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MATERIAIS COMPSITOS 1

CAPTULO

IX

MATERIAIS COMPSITOS

IX.1- INTRODUO

Um compsito pode ser genericamente definido como umacombinao macroscpica de dois ou mais materiais slidos que mantm a

a, da/dN- Comprimento da fenda, taxa de cresimento da fenda;

C Complience;

D Parmetro de dano;

E, E0- Mdulo de rigidez num dado instante e antes da solicitao cclica,;

Ef, Em, Ec - Mdulo de elasticidade em traco da fibra, da matriz e do

compsito, respectivamente;

f Frequncia da solicitao;

G, Gc Taxa de libertao de energia, valor crtico de G;

Vf, Vm - Fraco volumtrica da fibra e da matriz, respectivamente;

K, Klf respectivamente a gama e o limiar de propagao fadiga;

Nf - Nmero de ciclos de rotura;

R Razo de tenso;

Sa, Smax Amplitude, valor mximo da tenso e resistncia traco equivalente;

, R Deformao, deformao de rotura, respectivamente;

c, fe m - Resistncia traco do compsito, da fibra e da resina;RTenso de rotura.


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sua identidade. So comuns compsitos to diversos como o beto, plsticosreforados com fibra de vidro ou a madeira. Uma definio mais recente eadequada a de que um compsito consiste na combinao de dois materiaisque permanecem em fases separadas, em que um a matriz e outro o reforo[1].

A combinao de materiais diferentes pode proporcionar a obtenode um novo material com caractersticas e propriedades significativamentemelhoradas. O uso de fibras como reforo de matrizes polimricas permiteobter materiais com resistncia e rigidez mais elevadas e consequentemente

suportar maiores cargas de servio. Como exemplo consideremos um tubode plstico reforado com fibra de vidro que poder suportar presses muitomais elevadas que os tubos fabricados em plstico convencional. Estes tubosde plstico reforado so ainda competitivos em relao a tubos de betodevido ao baixo peso e elevada resistncia e aos tubos metlicos por seremmais leves, mais resistentes corroso e mais econmicos.

A caracterstica fundamental dos materiais compsitos, quecondicionou o grande crescimento do campo de aplicaes, a capacidadede terelevada resistncia e/ou rigidez com baixo peso. Esta possibilidade extremamente importante em todas as indstrias de transportes em que o

factor peso da estrutura est directamente associado ao consumo de energia.O baixo peso dum compsito conseguido principalmente devido baixadensidade dos materiais da matriz quando comparados com os materiaiscompetitivos (em geral metais). A generalidade dos compsitos tem,portanto valores especficos bastante mais elevados do que os metaistradicionais.

As matrizes e reforos usadas industrialmente so bastante variadasapresentando propriedades fsicas muito diferentes. Os reforos usadosactualmente em compsitos, so na maior parte dos casos fibras comelevadas resistncia e rigidez e dimetros muito pequenos. Nalgumas

aplicaes usam-se como reforos fibras curtas whiskers e partculas (ocomprimento no significativamente maior do que a largura). As fibrascurtas e as partculas tm menor resistncia e rigidez (como consequncia deserem usadas com orientaes aleatrias), mas podem possibilitar umprocessamento mais fcil [2].

Os materiais geralmente usados como matrizes so os polmeros (otipo de matriz mais comum), cermicos e metais. As matrizes polimricasapresentam menores valores de resistncia e rigidez do que os materiais dereforo, mas em contrapartida so mais fceis de conformar. Os materiais da


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matriz protegem ainda os reforos do meio ambiente e fazem a transfernciadas cargas entre os elementos de reforo. A escolha adequada dos materiaisda matriz e de reforo permite obter novos materiais com ptimaspropriedades fsicas e mecnicas e facilmente conformveis. Neste texto faz-se exclusivamente a anlise do comportamento fadiga dos compsitos dematriz polimrica que so os que apresentam maior alpicao industrial.

As propriedades mecnicas dos materiais compsitos so dominadaspelas fibras, que apresentam um comportamento elstico at rotura,conduzindo a que os compsitos sejam predominantemente elsticos sem

plasticidade significativa. Ao contrrio dos metais que so isotrpicos ouquase isotrpicos, os compsitos so altamente anisotrpicos. Em muitasaplicaes pretende-se reduzir a anisotropia o que conseguido atravs dautilizao de compsitos laminados fabricados com diversas camadas comdiferentes orientaes das fibras. A utilizao de um nmero elevado decamadas poder conduzir a um material quase isotrpico (ou pelo menosquase ortotrpico). Pelo contrrio existem situaes em que os materiais voser preferencialmente solicitados segundo uma direco. Nestes casos desejvel que o material apresente elevadas propriedades segundo a direcopreferencial de carga. Este objectivo pode ser conseguido usando materiais

compsitos em que as fibras so dispostas totalmente ou na sua grandemaioria na direco da solicitao. Este tipo de compsitos(unidireccionais), apresentam os valores mais elevados de resistncia erigidez.

As interfaces entre as fibras e a matriz so pontos crticos para umapotencial rotura tanto para cargas estticas como de fadiga. Outras regiescrticas so as zonas de ligao entre vrias camadas com diferentesorientaes das fibras. Estas so duas zonas de transio entre regies comrigidez muito diferente o que vai originar a ocorrncia de tenses localizadasque iro favorecer a rotura ou o aparecimento de dano no caso da fadiga.

Para alm do comportamento no meio um dos factores decisivos naseleco de materiais para industrias como os transportes e offshore opeso. Nestes casos comum, como j foi referido, comparar as propriedadesdos materiais em termos de resistncia especfica e de rigidez especfica. Aresistncia especfica define-se pela razo entre a tenso de rotura e a massaespecfica e rigidez especfica pelo mdulo de elasticidade dividido pelamassa especfica. Fig. IX.1, compara vrios polmeros reforados com fibrascom o alumnio e o ao usando para o efeito a resistncia especfica calculada


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pela razo entre a tenso de rotura e a densidade e a rigidez especfica obtidadividindo o mdulo de elasticidade pela densidade [3]. A anlise desta figuramostra que a utilizao de compsitos sempre vantajosa em termos deresistncia especfica esttica, e na maior parte dos casos em termos de rigidezespecfica, quando comparados com os metais tradicionais. Com excepo dafibra de vidro as restantes fibras usadas em compsitos avanados (carbono,aramidas, boro, etc.) proporcionam a obteno de compsitos com rigidezespecfica superior aos metais. A designao de compsito avanado usadapara compsitos utilizados em aplicaes especiais, como por exemplo na

aeronutica, em que se exigem elevadas propriedades mecnicas associadas aoutros requisitos particulares, como a capacidade de resistir a elevadastemperaturas ou outras propriedades fsicas. Os compsitos avanadosutilizam normalmente fibras de vidro, carbono ou aramidas e matrizes deelevadas propriedades tanto de polmeros termoendurecveis comotermoplsticos.

Fig. IX.1 - Comparao da resistncia especfica e da rigidez especfica devrios materiais.

CSM

0/90

0/90

0/90 U/D

AlumnioAo

U/DU/D

1000

100

10 100

Rigidez Especfica [GPa]

ResistnciaEspecfica[MPa]

Aramid

a/Epo

xy

Carbo

no/Ep

oxy

Vid

ro/Po

liester

METAIS

COMPSITOS


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Os compsitos polimricos podem ter maior resistncia especfica doque os metais no s para cargas estticas como tambm no caso da fadiga.O processo de fadiga nos compsitos e nos metais substancialmentediferente. Enquanto nos metais a rotura por fadiga ocorre comoconsequncia da propagao de uma nica fenda quando esta atinge umadimenso crtica, nos compsitos existem mltiplos mecanismos de roturano sendo nenhum completamente dominante. Nos metais a fenda bemdefinida e a velocidade de propagao facilmente obtida a partir dos dadosdo ensaio usando a mecnica da fractura. Os compsitos apresentam, em

geral, mltiplas microfendas. Salkind [4] constatou que para um dado defeitoos compsitos so, em geral, mais tolerantes ao dano por fadiga. Esteefeito explicado pelo facto de cada fibra ser um elemento de carga, no severificando necessariamente que a rotura de uma fibra ou de um conjunto defibras limitado conduza rotura de todo o sistema.

De acordo com resultados publicados por Jones [5] os materiaiscompsitos apresentam maior resistncia especifica fadiga, maiorresistncia degradao por fadiga e menor sensibilidade ao entalhe do quea generalidade dos metais. Esta concluso pode ser tirada analisando a Fig.IX.2, em que representada a amplitude de tenso dividida pela densidade

em funo do nmero de ciclos de rotura para alguns materiais.

Fig. IX.2 - Resultados de fadiga tpicos para alguns materiais [5].

700

600

500

400

300

200

100104 105 106 10

7

Boro/Epoxy

Vidro-S/Epoxy

Titnio (8-1-1)

Ao ligado (4130)

Alumnio (2024)

Nmero de Ciclos de Rotura

Amplitudedetenso/densidade

(103

psi/lb/in

3)


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IX.2- APLICAES DOS MATERIAIS COMPSITOS

A utilizao de materiais compsitos nas ltimas dcadas tem vindo aalargar-se aos mais variados campos industriais. Vrios factores contribuempara este aumento no campo de aplicaes. Como j foi referidoanteriormente o factor fundamental reduzida massa especfica associada aelevadas propriedades mecnicas. Outro factor positivo que contribuiu paraeste incremento foi a reduo de preo dos materiais de reforo. Paraalgumas aplicaes so fundamentais, algumas propriedades particulares,

que tem vindo a ser desenvolvidas nalguns materiais compsitos avanadosmais recentes, tais como a resistncia corroso, transmissibilidade a ondasde radar, capacidade de absoro de energia de impacto, capacidade deamortecimento de vibraes, etc.

Na tabela IX.1 apresenta-se uma lista com algumas das aplicaestpicas dos materiais compsitos que nos permite elucidar claramente o vastocampo de utilizao destes materiais.

Tabela IX.1 - Aplicaes tpicas dos compsitosSector Aplicao

Aerospacial Caixas de motores, componentes estruturais, fuselagem,ps do rotor de helicpteros, assentos de cadeiras,estabilizadores verticais, portas de acesso.

Automvel Veios, assentos, pra-choques, molas de lmina, condutas esistemas de ventilao, chapas da carroaria.

Recreativo Cascos de barcos, pranchas de Windsurf, tacos de golfe,raquetes.

Industrial Tubos e reservatrios sob presso, tanques de gua,reservatrios diversos engrenagens, chumaceiras.

Medicina Prtese de pernas e de articulaes, mesas de raios X.

