . Acesso em: mai. 2012.

COUTINHO, Ana Carolina de Souza. Influncia da Adio de Carbetos (NbC, TaC, SiC e TiC) na Sinterizao de Cermicas a Base de Si3N4. Disponvel em < http://www.ipen.br/biblioteca/teses/23162.pdf>. Acesso em: mai. 2012.

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SILVA, L. C. T.; GARCEZ, M. R. Compsitos de Engenharia de Matriz Polimrica. In: Isaia, G. C. (edio). Materiais de construo Civil: e princpios de cincias e engenharia de materiais. 2 ed. So Paulo: Ibracon, 2010

CAZOTTI, C.; OLIVEIRA, J.L.A.; FOGAGNOLO, J.B. Efeito da Adio de Partculas de Al2O3 Sobre a compressibilidade de ps de liga de alumnio. In: 17 Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais. Anais... Foz do Igua, 2006