Tecnologia de Fabricação de Pré-Impregnados para Compósitos Estruturais Utilizados na Indústria Aeronáutica

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1 Tecnlgia de Fabricaçã de Pré-Impregnads para Cmpósits struturais Utilizads na Indústria Aernáutica Luiz C. Pardini e Rdlf J.C. Peres Resum: s pré-impregnads sã a matéria-prima básica para a manufatura de cmpósits estruturais na indústria aernáutica. N prcessament de cmpósits, a mesm temp em que se faz material em si (utilizand-se pré-impregnad), realiza-se a peraçã de manufatura da peça acabada, na qual pré-impregnad é ajustad a uma determinada superficie u mlde. A btençã de pré-impregnads é feita cm a utilizaçã de matrizes termrrígidas e termplásticas e fibras de refrç tecidas u unidirecinais. presente trabalh discute s passs envlvids na btençã desses materiais intennediáris. Pré-impregnads cm matrizes termrrígidas e fibras de carbn ainda sã s mais utilizads na btençã de peças de aernaves. A resistência mecânica de estruturas manufaturadas em cmpósits sã cmparadas,,cm relaçã a pes e à rigidez, cm estruturas equivalentes em materiais metálics. Palavras-chave: Cmpósits estruturais, tecnlgia de pré-impregnads, matrizes pliméricas, fibras de refrç, prcesss de fabricaçã Intrduçã s primeirs materiais pré-impregnads surgiram a partir d entelament de aernaves. sse entelament era realizad usualmente cm tecids de pliéster e um verniz impermeabilizante. métd permitia assim a impermeabilizaçã das superficies da aernave. Psterirmente, a indústria eletr-eletrânica deu nv impuls à tecnlgia de pré-impregnads. Circuits impresss eram manufaturads cm pré-impregnads utilizand tecids de fibras de vidr e matriz epóxi cm rígids requisits de qualidade. Desde advent das fibras de carbn a indústria aernáutica tem se utilizad dessa tecnlgia na fa- bricaçã de peças para aernaves, resultand em ganh de pes e na cncepçã da peça de frma integradai. Genericamente, pré-impregnad é um prdut intennediári, prnt para mldagem, e pde ser definid cm send uma mistura (u cmpsiçã) de fibras de refrç - u até mesm de papel-cm um determinad plímer, termrrígid fnnulad u termplástic, em uma particular fraçã em pes. tenn pré-impregnad será tratad aqui apenas cm crrespndente à fibra de refrç/matriz plimérica. quipaments especiais sã utilizads na fabricaçã desses materiais 2. Luiz C. Pardini, Centr Técnic Aerespacial, Institut de Aernáutica e spaç, Divisã de Materiais - AMR - CP , Sã Jsé ds Camps - SP; Rdlf J. de C. Peres, mpresa Brasileira de Aernáutica, Av. Brigadeir Faria Lima, CP , Sã Jsé ds Camps - SP. 32 Plímers: Ciência e Tecnlgía - Abr/Jun - 96

2 Prcesss de fabricaçã de pré-impregnads Pré-impregnads cm matriz termrrígida As duas matérias-primas básicas para a prduçã de pré-impregnads sã a matriz plimérica e a fibra de refrç na frma de tecids u mechas unidirecinais. Háváris prcesss de fabricaçã depré-impregnads que pdem ser cmbinads entre si. Dentre esses prcesss destacam-se s métds em que plímer está em sluçã u fundid, e s métds de plímer em emulsã, plimerizaçã superficial, filme pliméric, pó sec, e tecelagem híbrida. prcess que cnverte pré-impregnad manufaturad cm matriz termrrígida em uma peça infusível sb a açã d calr e pressã é cnhecid cm "cura"3,4. Um cmpósit ttalmente curad passa pr um prcess em que, tericamente, fram cnsumids tds s grups químics dispníveis para a transfrmaçã d pré-impregnad em um sólid infusível. cnjunt matriz plimérica / fibra de refrç (pré-impregnad) é frnecid a mldadr cm prteçã cntra eventuais cntaminações cnstituída pr camadas de filmes separadres, geralmente de plietilen