IX.3- FIBRAS E RESINAS

IX.3.1- Fibras

As fibras usadas como materiais de reforo possuem propriedadesmecnicas extremamente elevadas muitas vezes superiores s dos metais


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macios utilizados em engenharia. Usualmente as fibras so muito finas elongas, sendo a relao comprimento/dimetro (l/d) superior a 100. As fibrascomerciais tm, em geral, dimetros inferiores a 20 m. Em funo docomprimento as fibras podem classificar-se em: contnuas, longas(comprimento mdio entre 200-300 mm), curtas (comprimento menor de 25mm) e Whiskers (fibras muito curtas; os Whiskers inorgnicos somonocristais com cerca de 1 mm de espessura e menos de 3-4 mm decomprimento).

As principais fibras usadas no fabrico de compsitos so: vidro,

carbono, aramidas, boro e asbestos.Fibra de vidro o nome pelo qual conhecida uma associao de

xidos mutuamente solveis (xidos de slica, clcio, sdio, alumnio, etc.),em que o xido de slica predominante, e que podem ser arrefecidos abaixoda temperatura de transio vtrea sem cristalizarem. Em funo dapercentagem relativa destes xidos possvel obter fibras com diferentespropriedades. As fibras de vidro mais utilizadas so:

-Vidro do tipo E; corresponde formulao bsica sendo a maiseconmica;

-Vidro do tipo S; fibra de maior resistncia que a anterior;

-Vidro tipo C; Fibra de elevada resistncia corroso.As fibras de carbono so fabricadas usualmente a partir de fibras

polimricas atravs de adequados tratamentos trmicos ou a partir dealcatro. Embora possa tambm aparecer na forma amorfa s as formascristalinas de carbono so usadas no fabrico de fibras. So comercializadastrs tipos de fibras de carbono, que de acordo com o mdulo de elasticidadeapresentado so designadas por fibras de baixo, mdio e elevado mdulo.Estas diferenas de propriedades resultam do processo de fabrico e doprecursor utilizado. Na tabela IX.2 apresentam-se as propriedades mecnicasdestas fibras, obtidas usando como precursor o poliacrilonitrilo (PAN)

publicadas por Carlsson[6]. A grafite uma fibra de carbono de elevado teorem carbono (aproximadamente 99%).

As aramidas so poliamidas aromticas produzidas a partir de certospolmeros orgnicos. A aramida mais conhecida designada por Kevlar.Trata-se de uma fibra de resistncia traco semelhante ao vidro tipo E,mas de rigidez muito mais elevada (cerca de trs vezes a rigidez das fibrasde carbono). Esta fibra apresenta ainda elevada resistncia fadiga efluncia. Apesar das boas propriedades mecnicas destas fibras em traco


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apresentam algumas limitaes em compresso e flexo devido encurvadura em compresso. As propriedades mecnicas de algumas destasfibras so indicadas na tabela IX.2 [7].

Boro a designao de uma fibra de elevada resistncia e rigidezobtida a alta temperatura de vapor de tricloreto de boro num substrato detungstnio ou carbono (deposio qumica por vapor - CVD). Trata-se deuma fibra frequentemente usada com resinas epoxy especialmente naindstria aeronutica.

Asbestos o nome genrico pelo qual conhecido um grupo de

silicatos cristalinos contidos nalgumas rochas no Canad, Rssia e USA efrica do Sul. A utilizao destas fibras tem vindo a diminuir devido aosriscos para a sade inerentes.

Muitas outras fibras so tambm utilizadas como: as fibras ewhiskers de alumina, fibras e whiskers de SiC, fibras metlicas, etc.

Fig. IX.3 - Resistncia especfica traco de algumas fibras comparadascom o ao.

A Fig.IX.3 mostra a resistncia especfica de vrias fibras emrelao ao ao, sendo notria a elevadssima resistncia especfica das firasde aramida e carbono.

Poliaramida

Carbono

VidroNylon

Poliester

Ao


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Na tabela IX.2 apresentam-se os valores tpicos das propriedadesmecnicas para as fibras mais correntemente utilizadas.

As fibras so comercializadas de formas bastante variadas sendo maisvulgares os rolos de fio contnuo, mantas de fio contnuo, orientado oualeatoriamente distribudo, mantas entrelaadas bidireccionais oumultidireccionais.

Tabela IX.2 - Valores tpicos das propriedades mecnicas de algumas fibras.

Material da fibra Densi-

dade[g/cm3]

Dimetro

filamento[m]

Resist.

traco[GPa]

Mdulo

de Young[GPa]

Alonga-

mento[%]

Vidro tipo E 2,55 13 3,34 81,3 4,8

Vidro tipo C 2,56 10-13 3,31 - 4,8

Vidro tipo S 2,50 10-13 4,58 86,8 5,7

Carbono/baixo mdulo 1,76-1,79 7 3,65 228 1,4

Carbono/mdio mdulo 1,78 5,1 5,03 290 1,7

Carbono/alto mdulo 1.80 8 2,48 340 0,7

Aramida (Kevlar 29) 1,44 12 3,6 83 4,0

Aramida (Kevlar 49) 1,44 12 3,6 124 2,8

Aramida (Kevlar 149) 1,44 12 3,4 186 2,0

Boro 2,6 - 3,5 420 -

Asbestos (Anfibola) 3,3 - 4,1 190 -

Al2O3 4,0 - 2,0 470 -

SiC 3,4 - 2,3 480 -

IX.3.2- Resinas

Tradicionalmente a maioria dos compsitos fabricadosindustrialmente usavam como matrizes polmeros termoendurecveis.Contudo, em consequncia de algumas limitaes apresentadas por estespolmeros, em conjunto com o facto de no serem materiais reciclveisconduziu, principalmente na dcada de noventa, crescente aplicao deresinas termoplsticas com elevadas propriedades e facilidade deprocessamento. Algumas das principais desvantagens das resinastermoendurecveis so as seguintes:

- necessidade de reagentes qumicos no processo de cura;


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- possibilidade de emisso de vapores perigosos;- vida limitada;- processamento em vrias fases;- processo de cura mais longo;- no reciclveis;- fraca tenacidade;- custos globais mais elevados;- fraca solubilidade e resistncia humidade (poliestere epoxy).

Em contrapartida os termoplsticos oferecem elevadas potencialidades

que tm conduzido ao recente elevado incremento da sua aplicao nosmateriais compsitos. Os principais atractivos dos termoplsticos comomatrizes so:

- potencial baixo custo de fabrico;- elevada tenacidade;- boa tolerncia de dano e resistncia ao impacto e

microfissurao;- fcil controlo de qualidade;- so reciclveis.

Apesar das vantagens indicadas os compsitos com matriztermoplstica apresentam ainda alguns problemas, sendo os maisimportantes os seguintes:

- qualidade da pr-impregnao (dificuldade de execuo,encharcamento das fibras, no uniformidade, etc.);

- problemas de processamento (custo das ferramentas, altastemperaturas, etc.)

- comportamento fadiga e fluncia pouco conhecidos;- sensibilidade aos solventes (excepto os polmeros semi-

cristalinos).

Os principais termoendurecveis usados no fabrico de compsitos so:as resinas epoxy, fenlicas, polimidas e poliester.

As resinas epoxy so consideradas bastante estveis e podem serutilizadas com todas as fibras de elevadasperfomance.

As polimidas so a matriz mais adequada para aplicaes a altatemperatura, produzindo compsitos com menos riscos para a sade e maisresistentes ao calor do que os compsitos fenlicos. So usadas com fibras


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de carbono, boro e vidro. Apresentam como inconveniente a necessidade deserem pr-impregnadas atravs de um solvente. Este solvente juntamentecom a gua, devem ser removidos do compsito para reduzir a percentagemde porosidades, abaixo dos 3%, sem a qual ser observada uma reduo deresistncia significativa. Estas resinas so mais caras do que as epoxy.

As resinas fenlicas so bastante resistentes ao calor e ao fogo sendoadequadas para aplicaes a temperaturas elevadas. So usadaspreferencialmente com fibras de vidro.

Os poliesteres no saturados so as resinas mais frequentemente

usadas no fabrico de compsitos para aplicaes correntes principalmentedevido ao seu baixo custo. As propriedades obtidas variam com acomposio do material de raiz usado no processo de fabrico.

Na tabela IX.3 apresentam-se a ttulo indicativo as propriedadesmecnicas em traco e a temperatura de deflexo trmica (HDT) dealgumas resinas epoxy epoliesterindicadas por Norwood [8].

Tabela IX.3 - Propriedades mecnicas e a HDT de algumas resinastermoendurecveis.

Resina Tenso

de rotura

Mdulo

de Young[GPa]

Alon-

gamento[%]

HDT

[C]

Poliester(alta reactividade ortoftlica) 54 3,6 2,0 110

Poliester (mdia reactividade orto-

ftlica)

68 3,6 2,4 75

Poliester(baixa reactividade ortoftlica) 60 3,8 2,0 65

Epoxy (agente de cura: dietileno-

triamina)

70 3,4 5,3 95

Epoxy (agente de cura: diaminodifenil-

metano)

80 2,8 5,2 155

Epoxy (agente de cura: diaminodifenil-

sulfona)78 3,1 6,0 193

Uma comparao qualitativa das propriedades mecnicas e trmicasdos compsitos fabricados com matrizes termoplsticas e termoendurecveispermite concluir que os termoendurecveis de elevada perfomance (porexemplo polimidas) apresentam propriedades trmicas, resistncia e rigidezmais elevadas do que qualquer termoplstico. Os termoplsticos de elevada


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perfomance apresentam propriedades semelhantes aos termoendurecveismdios (geralmente epoxis). Os termoendurecveis de menorperfomance (talcomo opoliester) tm propriedades semelhantes aos termoplsticos de maiorrigidez e resistncia usados em aplicaes gerais de engenharia.

Um vasto conjunto de termoplsticos so usados industrialmente nofabrico de compsitos tanto para aplicaes correntes como de elevadaperfomance. Os principais termoplsticos de elevadaperfomance so:

- poliarileterketona (PAEK);- polifenileno sulfida (PPS);- polietereterketona (PEEK);- polisulfona (PSU);- polieterimida (PEI);- poliamideimida (PAI);- termoplsticopolimida (TPI);- Polmero em cristais lquidos (LCP).

Para aplicaes correntes so usados os seguintes termoplsticos:- poliamidas (nylon);- polietileno tereftalato (PET);- acetal;- policarbonato;- ABS;- Polifenileno ter(PPO);- Polipropileno (PP).

