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Introdução a Compósitos

Instituto Tecnológico de Aeronáutica

Divisão de Engenharia Mecânica

MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação

Dr. Alfredo R. de Faria

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Classificação de Materiais Compósitos2.

Definições Básicas1.

Agenda

Lâmina3.

Laminado4.

Processos de Fabricação5.

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Definições básicas

Material compósito é um material constituído de duas fases combinadas numa escala macroscópica cujo desempenho e propriedades para uma dada aplicação são superiores aos materiais constituintes agindo independentemente.

As fases constituintes de um compósito são:• reforço: geralmente descontínua, mais rígida e mais resistente• matriz: contínua e geralmente menos rígida e resistenteAlém da matriz e do reforço, a interface entre essas fases também afeta

as propriedades mecânicas do compósitoUma boa interface (resultado da compatibilidade química entre as fases)

é essencial para a resistência e rigidez do compósito

reforço

matrizcompósito

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Funções da matriz

mantém o reforço agregado e distribui as cargas protege o reforço de dano químico e mecânico componente dominante nas propriedades de:

resistência ao impacto e tenacidadetemperatura de serviçocomportamento viscoelástico (creep)propriedades transversais

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Homogeneidade

um material é homogêneo quando as suas propriedades não variam de ponto a ponto no material ou não dependem da localização

um material é heterogêneo quando as suas propriedades variam de ponto a ponto no material ou dependem da localização

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

um material pode ser considerado como homogêneo numa escala macroscópica mas heterogêneo numa escala microscópica

materiais compósitos se enquadram no caso acima

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Homogeneidade

Material homogêneo numa escala macroscópica

Material heterogêneo numa escala microscópica

matrizfibra

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Anisotropia

muitas propriedades dos materiais, tais como rigidez, resistência, expansão térmica e condutividade térmica estão associadas com uma direção ou com a orientação dos eixos de referência

um material é isotrópico quando as suas propriedades são as mesmas em todas as direções ou independente da orientação dos eixos de referência

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

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Classificação de materiais compósitos2.

Definições básicas1.

Agenda

Lâmina3.

Laminado4.


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Classificação de materiais compósitos

Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico

particulado

fibra descontínua

fibra contínua

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um compósito particulado consiste de partículas de várias formas e tamanhos dispersas aleatoriamente na matriz

os compósitos particulados podem ser considerados quase-homogêneos numa escala bem maior do que o tamanho médio das partículas

devido a aleatoriedade da distribuição das partículas os compósitos particulados podem ser considerados quase-isotrópicos

Exemplos de compósitos particulados:concretopartículas de alumínio em poliuretano

(usado em propelentes de foguetes)partículas de carbeto de silício em alumínio

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um compósito com fibras descontínuas contém fibras curtas ou whiskers como reforço; as fibras são longas em relação ao diâmetro

a orientação das fibras pode ser aleatória ou unidirecional

utilização em geral em aplicações de baixa solicitação mecânica

devido a aleatoriedade da distribuição das fibras os compósito com fibras descontínuas com orientação aleatória podem ser considerados quase-isotrópicos

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

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Compósito com fibras descontínuas

aleatória unidirecionalmanta de fibra de carbono

(fibras curtas dispostas aleatoriamente)

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

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

utilização em aplicações onde se requer alta rigidez e resistência

unidirecional bi-direcional multidirecional

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As fibras contínuas são fornecidas em várias formas:

roving (fio seco) lâmina unidirecional pré-impregnada (tape) tecido (pré-impregnado ou seco)

roving

tecido

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Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométricoreforço particulado

b) orientação aleatória

a) unidirecional

reforço de fibras descontínuas

a) unidirecional

reforço de fibras contínuas

b) tecido (cross-ply)

c) multidirecional

quase-isotrópico

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Quanto ao tipo de matriz

polimérica

cerâmica

metálica

carbono

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Matriz polimérica termoplástica

Matriz polimérica termorígida

Aplicações: compósitos reforçados por fibra de vidro, kevlar ou carbono em aplicações de temperaturas relativamente baixas

Vantagens:alta rigidez e resistência específicafácil processamentocusto de fabricação relativamente baixoflexibilidade na orientação das fibras

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Matriz polimérica termoplásticaPEEK (poli-éter-éter-cetona)Polisulfona PEI (poli-éter-imida)

Característicasalto custoalta tenacidade e ductilidadeconsolidação: transformação física processamento difíciltemperatura de uso limitada pela temperatura de amolecimento ou fusão

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Matriz polimérica termorígidaepoxipoli-imidapoliesterfenólica

Característicascura: transformação químicauma vez curada não pode ser re-fundidaresistente, rígida e frágilarmazenamento com refrigeraçãoperecível (shelf life limitada)processamento simplestemperatura de uso relativamente baixa