lis u crrugad. s pré-impregnads têm as seguintes vantagens em relaçã as demais métds de prduçã de peças de cmpósits 2, 4: - integridade fisica durante manusei; - temp de utilizaçã e armazenagem que chega a váris meses, dependend da temperatura de armazenagem, e dependend da matriz plimérica utilizada, pde prlngar-se indefinidamente; - viscsidade cntrlada para facilitar prcessament; - cicls de cura e prpriedades mecânicas que pdem ser ajustads de acrd cm a necessidade; - txicidade reduzida; - garantia da qualidade d desempenh d cnjunt matriz plimérica / fibra de refrç pdend esta ser avaliada mediante testes de cntrle de qualidade após a fabricaçã ds cmpnentes. A Fig. I mstra um fluxgrama esquemátic da tecnlgia envlvida na manufatura de pré-impregnads tend cm matrizes plímers termrrígids 4. Pde-se bservar pel fluxgrama que a frmulaçã da matriz cmpreende a adiçã de endurecedres, catalisadres de reaçã e utrs aditivs, cm agentes tenacificantes u diluentes. Há um grande númer de matrizes pliméricas termrrígidas, além de endurecedres, utilizads na fabri- caçã de pré-impregnads. As estruturas químicas de duas resinas termrrígidas muit utilizadas cm matrizes em pré-impregnads sã mstradas na Fig. 23,5. A Fig. 2a mstra a estrutura química da resina epóxi baseada n diglicidil éter d bisfenl-a (DGBA), e a Fig. 2b mstra a estrutura química da resina epóxibaseada n tetraglicidil metilen diani- Tabela 1. Prpriedades físicas típicas de resinas epóxi utilizadas em pré-impregnads 4,5. Pes equivalente em epóxi Viscsidade (mpa.s) 25 C C Densidade * semi-sólida Tecids Mechas unidirecinais TGMDA * ,15-1,20 DGBA Figura 1. Fluxgrama esquemátic representativ da fabricaçã de pré-impregnads de fibra de refrç/matriz plimérica termrrigida4. Plímers: Ciência e Tecnlgia - Abr/Jun

3 { CH3 H H} CH3 H2L\c -CH2 0-<Q>-f---CH2--t -t--ch2-6:ih2 CH3 H CH3 n (b) Figura 2. struturas químicas de resinas terrnrrígidas típicas utilizadas na manufatura de pré-impregnads: (a) Tetraglicidil Metilen Dianilina (TGMDA); (b) Diglicidil Éter d Bisfenl-A (DGBA). lina (TGMDA). A Tabela 1mstra prpriedades típicas destas duas resinas 6, 7. bserva-se a alta viscsidade da resina epóxi TGMDA mesm a C, em relaçã a resina DGBA. É prcediment cmum a utilizaçã de blendas destas duas resinas na manufatura de pré-impregnads. Quand a frmulaçã a ser utilizada na manufatura d pré-impregnad tem viscsidade alta (100 mpa.s), é usual a utilizaçã de um slvente, cm pr exempl, metil etil cetna, cm intuit de reduzir a viscsidade e facilitar a impregnaçã. struturas químicas de endurecedres também cmumente utilizads nas frmulações sã mstrads na Fig. 3a, difenil diamin metilen (DDM), e na Fig. 3b, difenil diamin sulfna (DDS). sses endurecedres cnferem a cmpósit btid temperatura de transiçã vítrea (Tg) na faixa de 1 a 200 0e. Após definida a frmulaçã e calculada a prcentagem adequada de endurecedr e aditiv (se cnveniente), prcede-se a estud da cinética de cura e d cmprtament relógic da frmulaçã. Sã avaliadas inicialmente as prpriedades mecânicas da frmulaçã previamente prjetada, cm intuit de estipular valres básics de cntrle. A Tabela 2 mstra prpriedades mecânicas típicas para a frmulaçã DGBA(1 00)/DDM(27). nsais de traçã em plímers sã nrmatizads pela nrma ASTM D 638. s parâmetrs btids cm as análises realizadas até esse estági de manufatura sã de fundamental imprtância para a determinaçã da viscsidade adequada n prcess de impregnaçã (usualmente na faixa - mpa.s). Nessa fase é necessári definir temp para que as fibras de refrç previamente impregnadas sejam tratadas termicamente a uma determinada