As estruturas moleculares associadas aos termoplsticos de elevadaperfomance so, em geral altamente aromticos, o que conduz a cadeiaspolimricas mais rgidas e resistentes e com melhores propriedades trmicas.Outro factor importante nas propriedades dum polmero o seu peso

molecular, tanto nos termoplsticos como nos termoendurecveis. Aspropriedades dos termoplsticos so ainda altamente influenciados pelaestrutura apresentada. As propriedades mecnicas e trmicas, bem como aresistncia a efeitos qumicos e ambientais depende da cristalinidade dopolmero. Muitos dos termoplsticos indicados, especialmente os de elevadaperfomance so materiais cristalinos ou semi-cristalinos. As forasmoleculares elevadas associadas a estruturas cristalinas aumentam a energianecessria para deslocar as molculas. Ento a rigidez, resistncia e a


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temperatura de utilizao aumentam em relao aos polmeros amorfos [9].No entanto, alguns autores sugerem que o uso de polmeros amorfos podeser vantajoso em aplicaes em que a resistncia e a temperatura deutilizao no so fundamentais, mas antes a optimizao das condies deprocessamento [10]. Na tabela IX.4 indica-se a estrutura dum significativonmero de termoplsticos.

Tabela IX.4 - Propriedades mecnicas e trmicas de alguns termoplsticos.

Polmero Estrutura Tenso

rotura[MPa]

Mod.

Elast.[GPa]

Alonga-

mento[%]

Tg [C] Tm [C] HDT

[C]

PEEK semi-

cristalina

92-103 3,1-3,8 11-50 140-145 334-343 152-160

PPS semi-

cristalina

65-82 3,9-4,3 3-20 85-90 275-290 115-260

Polisulfona amorfa 69-76 2,1-2,5 60-76 180-220 - 174-175

Poliarilsulfona amorfa 70-82 2,1-2,7 30-60 189-225 - 182-204

Polieterimida amorfa 95-105 3-4,5 7-60 215-217 - 197-200

Poliamideimida amorfa 89-186 2,8-4,8 10-30 275-288 - 274-278

TP poliamida amorfa 102 3,8 14 251-330 - -

Nylon 66 cristalina 76-94 1,6-3,8 15-60 47-80 255-265 190-143

PET cristalina 48-72 2,8-4,1 30-300 69-80 245-265 158-207

Acetal semi-

cristalina

67-69 3,1-3,6 25-75 -75 163-175 160-173

Policarbonato cristalina 63-69 2,37 110-135 149-150 220-230 138-149

ABS amorfa 23-55 1,9-2,7 1,5-80 88-120 - 95-100

PPO amorfa 66 2,5-2.6 60-82 90-220 262-484 96-215

PP semi-

cristalina

31-41 1,1-1,5 100-600 -27 163-176 45-120

Um grupo importante de polmeros, mantm-se na fase cristalinamesmo no estado lquido. O uso destes polmeros em cristaislquidos, tem sido no entanto limitada devido ao seu elevado ponto defuso e a dificuldades de processamento. Uma tentativa de soluo

para estes problemas foi conseguida no LCP atravs de umacombinao de cristais lquidos com baixa temperatura de fuso,semelhante ao PET e ao PP [11]. Uma aplicao interessante destes


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cristais no fabrico de fibras para utilizao como reforo emmatrizes convencionais.

As propriedades dos polmeros so bastante sensveis temperatura.Definem-se trs temperaturas importantes correspondentes transio entrediferentes estados do material. Consideram-se assim, a temperatura defuso (Tm), a temperatura de transio vtrea (Tg) e a temperatura dedistoro trmica (HDT) intermdia entre as duas. A temperatura dedistoro trmica (HDT) caracteriza a temperatura para a qual aspropriedades mecnicas do polmero sofrem uma reduo significativa e

corresponde temperatura mxima de utilizao em servio contnuo. Natabela 4 indicam-se os valores, publicados por Strong [12], de T m, Tg, eHDT, bem como as propriedades mecnicas traco para um grupo determoplsticos.

Raramente as resinas so comercializadas sem a adio de materiaisespeciais com capacidade para melhorar algumas das propriedades dospolmeros. Os aditivos mais usados tm as seguintes finalidades:

- melhorar o aspecto decorativo (especialmente a cor);- retardadores do ponto de inflamao;- estabilizadores de luz (absoro de ultra violetas);- promover a libertao de bolhas;- aumentar o mdulo de rigidez.

IX.4- INTRODUO S TCNICAS DE FABRICO

No se pretende neste ponto fazer uma anlise exaustiva das tcnicasde fabrico do compsitos, mas apenas fazer a descrio sumria de algumasdas tcnicas mais usadas. Para uma abordagem mais detalhada recomenda-sea consulta das referncias [13,14] no que respeita ao fabrico de compsitos

com matriz termoendurecvel e Strong [12] especificamente para matrizestermoplsticas.

As resinas termoendurecveis so bastante simples de processar,bastando mistur-las com um activador, colocar num molde, deixarendurecer e remover o molde. O molde pode ser fabricado em qualquermaterial no poroso como: metal, madeira ou plstico. Para diminuir otempo de processamento os moldes devem ser aquecidos. Desta forma


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reduz-se o tempo de cura e aumenta-se a vida do molde. As principais etapasdo processo de produo de materiais compsitos so:

- mistura da resina e activador;- disperso da resina no molde;- posicionamento das fibras de reforo;- impregnao das fibras com resina;- cura.

Estas cinco etapas esto contidas em todos os processos de fabrico de

compsitos polimricos, podendo variar de processo para processo apenas astcnicas de executar alguma ou algumas delas.

Apresenta-se de seguida uma descrio muito resumida de algumasdas tcnicas mais usadas no fabrico de compsitos. Estas tcnicas foraminicialmente desenvolvidas para matrizes termoendurecveis, mas podem serusadas (nalguns casos com algumas adaptaes) para matrizestermoplsticas.

A- Moldao em sistema abertoMoldao manual:

Este processo ainda bastante utilizado, apesar de ser necessrio umtrabalho intensivo e de difcil controlo, pois bastante verstil e econmicotanto em termos de equipamento como de moldes. Os vrios passos destatcnica esto esquematizados na Fig. IX.4. Os reforos normalmente sopreviamente cortados com o tamanho pretendido antes de serem misturadoscom a resina. Camadas alternadas de resina e reforo so colocadas sobre omolde. Um rolo metlico usado para consolidar o laminado, garantir a total

impregnao das fibras e extrair as bolhas de ar da resina. Neste processopodem ser usados todos os tipos de resinas e fibras atrs referidos. umprocesso de baixa velocidade de produo e de fraco controlo dimensional.

Pulverizao por pistola (Spray-Up):

Neste processo a resina e a fibra so simultaneamente pulverizadassobre o molde. As fibras contnuas so cortadas em fibras curtas por uma


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unidade montada na pistola de projeco da resina. As fibras de pequenasdimenses so ento arrastadas pelo fluxo de resina, sendo desta formadistribudas e posicionadas simultaneamente com a resina. A percentagem defibra pretendida pode ser obtida regulando a unidade de corte da fibra e ocaudal debitado pela pistola de projeco de resina. Este processo bastanteprodutivo e de baixos custos, mas o controlo da distribuio de fibra e daespessura manual e depende do operador. A utilizao deste processo limitada ao caso de fibras curtas com distribuio aleatria. Tendo em contaas limitaes descritas esta tcnica no usada em aplicaes de elevada

responsabilidade, sendo no entanto bastante popular em aplicaes de grandevolume e pouco solicitadas.

Para aplicaes com formas simples pode usar-se este processo comcontrolo automtico da orientao e velocidade da pistola de projeco,evitando-se desta forma o sistema de controlo manual destes parmetros.

Fig. IX.4 - Moldao manual

Molde


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Enrolamento filamentar em espiral (filament winding):

Este processo esquematizado na Fig. IX.5 e usado na produo depeas ocas simples, em particular tubos e reservatrios sob presso. Ocomponente moldado num macho com a forma da superfcie interior que fixo no veio de um torno. O tanque com a resina montado transversalmentena cabea do torno. Fibras contnuas so alimentadas atravs do banho deresina a partir de posies fixas do torno. Variando as velocidades relativasdo enrolamento do fio e de avano do torno o ngulo da espiral do

enrolamento pode ser controlado. A orientao e fraco volumtrica defibra e a espessura podem ento ser optimizadas.

Esta tcnica pode ser usada com a generalidade das resinas e fibras nacondio destas serem contnuas e montadas em rolos. O custo de material eprocessamento baixo, apesar do custo do equipamento ser relativamenteelevado. Conseguem-se elevadas velocidades de processamento e obtercompsitos de excelentes propriedades mecnicas e bom controlodimensional, da percentagem e orientao das fibras. O principalinconveniente reside no facto de apenas poder ser usado para um nmerolimitado de formas.

Fig. IX.5 - Sistema de enrolamento em espiral.

B- Moldao em sistemas fechadosMoldao em vcuo:

A moldao em vcuo, representada esquematicamente na Fig. IX.6 o processo mais simples de moldao em sistema fechado. As fibras e a

Banho de resinaDistribuidor

de fibra

Fibracontnua

impregnadaSistema deenrolamento


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resina so colocadas manualmente num molde aberto. Sobre o laminado colocado um filme elstico e sobre este um saco de borracha fixo nos bordosdo molde. Um ambiente de vcuo produzido entre o saco de borracha e olaminado. Esta tcnica usada na maioria dos sistemas resina/fibra,incluindo na produo de painis sandwich. Os custos dos equipamentosutilizados baixo, mas o custo de produo elevado.

Fig. IX.6 - Moldao em vcuo.

Moldao em cmara sob presso:

A moldao em cmara sob presso uma tcnica muito semelhante moldao em vcuo, usando no entanto presses superiores atmosfrica(at 3,5 bars), o que permite uma melhor consolidao e maiorespercentagens de fibra. Usando ar aquecido ou vapor na cmara consegue-seum processo de cura melhor e mais rpido. Como consequncia da pressoaplicada o molde usado neste processo tem de ser muito mais robusto do quenos casos da moldao manual ou em vcuo. Esta tcnica razoavelmenteprodutiva e usada na produo de componentes de alta qualidade feitoscom reforos pr-impregnados. Este processo encontra-se representado

esquematicamente na Fig.IX.7.

Moldao em autoclave:

A moldao em autoclave uma combinao da moldao em vcuo eda moldao sob presso, como se esquematiza na Fig. IX.8, permitindoproduzir componentes de elevada qualidade. Actualmente usada apenas

Molde

Sistema de aperto

Laminado

Pelicula de libertao

Invlucro de borracha Sistema de aperto

Bomba de vcuo


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com fibras pr-impregnadas. Esta tcnica usa um saco de vcuo no interiorde uma cmara aquecida e pressorisada. Vrias camadas de fibra socolocadas no molde at preencher a espessura pretendida. Posteriormente feito um vcuo parcial na cmara de vcuo e de seguida aplicada umapresso no interior do autoclave que est fechado e selado. Nestas condieso laminado est sujeito simultaneamente ao vcuo, presso e aquecimento, oque assegura a total consolidao e cura. Como os moldes no esto sujeitosa foras to elevadas consegue-se usar uma construo razoavelmente leve.As principais vantagens desta tcnica so: a elevada qualidade, controlo do

processo de cura e baixo nvel de porosidades. O principal inconveniente ocusto do investimento e de produo.

