Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares. Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo

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1 Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo 1

2 PROPRIEDDES DE LMINDOS NGLE-PLY COM DIVERSS ORIENTÇÕES DO REFORÇO GERSON MRINUCCI EDURDO D SILV LEITÃO OSNI DE CRVLHO 2

3 Introdução vanços tecnológicos e desenvolvimento de novos materiais. s propriedades mecânicas dos compósitos são fortemente influenciadas pela configuração, pelo tipo de reforço, o, bem como pela orientação Resistência e rigidez do compósito podem ser moldadas ao produto Necessário um amplo domínio da fabricação, do cálculo c estrutural e das técnicas t de ensaio. 3

4 Sempre que surgem novos materiais, as primeiras interrogações geralmente colocadas são: Quais são suas propriedades? São eles melhores do que os disponíveis no mercado? Essas perguntas assumem um papel ainda mais relevante quando se aborda os compósitos poliméricos, dada as inúmeras possibilidades de formação (construção) do material. 4

5 Indústria do compósito no rasil Tivemos uma infância difícil Estamos saindo da adolescência Custos Processos Matérias rias-primas Confiança a do usuário Estamos na maturidade? Fonte:. Carvalho Encontro Internacional da MCO/21 5

6 σ 1, σ 2, τ 12 E 1, E 2, G 12 ν 12, ν 21 análise macromecânica Fibra Matriz formulação caracterização mecânica caracterização mecânica processo compósitos unidirecionais análise micromecânica [σ]=[c][ε] Critérios de falha d c, v f, v m, v v Fibra + Matriz processo produto final ensaios destrutivos e não-destrutivos carreg. máximo σ x, σ y, τ xy σ 1, σ 2, τ 12 MO e MEV MO e MEV Critérios de falha 6

7 Ensaios Pesquisa e nálise de Mercado Projeto/nálise de tensões e deformações Mão-de-obra PRODUTO Ferramental Processos Matéria-prima Custo 7

8 DENOMINÇÃO DOS LMINDOS 8

9 s lâminas diferem basicamente pelo tipo de reforço, o, orientação e pela sua disposição no laminado. Os laminados podem ser identificados de acordo com a disposição das lâminas. unidirecionais on-axis unidirecionais off-axis angle-ply cross-ply simétricos anti-simétricos tricos assimétricos 9

10 yy 22 yy θ 11 xx xx Laminado unidirecional on-axis Laminado unidirecional off-axis 1

11 yy 22 Plano médio - θ 11 xx 22 yy +θ 11 xx Laminado angle-ply 11

12 yy 11 xx Laminado cross-ply 12

13 Laminados simétricos [+θ 1 /-θ 2 /- θ 2 /+ θ 1 ] T ou [+θ 1, -θ 2 ] S [+3/-45/-45/+3] T ou[+3/-45] S Laminados anti-simétricos [+θ 1 /-θ 2 / +θ 2 /-θ 1 ] T [+3/-45/+45/-3] T Laminados assimétricos [+θ 1 / +θ 2 / - θ 2 / + θ 1 / -θ 2 ] T 13

14 Laminado angle-ply +3º 22 yy 11-3º +θ Plano médio xx +3º yy 22-3º - θ 11 xx N = ε D κ 14

15 15 15 γ ε ε = xy y x o xy o y o x ss ys xs ss ys xs ys yy xy ys yy xy xs xy xx xs xy xx ss ys xs ss ys xs ys yy xy ys yy xy xs xy xx xs xy xx xy y x xy y k k k D D D D D D D D D M M M N N N X

16 16 16 γ ε ε = xy y x o xy o y o x ss ys xs ss ys xs ys yy xy ys yy xy xs xy xx xs xy xx ss ys xs ss ys xs ys yy xy ys yy xy xs xy xx xs xy xx k k k D D D D D D D D D N X xy xs y xy x xx xy xs y xy x xx x N κ + κ + κ + γ + ε + ε =

17 17 17 Laminado angle-ply Laminado angle-ply Plano médio Plano médio yy θ - θ xx xx θ +θ yy κ ε = D M N κ ε = D N -3º -3º +3º +3º -3º -3º +3º +3º -3º -3º +3º +3º +3º +3º -3º -3º anti-simétrica anti-simétrica simétrica simétrica

18 18 18 γ ε ε = xy y x o xy o y o x ss ys xs ys yy xy xs xy xx ss ys xs ys yy xy xs xy xx k k k D D D D D D D D D N X xy y x xy xs y xy x xx x N κ + κ + κ + γ + ε + ε = xy xs y xy x xx x N γ + ε + ε = simétrica simétrica