tempera- (a) (b) Figura 3. struturas químicas de endurecedres típics de resinas terrnrrígidas utilizads na manufaturadepré-impregnads: (a) Difenil diamin metilen (DDM); (b) Difenil diamin sulfna (DDS). Tabela 2. Prpriedades mecânicas típicas da frmulaçã DGBA(J00)IDDM(27). Cicl de cura: 2 h a 55 C, 2 h a C, 2 h a 1 C e 2 h a 180 C. Resistência Módul de Ceficiente (%) Módul de à traçã elasticidade de Pissn cisalhament(*) (MPA) (GPa) (GPa) 73,4 2,8 0,3 9,14 1,10 *Calculad utilizand G = /2(1 + v). ( = defrmaçã). tura. sse tratament pssibilitará a crrência de um estági de pré-plimerizaçã da frmulaçã cnhecid cm estági-b, que a final d prcess irá frnecer material pré-impregnad cm características adequadas para manufatura de cmpósits estruturais. É imprtante cntrle da prcentagem em pes de matriz frmulada incrprada a refrç, evitand excess para nã reduzir a fraçã vlumétrica de fibras n cmpósit mldad e também evitand a escassez para nã intrduzir vazis e áreas secas n cmpósit. pré-impregnad pde ser mldad pr prensagem u em autc1ave. Cada um desses métds tem particularidades de prcess que irã bjetivara bten- 34 Plímers: Ciência e Tecnlgia - Abr/Jun - 96

4 çã de uma fraçã vlumétrica de fibras de cerca de 60% que, tericamente, permite envlviment de tdas as fibras de refrç e a btençã de cmpósits sem defeits. Se cmpósit nã pssuir defeits, uma fraçã vlúmetrica de 60% tericamente permite envlver tdas as fibras de refrç. A prcentagem de defeits (geralmente na frma de vazis) para aceitaçã da peça é estabelecida pel mldadr, entretant é desejável que a prcentagem se mantenha abaix de 2% em vlume. A cura da peça deve ser realizada de md a garantir um grau de cura mair que 98%, assegurand assim que a peça esteja ttalmente cnslidada. A impregnaçã é realizada em equipaments especiais, cm mstrad esquematicamente na Fig. 4; nde as fibras de refrç sã imersas na frmulaçã resina epóxi I endurecedr. a prcess de imersã geralmente é utilizad para a impregnaçã de tecids, devid à dificuldade de penetraçã da frmulaçã em regiões de cruzament de fibras. Pr esse mtiv, tant a viscsidade quant a tensã superficial da frmulaçã (resina termnigidai aditiv I endurecedr), medida através d ângul de cntat, sã fatres imprtantes a serem ajustads para uma ba mlhabilidade d refrç. mbra de puca utilizaçã em cmparaçã a pré-impregnads de tecid, s pré-impregnads cm fibras unidirecinais sã prcessads de maneira que a aplicaçã da frmulaçã se prcesse n filme prtetr (separadr), e psterirmente as fibras entram em cntat cm mesm. É necessári um rígid cntrle da espessura d filme de frmulaçã depsitad n filme prtetr. a estági-b crrespnde a estad em que uma quantidade parcial de ligações cruzadas dispníveis na cmpsiçã da frmulaçã fi efetuada. Fi verificad que, quand a matriz termrrígida utilizada n pré-impregnad fr resina epóxi, a quantidade adequada de ligações cruzadas a serem efetuadas para btençã d estági-b estava entre 25 e 30% d ttal de grups epóxi dispníveis para prcess de cura tta1 9. Nessa situaçã, pré-impregnad btid tem prpriedades de flux, adesividade e cnfrmabilidade a mlde que pssibilitem a btençã de um cmpósit estrutural cm qualidade adequada. Praticamente, pde-se estabelecer a prcentagem de cnsum de grups epóxi pela utilizaçã d métd analític de calrimetria diferencial. ste métd permite bter calr ttal de reaçã da frmulaçã pr mei de varredura dinâmica, e também calr parcial de reaçã a uma dada temperatura pr mei de varredura istérmica. A Fig. 5 mstra um exempl típic dessa análise, utilizand resina DGBA e endurecedr DDS. A varredura dinâmica (Fig. 5a) mstra uma reaçã extérmica cm