Fig. IX.7 - Moldao em cmara sob presso.

Moldao sob presso a quente:

Neste processo aplicada uma presso hidrulica sobre o molde (pelomenos 2 bars), que vai comprimir a resina e impregnar as fibras. O molde aquecido (a cerca de 140C), o que permite acelerar significativamente oprocesso de cura e a velocidade de produo. O molde tem de ser metlico erobusto para suportar a temperatura de aquecimento e a presso aplicada.Este processo usado com fibras contnuas pr-impregnadas ou mantas.Conseguem-se grande preciso dimensional, mas a variabilidade daspropriedades mecnicas pode ser um problema. Os custos de equipamento

Molde

Espaador

Sistema deaperto

Sistema deaperto

Compressor

Laminado

Invlucro de borracha


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so muito elevados, mas os custos de produo tornam-se baixos paragrandes sries.

Fig. IX.8 - Autoclave.

Moldao injectada:

Esta tcnica, que se encontra esquematizada na Fig. IX.9, correntemente usada para produes em srie de compsitos em que a matriz um polmero termoplstico ou termoendurecvel. Prepara-se inicialmenteuma massa com todos os componentes do compsito, incluindo os fibras dereforo. Esta massa colocada num depsito e posteriormente transportada

para o molde por um sistema de parafuso atravs de uma cmara deaquecimento. Este processo s pode ser usado com fibras curtas e direcoaleatria. A orientao das fibras condicionada pelo fluxo durante oenchimento do molde o que provoca variaes nas propriedades das peasproduzidas. Com este processo conseguem-se produzir peas com formascomplexas a elevadas velocidades de produo, custos de produo baixos ecom tolerncias bastante apertadas.

Cmara doautoclave

Sistema deaperto

Sistema deaperto

Presso

Vcuo

Laminado

Cmara de vcuo

Molde


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Fig. IX.9 - Moldao injectada.

C-Produo contnua

Os dois principais processos de produo contnua so a laminagem ea pultruso. Ambas as tcnicas tm como principais inconvenientes oelevado custo de equipamento e a limitao das formas do produtoproduzido. Em ambos os casos o custo de produo baixo, a velocidade deproduo muito elevada e o produto obtido apresenta boas propriedadesmecnicas e boa tolerncia dimensional.

Fig. IX.10- Pultruso.

Moldeaquecido

Tubo aquecido

Parafuso dealimentao

Depsito

Material de Moldao

Sistema deaperto

Sistema deaperto

Tanque deresina

Zona deaquecimento

Painis dealinhamento Guias

Sistema paraesticar o fio

Acabamento doperfil

Sistema decorte

Rolos comfio de reforo


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No processo de pultruso, representado na Fig. IX.10, as fibras soimpregnadas de resina e puxadas atravs de uma cmara de cura aquecidaonde dada a forma do perfil final. A impregnao das fibras pode ser feitanum banho antes da entrada na cmara de cura ou por injeco directa nacmara de cura. Podem usar-se elevadas fraces volumtricas de fio oumanta com alimentao contnua. A tenso aplicada nas fibras garante umperfeito alinhamento e consequentemente elevadas propriedades mecnicasna direco longitudinal. Em contrapartida as propriedades na direcotransversal so limitadas.

IX.5- PROPRIEDADES MECNICAS

O comportamento mecnico dum compsito depende da composio,do processo de fabrico e das condies de servio. Os constituintes dumcompsito (fibra e resina) so materiais com mdulos de elasticidade muitodistintos. Ao ser solicitado as cargas vo ser transferidas entre as fibras e aresina atravs da interface de ligao. A faculdade de um compsito terelevadas propriedades mecnicas depende da capacidade da interface para

fazer a transferncia de carga entre fibras e resina sem que ocorra rotura.A figura 9.11 mostra esquematicamente uma interface, distinguindo-se duaszonas: uma interface electroqumica muito estreita e uma interface mecnicamais larga, onde se fazem sentir as interaces mecnicas. As caractersticasda interface dependem do tipo de fibra e resina, dos reagentes e do processode cura. Na interface podem ocorrer defeitos diversos, tais como:microfendas, no adeso e micro porosidades (Fig. IX.11). Estes defeitos sopontos preferenciais para o desenvolvimento do processo de rotura. Osmecanismos de rotura para compsitos unidireccionais so: a fissurao damatriz, a rotura das fibras e a delaminao entre as fibras e a matriz [15]. Ao

partir uma fibra a carga redistribuda por interaco entre a resina e todasas outras fibras.

Como j foi indicado anteriormente as fibras tm propriedadesmecnicas muito mais elevadas do que as resinas constituindo-se como oelemento resistente predominante num compsito. A resistncia e rigidez docompsito dependem da fibra e matriz utilizadas, sendo a fibra o elementomais importante. Na fig. IX.12 apresentam-se curvas tenso-deformao dealguns compsitos e metais tpicos podendo analisar-se a rigidez relativa


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destes materiais. Na maioria dos casos obtm-se compsitos com rigidezsemelhante dos metais tradicionais.

Fig. IX.11- Representao esquemtica da interface.

Fig. IX.12.- Comparao das curvas tenso-deformao de algunscompsitos de matriz epoxy com os metais tradicionais [16].

Interfaceelectroqumica 1-3x10cm

-8

Matriz

Fibras

Descoesofibra/matriz

MicrofendasMicroporosidades

Interface mecnica 10cm-3

200180

160

140

120

100

80

60

40

20

0,2 0,6 1,0 1,4 3,0 3,4Deformao (%)

60% Boro - 40% Epoxy60% Carbono - 40% Epoxy

AoTitnio

30% Boro -70% Epoxy 60% Vidro - 40% Epoxy

Alumnio

30% Carbono - 70% Epoxy

30% Vidro - 70% Epoxy

Tenso(ksi)


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As propriedades mecnicas, e em particular o mdulo de elasticidadeem traco podem ser previstos a partir da constituio do compsito. Nocaso de compsitos unidireccionais, em que todas as fibras esto na direcoda carga, o mdulo de elasticidade em traco do compsito (Ec) pode serobtido usando a regra das misturas simples:

mmffc VEVEE ++++==== IX.1em que:

-

Efe Em so os mdulos de elasticidade em traco da fibra e damatriz, respectivamente;- Vf e Vm so as fraces volumtricas da fibra e da matriz,

respectivamente.Esta regra pode ser generalizada para outras distribuies de fibra:

mmffc VEVBEE ++++==== IX.2onde B uma constante que de acordo com Krenchel [17] toma osseguintes valores :

-1 para compsitos unidireccionais;

-0,5 para compsitos bidireccionais balanceados;-3/8 para distribuies aleatrias de fibra curta num plano.

Para placas planas com fibras entrelaadas pode considerar-seB=0,375. Estas regras simples podem ser usadas tambm na previso deoutras propriedades, como a densidade e o coeficiente de Poisson.

As propriedades mecnicas dos compsitos dependem de inmerosfactores, tais como: tipo de fibra, fraco volumtrica, tratamento,orientao e dimenso das fibras, tipo de resina, processo de fabrico,temperatura, humidade, porosidade da resina, etc. A comparao depropriedades exige a normalizao de todas estas variveis, o que geralmente

no possvel. Normalmente esta comparao feita para condies padro.As propriedades mecnicas usadas mais frequentemente so a resistncia traco e o mdulo de elasticidade. Outras propriedades so, no entantoimportantes, tais como: a tenacidade, as propriedades em compresso e emflexo, caractersticas trmicas, comportamento em ambientes agressivos.Estas propriedades so muitas vezes utilizadas em aplicaes especficas.

Na tabela IX.5 apresentam-se algumas das propriedades mecnicas,indicadas por Strong [12], para compsitos de matriz termoplstica de


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elevada performance. Estas propriedades correspondem a compsitosunidireccionais com fraco volumtrica de 60% de fibra de carbono. Osvalores indicados esto na mesma gama dos obtidos com matrizestermoendurecveis.

Na tabela IX.6 apresentam-se dados das propriedades mecnicas decompsitos de matriz termoplstica para engenharia corrente fabricados comfibras curtas, de vidro com distribuio aleatria e fraco volumtricanormalizada a 30% [18,19]. Os valores indicados nesta tabela so bastanteinferiores aos da tabela IX.5, o que motivado pelo facto de serem

referentes a compsitos de fibras curtas (menos resistentes do que os defibras longas) e por usarem fibras de vidro (menos resistentes do que outrasfibras como o carbono ou o Kevlar). Contudo, usando fibras contnuas deelevadas resistncia podem obter-se elevadas propriedades mecnicasmesmo com estas resinas. o caso do nylon, que reforado com fibrascontnuas de carbono, permite obter uma resistncia traco entre 1493 e1517 MPa [20] (semelhante obtida com termoplsticos de elevadaperformance).

Tabela IX.5 - Propriedades mecnicas de compsitos de matriz termoplstica

de elevadaperformance [12].Resina Resistncia

traco [MPa]

Mdulo de elasticidade

traco [GPa]

Resistncia com-

presso [MPa]

PEEK 1869-2452 125-141 1033-1469

PPS 1345-1929 120-145 654-960

Polisulfona 1069-1331 129-141 1041

Poliamideimida 1379 142 1379

Cristais lquidos 1492 143 862

Na tabela IX.7 apresentam-se valores indicativos das propriedades

mecnicas de alguns compsitos de matriz termoendurecvel, publicados porQuinn [21], que permitem fazer uma anlise comparativa com os dadosindicados nas tabelas IX.5 e IX.6.A anlise desta tabela permite verificar a influncia da direco das fibras naresistncia traco e confirmar que os compsitos unidireccionais so osque apresentam maiores valores de resistncia.


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Tabela IX.6 - Propriedades mecnicas de compsitos de matriz termoplsticapara engenharia corrente [18,19].

Resina Resistncia

traco [MPa]

Mdulo de elasticidade

traco [GPa]

Resistncia com-

presso [MPa]

Nylon 172-193 90-103 155-276

PET 139-165 90-99 172

Acetal 90-153 100-116 89-151

Policarbonato 127-154 86-117 124-139

ABS 89-110 69-83 100-117

PPO 103-128 69-90 123

PP 45-90 48-69 45-58

Tabela IX.7 - Propriedades mecnicas tpicas de compsitos de matriztermoendurecvel.

Compsito Frac-

o

vol.

(%)

rot.

long.

trac.

(MPa)

rot.

transv.

trac.

(MPa)

rot.

long.

comp.

(MPa)

rot.

transv.

comp.

(MPa)

Md.

elast.

long.

(GPa)

Md.

elast.

transv.

