UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA HELDER JOSÉ PERES DE OLIVEIRA LEANDRO AUGUSTO DINIZ ANDRADE

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA HELDER JOSÉ PERES DE OLIVEIRA LEANDRO AUGUSTO DINIZ ANDRADE ANÁLISE COMPARATIVA DE PROPRIEDADES MECÂNICAS ENTRE LIGA DE ALUMÍNIO E COMPÓSITO DE FIBRA DE CARBONO / RESINA EPÓXI PROCESSADO POR RTM APLICADOS NA INDÚSTRIA AERONÁUTICA Lorena 2013

2 HELDER JOSÉ PERES DE OLIVEIRA LEANDRO AUGUSTO DINIZ ANDRADE ANÁLISE COMPARATIVA DE PROPRIEDADES MECÂNICAS ENTRE LIGA DE ALUMÍNIO E COMPÓSITO DE FIBRA DE CARBONO / RESINA EPÓXI PROCESSADO POR RTM APLICADOS NA INDÚSTRIA AERONÁUTICA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia Química. Área de Concentração: Engenharia de Materiais Orientador: Prof. Msc. Sergio Roberto Montoro Lorena SP 2013

3 Autorizamos a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a fonte. Catalogação da Publicação Sistema Integrado de Bibliotecas Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo Andrade, Leandro Augusto Diniz.; Oliveira, Helder José Peres de. Análise comparativa de propriedades mecânicas entre liga de alumínio e compósito de fibra de carbono / resina epóxi processado por RTM aplicados na indústria aeronáutica / Leandro Augusto Diniz Andrade; Helder José Peres de Oliveira ; orientador Sérgio Roberto Montoro. Lorena, f. Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Química Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de Lorena, Moldagem por transferência de resina (RTM). 2. Compósitos fibra de carbono / resina epóxi. 3. Flexão. 4. Tração.

4 DEDICATÓRIA Dedicamos com muito carinho este trabalho aos nossos pais e à nossa família, os quais sempre nos apoiaram e incentivaram durante todo o período acadêmico.

5 AGRADECIMENTOS À Deus pelas nossas vidas e pela proteção nos momentos de dificuldade. À todos os professores e funcionários da Universidade de São Paulo - Escola de Engenharia de Lorena pelo nosso desenvolvimento intelectual e pessoal. Ao nosso orientador Prof. Msc. Sergio Roberto Montoro pelo apoio durante a elaboração deste trabalho. À Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, por ceder os laboratórios e equipamentos para a realização deste trabalho. Ao técnico senhor Manoel Francisco dos Santos Filho pelo apoio na execução dos ensaios realizados ao longo deste trabalho.

6 EPÍGRAFE É muito melhor lançar-se em busca de conquistas grandiosas, mesmo expondo-se ao fracasso, do que alinhar-se com os pobres de espírito, que nem gozam muito nem sofrem muito, porque vivem numa penumbra cinzenta, onde não conhecem nem vitória, nem derrota. Theodore Roosevelt

7 RESUMO ANDRADE, L. A. D.; OLIVEIRA, H. J. P. Análise comparativa de propriedades mecânicas entre liga de alumínio e compósito de fibra de carbono / resina epóxi processado por RTM aplicados na indústria aeronáutica f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, A indústria aeronáutica mantém constantes investimentos no desenvolvimento de novos materiais, em busca de propriedades como baixa densidade e baixo custo, mantendo, no entanto, propriedades mecânicas que atendam as exigências deste ramo de mercado. Neste cenário os materiais compósitos de alto desempenho apresentam-se como uma alternativa atraente, e há um crescente interesse em utilizar o processo de moldagem por transferência de resina (RTM) para produzir esses materiais. Este processo apresenta vantagens importantes, tais como a produção de componentes com formas diferentes e complexas, com elevada repetibilidade e excelente acabamento (externo e interno). O objetivo deste trabalho é realizar um estudo comparativo entre as propriedades mecânicas de uma liga de alumínio de aplicação aeronáutica (7050 T74), e 3 compósitos de fibra de carbono / resina epóxi processados por RTM. Em um primeiro momento os compósitos foram submetidos à análises térmicas, à inspeção por ultrassom e digestão ácida. Posteriormente, foram realizados ensaios de flexão e tração para a determinação de suas propriedades mecânicas. A partir da inspeção por ultrassom verificou-se uma impregnação satisfatória da resina na fibra de carbono para todos os compósitos. Por meio das análises térmicas foram determinados os parâmetros de cura da resina, e as temperaturas de degradação e transição vítrea dos compósitos, bem como das resinas que os compõe. O ensaio de digestão ácida permitiu a determinação da fração volumétrica de fibras, as quais atingiram um valor superior a 50%, atendendo às exigências mínimas para a aplicação no setor

8 aeronáutico. Por fim os ensaios de flexão e tração demonstraram que os compósitos processados possuem resistência à flexão e tração adequadas e compatíveis com as apresentadas pela liga de alumínio 7050 T74, utilizada como parâmetro de comparação ao longo desse estudo. Palavras-chave: Moldagem por transferência de resina (RTM). Compósitos fibra de carbono / resina epóxi. Flexão. Tração.

9 ABSTRACT ANDRADE, L. A. D.; OLIVEIRA, H. J. P. Comparative analysis of mechanical properties between the aluminum alloy and carbon fiber / epoxy resin composite processed by RTM applied in the aerospace industry p. Course Final Assignment (Graduation in Chemical Engineering) Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, The aerospace industry remains constant investments in the development of new materials, searching for properties such as low density and low cost, while maintaining mechanical properties that meet the requirements of this market sector. In this scenario, high performance composite materials appear as an attractive alternative, and there is a growing interest in using the process of resin transfer molding (RTM) to produce these materials. This process has important advantages, such as the production of components with different and complex shapes, with high repeatability and excellent workmanship (external and internal). The objective of this work is to perform a comparative study of the mechanical properties of an aluminum alloy for the aeronautics (7050 T74) and 3 carbon fiber / epoxy resin composite processed by RTM. First of all the composites were subjected to thermal analysis, C-Scan ultrasonic test and volumetric analysis. Subsequently, tests of flexure and tensile were performed for the determination of their mechanical properties. The result of C-Scan ultrasonic test was a satisfactory impregnation of the resin into the carbon fiber for all composites. Through thermal analysis parameters such as curing for the resin, degradation temperature and the glass transition temperature of the composites and the resins were determined. The volumetric analysis allowed the determination of fiber volume fraction, which reached a value higher than 50 %, meeting the minimum requirements for the application in the aeronautical sector. Finally the flexure and tensile tests showed that the composites have appropriate

10 and consistent flexure and tensile properties with those made by aluminum alloy 7050 T74, used as a benchmark throughout this study. Keywords: Resin transfer molding (RTM), Carbon fiber / epoxy resin composite. Flexure. Tensile.