calr ttal de reaçã de 325 llg. A isterma de reaçã a 170 e (Fig. 5b) mstra também uma reaçã extérmica cm calr de reaçã de llg. a resultad mstru que õj u 0.0 "" ><: '" w::: " C (a) Temperatura (0C) (b) spátula para retirada de excess de resina frmulada Frn de tratament Pré-impregnad :r: <J.02 Bbina de refrç Banh de imersã Filme prtetr Figura 4. Diagrama esquemátic de um equipament de impregnaçã pr prcess de imersã Temp (min) Figura 5. Calrimetria diferencial de varredura da frmulaçã resina epóxi DGBA e endurecedr DDS. Prprções: DGBA()IDDS(30). (a) varredura dinâmica (-325 J/g), taxa de aqueciment: 10 C/min; (b) isterma de reaçã a 170 C (75-80 J/g). Plímers: Ciência e Tecnlgia - Abr/Jun

5 calr parcial de reaçã a 170 De crrespnde a 25% d calr ttal de reaçã, e a reaçã cmpletuse em minuts. stes parâmetrs frnecem dads que delineiam cndições de peraçã n fm de tratament (Fig. 4) durante prcess de pré-impregnaçã. De uma frma geral prcess de cura, e ainda cas particular de resinas epóxi, pde ser descrit cm uma reaçã de primeira rdem, que significa que a cura a uma temperatura istérmica avança cm uma funçã expnencial (cnfrme mstra a Fig. 6). A taxa de cura (a) é frnecida pela equaçã0 9, 10: a = 1 - exp [- k, t] nde a taxa de cura (a) tende à unidade, enquant temp (t) tende a infinit e k é a taxa de reaçã, enquant a derivada daidt = a tende a zer, cnfrme a equaçã: da - =k exp [- k t] dt 1 1 (1) (2) nde ki = a taxa de reaçã a uma temperatura istérmica Ti. Prtant, s parâmetrs relacinads à viscsidade e cinética de cura vã determinar parâmetrs de prcess na cuba de impregnaçã e n fm de tratament, cnfrme mstra a Fig. 4. Sb pnt de vista fisic-químic, a frmulaçã n estági-b está cngelada entre as fases de gelatinizaçã e assciada à frmaçã de mléculas ramificadas, induzind um aument n módul viscelástic entre estad inicial, líquid, e a fase de vitrificaçã, em que nível de cnversã d material e a temperatura sã tais que s segments das mléculas ramificadas tmam-se praticamente imbilizads, e nesse pnt a reaçã química, para efeits prátics, está encerradai 1,12,13. Quand s refrçs utilizads estã na frma de tecids, as gramaturas utilizadas pdem variar de a 2 g/cm 29. prcess de impregnaçã pr imersã é realizad em equipaments cuja ilustraçã esquemática é mstrada na Fig. 4. D pnt de vista mecânic, a funçã d equipament é assegurar um flux de plímer previamente frmulad para sistema capilar d refrç. A utilizaçã de espátulas é acnselhada após a passagem pela cuba de impregnaçã cm bjetiv de auxiliar a impregnaçã d refrç. pré-impregnad é entã envlvid cm um filme pliméric desmldante e armazenad a baixas temperaturas, usualmente -5 C, para psterir utilizaçã. Pré-impregnads cm Matriz Termplástica s métds de btençã de pré-impregnads cm matrizes termplásticas sã diferentes ds btids cm matrizes termrrígidas, nas quais sã utilizads basicamente s métds de tecelagem híbrida e depsiçã Tecids Mechas unidirecinais Tecids Mechas unidirecinais 1.0. ex a=f(t),, u" 0.0 L..-.._..._..._...:,:...::.:,...""..=... _ Temp... Figura 6. Taxa de cura e primeira derivada equivalente a temp de expsiçã, u cura, istérmica. Figura 7. Fluxgrama esquemátic representativ da fabricaçã de pré-impregnads de fibra de refrç / matriz plimérica termplástica. 36 Plímers: Ciência e Tecnlgia - Abr/Jun - 96

