Introdução a Compósitos

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1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Mecânica MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação Introdução a Compósitos Dr. Alfredo R. de Faria

2 Agenda Definições básicas Lâmina Laminado 2

3 Definições básicas Material compósito éum material constituído de duas fases combinadas numa escala macroscópica cujo desempenho e propriedades para uma dada aplicação são superiores aos materiais constituintes agindo independentemente. As fases constituintes de um compósito são: reforço: geralmente descontínua, mais rígida e mais resistente matriz: contínua e geralmente menos rígida e resistente Além da matriz e do reforço, a interfaceentre essas fases também afeta as propriedades mecânicas do compósito Uma boa interface (resultado da compatibilidade química entre as fases) é essencial para a resistência e rigidez do compósito reforço matriz compósito 3

4 Definições básicas Funções da matriz mantém o reforço agregado e distribui as cargas protege o reforço de dano químico e mecânico componente dominante nas propriedades de: resistência ao impacto e tenacidade temperatura de serviço comportamento viscoelástico(creep) propriedades transversais 4

5 Definições básicas Homogeneidade um material éhomogêneoquando as suas propriedades não variam de ponto a ponto no material ou não dependem da localização um material éheterogêneoquando as suas propriedades variam de ponto a ponto no material ou dependem da localização o conceito de homogeneidade de um material estáassociado a uma escala ou volume característico um material pode ser considerado como homogêneo numa escala macroscópica mas heterogêneo numa escala microscópica materiais compósitos se enquadram no caso acima 5

6 Definições básicas Homogeneidade Material heterogêneo numa escala microscópica Material homogêneo numa escala macroscópica fibra matriz 6

7 Definições básicas Anisotropia muitas propriedades dos materiais, tais como rigidez, resistência, expansão térmica e condutividade térmica estão associadas com uma direção ou com a orientação dos eixos de referência um material éisotrópico quando as suas propriedades são as mesmas em todas as direções ou independente da orientação dos eixos de referência o conceito de homogeneidade de um material estáassociado a uma escala ou volume característico 7

8 Agenda Definições básicas Lâmina Laminado 8

9 Quanto ao tipo de reforço arranjo geométrico particulado fibra descontínua fibra contínua 9

10 Quanto ao tipo de reforço arranjo geométrico um compósito particuladoconsiste de partículas de várias formas e tamanhos dispersas aleatoriamente na matriz os compósitos particulados podem ser considerados quase-homogêneos numa escala bem maior do que o tamanho médio das partículas devido a aleatoriedade da distribuição das partículas os compósitos particulados podem ser considerados quase-isotrópicos Exemplos de compósitos particulados: concreto partículas de alumínio em poliuretano (usado em propelentes de foguetes) partículas de carbeto de silício em alumínio 10

11 Quanto ao tipo de reforço arranjo geométrico um compósito com fibras descontínuas contém fibras curtas ou whiskers como reforço; as fibras são longas em relação ao diâmetro a orientação das fibras pode ser aleatória ou unidirecional utilização em geral em aplicações de baixa solicitação mecânica devido a aleatoriedade da distribuição das fibras os compósito com fibras descontínuas com orientação aleatória podem ser considerados quaseisotrópicos o material pode ser encontrado na forma de mantas de fibras picadas 11

12 Quanto ao tipo de reforço arranjo geométrico Compósito com fibras descontínuas aleatória unidirecional manta de fibra de carbono (fibras curtas dispostas aleatoriamente) 12

13 Quanto ao tipo de reforço arranjo geométrico um compósito com fibras contínuascontém fibras longas e contínuas como reforço a orientação das fibras pode ser unidirecional, bi-direcional ou multidirecional utilização em aplicações onde se requer alta rigidez e resistência unidirecional bi-direcional multidirecional 13

14 Quanto ao tipo de reforço arranjo geométrico As fibras contínuas são fornecidas em várias formas: roving(fio seco) lâmina unidirecional pré-impregnada (tape) tecido (pré-impregnado ou seco) tecido roving 14

15 Quanto ao tipo de reforço arranjo geométrico reforço particulado reforço de fibras descontínuas reforço de fibras contínuas a) unidirecional a) unidirecional quaseisotrópico b) orientação aleatória b) tecido (cross-ply) c) multidirecional 15