11 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Estrutura molecular da poliacrilonitrila (PAN) Figura 2 - Figura 2 Tipos de tecidos de fibra de carbono Figura 3 - Figura 3 Esquema do processo de moldagem por transferência de resina (RTM) Figura 4 - Sistema RTM pronto para processamento Figura 5 - Fluxograma simplificado do processo RTM Figura 6 - Equipamento de análise acústica ultrassom C-Scan, MATEC, modelo PSS Figura 7 - Dimensões do corpo de prova para o ensaio de flexão de acordo com a norma ASTM D Figura 8 - Equipamento universal de ensaio de flexão, Shimadzu, modelo AG-X Figura 9 - Equipamento universal de ensaio de tração, Instron, modelo Figura 10 - Gráfico da viscosidade x tempo RL 3135-LV (Polipox ) Figura 11 - Gráfico da viscosidade x tempo HexFlow RTM 6 BI- COMPONENT (Hexcel ) Figura 12 - Gráfico da viscosidade x tempo PRISM EP2400 (Cytec ).. 38 Figura 13 - Curva DSC dinâmica RL 3135-LV (Polipox ) Figura 14 - Curva DSC isoterma 60ºC RL 3135-LV (Polipox ) Figura 15 - Curva DSC amostra da resina curada RL 3135-LV (Polipox ) 41 Figura 16 - Curva DSC dinâmica PRISM EP2400 (Cytec ) Figura 17 - Curva DSC isoterma 180ºC PRISM EP2400 (Cytec ) Figura 18 - Curva DSC amostra da resina curada PRISM EP2400 (Cytec ) Figura 19 - Curva TGA RL 3135-LV (Polipox )... 44

12 Figura 20 - Curva TGA HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) Figura 21 - Curva TGA PRISM EP2400 (Cytec ) Figura 22 - Curva DMA RL 3135-LV (Polipox ) Figura 23 - Curva DMA HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ).. 48 Figura 24 - Curva DMA PRISM EP2400 (Cytec ) Figura 25 - Curva DSC laminado Figura 26 - Curva DSC laminado Figura 27 - Curva TGA laminado Figura 28 - Curva TGA laminado Figura 29 - Curva TGA laminado Figura 30 - Curva DMA laminado Figura 31 - Curva DMA laminado Figura 32 - Curva DMA laminado Figura 33 - Escala de cores de referência (software MUSI32 MATEC) Figura 34 - Análise acústica C-Scan (laminado 1) Figura 35 - Análise acústica C-Scan (laminado 2) Figura 36 - Análise acústica C-Scan (laminado 3) Figura 37 - Gráfico do ensaio de flexão (laminado 1) Figura 38 - Gráfico do ensaio de flexão (laminado 2) Figura 39 - Gráfico do ensaio de flexão (laminado 3) Figura 40 - Gráfico do ensaio de tração (laminado 2) Figura 41 - Gráfico do ensaio de tração (laminado 3)... 67

13 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Classificação das fibras quando ao módulo de elasticidade Tabela 2 - Composição das laminados Tabela 3 - Propriedades das resinas Tabela 4 - Especificação da liga 7050 T74 (MIL-A-22771D) Tabela 5 - Parâmetros de injeção das resinas Tabela 6 - Parâmetros utilizados nos cálculos de digestão ácida Figura 7 - Resultados da digestão ácida Figura 8 - Resultados ensaio de flexão (laminado 1) Tabela 9 - Resultados ensaio de flexão (laminado 2) Tabela 10 - Resultados ensaio de flexão (laminado 3) Tabela 11 - Resultados ensaio de tração (laminado 2) Tabela 12 - Resultados ensaio de tração (laminado 3)... 67

14 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Materiais Compósitos Resina epóxi Fibra de carbono Processo RTM MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Resina epóxi Fibra de carbono Liga de alumínio Métodos Viscosimetria da resina epóxi Calorimetria exploratória diferencial (DSC) Termogravimetria (TGA) Análise dinâmico-mecânica (DMA) Processamento dos compósitos via RTM Análises térmicas dos compósitos Análise acústica ultrassom C-Scan Digestão ácida Ensaio de Flexão Ensaio de Tração RESULTADOS E DISCUSSÕES Viscosimetria... 36

15 Resina epóxi RL 3135-LV (Polipox ) laminado Resina epóxi HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) laminado Resina epóxi PRISM EP2400 (Cytec ) laminado Calorimetria exploratória diferencial (DSC) Resina epóxi RL 3135-LV (Polipox ) laminado Resina epóxi PRISM EP2400 (Cytec ) laminado Termogravimetria (TGA) Resina epóxi RL 3135-LV (Polipox ) laminado Resina epóxi HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) laminado Resina epóxi PRISM EP2400 (Cytec ) laminado Análise dinâmico-mecânica (DMA) Resina epóxi RL 3135-LV (Polipox ) laminado Resina epóxi HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) laminado Resina epóxi PRISM EP2400 (Cytec ) laminado Análises térmicas dos compósitos Calorimetria exploratória diferencial laminado Calorimetria exploratória diferencial laminado Termogravimetria (TGA) laminado Termogravimetria (TGA) laminado Termogravimetria (TGA) laminado Análise dinâmico-mecânica (DMA) laminado Análise dinâmico-mecânica (DMA) laminado Análise dinâmico-mecânica (DMA) laminado Análise acústica por ultrassom C-Scan... 57

16 4.7. Digestão ácida Ensaio de flexão Ensaio de tração CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 70

17 15 1. INTRODUÇÃO Ao longo dos anos a indústria aeronáutica tem utilizado metais, como ligas de alumínio, para compor a estrutura das aeronaves. Porém esse cenário está sendo modificado gradativamente com o surgimento dos materiais compósitos, que por sua vez apresentam-se como uma alternativa atraente, uma vez que possuem características como menor custo, menor massa específica mantendo, no entanto, valores de resistência mecânica compatíveis com as necessidades desse segmento de mercado. Outra característica atrativa dos materiais compósitos é a sua baixa reatividade química (resistência à corrosão), o que proporciona uma ampla aplicação em ambientes quimicamente agressivos como: exposição à umidade, vento, sol ou oscilações térmicas (WIEBECK; HARADA, 2005). Na indústria aeronáutica a substituição de ligas metálicas por materiais compósitos confere ao produto vantagens, tais como: redução do peso das aeronaves, o que proporciona um menor consumo de combustível, reduzindo assim seu custo operacional e quantidade de manutenções, uma vez que os materiais compósitos são mais resistentes à fadiga e corrosão do que ligas metálicas, e redução do impacto ambiental devido ao aumento da vida útil das aeronaves. Em contrapartida, a implementação dos materiais compósitos na indústria aeronáutica encontra como barreiras: custos de manufatura, qualificação, certificação e as necessidades de mudanças na infraestrutura de produção do material existente, enquanto que as ligas de alumínio possuem baixo custo de fabricação, baixo risco de substituição e a não necessidade de substituição dos meios de produção (SHIINO, 2011). Uma alternativa interessante para substituir os processos mais tradicionais de fabricação de compósitos é o processo RTM (Resin Transfer Moulding), já que ele opera com um sistema de injeção em molde fechado, o que garante um ciclo curto de processamento quando comparado a outros processos. Além disso, essa técnica produz componentes de alta qualidade

18 16 com grande repetibilidade e excelente acabamento final (REZENDE et al., 2001; LEVY; PARDINI, 2006). Este trabalho tem como objetivo propor uma alternativa para substituir a aplicação de ligas de alumínio no setor aeronáutico, por um compósito de fibra de carbono/resina epóxi processado via RTM, por meio da comparação de suas propriedades mecânicas.

