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Materiais Compósitos

CTMat – 2013/2

Compósito

Mistura física de dois ou mais materiais,

combinados para formar um novo material de

engenharia, com propriedades diferentes dos

componentes puros, podendo ser obtido por

combinação de metais, cerâmicas ou polímeros.

Compósito

Cerâmica

Polímero Metal

Fibra de Vidro

Pneu

Concreto Armado

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Compósitos

Muitos compósitos são constituídos por apenas duas

fases; matriz e fase dispersa

Polímero Matriz Fase dispersa + = Novo Material

Exemplos

Ligas metálicas – propriedades intermediárias entre

soluto e solvente;

Perlita – camadas alternadas de ferrita com cementita;

Madeira = fibras de celulose envolvidas em lignina;

Ossos – colágeno envolvido em apatita

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Exemplos

concreto

-matriz; cimento

-fase dispersa; areia (enchimento) e

brita

Função do polímero matriz

Distribuir e transferir tensões mecânicas para a fase

dispersa;

Proteger a superfície da fase dispersa contra corrosão e

outros ataques químicos;

Ligar uma fibra a outra.

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Função da fase dispersa

Fase Dispersa

Reforço

Melhorar o desempenho mecânico da matriz;

VANTAGENS: - Resistência à tração; Rigidez ; Tenacidade; Estabilidade térmica e dimensional.

DESVANTAGENS: - Aumenta o custo e densidade da matriz; - Pode causar

distorção na peça; - Reduz fluxo do material fundido (dificulta o

processamento)

Enchimento

Modificar as propriedades da matriz VANTAGENS: - Rigidez ; Módulo de Flexão e tração ; Estabilidade térmica e dimensional; Aumentar a condutividade elétrica e térmica . Diminui custo.

DESVANTAGENS - Aumenta a densidade da matriz; - Reduz fluxo do material fundido (dificulta o

processamento); - Diminui tenacidade.

Arranjo da fase dispersa

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Função da interfase

Região altamente especializada, que garante a boa

distribuição da cargas pela matriz e é fundamental para o

alto desempenho do compósito.

Exige alguns requisitos:

Requisitos para a adesão matriz - fibra

Atração Eletrostática – Escolha da matriz – polaridade;

Ligações químicas primárias – Agentes de acoplagem ou

UV

Os espaços vazios, trincas, defeitos: atrapalham as

interações

químicas secundárias e as ligações primárias e ainda atuam

como concentradores de tensão. Impurezas.

Molhabilidade: tensões superficiais muito diferentes,

permitem que haja espaços vazios e limitam as interações

químicas. Processos.

Interdifusão: Moléculas da matriz e fibra migram, transição

vítrea.

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Interação fibra-matriz

Classificação

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Materiais Compósitos

Reforçado com partículas • Partículas grandes: Interação

entre matriz-partícula ocorre em nível não-atômico: O material reage internamente ao ser solicitado por uma força, dividindo-a entre fase matriz e dispersa.

• Dispersão: Reforço ocorre devido à interação em nível atômico ou molecular: A matriz absorve quase totalmente a solicitação imposta por uma força, restando as partículas dispersas para impedir/dificultar a dissipação das discordâncias no material

Um exemplo clássico de compósito reforçado com partículas grandes é o concreto simples.

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A resistência mecânica do concreto pode ser melhorada

com a inclusão de barras de aço (concreto armado), ou

também com a imposição de tensões usando a técnica de

protensão.

(a) Cabos de protensão (b) Concreto Armado

Reforçado com Fibras

• Esse tipo de compósito tem por objetivo aliar resistência e/ou

rigidez elevadas. Os principais diferenciais entre os tipos de

compósitos reforçados com fibras estão nos comprimentos e nas

orientações das mesmas.

(a) Material com fibras contínuas

e Alinhadas;

(b) Material com fibras

descontínuas e Alinhadas;

(c) Material com fibras

descontínuas e orientado

aleatoriamente.

