INFLUÊNCIA DA RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA NAS PROPRIEDADES TÉRMICAS E MECÂNICAS DE COMPÓSITOS SOLDADOS DE PPS/ FIBRA DE CARBONO COM APLICAÇÃO AERONÁUTICA

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1 INFLUÊNCIA DA RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA NAS PROPRIEDADES TÉRMICAS E MECÂNICAS DE COMPÓSITOS SOLDADOS DE PPS/ FIBRA DE CARBONO COM APLICAÇÃO AERONÁUTICA I. G. Araújo 1, S. D. B. de Souza 1, M. L. Costa 1, E. C. Botelho 1. 1 Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá UNESP, Departamento de Engenharia de Materiais Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 CEP Guaratinguetá SP izabely@outlook.com RESUMO Uma das principais dificuldades no uso de compósitos consiste na união eficiente para a junção de diferentes componentes. Estudos revelam que a união pela técnica de soldagem por resistência elétrica é um dos processos mais eficazes para a integração de compósito. Este trabalho avalia o impacto da degradação proveniente da radiação ultravioleta (UVB) em amostras de PPS/fibras de carbono soldadas por resistência elétrica, por meio de ensaios de cisalhamento Iosipescu, análise térmica (DMA) e microscopia óptica. A partir dos resultados encontrados neste trabalho pode ser concluído que a radiação ultravioleta não resultou em variações significativas nas propriedades de cisalhamento e dinâmico-mecânicas dos laminados termoplásticos. Da mesma forma, a temperatura de transição vítrea não se alterou significativamente, seja com a utilização da soldagem, seja após a incidência da radiação ultravioleta. Desta forma, os resultados encontrados contribuem para com a utilização da soldagem por resistência elétrica para a integração de componentes aeroembarcados. Palavras-chave: Compósitos termoplásticos, PPS, fibra de carbono, soldagem por resistência elétrica, radiação ultravioleta. INTRODUÇÃO As condições ambientais que as aeronaves atuam são muito adversas, podendo estar suscetível à ambientes úmidos e quentes, exposição a elevados ou baixos teores de radiação ultravioleta (UV), ar seco e frio, etc. Essas condições podem provocar mudanças imediatas ou a longo prazo nas 2443

2 características mecânicas e visco-elásticas do material, podendo estas serem modificações reversíveis ou não (1,2). Como uma aeronave está submetida a ciclos de carregamento e condições opostas pode ocorrer enfraquecimento na interface matriz polimérica/reforço, em consequência à degradação das interações físicoquímicas provenientes entre a fibra e a resina. Esses carregamentos podem ocasionar diversos tipos de tensões, podendo promover delaminações ou trincas interlaminares. Usualmente essas trincas são promovidas por esforços de cisalhamento, tração e de compressão e esses impactos podem estar relacionados a impactos ou fadiga, pois podem suceder de forma estática ou em ciclos (1). As aeronaves são projetadas para terem um longo tempo de vida útil (aproximadamente 30 anos para aeronaves comerciais). Dessa forma, é requerido que os materiais que a compõem mantenham as propriedades mecânicas durante todo o período de vida, mesmo que as condições sejam muito adversas (3). Uma dessas condições ambientais que componentes presentes em aeronaves são suscetíveis é a radiação ultravioleta (UV), podendo esta acarretar em modificações na estrutura de materiais poliméricos. Conforme a intensidade e o teor de oxigênio disponível para absorção no local e o tipo de radiação UV, pode ocorrer o rompimento de ligações na cadeia principal da matriz polimérica. Dessa forma, o conhecimento dos mecanismos de ação ambiental predominante é indispensável para avaliar a durabilidade do componente em serviço (4,5). MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Os laminados de PPS/fibras de carbono a serem soldados e caracterizados foram disponibilizados pela empresa holandesa Tencate Advanced Composites. Os laminados fornecidos apresentam aproximadamente 50% de seu volume constituído em matriz polimérica, reforçada com tecidos de 2444