19 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Materiais Compósitos O interesse demonstrado pela indústria aeronáutica no uso dos compósitos tem crescido ao longo dos anos, principalmente por conta das melhores propriedades específicas desses materiais. (WIEBECK; HARADA, 2005). Os compósitos são formados pela união de dois ou mais materiais com o objetivo de se obter um novo material com propriedades resultantes da sinergia das propriedades de seus componentes, produzindo um sistema de características únicas (CALLISTER, 2006). Os materiais compósitos poliméricos são constituídos por uma fase contínua polimérica e reforçada por uma fase descontínua, que se agregam físico-quimicamente após um processo de crosslinking polimérico (cura) (WIEBECK; HARADA, 2005). Um fator importante na escolha da melhor combinação entre uma fibra e matriz é um elevado valor de força de adesão entre matriz e fibra, porque isto confere ao material uma boa capacidade de transmissão de tensão da matriz à fibra (WIEBECK; HARADA, 2005). A introdução do reforço na matriz pode causar mudanças em todas as suas propriedades. É importante considerar as variações microestruturais com a presença do reforço, visto que podem ser geradas tensões residuais devido à contração térmica diferencial durante a manufatura. Adicionalmente, deve-se considerar as combinações de propriedades dos diferentes sistemas oferecidos como matrizes potenciais ou reforços, de acordo com um mapa de propriedades (HULL; CLYNE, 1996). Os materiais compósitos possuem como desvantagem a susceptibilidade a danos, o que os deixa vulneráveis aos efeitos ambientais como temperatura, umidade, radiação ultravioleta, aumentando assim a degradação de suas propriedades físicas. (SHIINO, 2011). Além disso,

20 18 apesar do extraordinário progresso que os compósitos têm feito no setor de infraestrutura e engenharia nos últimos anos, permanecem ainda alguns desafios tecnológicos, como: o desenvolvimento de métodos de testes menos onerosos, mas sofisticados; um ferramental econômico e preciso, bem como considerações ambientais para sua aplicação e para atender às exigências mecânicas adequadas ao uso desses materiais (WIEBECK; HARADA, 2005) Resina epóxi A fase matriz do compósito possui algumas funções como: unir e transmitir a tensão para as fibras; proteger as fibras de danos superficiais provenientes de abrasão mecânica e reações químicas com o meio ambiente; evitar a propagação de trincas de fibra para fibra agindo como barreira à propagação de fissuras (WIEBECK; HARADA, 2005). As resinas epóxi têm sido amplamente utilizadas nas indústrias aeronáutica e espacial por manterem suas propriedades, tais como altos módulos de elasticidade e resistência mecânica, mesmo quando submetidas à altas temperaturas (JANG; SHIN, 1995). Por possuírem além das características anteriormente mencionadas, excelente resistência química, propriedades elétricas, boa compatibilidade com vários substratos no aspecto adesão, bem como fácil processabilidade, as resinas epóxi constituem-se como uma alternativa interessante para a aplicação como matrizes em compósitos de alto desempenho no processo RTM (KUMAR, et al., 2002). São obtidas por meio de reações de condensação, e tem como característica principal a presença de anéis epóxi (grupos constituídos por um átomo de oxigênio ligado a dois átomos de carbono), formando uma estrutura cíclica, que ao reagir com um agente reticulante adequado, ou agente de cura, forma uma estrutura molecular tridimensional (MILANESE, 2012).

21 19 Os agentes de cura mais utilizados em reações de condensação são: aminas alifáticas, aminas aromáticas, aminas cicloalifáticas, aminas primárias, anidridos e amidoaminas, os quais podem influenciar algumas propriedades das resinas, tais como brilho, dureza, elasticidade, resistência ao impacto e velocidade de reação (RESEPOX, 2013). Ao longo dos anos, muitas companhias estão desenvolvendo sistemas epoxídicos para serem utilizados no processo RTM, objetivando a produção de componentes estruturais aeronáuticos (HEXCEL, 2013) Fibra de carbono Na estrutura dos compósitos são as fibras que determinam as características de carregamento, tais como a resistência mecânica e a dureza. Com o advento das fibras de carbono, foi possível alcançar o desempenho esperado para aplicação dos materiais compósitos principalmente na indústria aeronáutica (ENGINEERED MATERIALS HANDBOOK, 1987). Dentre as características mais importantes desse tipo de fibra destacam-se: sua tecnologia, que apesar de complexa é mais simples se comparado ao método de obtenção de fibras avançadas, bem como excelentes propriedades mecânicas e físicas para a aplicação em componentes estruturais (HASIM; NIHAT, 2002). O termo fibra de carbono refere-se a filamentos que possuem de 5 a 10 µm de diâmetro e cuja composição é de 90% de carbono, obtido por meio da pirólise da poliacrilonitrila (PAN) (WIEBECK; HARADA, 2005). Figura 1 Estrutura molecular da poliacrilonitrila (PAN)

22 20 Para a produção de compósitos, as fibras são empregadas sob a forma de tecidos ou fitas unidirecionais, os quais são geralmente utilizados pré-impregnados (prepregs) com resina epóxi. A utilização de prepregs além de apresentar custos elevados também apresenta limitações quanto à complexidade geométrica do produto de interesse. Por estes motivos que no processo de RTM se utiliza tecidos secos e não pré-impregnados (SHIINO, 2011). As fibras de carbono podem ser classificadas quanto ao seu módulo de elasticidade, podendo variar entre Ultra-alto módulo (UHM), Alto módulo (HM), Módulo intermediário (IM) e Baixo módulo (LM) conforme mostrado na tabela 1 (SHIINO, 2011): Tabela 1 Classificação das fibras quando ao módulo de elasticidade Classificação Módulo de elasticidade (GPa) Ultra-alto módulo (UHM) > 500 Alto módulo (HM) Módulo intermediário (IM) < 300 Baixo módulo (BM) < 100 Já os tipos de tecidos são classificados em: Plain Weave, Leno Weave, T will Weave, Satin Weave, Mock Leno Weave e Basket Weave, e são compostos de cabos, que por sua vez são constituídos de 200 a filamentos de fibras (NETO; PARDINI, 2006), conforme figura 2: Figura 2 Tipos de tecidos de fibra de carbono (Adaptado de CANDIDO, 2000)