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Reforço de materiais compósitos

Tensão x Deformação

Fibra (frágil) Matriz (Dúctil) Compósito

Fibra

Matriz

Compósito

Deformação Deformação

Matriz

Fibra

Tensã

o

Tensã

o

Ruptura

Estágio

Estágio

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Este um exemplo de

compósito reforçado com

fibras descontínuas e

orientado aleatoriamente.

Telhas de fibra de

vidro que têm

polímeros como

matriz.

Concreto reforçado com fibras contínuas e alinhadas.

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Compósitos Estruturais

• Laminados: Composto por lâminas que são postas umas sobre as outras, com orientações alternadas em relação às fibras.

• Painéis-sanduíche: Projetados para serem vigas ou painéis de baixo peso com rigidez e alta resistência. Composto por duas lâminas externas e um núcleo espesso.

(a) (b)

(a) Esquema de um painel-sanduíche;

(b) Empilhamento de camadas sucessivas formando um

compósito laminado.

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Esquema de montagem de compósito estrutural / painel - sanduíche

Compósitos estruturais

processo de produção

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Processos de

Fabricação

Moldes fechados

Moldes Abertos

Câmara de pressão

Autoclave

Pultrusão

Injeção Laminação

Pistola

Centrifugação

Enrolamento de filamento

Manual ou contato

Manual ou contato

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Moldes abertos e fechados

(a) Moldagem sem pressão; (b) Moldagem a vácuo e (c) Moldagem por compressão a frio

Pistola

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Moldagem por prensagem à quente

Laminação

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Enrolamento de filamento

Esquema do processo de enrolamento de filamento (a) visão geral e (b) alguns detalhes

Pultrusão

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Centrifugação

Utilizado na produção de peças de revolução.

Dentro do molde em movimento de rotação é injetado as fibras cortadas

juntamente com a resina.

A impregnação da resina nas fibras e a compactação é feita pelo efeito de

centrifugação.

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Fibra de carbono

A fibra de carbono é considerado como um material

cerâmico, embora tenha como fibras precursoras algumas

fibras poliméricas:

Celulose regenerada-Rayon

Fibras de Poliacrilonitrila

Piche

Após vários tratamentos a altas temperaturas e com

atmosfera controlada, perdem hidrogênio e os outros

grupos funcionais dos polímeros formando uma

estrutura unicamente com carbono.

Compósitos com fibras poliméricas

Matrizes Poliméricas:

Resina de Poliéster

Resina Epóxi

Resina Ester Vinílicas

Resina Fenólica

Fase Dispersa:

Fibras de Polietileno e Fibras de UHMWPE

Fibras de Poliester

Fibras de Acrilonitrila

Fibras de Algodão (Celeron)

Fibras de Poliamida – Nylon e Kevlar

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Compósitos com Matriz Polimérica(PMC)

Fibra de vidro

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Compósitos com Matriz Metálica (MMC):

A matriz é constituída por um metal;

Estes compósitos oferecem vantagens relativamente aos

materiais convencionais combinando as propriedades do metal

que serve de matriz com as propriedades do material que

serve de reforço , esta combinação de vantagens é superior

que a conseguida com os compósitos poliméricos

utilizadas em temperaturas maiores que seu metal-base

tipos de reforços: partículas, fibras contínuas (C, SiC, alumina e

metais refratários.

funções do reforço: melhorar sua resistência específica, rigidez

,resistência à abrasão, resistência à fluência, condutividade

térmica e estabilidade dimensional.

Compósitos com Matriz Metálica (MMC):

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Aplicações

Cabine à prova de tornado

Aplicações

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Drenagem de lama de dragagem do Canal

do Fundão – Rio de Janeiro/RJ

Fachada com painéis-sanduíche

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• Laje Escorada devido a

fraturas

• Detalhe das lâminas de

fibra de carbono

aplicadas para reforçar a

estrutura.