(GPa)

Densi-

dade(g

/cm3)

Fib. vidro/epoxy

(unidireccional)

53 1190 73 1001 159 39 15 1,92

Fib. carbono/epoxy

(unidireccional)

57 2040 90 1000 148 134 11 1,57

Fib. Kevlar/epoxy

(unidireccional)

60 1379 30 276 138 76 5 1,38

Fib. vidro/epoxy

(entrelaado 0/90)

33 360 360 240 205 17 17 1,92

Fib. vidro/epoxy

(entrel. +45/-45)

33 185 185 122 122 10 10 1,92

Fib. carbono/epoxy

(entrelaado 0/90)

50 625 625 500 500 70 70 1,53

Fib. Carb./epoxy

(entrel. +45/-45)

50 240 240 200 200 18 18 1,53

Fib. Kevlar/epoxy

(entrelaado 0/90)

50 517 517 172 172 31 31 1,33

Fib. vidro/poliest.

(manta unif. disp.)

19 108 108 148 148 8 8 1,45


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No caso de compsitos com fibras em mltiplas direces possvelfazer a previso aproximada da resistncia traco utilizando modelossemelhantes aos usados para o mdulo de elasticidade, como o modelosugerido por Rigg [22] para fibras curtas, que no mais que a regra dasmisturas modificada:

mmff21c VVAA ++++==== IX.3em que:

-

c, fem so a resistncia traco do compsito, da fibra e daresina, respectivamente;- A1 um factor que tem em conta a orientao das fibras no

compsito;- A2 um factor que tem em conta a efectiva ligao as fibras e a

resina.

Fig. IX.13 - Efeito da relao l/d na resistncia traco para compsitocom 50% de fibra de vidro alinhada segundo a direco longitudinal e resina

epoxy [23] (1Ksi=6,895 MPa).

O factorA1toma os seguintes valores:- 1 para fibras orientadas segundo uma direco;- 0,33 para fibras dispersas de forma aleatria no plano;

1 100 200 300 400 5000

20

40

60

80

100

600

Relao l/d

Resistnciatraco(ksi)

Matriz dctilMatriz frgil


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- 0,162 para fibras dispersas de forma aleatria segundo trsdireces.

O factor A2 no bem definido teoricamente sendo determinado deforma emprica. Este coeficiente depende das dimenses das fibras.

Como seria de esperar a resistncia traco cresce com o aumento dapercentagem de fibra. No caso de compsitos de fibra curta aumenta com arelao entre o comprimento e o dimetro das fibras (l/d). As Figs. IX.13 eIX.14 exemplificam o efeito destes dois parmetros. A Fig. IX.13 mostra oaumento da resistncia traco com (l/d) para o caso de fibras de vidro

alinhadas segundo a direco longitudinal. A fraco volumtrica de fibra de 50 % e a matriz epoxy com duas composies, uma dctil e outra frgil.As fibras curtas apresentam uma resistncia muito inferior s longas. O valormximo obtm-se para l/d prximo dos 500.

Fig. IX.14 - Influncia da fraco volumtrica na resistncia traco. Fibrade vidro com orientao aleatria no plano e resina epoxy. Resultados

experimentais e previses (linha a cheio).

A Fig. IX.14 mostra os resultados experimentais e uma previso daautoria de R. Lavengood, publicada em [6], da influncia da fraco

10

20

30

40

50

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Vf

ResistnciaTrac

o[Ksi]

Previso Terica

Vidro-Epoxy


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volumtrica para o caso de um compsito de fibras curtas (com l/d>50), devidro distribuda de forma aleatria no plano, e resina epoxy.Para valores defraco volumtrica compreendidos entre 0,2 e 0,6 o aumento de resistncia quase linear.

O aumento da temperatura de servio provoca uma reduo daresistncia traco em todos os compsitos polimricos. A forma como sed esta reduo depende fundamentalmente da resina utilizada. A Fig. IX.15mostra, a ttulo de exemplo, a variao de resistncia com a temperatura paraum compsito com fibras de boro unidireccionais e resina epoxy (fraco

volumtrica 50%). A variao pouco significativa at cerca de 150 C,tornando-se mais importante a partir desta temperatura. A temperatura apartir da qual a degradao das propriedades mecnicas mais significativa prxima da temperatura de distoro trmica da resina.

Fig. IX.15 - Influncia da temperatura e velocidade de carga na resistncia traco longitudinal e na deformao na rotura de um compsito

unidireccional. Fibra de boro alinhada (Vf=50%) e resina epoxy [24].

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200220

240

2600 50 100 150 200 250 300

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

00 100 200 300 400 500

Temperatura [F]

Tempo de ensaio 60 Sec.

Tempo de ensaio 0.1 Sec.Tempo de ensaio 0.02 Sec.

ResistnciaTraco[Ksi]

Deformaona rotura

Resistncia traco

DeformaonaRotura[%]

Temperatura [C]


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Outros parmetros influenciam as propriedades mecnicas tais como:o tempo e processo de cura, o nvel de porosidades e o meio ambiente,particularmente o efeito da humidade ou a presena de certos elementoscidos.

IX.6- RUNA POR FADIGA

IX.6.1- Caracterizao da runa por fadiga

Ao contrrio do que acontece nos metais em que o processo de roturapor fadiga dominado por uma nica fenda, nos materiais compsitosocorrem, na maioria das vezes mltiplas fendas que crescem atravs de umprocesso que pode envolver diferentes mecanismos. Embora o processo defadiga apresente algumas semelhanas com os metais, pois igualmentepossvel definir duas fases, uma de iniciao outra de propagao, osmecanismos associados so completamente diferentes.

Os principais mecanismos associados rotura por fadiga em

compsitos polimricos so: a separao entre as fibras e a matriz, adelaminao entre camadas e a rotura das fibras ou da resina.

Nos metais uma fenda uma vez iniciada, em geral propaga-se at rotura final da pea. Num compsito o facto de ocorrer a rotura de uma fibraou micro-roturas na resina ou entre a fibra e a matriz no condiosuficiente para que se desenvolva todo o processo de rotura, podendo apenashaver uma redistribuio de deformaes entre os constituintes do material.Pode dar-se ento o caso de o material possuir um elevado nmero defissuras de pequenas dimenses sem que se possa dizer que ocorreu ocolapso do compsito. Este um problema adicional da fadiga de

compsitos, pois partida necessrio definir qual o critrio de runa autilizar (a iniciao da separao entre fibras e resina, a fissurao da matrizou a separao total).

O estudo da fadiga de compsitos feito na maioria dos casosrecorrendo s curvas convencionais da tenso (ou deformao) em funo donmero de ciclos de rotura. Os parmetros da Mecnica da Fractura sotambm usados nalguns casos, mas a sua utilizao nem sempre possveldevido dificuldade em definir convenientemente uma fenda caracterstica.


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Utilizando as curvas da amplitude de tenso-nmero de ciclos derotura representam-se na Fig. IX.16 os resultados obtidos por Owen [25] emcompsitos laminados multi-direccionais de poliesterreforados com fibrade vidro. Esto representadas as curvas correspondentes a dois critrios deiniciao, por separao entre fibras e resina (separao interfacial) e afissurao da resina e o critrio de rotura total. Este exemplo bemelucidativo da importncia da definio do critrio de runa. A anlise dafigura mostra que o tempo gasto na iniciao de fendas extremamentereduzido em comparao com a vida total, em especial a vida de iniciao de

fendas entre as fibras e a resina.

Fig. IX.16 - Comparao da vida de iniciao e rotura final laminados multi-

direccionais depoliesterreforados com fibra de vidro [25].

Os resultados da fadiga de compsitos so normalmente analisadosem termos de parmetros simples tais como a tenso ou deformao aplicadae o nmero de ciclos de rotura. Nesta representao a solicitao caracterizada pela amplitude de tenso, tenso mxima ou outro parmetroequivalente. A utilizao de parmetros da Mecnica da Fractura paracaracterizar o processo de fadiga possvel nalguns casos (em particular em

Separao fibra/resina

FissuraoSeparao

Amplitude

detenso(MPa)

100

50

010-1 1 10 102 103 104 105 106 107

Nmero de Ciclos de Rotura, Nf


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compsitos de fibras curtas), mas noutras situaes bastante difcil senoimpossvel.

O modelo mais simples e um dos mais usados para representar osresultados de fadiga, consiste em estabelecer uma relao linear entre aamplitude de tenso do ciclo de carga e o nmero de ciclos de rotura,usando uma representao bilogartmica:

0fa SlogNlogmSlog += IX.4

em que:- Sa a amplitude de tenso;- Nfo nmero de ciclos de rotura;- S0 a resistncia traco equivalente;- m a inclinao da recta.

Em alternativa amplitude de tenso pode utilizar-se a tenso mxima[26]. Numa representao bilogartmica a eq. IX.4 substituda por:

BNlogASlog fmax += IX.5

em que:

- Smax a tenso mxima;- Ae B so constantes do material.

Nalguns materiais esta representao linear no modela de formaadequada os resultados experimentais, usando-se ento uma funopolinomial do 2 grau [26]:

BNlogANlogASlog f22f1max ++= IX.6

em que A1, A2 e B so constantes do material.Em vez dos valores absolutos da amplitude ou da tenso mxima

alguns autores usam nas equaes IX.4 e IX.5, em alternativa umparmetro adimensional obtido pela razo entre a amplitude de tenso (oua tenso mxima) e a tenso de rotura do compsito. Se a tenso de roturafor obtida nas condies de servio dos ensaios de fadiga esta relaofunciona como um parmetro (razo de fadiga) capaz de uniformizar osresultados de fadiga. Desta forma as curvas de fadiga obtidas para diferentesvelocidades de carga, temperaturas e mesmo diferentes fracesvolumtricas seriam coincidentes. Na Fig. IX.17 mostra-se a ttulo de


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exemplo um caso de utilizao deste parmetro para laminados de fibra devidro cruzada e matriz polipropileno [27]. A anlise da figura mostra quecom esta representao (razo entre a amplitude de tenso e a tenso derotura - nmero de ciclos de rotura) os resultados obtidos para duastemperaturas diferentes (25 e 60C) so praticamente coincidentes.

A relao entre a razo de fadiga e nmero de ciclos de rotura podeno ser linear mesmo numa representao bilogaritmica. Por vezes soutilizadas outros tipos de curvas para modelar os resultados. o caso deReifsnider [28] que prope a seguinte equao:

Fig. IX.17 - Razo de fadiga nmero de ciclos de rotura. Compsito defibra de vidro cruzada e matriz polipropileno. R=0. f=10 Hz.

3Cf

21

R

max

Nlog

CC

S+=

IX.7

em que:- R a tenso de rotura do compsito;- C1, C2 e C3 so constantes do material.

A equao de Coffin-Manson por vezes tambm utilizada na fadigade compsitos [29]. A aplicao desta equao parte do pressuposto que afadiga de compsitos controlada pela deformao (amplitude de

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

/R

104 105 106 107


T = 25C

T = 60C


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deformao ou deformao mxima) e no pela tenso. Esta equao dadapor:

df)N2(B2/ = IX.8

em que:- /2 a amplitude de deformao;- B e d so constantes do material.