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Matriz cerâmica reforçada por fibras de cerâmicacarbeto de silícioóxido de alumínionitreto de silício

Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas muito elevadas

Característicasalta temperatura de usobaixa densidadealta rigidez e durezaprocessamento complexoisolamento elétricofrágil – baixa tenacidade à fraturabaixa tolerância ao dano

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Matriz metálica reforçada por fibra de boro, carbono ou cerâmicaalumíniomagnésiotitânio

Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas elevadas e propriedades mecânicas elevadas

Característicasalta temperatura de usoalta rigidez e resistência (3D)alta condutividade térmicadúctil – alta tenacidade à fraturaalta tolerância ao dano

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Matriz de carbono reforçada por fibras de carbonocompósito carbono-carbono

Aplicações que requerem alta resistência a temperaturas muito elevadas (exemplos: tubeira de foguete, freios de aviões)

Característicasalta temperatura de usoalta rigidez baixa densidade baixa expansão térmicaboa condutividade térmica e elétricaprocessamento difícil

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Lâmina3.


Agenda


Laminado4.


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Lâmina

Definição

lâmina é uma camada de fibras unidirecionais ou tecidas embebidas em uma matriz os eixos principais do material são:

1. direção longitudinal à fibra2. direção transversal à fibra no plano da lâmina3. direção perpendicular ao plano da lâmina

1

3 2

(longitudinal)

(transversal, no plano)(perpendicular ao plano)

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Lâmina

Orientação

o ângulo de laminação de uma lâmina é o ângulo que o eixo x do sistema de coordenadas usado faz com a direção da fibra (ou longitudinal da lâmina) o eixo z do sistema de coordenadas deve ser sempre normal ao plano da lâmina o ângulo de laminação depende do sistema de coordenadas escolhido

x

z y

12

3

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Lâmina

Orientação

no caso de lâmina de tecido, há fibras em duas direções ortogonais: a direção do urdume e a direção da trama

nesse caso, o ângulo de laminação da lâmina é o ângulo que o eixo x do sistema de coordenadas faz com a direção do urdume (ou trama, conforme convencionado)

quando se acrescenta 180o no ângulo de laminação, obtém-se a mesma direção das fibras. Exemplo:1 = 90o e 2 = 90o representam o mesmo ângulo de laminação

a orientação da lâmina depende do sistema de referência

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Agenda


Lâmina3.

Laminado4.


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Laminado

Definição

um laminado é constituído por duas ou mais lâminas empilhadas em orientações arbitrárias um laminado pode ser constituído de lâminas de materiais diferentes; nesse caso o laminado é chamado laminado híbrido

xy

z

o

o

o

o

9045450

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Laminado

Notação

um laminado é descrito pelas características de cada lâmina que o compõe os dados necessários de cada lâmina são:

materialespessuraângulo de laminação se todas as camadas forem de mesma espessura e mesmo material, o laminado pode ser descrito pelos ângulos de laminação ordenados do fundo do laminado para o topo exemplo: [90 / +45 / 45 / 0]T o sub-escrito “T” (de total) em geral é usado para indicar que todo o laminado está sendo descrito

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Laminado

Notação

um sub-escrito “S” pode ser usado para indicar que um laminado é simétrico; nesse caso, apenas metade das camadas precisam ser indicadas exemplo:

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

uma sobre-barra pode ser usada para indicar a camada do meio de um laminado simétrico com um número ímpar de camadas exemplo:

[0/90]S = [0/90/0]T[45/0]S = [+45/45/0/45 /+45]T

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Laminado

Notação

quando camadas repetidas aparecem, um sub-escrito com o número de repetições pode ser usado exemplo: [02/+45/45/02]S = [0/0/+45/45 /0/0/0/0/45 /+45/0/0]T[30]2S = [+30/30/+30/30/30/+30/30/+30]T

parênteses podem ser usados para agrupar um conjunto de camadas exemplo:[0/(90/0)2]S = [0/90/0/90/0/0/90/0/90/0]T[0/(15)2/0]T = [0/15/15/0]T = [0/+15/15/+15/15/0]T

32


Agenda


Lâmina3.

Laminado4.