23 Processo RTM Acredita-se que efetivamente o processo RTM ou moldagem por transferência de resina tenha sido desenvolvido nos anos 80 para aplicações gerais, seguidas de pequenas aplicações aeronáuticas, embora haja registros de sua utilização pela marinha americana na década de 40 na produção de barcos de fibra de vidro/matriz de poliéster, moldados por meio do método de injeção a vácuo. Nesta época essa técnica não era eficiente na fabricação de peças para aplicações aeronáuticas por não apresentar a qualidade necessária. No entanto, a partir da década de 50 começaram a surgir patentes relacionadas à fabricação de peças moldadas por meio da injeção de resina por pressão, garantindo o total preenchimento do molde (POTTER, 1999). O processo RTM é considerado um dos métodos mais eficientes e atrativos para a produção de compósitos avançados de matrizes poliméricas reforçadas com fibras (ANTONUCCI et al., 2000). Por apresentar um baixo custo efetivo para a produção de componentes de compósito em larga escala, e por produzir compósitos de alta qualidade com excelentes propriedades mecânicas e um curto ciclo de tempo, quando comparado com os demais processos, há um considerável aumento do interesse pelo processo RTM ao longo dos anos (HILLERMEIER; SEFERIS, 2001). O processo RTM consiste na injeção sob pressão, da resina prépolimerizada de baixa viscosidade no molde sob pressões moderadas, onde o reforço seco, em forma de manta ou tecido está posicionado com formato e orientação definidos (NETO; PARDINI, 2006). Frequentemente utilizam-se bombas de vácuo ligadas ao respiro para garantir o aumento do fluxo de resina (CAIRNS et al., 1999). O posicionamento e a permeabilidade do reforço são considerados fatores críticos e podem causar desvios no fluxo de resina no momento de sua injeção, portanto a medida de resistência ao fluxo e o posicionamento do reforço devem ser avaliados para que a etapa de injeção da resina no molde seja otimizada (LAWRENCE et al., 2002;

24 22 NETO; PARDINI, 2006). Além disso, se a pressão de injeção for muito baixa, o tempo do ciclo de produção será muito elevado e a resina poderá curar antes do total preenchimento do molde. E, se a viscosidade da resina for muito baixa aliada à elevada pressão, o fluxo passará por todo o molde, mas a resina não molhará os fios do reforço individualmente (ALVES, 2006). O molde fechado (macho e fêmea) é então aquecido para que ocorra a completa polimerização da resina, fase denominada ciclo de cura. Vale mencionar que em um primeiro momento o aumento da temperatura diminui a viscosidade da resina, porém a viscosidade aumenta a partir do início da reação de cura (POTTER, 1999). Essa etapa é considerada o estágio mais crítico e caro do processo, pois desvios como variações na espessura do reforço podem causar gradientes de temperatura, que geram variações no grau de cura, introduzindo tensões residuais na peça (HULL; CLYNE, 1996). O processo está representado esquematicamente na figura 3: Figura 3 Esquema do processo de moldagem por transferência de resina (RTM) (Adaptado de SCHMACHTENBERG et al. 2005)

25 23 Essa técnica tem como principais vantagens a produção de componentes com formas diferentes e complexas, com elevada repetibilidade (produção em larga escala), excelente acabamento interno e externo e principalmente a baixa emissão de voláteis, uma vez que durante todo o processo de cura o molde encontra-se fechado e à vácuo (NETO; PARDINI, 2006). Como desvantagens do processo RTM pode-se citar a dificuldade para projetar moldes com entradas e saídas adequadamente posicionadas para prevenir falhas de preenchimento, além da possibilidade de deslocamento do reforço durante a injeção da resina (MILANESE, 2012). Outro ponto de atenção em relação a essa técnica é a formação de vazios nos laminados, fato que pode ser associado à impregnação incompleta da fibra pela matriz, resultando em retenção de ar no interior dos filamentos e liberação de substâncias voláteis presentes nos componentes da formulação da matriz, que ocorre na etapa de polimerização, o que diminui a resistência estática e a vida em fadiga dos laminados (GIOVEDI et al., 2004; COSTA et al., 2001).

26 24 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. Materiais Para o desenvolvimento desse trabalho foram processadas por meio do método RTM, 3 laminados de material compósito utilizando 3 resinas epóxi diferentes como matriz, e 3 tecidos de fibra de carbono diferentes como reforço, conforme as combinações mostradas na tabela 2: Tabela 2 Composição dos laminados Laminado Fibra de Carbono Resina Epóxi 1 HexForce AGP198-P (Hexcel ) RL 3135-LV (Polipox ) 2 G0926 D 1304 INJ E01 2F (Hexcel ) HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) 3 Saertex + Hexcel IM7 GP (Hexcel ) PRISM EP2400 (Cytec ) Resina epóxi Para a laminado 1 foi utilizada uma resina epóxi bicomponente de baixa viscosidade produzida em território nacional (Polipox Indústria e Comércio LTDA). Trata-se de um sistema composto por resina epóxi modificada livre de solventes e endurecedor com adulto de amina ciclo alifática na proporção 70-30%. A mistura apresenta cura a frio resultando em um polímero termorrígido. Para a laminado 2 foi utilizada a resina epóxi bicomponente HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT produzida pela Hexcel. De acordo com o boletim técnico, a resina apresenta uma temperatura de transição vítrea (Tg) (a partir do módulo de armazenamento) em torno de 183ºC livre de

27 25 umidade e de 167ºC no estado úmido. O processo de cura deve ser realizado, segundo o fabricante, a uma temperatura de 165ºC por um período de aproximadamente 1,5 horas (90 minutos). Para a laminado 3 foi utilizada a resina epóxi monocomponente PRISM EP2400 produzida pela Cytec Engineered Materials. Trata-se de uma resina líquida tenacificada que permite um processo simples e flexível com tolerância ao dano, requisito exigido para compósitos aplicados em estruturas primárias. De acordo com o boletim técnico, a resina apresenta uma temperatura de transição vítrea (Tg) (a partir do módulo de armazenamento) em torno de 179ºC livre de umidade e de 163ºC no estado úmido. O processo de cura deve ser realizado, segundo o fabricante, a 180ºC por 2 horas. As propriedades das resinas foram dispostas na tabela 3: Tabela 3 Propriedades das resinas Propriedades Resina (laminado 1) Resina (laminado 2) Resina (laminado 3) Massa específica da resina curada - 1,14 g/cm³ 1,24 g/cm³ Tempo de endurecimento 200 min a 25ºC 75 min a 160 ºC - Tempo de cura total 7 dias a 25ºC - - Resistência térmica (ºC) - - Resistência à tração 78,4 88,3 (MPa) 75 Mpa 95 MPa Módulo de flexão - 3,3 GPa 3,4 GPa Resistência à flexão 117,7 147,1 (MPa) 132 Mpa 164 MPa Fibra de Carbono Para a laminado 1 foi utilizado um tecido de fibra de carbono HexForce AGP198-P (Hexcel ) do tipo Plain Weave com gramatura de 193 g/m 2.