19 MTERIIS E MÉTODOS 19

20 MTRIZ POLIMÉRIC Classificação dos polímeros em termoplásticos e termofixos Ligações cruzadas levam ao aumento da rigidez resina epóxi é um exemplo de polímero termofixo, possui grande aplicação em compósitos estruturais. Essa resina foi utilizada no presente estudo matriz polimérica foi formulada com resina epóxi DGE, endurecedor anidrido ácido e acelerador 2

21 FIRS Vários materiais podem ser utilizados como reforço em compósitos poliméricos. Fibras de vidro: E, S, R, ECR Fibras de carbono: HS (HT), IM, HM Fibra ramida 21

22 Propriedades mecânicas e propriedades específicas dos principais materiais de engenharia MTERIL aço (maraging 3) ρ (g/cm 3 ) σ (MPa) σ ρ Ε ( GPa) Ε ρ 7, alumínio 2, berílio 1, titânio 4, f. vidro-e 2, f. vidro-s 2, f. carb.-hm 1, f. carb.-hs 1, aramida 1, aramida HM 1, peróba,

23 Fibra de carbono T3 Densidade 1,77 g/cm 3 Módulo de elasticidade 238 GPa Resistência à tração 34 MPa Diâmetro do filamento 7 µm Nº. de filamentos 6 Densidade linear/título 4 tex Fibra de vidro tipo E Densidade 2,6 g/cm3 Módulo de elasticidade 73 GPa Resistência à tração 24 MPa Diâmetro do filamento 9 µm Nº. de filamentos 2 Densidade linear/título 11 tex 23

24 Qual o processo que deveria ser escolhido para a fabricação dos corpos-de-prova prova Wet lay-up Dry lay-up 24

25 ENROLMENTO FILMENTR É um eficiente método m de fabricação, sendo normalmente utilizado na fabricação de tubos e estruturas cilíndricas 25

26 ENROLMENTO/OINMENTO CIRCUNFERENCIL 26

27 ENROLMENTO/OINMENTO HELICOIDL α 27

28 Fonte: Josef aer Maschinenfabrik 28

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30 Ilustração da bobinagem cruzada (interweaving) 3

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32 Corpos-de-prova obtidos de placas de acordo com a STM

33 F º +1º +2º +3º -2º -3º -1º º F +6º +7º +8º 9º -7º -8º 9º -6º NGLE-PLY 33

34 Um dos desafios do trabalho foi fabricar placas angle-ply pelo método de enrolamento filamentar formando camadas sem a presença de domos 34

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36 Fabricação dos compósitos 36

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40 4

41 y +8º x º 9º 41

42 y +8º x y +7º x y +6º x 42

43 y y +8º x +8º x 1º 8º 43

44 y +7º x 2º 7º 44

45 y +6º x 3º 6º 45

46 9º 8º 6º 46

47 PREPRÇÃO DOS CORPOS-DE-PROV PROV PR ENSIO DE TRÇÃO 7Oº Oº 47

48 ENSIOS DE TRÇÃO Para a medida das deformações, os ensaios de tração utilizaram extensômetros do tipo strain gages,, unidirecional e bidirecional. 48

49 49

50 RESULTDOS 5

51 DETERMINÇÃO DS FRÇÕES VOLUMÉTRICS v f = m f d d c f v m = m m d d c m vv = 1 (v + f v m ) 51

52 DETERMINÇÃO DS FRÇÕES VOLUMÉTRICS frações de massa densidade 52

53 DETERMINÇÃO DS FRÇÕES DE MSS 53

54 ângulo densidade g.cm -3 Frações volumétricas (%) vf vm v v Frações volumétricas (%) vf vm v v f. carbono f. vidro f. carbono f. vidro º 1,56 2,11 67, 31,6 1,4 68,1 28,1 2,6 ±1º 1,57 2,13 65,7 33,3 1, 66,3 33,2,5 ±2º 1,57 2,12 65,7 33,2 1,1 66,4 32,6 1, ±3º 1,57 2,12 68,4 29,4 2,2 66,6 32,3 1,1 ±6º 1,57 2,11 65,3 33,4 1,3 67,6 29,7 2,7 ±7º 1,58 2,13 68,6 29,5 1,9 68,1 29,4 2,5 ±8º 1,56 2,12 63,7 35,3 1, 67,7 29,5 2, 9º 1,57 2,11 65,4 33,3 1,3 68,1 28,1 2,6 54