3 fibras de carbono do tipo 5HS, apresentando espessura de 2,5 mm e configuração (0/90)5s. No processo de soldagem, o implante resistivo empregado foi uma malha metálica de aço inox 304, de 200 mesh, com razão diâmetro/fio de 0,058 e abertura de 0,069 mm. Nesta malha há também elementos de liga incorporados no aço, como níquel e crômio. Sistema de soldagem Para o desenvolvimento do presente trabalho foi usado um sistema de soldagem que compreende uma máquina de prensagem com conectores elétricos integrados ao elemento resistivo (malha de aço inox). A prensa da soldadora garante a pressão local e o aquecimento durante o processo de soldagem. Para iniciar o processo de soldagem a malha metálica e o corpo de prova são convenientemente ajustados na mesa da prensa. O operador ajusta o corpo de prova e liga as extremidades da malha nos terminais negativo e positivo da fonte de alimentação elétrica, as ações executadas manualmente. Feito isso, é necessário configurar o software de controle da prensa com os valores de intensidade da corrente, tempo de operação e pressão. Para o presente estudo, os parâmetros que apresentam melhor combinação das variáveis a serem utilizadas durante a soldagem foram retirados da tese de mestrado SOUZA (2013), sendo esses, a intensidade da corrente elétrica igual a 37,0A, e a aplicação da pressão de 3,0MPa por 50,0s. Condicionamento em câmara de radiação UV O condicionamento por radiação ultravioleta utiliza uma câmara de envelhecimento acelerado, a qual possui um controle automático dos parâmetros de umidade relativa e temperatura. A câmara de envelhecimento opera com lâmpadas fluorescentes UVB com irradiância de 0,76 W/m2 a 313 nm, conforme especificado na norma ASTM G154, alternando entre ciclos de 8 horas de radiação UV e 4 horas de condensação. As amostras permaneceram expostas por 1200 horas. 2445

4 Cisalhamento Iosipescu O ensaio de cisalhamento por Iosipescu é realizado com o propósito de avaliar as propriedades de cisalhamento no plano e interlaminar, dependendo da orientação do sistema de coordenadas do material em relação ao eixo em que é aplicada a carga, visando avaliar a eficiência do processo de soldagem. Para a realização deste ensaio é utilizado o dispositivo como apresentado na Figura 1 e ensaiados pelo menos 5 corpos de prova, em conformidade com a norma ASTM D5379 (6). Figura 1 - Desenho esquemático das dimensões de amostra e ensaio de Cisalhamento Iosipescu. A tensão de cisalhamento foi medida de acordo com a Equação (A). Onde: σ = tensão de cisalhamento Iosipescu; F = força aplicada no corpo de prova; A = área da secção do corpo de prova. A velocidade do ensaio empregada foi de 0,5 mm/min com uma célula de carga de 10 kn. Para possibilitar resistência ao cisalhamento, as fibras são dispostas perpendicularmente ao cisalhamento. DMA (Análise dinâmico-mecânica) A técnica de DMA visa avaliar o comportamento viscoelástico do material, submetidos à carga oscilatória, por meio da temperatura ou tempo, identificando variações da temperatura de transição vítrea do material em razão de efeitos ambientais e da malha metálica utilizada no processo de soldagem. 2446