28 26 Para a laminado 2 foi utilizado um tecido de fibra de carbono G0926 D 1304 INJ E01 2F (HexCel ) do tipo Satin Weave com gramatura de 391 g/m 2. Para a laminado 3 foi utilizado um tecido biaxial da empresa Saertex com fibra de carbono Hexcel IM7 GP (Hexcel ) do tipo quadriaxial com gramatura de 410 g/m Liga de alumínio Para a realização deste trabalho, levou-se em consideração o comportamento mecânico da liga de alumínio 7050 T74 como parâmetro a ser comparado aos resultados obtidos nos ensaios mecânicos dos laminados processados. Esta liga é utilizada em estruturas primárias de aeronaves, pois possui alta resistência mecânica e alta resistência à corrosão sob tensão. Vale ressaltar que estruturas primárias são aquelas que garantem a rigidez de sua forma, bem como a integridade de sua estrutura quando submetida a esforços e que, se falharem, colocam em risco a operação da aeronave. As especificações desta liga seguem a norma MIL-A-22771D (MIL-A D, 1984), as quais estão representadas na tabela 4: Tabela 4 Especificação da liga 7050 T74 (MIL-A-22771D) Liga Espessura (mm) Resistência à tração ( MPa) Deformação (%) 7050 T74 Até 50,4 496,42 7

29 Métodos Os métodos utilizados para a caracterização das matérias primas e dos laminados processados no decorrer deste trabalho foram descritos neste capítulo Viscosimetria da resina epóxi As viscosidades das resinas epóxi utilizadas neste trabalho foram determinadas por meio de um viscosímetro Brookfield, modelo DV-II + PRO RV, utilizando um fuso tipo SC4-27 e volume de amostragem de 10 ml. Esse equipamento possui cilindros coaxiais e mede a viscosidade por meio do torque gerado pela resistência do fluido no qual o fuso está imerso Calorimetria exploratória diferencial (DSC) A determinação da temperatura de transição vítrea das resinas empregadas nesse trabalho foi realizada utilizando-se um equipamento Seiko, Modelo 6220 SII Nanotechnology em célula de alumínio e atmosfera inerte de nitrogênio. O fluxo de gás utilizado foi de 20 ml/min com razão de aquecimento de 20ºC/min em amostras de aproximadamente 10 mg, conforme estabelece a norma ASTM D3418.

30 Termogravimetria (TGA) A fim de estabelecer a temperatura de degradação térmica das resinas empregadas nesse trabalho, bem como seus estágios de degradação foi realizada uma análise termogravimétrica utilizando-se um equipamento modelo TG/DTA 6200 SII da Nano Technology Inc., com fluxo de nitrogênio de 100 ml/min, razão de aquecimento de 10ºC/min, e temperatura na faixa de ºC, conforme estabelece a norma ASTM E Análise dinâmico-mecânica (DMA) As resinas empregadas neste trabalho foram submetidas a uma análise dinâmico-mecânica, que por sua vez foi realizada em um equipamento modelo DMA 6100 SII da Nano Technology Inc., com fluxo de nitrogênio de 100 ml/min, razão de aquecimento de 5ºC/min e temperatura na faixa de ºC. As análises foram realizadas na frequência de 1 Hz. Todos os parâmetros foram determinados de acordo com a norma ASTM D Processamento dos compósitos via RTM Os laminados foram processados de forma semelhante em um equipamento Radius 2100cc RTM Injector instalado no Laboratório de Processamento de Compósitos do Departamento de Materiais e Tecnologia da UNESP Guaratinguetá (Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá). Este equipamento possui um sistema de injeção e pressão controlados.

31 29 A resina é colocada em um cilindro que possui um pistão de acionamento pneumático e é transferida ao molde (no qual a fibra de carbono encontra-se previamente fixada) por meio de uma linha de injeção (seringa) conectada a um sistema de coleta de dados. A figura 4 mostra o equipamento já montado e pronto para o processamento do compósito: Figura 4 Sistema RTM pronto para processamento Na figura foram identificados o equipamento e seus acessórios, conforme descrição abaixo: 1. Equipamento de injeção de resina com controle de pressão e temperatura; 2. Molde em aço com canal de injeção unidirecional; 3. Sistema de aquecimento do molde com resistências inferior e superior e controle de temperatura independente (interligado ao sistema de coleta de dados); 4. Controlador de vácuo; 5. Trap utilizado para absorver o excesso de resina não impregnado ao tecido;

32 30 6. Bomba de vácuo. O processamento dos laminados de compósito pode ser representado simplificadamente conforme a figura 5: Figura 5 Fluxograma simplificado do processo RTM É fundamental que antes de iniciar o processamento propriamente dito, seja feita uma preparação do molde e do sistema como um todo. O molde deve estar limpo e recoberto por uma camada de desmoldante com o objetivo de garantir um bom acabamento da peça, bem como facilitar a desmoldagem. O número de camadas de tecido que foi colocado no molde foi definido em função da fração volumétrica de fibras necessárias para aplicação aeronáutica (mais de 50%), considerando a gramatura e espessura do tecido e volume da cavidade do molde.

33 31 O tecido foi colocado no molde, o qual é constituído por três partes: inferior, onde a resina é injetada; central, que fornece a espessura do compósito e superior, responsável pelo fechamento do molde. A resina foi preparada e inserida dentro do cilindro. A etapa de injeção de resina dentro do molde seguiu os parâmetros apresentados na tabela 5: Tabela 5 Parâmetros de injeção das resinas Parâmetros de injeção Resina (laminado 1) Resina (laminado 2) Resina (laminado 3) Temperatura de injeção 30ºC (ºC) (ºC) Pressão de injeção 2,5-7,5 (bar) 1,0-3,0 (bar) 2,5-7,5 (bar) Tempo de injeção 60 min 60 min 60 min Após o término da injeção o molde foi submetido ao processo de cura (laminado 1 temperatura ambiente de aproximadamente 25ºC; laminado 2 180ºC e laminado ºC), desmoldagem e pós-cura. A espessura dos laminados obtidos foi de aproximadamente 3,1 mm Análises térmicas dos compósitos Para a caracterização dos laminados foram realizadas as seguintes análises: dinâmico-mecânica (DMA), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e termogravimetria (TGA), aplicando os mesmos parâmetros já utilizados para as análises térmicas das resinas epóxi.

34 Análise acústica ultrassom C-Scan Visando identificar a presença de vazios nos laminados, que por sua vez podem atuar como concentradores de tensões, foi realizada a inspeção acústica utilizando o equipamento da MATEC, modelo PSS-600 (figura 6), por imersão em água, com imagens obtidas pelo software MUSI32 desenvolvido pelo fabricante do equipamento, que por sua vez está instalado no Laboratório de Processamento de Compósitos do Departamento de Materiais e Tecnologia da UNESP Guaratinguetá (Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá). Esse software permite visualizar as atenuações encontradas por meio de uma escala de cores. Para os dados coletados foram utilizados transdutores côncavos de frequência 2,5 Hz. Figura 6 Equipamento de análise acústica ultrassom C-Scan, MATEC, modelo PSS Digestão ácida No intuito de determinar as frações volumétricas de fibra e matriz dos laminados foi realizada a análise de digestão ácida conforme estabelece a

