VIII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

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1 ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM LAMINDOS DE TECIDOS DE FIBRA DE CARBONO PLAIN WEAVE E TWILL COM MATRIZ EPÓXI Marcelo Capella de Campos Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Unesp Bauru Prof. Dr. Carlos Alberto Soufen Orientador Depto de Engenharia Mecânica Unesp Bauru RESUMO A fabricação de materiais compósitos poliméricos com tecidos laminados é direcionado para atender a uma produção específica ou a certos requisitos estruturais. O conhecimento da influência da estrutura de tecelagens com relação às propriedades mecânicas é essencial para o aprimoramento e adequamento dos componentes em projetos estruturais. O foco deste trabalho é investigar a influência dos tecidos de fibra de carbono plain weave e tecido de fibra de carbono twill, com relação ao desempenho mecânico de tração e flexão, compondo um laminado de 4 (quatro) camadas, tendo como matriz polimérica a resina epóxi SQ 2004 (derivada de uma série de éter de bisfenol A), para ambos os tecidos. Os resultados indicam que, para a solicitação de carregamento em tração, o tecido de fibra de carbono plain weave, tem melhores resultados, em adição a uma maior deformação, quando comparado com o laminado de tecido de fibra de carbono twill. Quando a solicitação de carregamento é em flexão, inverte-se o panorama dos resultados, o tecido de fibra de carbono twill obtém resultados superiores aos do tecido de fibra de carbono plain weave, além de uma maior deformação, concluindo-se que a forma da trama influenciam, o sentido de solicitação mecânica influenciam diretamente estes resultados. PALAVRAS-CHAVE: Tecidos, fibras de carbono, materiais compósitos, propriedades mecânicas, laminados poliméricos.

2 1 INTRODUÇÃO A popularidade e uso de materiais compósitos com reforços em forma de tecidos nas indústrias aeroespacial, automobilística e de defesa, já é uma realidade, devido aos seus baixos custos de produção, peso leve, maior tenacidade à fratura, baixa expansão térmica, resistência à corrosão e melhor controle sobre as propriedades termo-mecânica. A procura de um melhor desempenho destes materiais estruturais torna necessário devido à utilização desses materiais sob carga multi- axial. Cargas de tensão e flexão combinadas são importantes não só em a análise do projeto da fuselagem da aeronave rebitada, mas também para a análise de flexão [1]. Compósitos reforçados por fibras mostram forte comportamento mecânico anisotrópico devido às suas orientações de fibras [2,3,4]. Essas orientações causam uma variados de mecanismos de falha [5], que são mais complexas sob condições de carga multiaxiais [6-7]. Portanto, esforços contínuos tem sido feito para tornar materiais compósitos quasiisotrópicos com parâmetros de controlo,como a orientação de camadas, a seqüência de empilhamento e as propriedades do constituintes. Vários pesquisadores descobriram que resistência à flexão foi maior do que a resistência à tração em materiais compósitos poliméricos [4,8]. Esses fatores ajudaram a entender determinadas situações. A diferença do tipo de trama influi diretamente nas propriedades mecânicas dos materiais compósitos, portanto, a escolha dos tipos de tecidos deve levar em consideração o tipo de aplicação e as possíveis solicitações mecânicas [9]. A idéia deste trabalho foi entender o que acontece com dois tecidos de fibra de carbono, um em trama sarja e outro em plain weave. Ambos os tecidos são empregados em boa parte dos setores industriais já apresentados. 2 Materiais e Métodos 2.1 Materiais Utilizou-se neste trabalho os seguintes materiais. Tecido de fibra de carbono em trama de twill e tecido de fibra de carbono plain weave, ambos com 200 g/m², resina epóxi SQ 2004, balança de precisão Marca: Marte, Modelo: AS5000C, recipiente para realizar a mistura entre resina e catalisador. Prensa hidráulica PHH 80 t, para homogeneizar a dimensões superficiais dos laminados, mantendo pressão e temperatura constante, centro de usinagem marca Romi modelo D 800, para extração dos corpos de provas, máquina universal de ensaios EMIC 300 KN, para a realização dos ensaios de tração e flexão, microscópio eletrônico de varredura, marca ZEISS. 2.2 Métodos O processo de laminação manual (hand lay up) seguiu determinados métodos para buscar uma padronização dos laminados, pois caso contrário, seria inviável realizar comparações. No primeiro momento, confeccionou se 4 camadas de tecido de fibra de carbono tanto para a trama twill quanto a trama em plain weave, como uma de dimensão