Os resultados de fadiga apresentam sempre uma disperso aprecivel

sendo necessria fazer sempre uma anlise probabilstica dos mesmos. Nocaso dos materiais compsitos o mtodo mais usado no estudo da fadigaprobabilstica a distribuio de Weibull bi-paramtrica ou tri-paramtrica.

IX.6.2- Mecanismos de rotura por fadiga

Os mecanismos de rotura so bastante variados e complexos tornando-se difcildefini-los de forma generalizada. Estes mecanismos dependem dafibra, da resina, da ligao entre a fibra e a matriz e dos modos se como

combinam estes componentes. So particularmente importantes aconfigurao e geometria do laminado, o estado de tenso e o ambiente.

Este assunto tem vindo a ser estudado de forma exaustiva nas ltimasdcadas encontrando-se inmera documentao sobre assunto, de que soexemplo as publicaes: de caracter geral [30], especficas para compsitosunidireccionais [31], laminados de fibras contnuas [32], laminados de fibrascurtas [33] e fendas a partir de entalhes, em laminados [34] e em compsitosunidireccionais [35].

Os mecanismos associados fadiga de compsito com todas as fibrasalinhadas segundo a direco de carregamento encontram-se esquematizados

na Fig. IX.18 [30]. Distinguem-se trs fases distintas: fractura das fibras(Fig. IX.18a), rotura da matriz (Fig. IX.18b) e separao da interfacefibra/matriz (Fig. IX.18c). Se a tenso normal ultrapassa a resistncia deuma fibra de menor resistncia esta rompe, criando-se uma concentrao dastenses de corte na interface podendo ocorrer a separao localizada entre afibra e a matriz. O comprimento desta separao em geral muito pequeno,causando no entanto concentrao das tenses normais. As tenses normaisna matriz podem ser suficientes para provocar a rotura localizada. As fendas


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(b) (c)

criadas por este processo s se propagam caso as deformaes sejamsuficientemente elevadas para que as tenses locais ultrapassem a tenso derotura de um nmero significativo de fibras. Neste caso d-se a propagaoda fibra atravs da matriz. Finalmente as tenses de corte criadas iroprovocar a rotura por separao da interface criando fendas de grandesdimenses. Na maioria dos casos a dimenso destas fendas predominanteno aspecto da rotura final. Esta concluso foi observada por Lorenzo [31] emresinas epoxy reforadas com fibras de vidro ou de carbono. Newaz [36]observou igualmente os trs mecanismos de runa em compsitos

unidireccionais, fibra de vidro/epoxy, solicitados flexo, sendo a roturatransversal da matriz e a separao das interfaces predominantes. Neste casoa rotura na interface deve-se no s s tenses de corte como tambm encurvadura das fibras motivada pelas tenses de compresso que ocorremdurante o ciclo de carga.

Fig. IX.18 - Mecanismos de rotura em compsitos com as fibras alinhadassegundo a direco da carga [30]. a)fractura das fibras; b) rotura da matriz;

c) separao da interface fibra/matriz.

O aspecto geral da rotura em compsitos com as fibras alinhadassegundo a direco da carga encontra-se esquematizado na Fig. IX.19, sendoevidenciada a existncia de um elevado nmero de fendas no propagveis,especialmente iniciadas pela rotura localizada de fibras. Em combinaesfibra/matriz em que as fracturas longitudinais ocorrem de forma progressivaa rotura final em geral observada em mais do que uma seco transversal.


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A Fig. IX.20 mostra esquematicamente o comportamento fadiga decompsitos unidireccionais com as fibras alinhadas segundo a direco dacarga, usando como parmetros a deformao mxima do ciclo de carga emfuno do nmero de ciclos de rotura. O limite superior do grfico representaa deformao de rotura do compsito que corresponde rotura das fibras econsequente rotura da interface. A banda inferior corresponde tenso limitede fadiga da resina da matriz. A regio intermdia corresponde fissuraoda matriz e rotura da interface provocada pelas tenses de corte.

Fig. IX.19 - Aspecto geral da rotura em compsitos com as fibras alinhadassegundo a direco da carga.

Na maioria dos compsitos as fibras no so completamente alinhadassegundo a direco da carga havendo normalmente camadas inclinadas oumesmo a 90 com a carga. Nestes casos as fendas iniciadas na matriz iropropagar-se em modo misto (modo I perpendicular s fibras e modo II de

deslizamento segundo a direco das fibras). Neste processo de propagaoem modo misto (Fig. IX.21a) o valor limite do deslocamento da ponta dafenda para o qual no ocorre propagao depende do ngulo . O processode rotura ser condicionado pelo mais baixo valor de tenacidade do laminadopara os dois modos de rotura. Este valor crtico obtido em modo I, o quemotiva uma reduo da tenso limite de fadiga com o aumento do ngulo .Este efeito encontra-se esquematizado na Fig. IX.22, onde se torna bemevidente a reduo da resistncia fadiga medida que aumenta a

N=N 1 N=N2N=1


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predominncia do modo I na rotura da interface. As linhas a tracejadocorrespondem ao comportamento do compsito com todas as fibrasalinhadas segundo a direco da carga. No limite a propagao pode ocorrerapenas em modo I (Fig. IX.21b). Esta situao corresponde ao mnimo dadeformao necessria para provocar a rotura da interface, que caracterizado aproximadamente pelas propriedades da matriz.

Fig. IX.20 - Diagrama da vida de fadiga para compsitos com as fibrasalinhadas segundo a direco da carga.

Os mecanismos associados fadiga de laminados de camadasmltiplas so basicamente os mesmo que se observam no caso decompsitos unidireccionais com as fibras no alinhadas com a carga etambm a separao por delaminao entre camadas. A delaminaoocorre devido ao gradiente de tenses entre camadas sendo observada na

matriz e portanto controlada pelas propriedades da matriz. Apesar destasemelhana de mecanismos conseguem-se melhorias bastante significativasna resistncia fadiga em relao aos compsitos unidireccionais (noalinhados com a carga) usando laminados de mltiplas camadas distribudassimetricamente em relao carga se os ngulos com esta direco forempequenos. No caso de ngulos acima de 60 no observada melhoria deresistncia. Nos laminados de fibras cruzadas 0/90 o processo de rotura

Limite de fadiga da matriz

Fissurao da matrizRotura por corte

na interface

Rotura das fibras e da matriz

Log N

max

c

m


38/64


inicia-se na interface das fibras a 90 e propaga-se, em geral por delaminaoentre camadas.

Fig. IX.21 - Modos de propagao em compsitos unidireccionais com asfibras no alinhadas com a direco da carga. a) modo misto (0


39/64


A maioria dos compsitos laminados so fabricados usando mltiplascamadas com diferentes orientaes procurando obter propriedades o maisisotrpicas possvel no plano da placa. Uma distribuio tpica 0/+45/-45/90. Neste caso a rotura inicia-se na interface das fibras a 90 e propaga-se por delaminao nas camadas a 45 devido a sobre tenses provocadaspela rotura das camadas a 0.

O estudo de Mandell [33] em compsitos com fibras curtas de vidro ecarbono usando vrias resinas termoplsticas mostra que para solicitaes de

traco se desenvolve uma fenda predominante que se propaga, em modo I,com a forma de zig-zagem que a frente de fenda avana preferencialmentena matriz contornando as fibras.

IX.6.3- Dano causado por fadiga

O processo de rotura por fadiga nos materiais compsitos traduz-se, semelhana do que acontece nos metais, por uma perda progressiva deresistncia at rotura final. Apesar desta semelhana verificam-se no

entanto duas diferenas: o processo fsico e a resistncia residual domaterial. Nos metais o processo de degradao (dano) do material controlado, em geral, por uma nica fenda e uma vez iniciado bastantemais acelerado do que nos compsitos (fig. IX.23). Nestes, os processos deruna, como vimos anteriormente so mais diversificados, podendo ocorrerdano por rotura de fibras, delaminao, fissurao da matriz, separaofibra/matriz, porosidades, etc. (Fig. IX.23). A iniciao do processo dedano muito mais rpido nos materiais compsitos onde praticamente noh perodo de iniciao [4]. No entanto, a velocidade de avano dosmecanismos de dano muito menor nos compsitos do que nos metais (Fig.

IX.23). Este facto permite-nos afirmar que os compsitos so maistolerantes ao processo de fadiga do que os metais. Os compsitos tm acapacidade de mesmo quando ocorrem microfissuras (provocadas pela roturade uma ou mais fibras, rotura da matriz ou descoeso) redistribuir osesforos mantendo as propriedades mecnicas quase inalteradas. Estasmicrofissuras podem existir sem que haja risco imediato de desenvolvimentocatastrfico do processo de fadiga. Uma das formas mais imediatas deverificao da ocorrncia de dano analisar a evoluo da rigidez dum


40/64


componente. Se for feita esta anlise verifica-se que uma vez iniciada a fasede propagao a perda de rigidez nos metais muito mais rpida do que noscompsitos, o que significa que nestes o processo de dano mais lento e operodo de propagao maior [4].

Fig. IX.23 - Representao esquemtica da evoluo do processo de danonos metais e nos materiais compsitos.

A quantificao do dano causado por fadiga um domnio complexosendo especialmente problemtico o uso de parmetros directos. Estesparmetros so baseados na dimenso da fenda que em geral bastantedifcil de definir e de medir. Nos casos em que possvel fazer estaquantificao a Mecnica da Fractura permite fazer uma anlise adequadado processo de fadiga atravs das curvas da/dN-K [36,45,54] ou emalternativa da/dN-G [35,49,54-57]. A utilizao do parmetro energtico

G tem a vantagem de permitir a sua obteno de forma indirecta a partir davariao de complience. O grande problema da utilizao desta metodologiaprende-se com dois aspectos j referidos: muitas das vezes no existe umafenda dominante (pelo menos na fase inicial do processo de fadiga) edificuldades de medio da fenda. Os mtodos tradicionalmente mais usadospara medio de fendas em metais (mtodos pticos e queda de potencial)no so aplicveis em compsitos polimricos sendo necessrio recorrer aoutros mais complexos e dispendiosos. As principais tcnicas usadas na

Metais

Compsitos

Ciclos de Fadiga ou Tempo

Propagao

Dimensocrtica de

dano

Fractura

Inspeco

Iniciao

Imperfeies iniciais

Fractura

Dimenso do Dano

Comprimento da Fenda

Fibras PartidasDelaminao

Fissurao da MatrizSeparao Fibra/Matriz

Porosidades

Metais

Compsitos


41/64


medio de fendas em compsitos polimricos so: os raios X [34,37],emisso acstica [37], rplicas com recurso microscopia electrnica [38],ultra sons com especial incidncia no C-Scan [34,37], imagem vdeo [39] efibras pticas [40].