35 33 norma ASTM D A digestão foi realizada em um digestor marca Marconi, por meio da imersão das amostras previamente pesadas dos três laminados em ácido sulfúrico concentrado (H 2 SO 4 ). O sistema foi aquecido até a temperatura de 250ºC e mantido por um período de aproximadamente 3 horas. Decorrido esse tempo, o aparelho foi desligado e fez-se a adição de uma solução de peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) 50% (v/v), promovendo a flutuação das fibras sobre a solução. As soluções obtidas foram filtradas por meio de um funil de Büchner (sob vácuo). O resíduo (fibra de carbono) foi lavado três vezes com água destilada e uma vez com acetona. As fibras foram secas em estufa a 100ºC por 1 hora e, após esfriar em dessecador por mais 1 hora, foram pesadas em balança analítica Ensaio de flexão O ensaio de flexão seguiu as recomendações da norma ASTM D790. Os laminados tinham espessura aproximada de 3,1 mm. Dessa forma a distância entre os apoios deveria ser calculada multiplicando a espessura por 16, o que resultou em 49,6 mm. Além disso, para um posicionamento do corpo de prova na máquina de ensaios, seu comprimento total deveria ser obtido adicionando 10% da distância dos apoios de cada lado do corpo de prova, totalizando um comprimento de aproximadamente 59,5 mm. Também é estabelecido na norma que a largura do corpo de prova deve ser 12,7 mm. As dimensões do corpo de prova estão representadas na figura 7:

36 34 Figura 7 Dimensões do corpo de prova para o ensaio de flexão de acordo com a norma ASTM D790 Os ensaios foram realizados no equipamento Shimadzu, modelo AG- X, instalado no Laboratório de Processamento de Compósitos do Departamento de Materiais e Tecnologia da UNESP Guaratinguetá (Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá) (figura 8), com uma célula de carga de 5 kn, velocidade do atuador de 5,0 mm/min e temperatura ambiente de aproximadamente 25ºC. Figura 8 Equipamento universal de ensaio de flexão, Shimadzu, modelo AG-X

37 Ensaio de tração Os ensaios foram realizados no equipamento Instron, modelo 8801, instalado no Laboratório de Processamento de Compósitos do Departamento de Materiais e Tecnologia da UNESP Guaratinguetá (Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá), (figura 9), com uma célula de carga de 100 kn, velocidade do atuador de 5,0 mm/min e temperatura ambiente de aproximadamente 25ºC. Foram utilizados cinco corpos de prova para cada laminado e suas dimensões seguiram as recomendações da norma ASTM D3039. Figura 9 Equipamento universal de ensaio de tração, Instron, modelo 8801

38 36 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Este capítulo apresenta os resultados obtidos, bem com as discussões referentes aos ensaios realizados tanto nas matérias primas quanto nos laminados processados Viscosimetria Resina epóxi RL 3135-LV (Polipox ) laminado 1 Foram determinadas as isotermas de viscosidade nas temperaturas de 26 e 30ºC respectivamente. A escolha dessas isotermas baseou-se nas recomendações do fabricante, bem como no parâmetro de injeção da resina utilizado no processamento do laminado. O resultado dessa análise pode ser verificado na figura 10: Figura 10 Gráfico da viscosidade x tempo RL 3135-LV (Polipox )

39 37 Pode-se constatar que o aumento da temperatura diminuiu consideravelmente a viscosidade da resina, quando comparamos as curvas das duas isotermas analisadas. Analisando isoladamente cada isoterma, pode-se verificar que o valor da viscosidade aumentou gradativamente. Vale ressaltar que durante o processamento a resina é colocada no interior do cilindro por 30 minutos, onde é aquecida até a temperatura de injeção, que nesse caso foi de 30ºC. Sendo assim, pode-se concluir que a viscosidade da resina durante a etapa de injeção era de aproximadamente 110 mpa.s Resina epóxi HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) laminado 2 Foram determinadas as isotermas de viscosidade nas temperaturas de 80 e 90ºC respectivamente. A escolha dessas isotermas baseou-se nas recomendações do fabricante, bem como no parâmetro de injeção da resina utilizado no processamento do laminado. O resultado dessa análise pode ser verificado na figura 11: Figura 11 Gráfico da viscosidade x tempo HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel )

40 38 Pode-se constatar que o aumento da temperatura diminuiu consideravelmente a viscosidade da resina, quando comparamos as curvas das 2 isotermas analisadas. Analisando isoladamente cada isoterma, pode-se verificar que a viscosidade caiu em um primeiro momento, e posteriormente seu valor permaneceu praticamente constante. Vale ressaltar que durante o processamento a resina é colocada no interior do cilindro por 30 minutos, onde é aquecida até a temperatura de injeção, que nesse caso foi de 80 90ºC. Sendo assim, pode-se concluir que a viscosidade da resina durante a etapa de injeção era de aproximadamente 80 mpa.s (90ºC) 130 mpa.s (80ºC) Resina epóxi PRISM EP2400 (Cytec ) laminado 3 Foram determinadas as isotermas de viscosidade nas temperaturas de 90, 100 e 120ºC respectivamente. A escolha dessas isotermas baseou-se nas recomendações do fabricante, bem como no parâmetro de injeção da resina utilizado no processamento do laminado. O resultado dessa análise pode ser verificado na figura 12: Figura 12 Gráfico da viscosidade x tempo PRISM EP2400 (Cytec )

41 39 Pode-se constatar que o aumento da temperatura diminuiu consideravelmente a viscosidade da resina, quando comparamos as curvas das 3 isotermas analisadas. Analisando isoladamente cada isoterma, pode-se verificar que a viscosidade caiu em um primeiro momento, e posteriormente seu valor aumentou gradativamente. Vale ressaltar que durante o processamento a resina é colocada no interior do cilindro por 30 minutos, onde é aquecida até a temperatura de injeção, que nesse caso foi de ºC. Sendo assim, pode-se concluir que a viscosidade da resina durante a etapa de injeção era de aproximadamente 55 mpa.s (120ºC) 130 mpa.s (100ºC) Calorimetria exploratória diferencial (DSC) Resina epóxi RL 3135-LV (Polipox ) laminado 1 A partir da análise DSC da resina epóxi utilizada no processamento do laminado 1 foi possível obter as temperaturas inicial, de pico e final de polimerização, conforme a figura 13: Figura 13 Curva DSC dinâmica RL 3135-LV (Polipox )

42 40 Observa-se que a temperatura inicial de polimerização foi de aproximadamente 60ºC, a de pico foi de 128,2ºC e a final foi de aproximadamente 240ºC. Dentre as temperaturas encontradas, optou-se pela escolha da temperatura inicial de polimerização (60ºC) como temperatura de cura, pois utilizando essa temperatura possivelmente o tempo de cura seria maior e, consequentemente haveria maior eliminação de compostos voláteis. Com o objetivo de estimar o tempo de cura para a temperatura de 60ºC escolhida foi realizado o estudo isotérmico conforme a figura 14: Figura 14 Curva DSC isoterma 60ºC RL 3135-LV (Polipox ) A partir do estudo concluiu-se que o tempo de cura para uma isoterma de 60ºC é de aproximadamente 4 horas. Sendo assim, uma amostra da resina foi curada em estufa a 60ºC por 4 horas, e em seguida ela foi submetida a uma nova varredura dinâmica para a determinação da temperatura de transição vítrea (T g ), conforme a figura 15:

43 41 Figura 15 Curva DSC amostra da resina curada RL 3135-LV (Polipox ) A partir da varredura realizada na amostra da resina curada, obtevese uma T g de aproximadamente 50,3ºC Resina epóxi PRISM EP2400 (Cytec ) laminado 3 A partir da análise DSC da resina epóxi utilizada no processamento do laminado 3 foi possível obter as temperaturas inicial, de pico e final de polimerização, conforme a figura 16: Figura 16 Curva DSC dinâmica PRISM EP2400 (Cytec )

44 42 Observa-se que a temperatura inicial de polimerização foi de aproximadamente 110ºC, a de pico foi de 214,5ºC e a final foi de aproximadamente 250ºC. Dentre a faixa de temperatura encontrada, optou-se pela escolha da temperatura de 180ºC como temperatura de cura, conforme a recomendação do fabricante. Com o objetivo de estimar o tempo de cura para a temperatura de 180ºC escolhida foi realizado o estudo isotérmico conforme a figura 17: Figura 17 Curva DSC isoterma 180ºC PRISM EP2400 (Cytec ) A partir do estudo concluiu-se que o tempo de cura para uma isoterma de 180ºC é de aproximadamente 1,7 horas (100 minutos). Sendo assim, uma amostra da resina foi curada em estufa a 180ºC por 1,7 horas (100 minutos), e em seguida ela foi submetida a uma nova varredura dinâmica para a determinação da temperatura de transição vítrea (T g ), conforme a figura 18:

45 43 Figura 18 Curva DSC amostra da resina curada PRISM EP2400 (Cytec ) A partir da varredura realizada na amostra da resina curada, obtevese uma T g de aproximadamente 158,6ºC Termogravimetria (TGA) Resina epóxi RL 3135-LV (Polipox ) laminado 1 A resina foi curada e submetida à análise TGA, de modo a estabelecer a temperatura de degradação térmica e seus estágios de degradação. Conforme pode ser visto na figura 19, a temperatura de degradação é de aproximadamente 135,0ºC. A partir dessa temperatura, as ligações primárias das cadeias moleculares do polímero começam a quebrar, causando uma perda de integridade estrutural, tornando-o mais suscetível a fraturas. A perda de massa ocorre até a temperatura de 600ºC, quando pode-se verificar uma massa restante de aproximadamente 8% da massa inicial.

46 44 Figura 19 Curva TGA RL 3135-LV (Polipox ) Resina epóxi HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) laminado 2 A resina foi curada e submetida à análise TGA, de modo a estabelecer a temperatura de degradação térmica e seus estágios de degradação. Conforme pode ser visto na figura 20, a temperatura de degradação é de aproximadamente 353,7ºC. A perda de massa ocorre até a temperatura de 600ºC, quando pode-se verificar uma massa restante de aproximadamente 17% da massa inicial.

47 45 Figura 20 Curva TGA HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) Resina epóxi PRISM EP2400 (Cytec ) laminado 3 A resina foi curada e submetida à análise TGA, de modo a estabelecer a temperatura de degradação térmica e seus estágios de degradação. Conforme pode ser visto na figura 21, a temperatura de degradação é de aproximadamente 270,0ºC. A perda de massa ocorre até a temperatura de 600ºC, quando pode-se verificar uma massa restante de aproximadamente 18% da massa inicial.

48 46 Figura 21 Curva TGA PRISM EP2400 (Cytec ) 4.4. Análise dinâmico-mecânica (DMA) Resina epóxi RL 3135-LV (Polipox ) laminado 1 A figura 22 mostra as curvas resultantes da análise DMA em que a resina foi submetida. Nela pode-se observar as curvas do módulo dinâmico (E ), em verde; do módulo da perda (E ), em vermelho; e do amortecimento (tan δ) em azul.

49 47 Figura 22 Curva DMA RL 3135-LV (Polipox ) É possível verificar a partir da curva do módulo dinâmico, que a T g da resina possui valor igual a 48,3ºC, ponto em que se observa a perda de energia associada ao armazenamento, ou seja, a região elástica do material. Vale ressaltar que o valor encontrado para a T g utilizando a análise DSC foi de 50,3ºC, porém, segundo o ASM Handbook (2001), a DMA detecta a T g com maior precisão, nesse caso, para a resina em questão consideraremos uma T g de 48,3ºC Resina epóxi HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) laminado 2 A figura 23 mostra as curvas resultantes da análise DMA em que a resina foi submetida. Nela pode-se observar as curvas do módulo dinâmico (E ), em verde; do módulo da perda (E ), em vermelho; e do amortecimento (tan δ) em azul.

50 48 Figura 23 Curva DMA HexFlow RTM 6 BI-COMPONENT (Hexcel ) É possível verificar a partir da curva do módulo dinâmico, que a T g da resina possui valor igual a 139,0ºC, ponto em que se observa a perda de energia associada ao armazenamento, ou seja, a região elástica do material Resina epóxi PRISM EP2400 (Cytec ) laminado 3 A figura 24 mostra as curvas resultantes da análise DMA em que a resina foi submetida. Nela pode-se observar as curvas do módulo dinâmico (E ), em verde; do módulo da perda (E ), em vermelho; e do amortecimento (tan δ) em azul.

51 49 Figura 24 Curva DMA PRISM EP2400 (Cytec ) Ao realizar a análise dos resultados é possível verificar a partir da curva do módulo dinâmico, que a T g da resina possui valor aproximado de 138,2ºC. Vale ressaltar que o valor encontrado para a T g utilizando a análise DSC foi de 158,6ºC. Utilizando o mesmo critério adotado para o laminado 1 consideraremos a T g encontrada por meio da análise DMA, 138,2ºC Análises térmicas dos compósitos Calorimetria exploratória diferencial laminado 1 A análise de DSC do laminado 1 (figura 25) forneceu informações a respeito de sua T g, que por sua vez é igual a 48,2ºC. Esse valor é inferior ao encontrado por meio da DSC na resina sem o reforço (T g = 50,3ºC), o que pode ser explicado pela presença das fibras as quais, por sua vez, impedem o movimento das cadeias poliméricas da resina, dificultando a relaxação.