6 utilizand plímer em fnna de pó I4,15,16. A Fig. 7 mstra um fluxgrama esquemátic das perações de fabricaçã de pré-impregnads utilizand plímers tennplástics. De maneira similar as pré-impregnads tennrrígids, é fundamental entendiment d cmprtament relógic d plímer termplástic que será utilizad cm matriz na manufatura de pré-impregnads termplástics. ntretant, as características relógicas a serem detenninadas serã de utilidade quand da peraçã de mldagem, pis nã há similaridade entre prcess de manufatura de pré-impregnads que utiliza cm pnt de partida matriz tennplástica e que utiliza matriz tennrrígida em sua fnnulaçã. Iss se deve a dificuldades de dissluçã de plímers termplástics em slventes vláteis para incrpraçã de fibras de refrç I5,16. Cnfrme se pde verificar pela Fig. 7, plímer tennplástic pde ser depsitad eletrstaticamente u ser tecid, na fnna de fibras, cm refrç a ser utilizad. s cmpósits estruturais manufaturads a partir de filaments plimérics e de refrç nã se cnstituem, em essência, de um pré-impregnad, mas sim de um material pré-fnnad, híbrid de fibra de refrç e fibra plimérica. A Fig. 8 mstra exempls de materiais pré-frmads para fabricaçã de cmpósits estruturais d tip fibra de refrç/matriz tennplástica l5. Uma característica imprtante quand esse tip de material é utilizad relacina-se cm a cnfnnabilidade d cnjunt a cntrns cmplexs. Há que se cnsiderar fat de que mate- (a) Fibras de refrç /\ (b) Fibras pliméricas 1\ JL riais pré-fnnads híbrids têm que ser btids utilizand-se filaments que pssam ser tecids cm a tecnlgia dispnível de tecelagem para a prduçã depré-impregnads flexíveis. Além diss, nem tds s tennplástics de interesse estrutural sã passíveis de se bter na fnna de filament para tecelagem, send fundamental que tdas as fases d prcess de fabricaçã d cmpósit sejam investigadas previamente à fabricaçã d pré-fnnad híbrid. Cmpósits cm matriz tennplástica têm tenacidade à fratura e resistência a impact n mínim dez vezes mair que cmpósits cm matriz tennrrígida. temp de prcessament de cmpósits cm matriz termplástica é também relativamente curt (2-15 min) em relaçã as cmpósits cm matriz termrrígida (2-8 hras), e nã se tem limite estabelecid de validade para sua utilizaçã. Um ds métds mais atraentes para fabricaçã de pré-impregnads cm matrizes tennplásticas é de depsiçã eletrstátical 6. Nesse métd, plímers em pó sã carregads eletrstaticamente e fluidizads em uma câmara nde aderem a mechas de filaments de refrç. plímer depsitad é entã fundid sbre as mechas pr aqueciment, usualmente sb a açã de rls de pressã, aderind de frma pennanente às fibras. A Fig. 9 mstra um desenh esquemátic d prcess de depsiçã eletrstática de plímers na frma de pó para btençã de pré-impregnads cm matriz tennplástica. As cndições de prcess que vã detenninar a quantidade de plímer em pó aderid à mecha de refrç sã, basicamente, tamanh da mecha e da granulmetria d pó pliméric, temp de residência da mecha de refrç na câmara e nível de espalha- Separadr de mechas... Vácu Pré-impregnaçã l Frn Bbina de fibras vfibras pliméricas Fibras de refrç Figura 8. Diferentes frmas de tecelagem híbrida fibras de refrç I plímer de refrç. a: Unidirecinal; b: Tecid 15. Ar sec===:::/ Figura 9. Desenh esquemátic d prcess de recbriment eletrstátic em leit fluidizad para manufatura de pré-impregnads cntínus de fibra de refrç I matriz termplástica 14 Plímers: Ciência e Tecnlgia - Abr/Jun