5 Desse modo, esse fator foi avaliado por meio dessa técnica empregando o equipamento DMA 6100 da SII-Nanotechnology Inc. equipments. O modo utilizado foi o Dual Cantilever (modo de flexão), força aplicada de 2000 mn, com frequência de 1Hz; amplitude de 10 µm; atmosfera inerte de N2 com fluxo de 100 ml/min, aquecimento de 35 ºC até 180 ºC, com taxa de 3 ºC/min. As dimensões das amostras eram de 50 mm x 10 mm com espessura de no máximo 3 mm. Microscopia óptica Para avaliar a aderência e eficácia do processo de soldagem por resistência elétrica foi utilizada a microscopia óptica operando o microscópio óptico Nikon Epiphot 200 e o estereomicroscópio Zeiss Stemi Assim, foram obtidas imagens nas vistas superficial e lateral das amostras condicionadas e não condicionadas. RESULTADOS E DISCUSSÕES Avaliação Morfológica Após os laminados de PPS/fibras de carbono terem sido soldados, a qualidade da solda foi avaliada por ensaios de microscopia óptica. A Figura 2 apresenta as imagens da região lateral do corpo de prova soldado. a b Figura 2 - Região lateral da amostra de PPS/fibra de carbono soldado: a) (10X), b) (40X). 2447

6 As setas brancas na Figura 2 (a) mostram a interface soldada e na Figura 2 (b) os pontos brilhantes indicam a presença da malha metálica. A partir dessas análises pode-se observar que a ancoragem necessária entre a interface malha/matriz foi atingida com sucesso, pois a interface apresentou-se uniforme entre as lâminas soldadas. A princípio não foi revelado nenhum problema consequente de delaminações, microtrincas, sinais de deslocamento, contaminações ou vazios devido ao corte e/ou lixamento, pois são processos que exercem uma carga considerável, acarretando na ruptura do material. Esses defeitos podem ser originados do processo de conformação do material. A partir da Figura 2, é possível avaliar que o compósito apresentou adequada compactação, apresentando uma boa interface fibra/matriz. Na imagem pode-se verificar que a malha metálica foi satisfatoriamente aderida à maior parte do laminado, não ocorrendo evidências de delaminações na interface malha metálica/compósito e/ou descontinuidades, não impactando as propriedades mecânicas do material. Com a utilização da microscopia óptica, foram também analisadas as amostras após terem sido condicionadas na câmara de radiação ultravioleta (UV), como apresentado na Figura 3. Neste caso, na maioria das amostras analisadas foram observadas regiões de vazios (seta branca) presentes na interface malha metálica/compósito. Na Figura 3 (b) também se pode verificar heterogeneidades, tanto na região de interface malha metálica/compósito, como na interface fibra/matriz (indicado pela seta vermelha) e essas inclusões causam descontinuidades na malha metálica (seta branca). Esses vazios podem ser provenientes tanto dos efeitos do condicionamento na câmara UV, quanto podem ter sido provocadas durante o corte e lixamento das amostras necessária para atender as especificações de tamanho da norma do ensaio Todos esses defeitos e arrancamento de material podem influenciar consideravelmente nas propriedades mecânicas dos laminados. Como já esperado na literatura (4,5), um material suscetível as condições de simulação na câmara UV pode acarretar modificações na estrutura de materiais poliméricos. Conforme a intensidade e o teor de oxigênio disponível para absorção no local, e o tipo de radiação UV, pode ocorrer rompimento de ligações na cadeia principal da matriz polimérica. 2448

7 a b Figura 3 - Região lateral da amostra de PPS/fibra de carbono soldado condicionado na câmara UV (10X). Avaliação mecânica: Iosipescu Para avaliar a tensão de cisalhamento da amostra e garantir a qualidade do compósito foi realizada a avaliação do cisalhamento no plano (Iosipescu) antes e depois do condicionamento. Os principais resultados encontrados são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 - Resultados advindos do ensaio de cisalhamento Iosipescu do material soldado. Máxima Tensão Média (N/mm²) PPS/FC PPS/FC condicionado (radiação UV) Iosipescu 123,4 ± 7,3 120,7 ± 8,0 A Tabela 1 apresenta os resultados para a avaliação do compósito condicionado e não condicionado. Os resultados advindos do ensaio Iosipescu apresentam uma pequena diferença em relação aos resultados encontrados na literatura, em COSTA, BOTELHO e PARDINI, O valor das tensões máximas de cisalhamento do PPS/ fibra de carbono sem condicionamento foi de 109,2 MPa e em exposição UV (900 horas) apresentou valor de 94,4 MPa. Avaliando os efeitos do condicionamento ambiental que tende a reduzir as propriedades mecânicas de cisalhamento como consequência da degradação da interface matriz/ fibra, da matriz polimérica ou ainda da interface matriz/ malha metálica. Foi evidenciado uma queda de 2,2% da tensão de 2449