Atendendo s dificuldades apresentadas pela utilizao dos mtodosdescritos recorrem-se a outros mais simples baseados em parmetros quequantificam de forma indirecta o dano de fadiga. O mtodo mais usado namodelao do dano a rigidez normalmente quantificada pelo mdulo deelasticidade. A utilizao desta tcnica, largamente referenciada na

literatura [36,41-45] usando o parmetro adimensional E/E0, em E mdulo de elasticidade do material num dado instante e E0 o mdulo deelasticidade antes de iniciar o processo de fadiga. A obteno desteparmetro bastante simples bastando para o efeito fazer registo peridicoda curva carga-deslocamento. Este parmetro est intrinsecamenterelacionado com o dano, pois medida que este aumenta (por rotura defibras, fissurao da matriz, separao fibra/matriz, delaminao entrecamadas, etc) d-se obviamente a reduo da rigidez do material. Na Fig.IX.24, apresentam-se resultados obtidos pelo autor da variao da rigidezdurante o processo de fadiga em compsitos de polipropileno reforado com

fibra de vidro cruzada. Observa-se uma queda rpida de E/E0 nos primeirosciclos seguindo-se uma fase estabilizada em que a reduo de rigidez muito pequena. Durante esta fase inicia-se o processo de runa localizadaocorrendo a rotura individualizada de fibras e a microfissurao da matriz.Quando se comea a dar o aparecimento de delaminao entre camadas e daseparao as fibras e a resina entra-se numa fase de acelerao do processode rotura e d-se uma queda brusca da rigidez.

possvel estabelecermodelos que relacionam E/E0 com o nmerode ciclos de fadiga. Com base nestes modelos pode fazer-se a previso davida de fadiga ou da resistncia residual do material aps um determinado

nmero de ciclos de fadiga. Indirectamente a resistncia residual tambmpermite caracterizar o dano causado por fadiga.

Associado com a perda de rigidez durante a fadiga os compsitosapresentam um aumento da temperatura. Este aumento de temperatura, emgeral, tem uma variao inversa da diminuio de rigidez [27]. Resultadosobtidos pelo autor em compsitos de polipropileno reforado com fibra devidro cruzada mostram que na fase intermdia do processo de fadiga (faseem o processo estacionrio e que representa mais de 80% da vida de


42/64


fadiga) a relao entre o aumento de temperatura na superfcie do provete e areduo do parmetro E/E0 praticamente linear. Esta constatao permitepensar que o aumento de temperatura seja um parmetro de dano alternativoa E/E0 com a vantagem de ser bastante fcil de obter mesmo nas condiesde servio.

Fig. IX.24 - Variao de E/E0 durante o processo de fadiga em compsitosde polipropileno reforado com fibra de vidro cruzada.

sabido que para os metais o processo de fadiga se desenvolve apartir da nucleao de microfissuras que posteriormente crescem at atingiruma dimenso crtica para a qual ocorre a rotura. A partir do momento emque existem estas fissuras a resistncia traco (resistncia residual) sofreuma reduo em relao ao valor inicial da resistncia do material. Esta

diminuio causada pela diminuio da rea da seco resistente eprincipalmente pelo efeito da concentrao de tenses causada pela fenda.

Nos materiais compsitos passa-se um processo semelhante dereduo da resistncia residual. A forma como se d a reduo de resistnciadepende do tipo de compsito e da carga de fadiga aplicada. A Fig. IX.25mostra as curvas de resistncia residual num compsito polimrico de fibrade vidro, publicados por Harris [46]. Neste grfico RES representa aresistncia residual, R a resistncia traco do material e o valor indicado

N/N

Controlo de tenso

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1 2

E/E

0

00,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

f

Controlo de deforma o


43/64


em cada curva o valor da tenso cclica em percentagem de R. A anliseda figura mostra que a reduo de resistncia ocorre obviamente maisrapidamente medida que a tenso cclica aumenta.

O dano causado pelo processo de fadiga pode ser caracterizado porum parmetro de dano D (definido em funo da perda de rigidez ou davariao da deformao), pela rea de delaminao ou pelo comprimento dafenda. Independentemente da forma como definido o parmetro de danoconsiderado, a sua evoluo durante o processo de fadiga uma funoda gama de tenso, da razo de tenso e do prprio parmetro de dano

(considerando constantes as restantes variveis de fadiga, tais como:temperatura, frequncia, etc) [32]:

Fig. IX.25 - Variao da resistncia residual com o nmero de ciclos e a

carga cclica num polmero reforado com fibra de vidro.

)D,R,(fdN

dD= IX.9

Integrando a equao IX.9 entre um valor correspondente ao danoinicial, Die o valor crtico do dano, Dfobtm-se:

60%

40%

20%

10%

grp

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

0 1 2 3 4

Log N

res/R

80%


44/64


=f

i

D

Df )D,R,(f

dDN IX.10

em que Nf o nmero de ciclos de rotura. Desde que seja conhecida afuno f(,R,D) pode ento obter-se a previso da vida de fadiga docompsito.

O parmetro de dano definido de forma, a que no incio doprocesso de fadiga tem o valor zero e na rotura toma o valor um.

Por exemplo, para compsitos laminados de fibra de carbono/epoxy

Beaumont [32] utilizando para o efeito a variao de rigidez, obtm aseguinte equao de dano:

)E

E1(857,2D

0= IX.11

em que:E o mdulo de rigidez num dado instante e E0 o valor do mdulode rigidez antes da solicitao cclica. A equao IX.9 toma ento, paraeste caso a forma:

)dN

dE

E

1(857,2dN

dD

0= IX.12Para integrar a equao (9.12) e obter a vida final necessrio conhecer odano na rotura Df. Este valor pode obter-se da seguinte forma.Consideremos um ensaio de traco e assumamos que no h variao derigidez durante o ensaio. Ento, a deformao de rotura R:

0

RR E

= IX.13

em que R a resistncia traco.Num ensaio de fadiga ao fim de N ciclos, para uma tenso mxima

max , a deformao :

0

max

E

= IX.14

Usando as equaes IX.13 e IX.14, da eq.IX.11 obtm-se:


45/64


)1(857,2DR

maxf

= IX.15

Os modelos de dano baseados na Mecnica da Fractura, so maisdifceis de utilizar nos compsitos, mas permitem obter uma informaomais adequada dos parmetros de fadiga: nmero de ciclos, tenso aplicada edimenso do defeito. Por exemplo, Beaumont [32] utiliza a taxa delibertao de energia G como parmetro de controlo da propagao defendas por delaminao em laminados carbono/epoxy, usando a expresso:

2

m

c)

G

G(

dN

dl = IX.16

em que: Aem so constantes do material e Gc o valor crtico de G.G pode ser calculado a partir da variao de ComplienceC/l:

l

C

t2

)P(G

2

= IX.17

onde, P a gama da variao de carga e t a espessura. Para os compsitostestados obtm valores de Gc=158 a 400 Jm

-2; m=14 e A=5x10-5.A acumulao de dano em solicitaes de amplitude varivel em

muitos casos, feita usando o modelo de acumulao linear:

1N

Nn

1i fi

i ==

IX.18

em que Ni o nmero de ciclos aplicados para um determinado nvel detenso correspondente ao bloco i e Nfi o nmero de ciclos para a qual

ocorreria a rotura para o nvel de tenso correspondente ao mesmo bloco i.No entanto, nalguns casos necessrio recorrer a modelos mais

complexos para obter resultados satisfatrios. Por exemplo Owen [47],prope um modelo no linear em que o dano acumulado dado por:

=

=

n

1i

2

fi

i

fi

i )N

N(C)

N

N(BD IX.19


46/64


em que B e C so constantes. A rotura ocorrer igualmente quando D atingiro valor um. Esta equao resulta de estudos de dano por fadiga parasolicitaes pulsantes e alternadas, efectuados por Owen [47] em mantas defibra de vidro/poliester.

IX.6.4- Parmetros de fadiga

Neste paragrafo far-se- uma anlise resumida dos principais factores

que condicionam a resistncia fadiga dos compsitos polimricos, a saber:o tipo de fibra, fraco volumtrica, tratamento, orientao e dimensodas fibras, tipo de resina, processo de fabrico, temperatura, humidade,frequncia de carga e razo de tenso.

A resistncia fadiga , obviamente condicionada pela composiodos seus elementos constituintes: tipo de fibra, resina, percentagem etamanho da fibra, tratamento dado fibra durante o processo defabrico, etc.

O efeito do tipo de fibra na resistncia fadiga ilustrado, a ttulo deexemplo, Fig. IX.26, obtida temperatura ambiente em compsitos

unidireccionais com resina epoxy [48]. Da anlise desta figura constata-seque as fibras mais resistentes (boro e Kevlar) permitem obter maiorresistncia fadiga. Pelo contrrio com a fibra de vidro produz-se ocompsito menos resistente fadiga (resistncia idntica das ligas dealumnio da srie 2000). Verifica-se ainda que o tipo de tratamento dado aovidro (tipo E ou S) no altera significativamente a resistncia fadiga.

Uma abordagem diferente do efeito do tipo de fibra pode ser feitarepresentando os resultados em termos de deformao mxima inicial emfuno da vida de fadiga. Esta abordagem foi feita por Jones ( referida porHarris[49]) e apresentada na Fig IX.27 para um caso particular. So

analisados trs compsitos com a mesma resina epoxy e trs fibras distintas(carbono HTS, Kevlar e vidro). Todos os materiais so laminados com fibrascruzadas 0/90. Observa-se que o andamento das curvas deformao-vida distinto, verificando-se que o vidro o que tolera menos bem altos valoresde deformao (elevadas relaes entre a deformao mxima e adeformao de rotura traco) ocorrendo logo para vidas muito baixas umadiminuio acentuada da deformao mxima admissvel. Ao invs ocarbono tem uma tolerncia bastante melhor a elevados nveis de


47/64


deformao mxima. O andamento destas curvas, varia no entanto, com aorientao das fibras nas vrias camadas do laminado e com o prprio modode preparao das fibras.

Uma anlise bastante detalhada do efeito do tipo de fibra foi feita porMandell [33] em compsitos com fibras curtas (de grafite e vidro) eresinas de polisulfona e nylon 66, obtidos por moldao injectada. No casoda matriz de polisulfona (PS) os principais resultados so apresentadosesquematicamente na Fig. IX.28. As fibras de carbono proporcionamvelocidades de propagao de fendas mais baixas e valores mais elevados de

Klf e Kc (valores do limiar de propagao fadiga e tenacidade fractura,respectivamente). As curvas da/dN-K apresentam um expoente da lei deParis, m=7 a 8 para as duas fibras. Na representao bi-logaritmica da tensomxima em funo do nmero de ciclos de rotura (log max-log Nf) ainclinao das curvas tambm semelhante e varia entre 1/7 a 1/8.