55 MEDID D DUREZ RCOL Mostrador Durômetro gulha embutida ase de apoio 55

56 DUREZ RCOL DS PLCS ângulo dureza arcol f. carbono f. vidro º 82,2 83,5 ±1º 83,2 83, ±2º 8,2 83, ±3º 83,2 82,8 ±6º 81,8 83, ±7º 82,7 83,7 ±8º 82,5 82,9 9º 82,3 83,5 56

57 NÁLISE TÉRMIC-TG TG Tg-Temperatura Temperatura de Transição VítreaV 57

58 ÂNGULO NÁLISE TÉRMICT Temp. de Transição vítrea v (ºC) f. carbono f. vidro º ±1º ±2º ±3º ±6º ±7º ±8º º

59 NÁLISE DS PROPRIEDDES MECÂNICS Ensaios de tração de compósitos de fibra de carbono (Strain gages) 59

60 Ensaios de tração de compósitos de fibra de vidro (Extensômetro bidirecional) 6

61 Comparação dos resultados experimentais com os teóricos ângulo FIR DE CRONO Tensão de ruptura (MPa( MPa) exp.. teórico Mód. Elast. (GPa) exp.. teórico Coef.. Poisson exp.. teórico º ,3,3 ±1º ,6,64 ±2º ,44 1,23 ±3º ,62 1,29 ±6º ,48,3 ±7º ,15,14 ±8º ,5,5 9º ,2,2 61

62 Comparação dos resultados experimentais com os teóricos ângulo FIR DE VIDRO Tensão de ruptura (MPa( MPa) exp.. teórico Mód. Elast. (GPa) exp.. teórico Coef.. Poisson exp.. teórico º ,31,31 ±1º ,36,37 ±2º ,58,52 ±3º ,77,64 ±6º ,37,34 ±7º ,22,21 ±8º ,13,13 9º ,11,11 62

63 Comparação dos resultados experimentais COMPÓSITOS DE CRONO E FIR DE VIDRO Resistência à tração (MPa) Ângulo (graus) Resistência à tração (MPa) Ângulo (graus) Compósitos de fibra de carbono Compósitos de fibra de vidro 63

64 Comparação dos resultados experimentais COMPÓSITOS DE CRONO E FIR DE VIDRO Módulo de elasticidade E X (GPa) Módulo de elasticidade E x (GPa) ângulo (graus) ângulo (graus) Compósitos de fibra de carbono Compósitos de fibra de vidro 64

65 Comparação dos resultados experimentais COMPÓSITOS DE CRONO E FIR DE VIDRO Coeficiente de Poisson 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, ângulo (graus) Coeficiente de Poisson,9,8,7,6,5,4,3,2,1, ângulo (graus) Compósitos de fibra de carbono Compósitos de fibra de vidro 65

66 Comparação dos resultados experimentais com a literatura 16 Módulo de elasticidade E X (GPa) ângulo (graus) Compósitos de fibra de carbono Crowford,

67 Comparação dos resultados experimentais com a literatura 16 Módulo de elasticidade E X (GPa) ângulo (graus) Compósitos de fibra de carbono Mallick,

68 Comparação dos resultados experimentais com a literatura Coeficiente de Poisson 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, ângulo (graus) Daniel e Ishai, 1994 Compósitos de fibra de carbono Mallick,

69 Comparação dos resultados experimentais com a literatura 1,8 1,6 Coeficiente de Poisson 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, ângulo (graus) Compósitos de fibra de carbono Crowford,

70 ângulo Ex/E METROLOGI E DUREZ DS PLCS tensão σ x/ σ parametrizada σ x/ σ módulo E x /E f. carbono f. vidro f. carbono Paramatrizado E x /E f. vidro º 1, 1, 1, 1, ±1º,34,37,88,94 ±2º,21,2,54,72 ±3º,12,16,22,48 ±6º,3,4,7,3 ±7º,3,4,6,32 ±8º,3,3,6,32 9º,3,3,7,34 7

71 Parametrização dos resultados experimentais e comparação com a literatura Resistência à tração parametrizado 1,,8,6,4,2, Ângulo (graus) Compósitos de fibra de carbono Daniel e Ishai,

72 Parametrização dos resultados experimentais e comparação com a literatura Módulo de elasticidade parametrizado (E x /E 2 ) ângulo (graus) Compósitos de fibra de carbono Daniel e Ishai,

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76 medida da dureza arcol é um método m prático para estabelecer uma correlação com a T g. Enrolamento filamentar se mostrou como o processo correto para fabricação de placas devido à baixa fração volumétrica de vazios obtida. Para a resistência à tração, uma pequena variação da orientação do reforço o leva a uma grande queda da resistência. 76