8 cisalhamento máxima das amostras não condicionadas com as condicionadas na câmara UV. Como pode ser observado a partir dos resultados, a incidência de radiação ultravioleta não demonstrou fragilização do corpo de prova, portanto não foi detectado modificações relevantes nas propriedades físico-químicas da matriz, pois a máxima tensão média de cisalhamento do laminado soldado de PPS/ fibras de carbono condicionado na câmara UV e não condicionado estão compreendidos em uma mesma faixa de valores, quando considerado seus respectivos desvios padrão, ou seja, não apresentam diferenças significativas. DMA (Análise dinâmico-mecânica) O ensaio de DMA fornece três tipos de determinação, sendo estas: onset do módulo de armazenamento (E ); pico no módulo de perda (E ); e pico no módulo tan δ. Assim, em compósitos termoplásticos, a maneira de identificar a temperatura de trabalho de forma segura é definida pela temperatura de fusão/amolecimento associadas, degradação e transição vítrea (7). A Figura 4 exibe os resultados oriundos do DMA para amostras de PPS/fibras de carbono soldadas sem condicionamento e condicionadas na câmara UV, comparando os três modos empregados separadamente. A Tabela 2 reúne todos os resultados, inclusive do material não soldado encontrado na literatura em conformidade com os parâmetros utilizados para análise (8). Tabela 2 - Resultados obtidos a partir do ensaio DMA para as amostras de PPS/ fibra de carbono Condição Tg por E ( C) Tg por E ( C) Tg por tan δ ( C) Não soldado 80,7 103,1 105,2 Soldado 85,8 103,2 111,1 Soldado com condicionamento UV 94,3 121,5 121,5 2450

9 a b 1,20E+008 UV Higrotérmica 1,00E+008 E (Pa) 8,00E+007 6,00E+007 4,00E Temperatura ( C) c 0,07 Sem condicionamento UV 0,06 tan δ 0,05 0,04 0,03 0, Temperatura ( C) Figura 4 - Temperatura de transição vítrea das amostras de PPS/ fibra de carbono soldadas obtida pelo: a) onset do módulo de armazenamento (E ); b) pico no módulo de perda (E ); c) pico no módulo tan δ. A partir dos resultados obtidos e apresentados na Tabela 3, pode ser constatado que o compósito soldado mostrou pequenas variações da 2451

10 temperatura de transição vítrea quando comparado com o compósito não soldado, de aproximadamente 5 C no módulo de armazenamento (E ) e de 6 C no pico no módulo tan δ, já no módulo de perda (E ) essa diferença não foi detectada. Essa pequena mudança pode ser atribuída a mudanças estruturais ocorridas no momento do processo de soldagem, como o crescimento da porcentagem de cristalinidade no material, ou ainda, como consequência da presença da malha metálica, pois quando a amostra é aquecida, a malha metálica pode dificultar a relaxação das cadeias poliméricas na região entre a interface malha metálica/laminado e próximo a ela, promovendo um aumento da Tg. Esta diferença pode ainda estar relacionada ao aumento da espessura do material, pois foi adicionada a malha metálica entre os laminados, acarretando um pequeno aumento da espessura. Essa diferença entre os módulos de armazenamento, tan δ e o de perda podem ainda ser atribuídas as sensibilidades de detecção das mudanças provenientes da presença de poros, ou pela boa adesão entre a interface malha metálica/laminado, como consequência dos parâmetros utilizados ou dos fatores citados anteriormente. Considerando os resultados provenientes da análise por DMA das amostras condicionadas na câmara UV foi evidenciado um aumento da Tg no módulo de armazenamento (E ) de aproximadamente 6 C, no pico no módulo de perda (E ) de aproximadamente 10 C e no pico de tan δ de aproximadamente 10 C, quando comparado com o compósito soldado sem condicionamento. Torna-se evidente, a partir dos resultados encontrados, que a incidência da radiação UV promoveu um ganho da componente elástica do material, acarretado pela sinergia dos efeitos da radiação ultravioleta e da umidade do ambiente de condicionamento. Esse aumento do módulo elástico prevê um aumento da rigidez do compósito após a exposição à radiação ultravioleta. CONCLUSÃO A partir dos resultados encontrados neste trabalho pode-se concluir que a incidência de radiação ultravioleta não resulta em efeitos deletérios significativos em compósitos PPS/fibras de carbono soldados, uma vez que não foram encontradas diferenças significativos nos resultados provenientes de 2452