3 50cm x 50 cm x 0,03cm e um peso de 50g por camada, alcançando uma densidade de 0,66 g/cm³. Feito a confecção das camadas de tecido de fibra de carbono, preparou-se as placas de alumínio com papel filme de poliéster que mantém a sua integridade até a temperatura de 250 C, junto com tecido feltro e tecido de cetin, em ambas as placas. Ao término desta fase de preparação, a ação se voltou para as resinas, onde a correta ordem de combinação entre resina e catalisador são necessários. No caso da resinas SQ 2004, uma proporção de 100:50, ou seja utilizamos 140g de resina e 70 g de catalisador de acordo com especificações indicativas do produto, totalizando uma mistura de 210g, onde com uma seringa de injeção de 20 ml, aplicamos 50 ml por camada, alcançando assim 200ml no total para cada laminado. Essa preocupação esta justificada pela busca de padronização para possíveis comparações. Utilizou-se espátulas de silicone para uniformizar a distribuição da matriz polimérica sobre o reforço. Posterior a laminação, estes foram colocados em uma prensa hidráulica onde buscouse manter uma temperatura de 60 C constante e uma pressão de 30 bar durante 6 horas. Esta temperatura ajuda a desarmar o inibidor de cura, facilitando assim o processo e diminuindo o tempo final de cura. Após o tempo de 6 horas de prensagem o material teve cura total,seguiu-se então para o processo de extração dos corpos de prova por fresagem CNC. Com relação ao processo de extração por fresagem em centro de usinagem CNC utilizou-se um equipamento ROMI, modelo D800 uma velocidade de 7000 rpm, avanço de 100mm/min e uma ferramenta para metal duro de 2,5 mm de diâmetro. Todos os corpos de prova foram confeccionados obedecendo aos padrões descritos. 3. Resultados e discussões Resultados de ensaios mecânicos O resultado do teste de tração são apresentados em tabelas e também em figuras. A tabela 1, os resultados de tecido de fibra de carbono plain weave demonstra que o tecido plain weave tanto na tensão como na deformação é melhor do que o tecido twill. A tabela1 apresenta os resultados dos valores médios e seu limite de desvio padrão de resistência à tração - σt (MPa) e ε deformação (mm), tomada a partir de corpos de prova de tração para fibra de carbono de plain weave (PW) e twill (T). A Tabela 2 apresenta os resultados os valores médios e os respectivos desvios-padrão - limite de flexão σf (MPa) e ε deformação (mm), tomada a partir do teste de flexão para as amostras de fibra de carbono plano (PW = tafetá) e sarja (sarja = T), demonstrando uma inversão com relação ao melhor tecido,onde neste caso, o tecido de fibra de carbono twill, apresentou melhores resultados tanto na tensão de flexão quanto na deformação. Tabela 1 Valores do limite de σt à tração (MPa) e ε deformação (mm), tirada do ensaio de tração para as amostras de tecido de fibra de carbono plano (PW) e twill (T) σr ( MPa) ε (mm) PW 401 ± 31,00 0,083 ± 0,0036 T 253 ± 24,48 0,061 ± 0,0021

4 Tabela 2 Valores do limite de flexão σf (MPa) e ε deformação (mm), tomada a partir do teste de flexão para as amostras de tecido de fibra de carbono plain weave (PW) e twill (T) σf ( MPa) ε (mm) PW 268 ± 21,36 2,42 ± 0,28 T 382 ± 13,01 4,58 ± 0,55 Graficamente obtêm-se uma melhor comparação de resultados e as diferenças entre os dois tipos de tecidos. A Figura 1 resume esses dados com respeito a tensão de tração, com o limite de resistência mostrada sem preenchimento e a deformação com preenchimento em azul. Verificou-se que o compósito polimérico reforçado com tecido de fibra de carbono plain weave (PW), alcançou melhores resultados do que os de tecido twill,tanto para a tensão quanto para a deformação. Figura 1: Valores para σt à tração (MPa) e para deformação ε (mm) com tecido plain weave (PW) e tecido twill (T). Em relação ao teste de flexão, observamos uma reversão dos resultados, onde o tecido twill de fibra de carbono (twill = T), obtiveram melhores resultados do que o tecido plain weave (PW = plain weave).

5 Figura 2: Valores-limite de resistência à flexão σf (MPa) e deformação ε (mm), com tecido plain weave (PW) e tecido twill (T). 3.2 Resultados do MEV As imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), revelou uma excelente aderência entre o tecido e a matriz polimérica, assim demonstrando que ambos cooperarão para conseguir bons resultados nos laminados. As imagens abaixo mostram a boa aderência entre a fibra e a matriz e o alinhamento do mesmo. A Figura 3 e 4 são tecidos de fibra de carbono de plain weave (Plain Weave = PW e Figura 5 e 6 são de tecido de fibra de carbono twill (twill = T).