Fig. IX.26 - Comparao da resistncia fadiga de compsitosunidireccionais de resina epoxy e diferentes fibras. R=0,1 [48].

Outro parmetro importante o comprimento das fibras,verificando-se em geral uma reduo da resistncia fadiga medida que

100

0 102 103 106105104


Alumnio2024-T3Vidro-E/Epoxy

Vidro-S/Epoxy

Boro/Epoxy

Kevlar49/EpoxyR=0,1200

TensoMxima(Psix

10-3)


48/64


diminui o comprimento. Este facto devido ao tipo de rotura preferencialnos compsitos de fibras curtas que a rotura da matriz (como j foireferido). A fissurao da matriz ocorre, em geral para tenses inferiores separao fibra/matriz ou rotura das fibras que so os mecanismos derotura mais frequentes no caso das fibras longas e contnuas.

Fig. IX.27 - Curvas da deformao inicial vida de fadiga para compsitosde resina epoxy e fibras cruzadas 0/90 de carbono HTS, Kevlar e vidro [49].

O comprimento da fibra caracterizado por um parmetroadimensional (l/d) ou seja, a relao entre o comprimento e o dimetro dafibra. Em geral, medida que l/d aumenta, diminui a velocidade depropagao da/dN (para um dado K) e aumenta Klf. Um exemplo dadiferena entre a resistncia fadiga de compsitos unidireccionais de fibras

curtas e longas ilustrado na Fig.(IX.29) para o caso de uma resina epoxy efibra de carbono XAS [49], representando os resultados usando no eixovertical a tenso normalizada (tenso mxima / tenso de rotura traco).Verifica-se que os resultados quase se sobrepem, o que nos leva a concluirque a reduo de resistncia fadiga(as fibras contnuas apresentam umaresistncia praticamente trs vezes superior s fibras curtas) causadaprincipalmente pela reduo da resistncia traco. Verifica-se inclusiveque a inclinao da curva da tenso normalizada log Nf menor para as

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8Log N f

DeformaoInicialMxima

[%] Fibra de Carbono / Epoxy

Fibra de Vidro / EpoxyKevlar / Epoxy


49/64


fibras curtas o que parece indicar que neste caso haver uma melhortolerncia fadiga. Apesar do evidente efeito do comprimento das fibras estepode no ser muito significativo quando nos mantemos no domnio dasfibras curtas.

Fig. IX.28 - Anlise esquemtica do comportamento fadiga de compsitosde matriz em PS obtidos por moldao injectada.

Vidro

Kc Kc

Klf Klf

m = 8

Grafite

Log Kmax

Logda/dN

Log Nf

1/m = 1/8

GrafiteR

R

VidroLogmax


50/64


O modo de preparao das fibras tem tambm alguma influncia nocomportamento fadiga, mas o seu efeito relativamente secundrio emrelao a outros parmetros.

O efeito da matriz na resistncia fadiga relativamente pequeno.Dois aspectos contribuem para este facto; por um lado a rotura por fadiga fortemente condicionada pela interface de ligao fibra/matriz e tambm porserem normalmente usadas matrizes de baixa resistncia fadiga. Umexemplo do reduzido efeito da matriz pode ser observado na Fig. IX.30, parao caso de compsitos unidireccionais de fibra de carbono e resinas epoxy

(normal e de elevada tenacidade) [50].

Fig. IX.29 - Efeito do comprimento da fibra na resistncia fadiga decompsitos unidireccionais de carbono XAS/epoxy. R=0,1. Curvas tenso

normalizada log Nf.

A resistncia fadiga dum material compsito aumenta, obviamente,com a quantidade de fibra disposta na direco da solicitao. Estaquantidade depende da fraco volumtrica e da orientao das fibras nascamadas dos laminados. Como seria de esperar, o aumento da percentagemde fibra (fraco volumtrica) melhora a resistncia fadiga. Este aumentopode ser verificado tanto atravs da anlise das curvas da amplitude de

0-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Log Nf

max

/R

Fibras curtasFibras contnuas

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

1


51/64


tenso (ou tenso mxima) em funo do nmero de ciclos de rotura, comodas curvas da/dN-K (ou da/dN-G).

O aumento da resistncia fadiga com a fraco volumtrica emcompsitos unidireccionais foi verificado por Branco [51] para acombinao fibra de vidro/matriz fenlica e por Partridge [52] paracompsitos fibra de vidro/epoxy e deve-se essencialmente ao aumento deresistncia traco proporcionado pela maior quantidade de fibra dispostana direco da carga. Este efeito representado na Fig. IX.31.

Fig. IX.30 - Curvas deformao mxima inicial log Nfpara compsitosunidireccionais de fibra de carbono com diferentes resinas epoxy [50].

Em compsitos laminados a orientao das fibras tambm um factorimportante. Em termos gerais, quanto maior o nmero de fibras alinhadasna direco da carga (ou no caso das fibras inclinadas menor o ngulo entreas direces da fibra e da carga) maior ser a resistncia fadiga. Este efeito claramente demonstrado analisando a Fig. IX.32, que apresenta resultadosobtidos por Rotem [53] em laminados grafite/epoxy. A figura mostra o efeitoda orientao da fibra e da temperatura (que ser analisada mais tarde).Conforme se pode verificar o efeito da direco das fibras extremamente

1,6

1,2

0,8

0,4

0-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Log Nf

Deformaoinicialmxima(%)

FibradeCarbono/EpoxyStandard

FibradeCarbono/EpoxyReforado

2,0


52/64


significativo, verificando-se uma reduo de resistncia para cerca de umtero para as fibras disposta a 45 em relao s de 15. Dentro da gamade temperaturas estudadas o efeito deste parmetro no se mostrou muitosignificativo.

O efeito da orientao das fibras faz-se notar no s na vida de fadigaem valor absoluto mas tambm na capacidade dos materiais tolerarem oefeito das cargas cclicas. Esta anlise pode ser feita usando as curvas defadiga com os resultados normalizados (curvas da razo de fadiga jreferidas anteriormente). Esta anlise foi feita por Curtis [50] verificando

que o aspecto das curvas varia com a percentagem de fibras alinhadas com adireco da carga. Se os vrios laminados tolerassem de igual modo assolicitaes de fadiga o parmetro max/R normalizava os resultados, ou sejatodas as curvas deveriam estar bastante prximas. Tal no se verifica,notando-se que a diminuio de resistncia fadiga em relao a R maissignificativa nos laminados com menos fibras alinhadas com a direco dacarga, ou seja estes toleram menos bem as solicitaes de fadiga.

Fig. IX.31 - Efeito da fraco volumtrica nas curvas, tenso mxima - Nfpara compsitos unidireccionais fibra de vidro/epoxy. R=0,05. f=30Hz.[52].


TensoMxima(MP

a)

Vf- 69%Vf- 47%

104 105 106 1070

100

200

300

400

500

600

700

800


53/64


A frequncia do ciclo de carga tem um efeito significativo na vida defadiga dos materiais compsitos. Em muitos casos tem sido observada umareduo da resistncia fadiga com a diminuio da frequncia. Nestescasos a utilizao de resultados obtidos para frequncias elevadas nacaracterizao do comportamento para frequncias baixas pode tornar-se ummtodo pouco seguro.

O efeito da frequncia em laminados grafite/epoxy tem sido bastanteestudado, tendo Saff [54] verificado um aumento da vida de trs a quatrovezes quando a frequncia aumenta cerca de 100 vezes (0,1 para 10 Hz).

Observa, no entanto que o efeito da frequncia mais significativo abaixo de1Hz e para laminados com fibras inclinadas (por exemplo 45), do que nocaso dos compsitos unidireccionais ou laminados com algumas camadasorientadas na direco da carga. Concluses semelhantes so obtidas porJoseph [55], para compsitos de fibra de vidro, em tubos de fibra devidro/epoxy (obtidos por enrolamento de fio a 45) traco, tendo-seobservado que o efeito da frequncia aumenta medida que a frequnciadiminui e torna-se desprezvel acima de 1Hz (Fig. IX.33).

Fig. IX.32 - Efeito da orientao das fibras e temperatura na resistncia fadiga de laminados grafite/epoxy. R=0,1. [53].

100

200

300

400

500

600

A

mplitudedeTenso(MPa)


101 103102 104

105 106 107

15;25C

30;25C

45;25C

15;74C

30;74C

45;74C

15;114C

30;114C

45;114C


54/64


O efeito da frequncia pode ser explicado por: alterao demecanismos de rotura, efeito da temperatura e do tipo de onda. De facto, oefeito mais significativo em situaes em que a rotura controlada pelamatriz do que no caso inverso em que as fibras so dominantes no processode runa. A alterao de mecanismos pode estar associada variao detemperatura. sabido que nos compsitos a temperatura aumenta durante oprocesso de fadiga, sendo este incremento mais elevado consoante ocrescimento da carga aplicada e da frequncia. Poderia ento supor-se que a

reduo da vida para frequncias mais baixas motivada por um processo defragilizao (e consequente fissurao) da matriz a temperaturas reduzidas.Embora seja uma possibilidade, ela pouco consistente porque resultadosexperimentais obtidos a diferentes frequncias mantendo a temperaturaconstante (os provetes so metidos numa cmara mantendo a temperaturacontrolada e constante) mostram que o efeito da frequncia se mantm.Outra hiptese para justificar parcialmente o efeito da frequncia o tempode permanncia da carga prximo do valor mximo. Dado que este aumentaquando a frequncia diminui pode ocorrer algum dano provocado porfluncia.

Fig. IX.33 - Efeito da frequncia sobre a vida fadiga para tubos de fibra devidro/epoxy traco. R=0. Vf=0,6. [55].

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6

f (HZ)

Log

(Nf)

35 MPa55 MPa

45 MPa


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O efeito da frequncia pode ser explicado por: alterao demecanismos de rotura, efeito da temperatura e do tipo de onda. De facto, oefeito mais significativo em situaes em que a rotura controlada pelamatriz do que no caso inverso em que as fibras so dominantes no processode runa. A alterao de mecanismos pode estar associada variao detemperatura. sabido que nos compsitos a temperatura aumenta durante oprocesso de fadiga, sendo este incremento mais elevado consoante ocrescimento da carga aplicada e da frequncia. Poderia ento supor-se que areduo da vida para frequncias mais baixas motivada por um processo defragilizao (e consequente fissurao) da matriz a temperaturas reduzidas.Embora seja uma possibilidade, ela pouco consistente porque resultadosexperimentais obtidos a diferentes frequncias mantendo a temperaturaconstante (os provetes so metidos numa cmara mantendo a temperaturacontrolada e constante) mostram que o efeito da frequncia se mantm.Outra hiptese para justificar parcialmente o efeito da frequncia o tempode permanncia da carga prximo do valor mximo. Dado que

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