52 50 Figura 25 Curva DSC laminado Calorimetria exploratória diferencial laminado 3 A análise de DSC do laminado 3 (figura 26) forneceu informações a respeito de sua T g, que por sua vez é igual a 163,5ºC. Esse valor é superior ao encontrado por meio da DSC na resina sem o reforço (T g = 158,6ºC), o que pode ser explicado também pela presença das fibras as quais, por sua vez, impedem o movimento das cadeias poliméricas da resina, dificultando a relaxação. Figura 26 Curva DSC laminado 3

53 Termogravimetria (TGA) laminado 1 O laminado 1 foi submetido à análise TGA, de modo a estabelecer a temperatura de degradação térmica e seus estágios de degradação. Posteriormente foi comparada a temperatura de degradação obtida pela análise TGA da resina utilizada no processamento do laminado, com a temperatura obtida a partir do TGA do laminado. Conforme pode ser visto na figura 27, a temperatura de degradação é de aproximadamente 191,0ºC. Essa temperatura, por sua vez é maior do que a observada para a resina sem reforço (T = 135,0ºC), já que a interação existente entre o tecido e a matriz favorece a estabilidade térmica da amostra. Figura 27 Curva TGA laminado 1

54 Termogravimetria (TGA) laminado 2 O laminado 2 foi submetido à análise TGA, de modo a estabelecer a temperatura de degradação térmica e seus estágios de degradação. Posteriormente foi comparada a temperatura de degradação obtida pela análise TGA da resina utilizada no processamento do laminado, com a temperatura obtida a partir do TGA do laminado. Conforme pode ser visto na figura 28, a temperatura de degradação é de aproximadamente 368,7ºC. Essa temperatura, por sua vez é maior do que a observada para a resina sem reforço (T = 353,7ºC), já que a interação existente entre o tecido e a matriz favorece a estabilidade térmica da amostra. Figura 28 Curva TGA laminado 2

55 Termogravimetria (TGA) laminado 3 O laminado 3 foi submetido à análise TGA, de modo a estabelecer a temperatura de degradação térmica e seus estágios de degradação. Posteriormente foi comparada a temperatura de degradação obtida pela análise TGA da resina utilizada no processamento do laminado, com a temperatura obtida a partir do TGA do laminado. Conforme pode ser visto na figura 29, a temperatura de degradação é de aproximadamente 310,0ºC. Essa temperatura, por sua vez é maior do que a observada para a resina sem reforço (T = 270,0ºC), já que a interação existente entre o tecido e a matriz favorece a estabilidade térmica da amostra. Figura 29 Curva TGA laminado 3

56 E" Pa E' Pa tand Análise dinâmico-mecânica (DMA) laminado 1 A figura 30 mostra as curvas resultantes da análise DMA em que o laminado 1 foi submetido. Nela observa-se as curvas do módulo dinâmico (E ), em verde; do módulo da perda (E ), em vermelho; e do amortecimento (tan δ) em azul. 6.2E E Cel 1.000Hz 5.1E+09Pa Cel 1.000Hz 8.7E+08Pa Cel 1.000Hz E E Temp Cel Figura 30 Curva DMA laminado 1 É possível verificar a partir da curva do módulo dinâmico, que a T g do laminado possui valor igual a 45,2ºC. Esse valor, por sua vez, é menor do que o obtido na análise DMA da resina utilizada no processamento do laminado 1 (T g = 48,3ºC). Esse cenário já era esperado, uma vez que a T g obtida por meio da análise DSC foi igualmente menor no compósito em comparação com a resina. Isso pode ter ocorrido, pois a presença de fibras de carbono possivelmente diminuiu a densidade de ligações cruzadas, aumentando a mobilidade das cadeias poliméricas, o que resultou em um valor menor de T g.

57 Análise dinâmico-mecânica (DMA) laminado 2 A figura 31 mostra as curvas resultantes da análise DMA em que o laminado 1 foi submetido. Nela observa-se as curvas do módulo dinâmico (E ), em verde; do módulo da perda (E ), em vermelho; e do amortecimento (tan δ) em azul. Figura 31 Curva DMA laminado 2 É possível verificar a partir da curva do módulo dinâmico, que a T g do laminado possui valor igual a 184,1ºC. Esse valor, por sua vez, é maior do que o obtido na análise DMA da resina utilizada no processamento do laminado 3 (T g = 139,0ºC). Isso pode ter ocorrido, pois a inclusão do reforço de carbono diminui a mobilidade das cadeias poliméricas, sendo assim é necessária uma energia maior para ocorrer a movimentação dessas cadeias, resultando em uma T g maior. Além disso, o reforço de carbono é termicamente mais estável se comparado à resina.

58 Análise dinâmico-mecânica (DMA) laminado 3 A figura 32 mostra as curvas resultantes da análise DMA em que o laminado 3 foi submetido. Nela observa-se as curvas do módulo dinâmico (E ), em verde; do módulo da perda (E ), em vermelho; e do amortecimento (tan δ) em azul. Figura 32 Curva DMA laminado 3 É possível verificar a partir da curva do módulo dinâmico, que a T g do laminado possui valor igual a 153,5ºC. Esse valor, por sua vez, é maior do que o obtido na análise DMA da resina utilizada no processamento do laminado 3 (T g = 138,2ºC). Esse cenário era esperado, uma vez que a T g obtida por meio da análise DSC foi igualmente maior no compósito em comparação com a resina. Isso pode ter ocorrido, pois a inclusão do reforço de carbono diminui a mobilidade das cadeias poliméricas, sendo assim é necessária uma energia maior para ocorrer a movimentação dessas cadeias, resultando em uma T g maior. Além disso, o reforço de carbono é termicamente mais estável se comparado à resina.

59 Análise acústica por ultrassom C-Scan A análise acústica por ultrassom método C-Scan utiliza como referência a escala de cores da figura 33, em que 0% (preto) representa alta atenuação ou região do material de baixa densidade (com vazios), e 100% (branco) representa nenhuma atenuação ou completo retorno do eco. Figura 33 Escala de cores de referência (software MUSI32 MATEC) O resultado obtido por meio dessa análise para o laminado 1 encontra-se na figura 34, em que a seta representa o sentido de injeção da resina: Figura 34 Análise acústica C-Scan (laminado 1)

60 58 É possível observar que a lateral esquerda do laminado 1 apresentou retorno do sinal na faixa de 40-50%, fato que pode ter sido causado pelo excesso de silicone aplicado nas bordas internas do molde para a fixação da fibra de carbono; o silicone impediu a impregnação da resina nas fibras. É possível observar também na região de saída do molde verifica-se um retorno de sinal em torno de 50-60% que pode ter sido causado pelo excesso de resina. No geral verifica-se uma impregnação satisfatória ao longo do laminado, com retorno de sinal na faixa de 80% (regiões em vermelho). O resultado obtido por meio da análise acústica por ultrassom para o laminado 2 encontra-se na figura 35, em que a seta representa o sentido de injeção da resina: Figura 35 Análise acústica C-Scan (laminado 2) É possível observar que a lateral direita do laminado 2 apresentou pequenos pontos com alta atenuação, ou seja, baixo valor de retorno do

61 59 sinal de ultrassom (regiões em preto). Esses pontos podem ter sido ocasionados por excesso de resina ou desarranjo do tecido. No geral verifica-se uma impregnação satisfatória ao longo do laminado, com retornos de sinal na faixa de 60-80%. O resultado obtido por meio da análise acústica por ultrassom para o laminado 3 encontra-se na figura 36, em que a seta representa o sentido de injeção da resina: Figura 36 Análise acústica C-Scan (laminado 3) É possível observar que a lateral direita do laminado 3 apresentou alta atenuação, ou seja, baixo valor de retorno do sinal de ultrassom (regiões em preto). A explicação para esse fato deve-se ao excesso de silicone aplicado nas bordas internas do molde para a fixação da fibra de carbono; o silicone impediu a impregnação da resina nas fibras. É possível observar também que uma pequena porção do laminado apresentou retorno do sinal na faixa de 50-60%, fato que pode ter sido causado por uma maior concentração de resina nessa região.