7 ment da mesma, flux de ar e vltagem. Segue-se um exempl das cndições típicas de prcess que resultam em um pré-impregnad termplástic manufaturad de pli(éter-éter-cetna) (PK) tend 60%/vlume de fibras de carbn sã as seguintes16: Tamanh de partícula (11m) II0 Temp de residência dentr da câmara (s) 6,7 Vltagem d leit (kv) 80 Temperatura d fm (0C) 5 Flux de ar (crn/s) 4,7 Fabricaçã de pré-impregnads em escala labratrial Na manufatura de pré-impregnads unidirecinais cm matriz termrrígida, em escala labratrial e cm finalidade acadêmica, pde-se utilizar um métd simples cuj diagrama esquemátic é mstrad na Fig. l. prcess envlve a bbinagem circunferencial de filaments de refrç que sã previamente impregnads, em uma cuba, cm a frmulaçã de resina termrrígida / endurecedr. mandril é previamente revestid pr um filme antes da bbinagem e, cmpletada a peraçã, um nv filme é utilizad para prteger cnjunt. A lâmina, cmpsta de fibras unidirecinais, é crtada transversalmente na direçã das fibras, remvida d mandril para crte ds crps-de-prva específics ds ensais prpsts. ssas lâminas pdem entã ser armazenadas pr um períd de temp antes da utilizaçã. Mldagem de pré-impregnads para btençã de cmpósits Há basicamente três fatres prepnderantes na esclha de um determinad tip de pré-impregnad n prcessament de cmpósits: a) natureza da peça a ser prduzida (rientaçã d refrç, gemetria e espessura da peça); b) desempenh mecânic slicitad (prpriedades mecânicas); c) equipament dispnível para fabricaçã (autclave, prensa, etc.). stes fatres emcnjuntvã determinaras cndições de prcessament, mas as prpriedades mecânicas ds cmpósits irã depender das características da fibra de refrç utilizada, da matriz plimérica, da resistência interfacial da ligaçã fibra / resina, d cnteúd das fibras e da rientaçã das 38 Cuba de impregnaçã Fiura. Diagrama esquemátic de fabricaçã de pré-impregnads umdirecinais cm matriz termrrígida, em escala labratrial. mesmas n cmpósit. s defeits indesejáveis presentes após a mldagem d cmpósit, tais cm vazis e micrtrincas, também influenciam de frma negativa as prpriedades finais. Prpriedades mecânicas prjet de uma estrutura a ser fabricada em cmpósit estrutural necessita atender a critéris de rigidez, pes, espessura e resistência mecânica. Fazse necessári entã uma cmbinaçã desses fatres para timizar desempenh estrutural de um determinad cmpnente.. Se cnsideranns, para efeit de exercíci, uma viga cm largura "L", espessura "" e cmpriment "C" send tracinada pr uma frça "F", pdems analisar a influência de cada um ds fatres mencinads anterinnente. s resultads btids para cmpósits bidirecinais sã cmparads as d alumíni (p =2,70 glcm 3 ), d titâni (p = 4, glcm 3 ) e d aç (p = 7,8 glcm 3 ), cujs gráfics sã mstrads nas Figs. 11, 12, 13 e 14. ssas cmparações nã cnsideram prcess de fabricaçã envlvid, e alumíni é tmad cm valr padrã relativ de. A massa específica aparente ds cmpósits de fibra de vidr (p 2,00 glcm 3 ), fibra de aramida (p 1,35 glcm 3 ) e fibra de carbn (p 1,55 glcm 3 ) crrespndem a uma fraçã vlumétrica típica de fibras em tm de 60%. s ensais de traçã em cmpósits bidirecinais sã nnnatizads pela nrma ASTM D3445. A Fig. 11 mstra gráfics da espessura, da rigidez aparente e d pes prváveis de uma viga manufaturada em alumíni, aç, titâni e cmpósits cm Plímers: Ciência e Tecnlgia - Abr/Jun - 96

8 fibras de vidr, de aramida e de carbn, para uma frça de ruptura de valr equivalente. bserva-se que as estruturas d aç e d titâni terã espessura menr (--40%) que a d alumíni e das estruturas de cmpósits. stes cmpósits terã espessura equivalente à d alumíni. alumíni destaca-se pela alta rigidez aparente em relaçã as demais materiais envlvids na cmparaçã. Para a mesma frça de p.., b Zl C Ụ.. 40 p.., A - spessura IS f---- c p.., 120 C... U 60 p.., A - spessura 2S , 20 S b Zl c 80 Ụ.. p.., B - Rigidez c -Pes b :l B - Frça de ruptura 200 L Ụ.. p.., S C - Pes Alumíni Aç Titâni Alumíni Aç Titâni Vidr 2D Aramida2D Carbn 2D Vidr 2D Aramida2D Carbn 2D Figura 11. Frça de ruptura para uma viga de alumíni, aç, titâni e cmpósits bidirecinais de fibra de vidr, de aramida e de carbn, cm matriz epóxi, em funçã da espessura, da rigidez e d pes. Figura 12. Rigidez aparente de uma viga em alumíni, aç, titâni, e cmpósits bidirecinais de fibra de vidr, de aramidae de carbn, cm matriz epóxi, em funçã da espessura, da frça de ruptura e d pes. Plfmers: Ciência e Tecnlgia - Abr/Jun