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Processos baseados em cura em autoclave

Processos baseados em cura fora do autoclave

-Hand lay-up-Automatic Tape Laying (ATL)-Fiber Placement (FP)-Resin Film Infusion (RFI)-Filament Winding

-Resin Transfer Molding (RTM)-Vacuum Assisted Transfer Molding (VARTM/RTM Light)-Resin Film Infusion (RFI)-Filament Winding

Processos de Fabricação

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Hand lay-up

Automatic Tape Laying (ATL)

Fiber Placement (FP)

Resin Film Infusion (RFI)

Filament Winding

Resin Transfer Molding (RTM)

Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM)

Pultrusão

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Fita UD / tecido Consumíveis


Hand lay-up: matéria prima

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1. Corte de camadas

2. Preparação do molde

3. Laminação

4. Saco de vácuo

5. Estrutura pronta para cura

6. Cura em autoclave

7. Estrutura curada

8. Desmoldagem

9. Inspeção


Hand lay-up: passos

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Hand lay-up: sequência de laminação

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Hand lay-up: tipos de molde

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

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

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Hand lay-up: ciclos de cura típicos

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Vantagens

- Baixa porosidade e poucos vazios- Bom controle da fração volumétrica e fibra e resina- Altas frações volumétricas de resina- Fabricação em formas complexas

Desvantagens

- Altos custos do pre-preg;- Desperdício de material- Necessita de ambiente altamente controlado – sala limpa- Alto consumo energético- Acabamento superficial em uma superfície apenas


Hand lay-up: vantagens e desvantagens

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FPATL


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

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Vantagens- Deposição de camadas na orientação correta- Reduz ciclo de custos - Manufatura de partes planas ou curvas - Manufatura de grandes estruturas (até 14 m) em apenas uma etapa - Processo automatizado- Precisão, repetibilidade e qualidade elevadas

Desvantagens- Introdução de descontinuidades no reforço durante o processo de laminação- Qualidade final de furos limitada pela largura da fita depositada- Altos custos associados com cura em autoclave

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

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

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Resin Film Infusion (RFI): matéria prima

Resinas: geralmente apenas epóxi

Fibras: quaisquer

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

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Vantagens

-Altas frações volumétricas de fibra podem ser obtidas com poucos vazios-Processo seguro e limpo, como pre-preg-Boas propriedades mecânicas da resina devido ao estado inicialmente sólido do polímero e elevada temperatura de cura-Custos potencialmente mais baixos do que aqueles do pre-preg, com quase todas as mesmas vantagens.

Desvantagens

-Não muito aceito fora da indústria aeronáutica-Forno e saco de vácuo são necessários para cura do componente assim como no caso dos pre-pregs-Ferramental suficiente resistente para suportar as temperaturas de processamento do filme de resina (60-100°C);-Material do núcleo deve ser capaz de suportar temperaturas e pressões do processo



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Filament Winding (enrolamento filamentar)

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Filament Winding: matéria prima

Resinas: epóxi, poliéster, fenólicas

Fibras: vidro, carbono, aramida

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

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

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Vantagens- Processo de posicionamento de fibras controlado- Baixo conteúdo de vazios- Permite a fabricação de partes unidas em oneshot- Permite fabricação de estruturas de qualquer tamanho- Processo com baixíssimo desperdício de material

Desvantagens- Limitado a geometrias axisimétricas- Não permite bom controle do conteúdo de resina- A qualidade do produto final depende dos parâmetros de processo (viscosidade da resina, tensão nas fibras, velocidade, posicionamento das fibras)


Filament Winding

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

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RTM: passos

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RTM: matéria prima

Resinas: epóxi, poliéster, vinil éster

Fibras: vidro, carbono, aramida

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

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

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Boeing 787 painel compósito reforçado


RTM: exemplos de aplicação

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Desvantagens

- Altos custos (ferramental)- Limitação de tamanho- Quantidades produzidas tipicamente entre 100-5000 partes- Software para preenchimento do molde em desenvolvimento- Posicionamento da pré-forma no molde é crítico

Vantagens

- Não há desperdício- Alta cadência de produção- Bom acabamento em ambos lados da peça- Boa tolerância dimensional (espessura)- Processo em molde fechado (emissões voláteis reduzidas)- Conteúdo de fibra elevado


RTM

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

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Desvantagens

- Não atinge tolerâncias tão boas quanto o RTM- Acabamento ruim do lado da peça voltado para bolsa de vácuo- Dificuldade em atingir requisitos de desempenho e qualidade- Raramente se aplica a estruturas primárias

Vantagens

- Opera a pressões mais baixas que o RTM- Não necessita de autoclave- Uso de ferramental mais simples- Permite fabricar peças maiores que o RTM


VARTM

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Pultrusão seções reta


Pultrusão

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Pultrusão: matéria prima

Resinas: epóxi, poliéster, fenólica

Fibras: carbono, kevlar, vidro

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

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

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Desvantagens

- Limitado a seções reta uniformes- Propriedades mecânicas podem ser afetadas pelo reduzido ciclo de cura durante solidificação- Baixa resistência transversal quando reforços unidirecionais são utilizados

Vantagens

- Não há desperdício- Altas taxas de produtividade- Alto conteúdo de fibras


Pultrusão

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