11 cisalhamento interlaminar e análises dinâmico-mecânicas. Desta forma, os resultados deste trabalho contribuem para a utilização deste processo de integração em aplicações aeronáuticas. REFERÊNCIAS 1. CÂNDIDO, G. M. Influência do Condicionamento Ambiental na Resistência à Delaminação de Borda Livre em Compósitos Avançados Tese de doutorado - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, CUNHA, J. A. P.; COSTA, M. L.; REZENDE, M. C. Polímero: Ciência e Tecnologia. vol.16, no 3, p , BOTELHO, E. C.; PARDINI, L. C.; REZENDE, M. C. Hygrothermal effects on the shear properties of carbon fiber/epoxy composites. Journal Materials Science, 41, , CÂNDIDO, G. M., ALMEIDA, S. F.; REZENDE, M. C. Processamento de laminados compósitos poliméricos avançados com bordas moldadas. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.10 (1), p. 31, MAYER, Sérgio; CÂNDIDO, Geraldo M.; REZENDE, Mirabel C. Influência do condicionamento ambiental na resistência à tração de compósitos de carbono/epóxi reparados. Polímeros Ciência e Tecnologia, v. 13, n. 3, p , ASTM International, ASTM-D5379 (1998): Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method; West Conshohocken, PA, EUA, SANGERMANO, M.; ORTIZ, R.A.; URBINA, B.A.P.; DUARTE, L.B.; VALDEZ, A.E.G.; ANTOS, R.G. Synthesis of na epoxy functionalized spiroorthocarbonate used as low shrinkage additive in cationic UV curing of an epoxy resin. European Polymer Journal, v. 44, p , Feb SOUZA, S. D. B. Avaliação dos parâmetros de soldagem por resistência para compósitos de PPS/fibra de carbono contínuas com aplicação aeronáutica f. Dissertação (mestrado) 2453

12 Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá. INFLUENCE OF ULTRAVIOLET RADIATION IN THE THERMAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITES WELDED OF PPS/ CARBON FIBER WITH AERONAUTICAL APPLICATION ABSTRACT One of the main difficulties in the use of composites is the efficient bonding to the joining of different components. Studies show that bonding by the electrical resistance welding technique is one of the most effective processes for composite integration. This work evaluates the impact of ultraviolet (UVB) degradation on PPS/ carbon fiber welded samples by means of Iosipescu shear tests, thermal analysis (DMA) and optical microscopy.from the results found in this work it can be concluded that the ultraviolet radiation did not result in significant variations in the shear and dynamic-mechanical properties of the thermoplastic laminates. Likewise, the glass transition temperature did not change significantly, either with the use of welding or after the incidence of ultraviolet radiation. In this way, the results found here contribute to the use of electric resistance welding for the integration of aerial components. Key - words: Thermoplastic composites, PPS, carbon fiber, electric resistance welding, ultraviolet radiation. 2454