6 Figura 3 microfotografia eletrônica de varredura (MEV) do tecido CFRP PW. (200x) Figura 4 microfotografia eletrônica de varredura (MEV) do tecido CFRP PW. (1000x)

7 Figura 5 microfotografia eletrônica de varredura (MEV) do tecido CFRP twill. (250x) Figura 6 microfotografia eletrônica de varredura (MEV) do tecido CFRP twill. (1000x)

8 3.3 Discussões Notamos, pela caracterização por microscopia eletrônica de varredura, que estes laminados possuem certa homogeneidade quanto a impregnação de fibras e da matriz polimérica. De acordo com o exposto, há uma preocupação com o tipo de solicitação de carga mecânica que os materiais compósitos podem ser sujeitos. No caso, temos dois tipos de tecido de fibra de carbono e é evidente pelo ensaio de tração que o tecido Plain weave (ponto de tafetá) tem melhores resultados quando comparado com o tecido de twill (sarja), mas estes resultados são revertidos quando a solicitação é de flexão. Juntamente com os valores obtidos, vemos que a deformação também concorda com essa tendência. O tecido Plain weave (tafetá) é o melhor que se deforma quando comparado com tecido de twill (sarja), por esta razão, pode ser interessante porque tem uma "certa região de plásticidade", que ajuda a suportar melhor a deformação. O que pode ser responsável por essa diferença de resultados entre tração x flexão, esta na forma de trama do tecido, junto com a descarga dos esforços no urdume e na trama, que tem uma resistência menor do que o urdume. A figura 7 mostra, tanto o tecido Plain weave (tafetá) (A) e o tecido de twilla (sarja) (B). A Figura 7 e Figura 8 mostra a aplicação de força e direção de fratura de cisalhamento. Estes apontamentos deixam claro que o carregamento influencia excessivamente as propriedades mecânicas dos tecidos e da matriz polimérica. A B Figura 7 Representação da direção de carregamento no ensaio de tração.

9 Figura 8 Representação da solicitação de carregamento em ensaio de flexão para o tecido PW e tecido T. 4. Conclusões O tipo de tecido, em conjunto com a matriz polimérica, formam os materiais compósitos com características específicas. A selecção do tipo de tecido está relacionado com a aplicação (aplicação de carregamento mecânico, a direção de aplicação da carga), onde é evidente que cada uma delas tem diferentes e interessantes resultados tanto na tensão como na deformação, porque de acordo com o esforço mecânico determina-se uma resistência superior ou inferior, devido à distribuição de carga sobre o reforço com respeito ao tipo de tecido em que esta diferenciação é um dos elementos de interesse, uma vez que ajuda a manter o sistema coeso.

10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Botelho, E. C; Pardini, L. C.; Rezende, M. C.; SILVA, R. A.. A Review on the Development and Properties of Continuous Fiber/Epoxy/Aluminium Hybrid Composites for Aircraft Structures. Materials Research, v. 9, p , [2] Knops, M.; Analyses of failure in fiber polymer laminates; Springer, 2008; 1-34, 203. [3] Junqiang, M., Yongdong, X., Litong, Z., Laifei, C., Jingjiang, N., Hong L.. Preparation and mechanical properties of C/SiC composites with carbon fiber woven perform. Mater Lett 2007; 61: [4] Hansun, R., Kwansoo, C., Woong-Ryeol, Y., Constitutive modeling of woven composites considering asymmetric/anisotropic, rate dependent, and nonlinear behavior. Compos: Part A 2007; 38: [5] Palmer, S. O., Nettles, A. T., Poe, C. C. Jr.. An experimental study of a stitched composite with a notch subjected to combined bending and tension loading. NASA report no. NASA/TM , National Technical Information Service; [6] Lin, W. P., Hu, H. T.. Parametric study on the failure of fiber reinforced composite laminates under biaxial tensile load. J Compos Mater 2002; 36(12): [7] Lee, C. S., Hwang, W., Park, H. C., Han, K. S.. Fatigue failure model for composite laminates under multi-axial cyclic loading. Key Eng Mater 2000; : [8] El-Assal, A. M., Khashaba, U. A.. Combined torsional and bending fatigue of unidirectional GFRP composites. In: Proceedings of the second international conference on mechanical engineering. Adv Tech for Indus Prod. Egypt: Assiut University, vol. 1; p [9] Wisnom, M. R.. The relationship between tensile and flexural strength of unidirectional composites. J Compos Mater 1992; 26(8):