9 ruptura, material mais pesad será aç, send s cmpósits s mais leves. A Fig. 12 mstra gráfics da espessura, da frça de ruptura e d pes prváveis de uma viga manufaturada em alumíni, aç, titâni e cmpósits cm fibras de vidr, de aramida e de carbn, para uma rigidez aparente de valr equivalente. bserva-se que s cmpósits deverã apresentar uma espessura f t:: 2 A - spessura f-----i t:: I A - Frça de ruptura f t:: f----- ụ.. B - Frça de ruptura B - Rigidez t:: :l t:: 1 ụ.. C - Pes C - Pes Alumíni Aç Titâni Alumíni Aç Titâni Vidr 2D Aramida2D Carbn 2D Vidr 2D Aramida2D Carbn 2D Figura 13. Pes de uma viga em alumíni, aç, titâni e cmpósits bidirecinais de fibra de vidr, de aramida e de carbn, cm matriz epóxi, em funçã da espessura, da frça de ruptura e da rigidez aparente. Figura 14. spessura de uma viga em alumíni, aç, titâni e cmpósits bidirecinais de fibra de vidr, aramida e carbn, cm matriz epóxi, em funçã d pes, da frça de ruptura e da rigidez aparente. 40 Plímers: Cíência e Tecnlgia - Abr/Jun - 96

10 mair que s materiais metálics para uma mesma rigidez aparente. material que nesse particular vai apresentar a mair frça de ruptura será cmpósit manufaturad cm fibras de vidr, send que aç vai apresentar mair pes. Cnsiderand smente s cmpósits envlvids na cmparaçã, para uma viga cm rigidez equivalente, a frça de ruptura decresce d cmpósit manufaturad cm fibras de vidr para manufaturad cm fibras de aramida e, finalmente, para cmpósit manufaturad cm fibras de carbn. A Fig. 13 mstra gráfics da espessura, da frça de ruptura e da rigidez aparente prváveis de uma viga manufaturada em alumíni, aç, titâni e cmpósits cm fibras de vidr, de aramida e de carbn, para um pes de valr equivalente. bserva-se que as espessuras das vigas manufaturadas em cmpósits deverã apresentar um aument significativ (>%), resultand cnseqüentemente em uma frça de ruptura também significativamente mair que s materiais metálics (-2% para cmpósits cm fibra de vidr e de carbn e -0% para cmpósits cm fibras de aramida). Cnsiderand, ainda, uma barra de mesm pes, a rigidez aparente ds cmpósits de fibra de aramida e de carbn é cerca de 300% mair que s utrs materiais. A Fig. 14 mstra gráfics da frça de ruptura, rigidez aparente e pes prváveis de uma viga manufaturada em alumíni, aç, titâni e cmpósits cm fibras de vidr, de aramida e de carbn, para uma espessura de valr equivalente. bserva-se que a frça de ruptura para s cmpósits têm a mesma magnitude, enquant aç e titâni têm frça de ruptura significativamente mair (>200%). Cm espessura equivalente, aç se destaca pela mair rigidez cm relaçã as demais materiais, prém tem cm desvantagem pes. Cnclusã s pré-impregnads, matérias-primas básicas para manufatura de cmpósits, sã cnfeccinads cm fibras de refrç, tecidas u unidirecinais, previamente impregnadas cm plímers termrrígids u termplástics. As características d pré-impregnad, cm pr exempl a extensã de pré-cura e a adesividade, vã definir s parâmetrs de prcess (pressã, temp de cura, temperatura de cura). prcess de fabricaçã de pré-impregnads cm matriz termrrígida, em prcess cntínu, en- vlve basicamente a imersã de fibras de refrç em um banh de resina frmulada cm endurecedr. A frmulaçã (resina/endurecedr) é "pré-curada" pela passagem d material através de uma estufa para tratament térmic, cnferind cnsistência e integridade fisica a "pré-impregnad". A variedade de frmulações é bastante grande, pdend ser ajustada às cndições de prcessament e prpriedades mecânicas requeridas pel cmpnente a ser fabricad. ambiente de estcagem d pré-impregnad deve ser mantid a baixas temperaturas para evitar avanç na reaçã de cura da frmulaçã, tend prtant temp de estcagem limitad. Há dis prcesss de fabricaçã de pré-impregnads cm matriz termplástica, em prcess cntínu: a) depsiçã eletrstáticade pó pliméricnas fibras de refrç, b) tecelagem de fibras pliméricas e de fibras de refrç. pré-impregnad cm matriz termplástica tem temp de estcagem ilimitad, prém númer de termplástics de interesse estrutural para essa finalidade é limitad. As estruturas fabricadas em cmpósits estruturais caracterizam-se pela elevada resistência mecânica específica (resistência / densidade) e módul de elasticidade específic (módul / densidade) em relaçã a materiais metálics. s cmpósits, prtant, sã s materiais mais indicads quand se cnsidera pes cm fatr prepnderante de um prjet. Dentre esses cmpósits, s manufaturads cm fibras de carbn sã s que apresentam mair rigidez. mbra tenham vantagens de caráter mecânic estrutural, s cmpósits cm matriz plimérica têm alt cust e limitações quant a empreg a temperaturas superires a 1 C. Agradeciments Agradecems à Téc. Margareth F.P. Azeved e à ng a unice A. Camps, da Divisã de Química / IA, pela realizaçã das análises térmicas (DSC). Referências Bibligráficas 1. Hull, D. - An Intrductin t Cmpsite MateriaIs, Cambridge Univeersity Press, (1992). 2. Fitzer,. - Technical Status and Future Prspects f Carbn Fibres and Their Applicatin in Cmpsites with P1ymer Matrix (CFRP), em Carbn Fibres and Their Cmpsites, d.. Fitzer, (1983). Plímers: Ciência e Tecnlgia - Abr/Jun

11 3. Lee, H.; Neville, K. - Handbk fpxy Resin, Turi, Chapter 5, Academic Press, pp McGraw-Hill, Inc. USA, (1967). 569, (1981). 4. Gillham, J.K. - Curing, ncyc10pedia fp1ymer li. Hayes, B.1 - ffect fresin Chise n Prepreg Science and ngineering, VI. 4, 2nd d. Prcessing, Carbn Fibres and their Cmps- (1986). ites, d. by rich Fitzer, Springer-Verlag, (1984). 5. Pardini, L.c. - Cmprtament Dinâmic Mecânic e a Fratura de Materiais Cmpsts 12. Adabb, H..; Williams, R.J.J. - The ev1utin póxi/1astômer/fibra de Carbn - Tese de f Thermsetting P1ymers in a Cnversin- Mestrad, UFSCar, (1990). Temperature Phase Diagram, Juma1 f App1ied P1ymer Science, VI. 27, , 6. Gulin, D.; Galy, J.; Pascault, J.P. - tude du (1982). pré-p1ymere épxy de par chrmatgraphie et IH NMR à 3 MHz, 2ª, MakrmI. 13. Harran, D.; Lauduard, A. - Rhe10gica1 Study Chem., VI. 184, pp , (1983). f the Istherma1 Reticu1atin f an pxy Resin, Juma1 f App1ied P1ymer Science, 7. Bletim Técnic "Frmulações Básicas cm VI. 32, , (1986). Resinas pxi Dw", 60p. Dw Química S/A, (1987). 14. Mse1ey, J.D.; Nwak, R.M. - ngineering Thermp1astics: MateriaIs fr the future, 8. Bletim Técnic Ciba-Geigy Química S/A. Chemica1 ngineering Prgress, (1986). 9. Wiedemann, G.; Rthe, H. - Review fprepreg 15. Lynch, T. - Thermp1astic/Graphite Fiber Hy- Techn10gy, in Develpments in Reinfrced brid Fabrics, SAMP Juma1, VI. 25, N. 1, Plastics, Vl. 5, Prcessing and Fabricatin, pp , (1989). Chapter 3, d. Geffrey Pritchard, 1sevier App1ied Sei, pp , Lndn, (1986). 16. Muzzy, 1; Varughese, B.; Thammngk1, V.; Tincher,w. - lectrstatic Prepregging f 10. Prime, R.B. - Thermsets, in Thermal Charac- Thermplastic Matrices, SAMP Jumal, terizatin fplymeric MateriaIs, d.. A. VI. 25, N.5, pp , (1989). 42 Plímers: Ciência e Tecnlgia - Abr/Jun - 96