16 Quanto ao tipo de matriz polimérica cerâmica metálica carbono 16

17 Quanto ao tipo de matriz Matriz polimérica termoplástica Matriz polimérica termorígida Aplicações: compósitos reforçados por fibra de vidro, kevlarou carbono em aplicações de temperaturas relativamente baixas Vantagens: alta rigidez e resistência específica fácil processamento custo de fabricação relativamente baixo flexibilidade na orientação das fibras 17

18 Quanto ao tipo de matriz Matriz polimérica termoplástica PEEK (poli-éter-éter-cetona) Polisulfona PEI (poli-éter-imida) Características alto custo alta tenacidade e ductilidade consolidação: transformação física processamento difícil temperatura de uso limitada pela temperatura de amolecimento ou fusão 18

19 Quanto ao tipo de matriz Matriz polimérica termorígida epoxi poli-imida poliester fenólica Características cura: transformação química uma vez curada não pode ser re-fundida resistente, rígida e frágil armazenamento com refrigeração perecível (shelf life limitada) processamento simples temperatura de uso relativamente baixa 19

20 Quanto ao tipo de matriz Matriz cerâmica reforçada por fibras de cerâmica carbeto de silício óxido de alumínio nitreto de silício Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas muito elevadas Características alta temperatura de uso baixa densidade alta rigidez e dureza processamento complexo isolamento elétrico frágil baixa tenacidade à fratura baixa tolerância ao dano 20

21 Quanto ao tipo de matriz Matriz metálica reforçada por fibra de boro, carbono ou cerâmica alumínio magnésio titânio Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas elevadas e propriedades mecânicas elevadas Características alta temperatura de uso alta rigidez e resistência (3D) alta condutividade térmica dúctil alta tenacidade à fratura alta tolerância ao dano 21

22 Quanto ao tipo de matriz Matriz de carbono reforçada por fibras de carbono compósito carbono-carbono Aplicações que requerem alta resistência a temperaturas muito elevadas (exemplos: tubeira de foguete, freios de aviões Características alta temperatura de uso alta rigidez baixa densidade baixa expansão térmica boa condutividade térmica e elétrica processamento difícil 22

23 Agenda Definições básicas Lâmina Laminado 23

24 Lâmina Definição lâmina é uma camada de fibras unidirecionais ou tecidas embebidas em uma matriz os eixos principais do material são: 1. direção longitudinal à fibra 2. direção transversal à fibra no plano da lâmina 3. direção perpendicular ao plano da lâmina 3 (perpendicular ao plano) 2 (transversal, no plano) 1 (longitudinal) 24

25 Lâmina Orientação o ângulo de laminação de uma lâmina éo ângulo do eixo xdo sistema de coordenadas usado até a direção da fibra (ou longitudinal da lâmina) o eixo zdo sistema de coordenadas deve ser sempre normal ao plano da lâmina o ângulo de laminação depende do sistema de coordenadas escolhido 2 z 3 θ y 1 θ x 25

26 Lâmina Orientação no caso de lâmina de tecido, háfibras em duas direções ortogonais: a direção do urdumee a direção da trama nesse caso, o ângulo de laminação da lâmina éo ângulo do eixo xdo sistema de coordenadas usado atéa direção do urdume(ou trama, conforme convencionado) quando se acrescenta 180 o no ângulo de laminação, obtém-se a mesma direção das fibras exemplo: θ 1 = 90 o e θ 2 = 90 o representam o mesmo ângulo de laminação a orientação da lâmina depende do sistema de referência 26

27 Agenda Definições básicas Lâmina Laminado 27

28 Laminado Definição um laminadoéconstituído por duas ou mais lâminas empilhadas em orientações arbitrárias um laminado pode ser constituído de lâminas de materiais diferentes; nesse caso o laminado é chamado laminado híbrido z 0 o o o + 45 o x y 28

29 Laminado Notação um laminado é descrito pelas características de cada lâmina que o compõe os dados necessários de cada lâmina são: material espessura ângulo de laminação se todas as camadas forem de mesma espessura e mesmo material, o laminado pode ser descrito pelos ângulos de laminação ordenados do fundo do laminado para o topo exemplo: [90 / +45 / 45 / 0] T o sub-escrito T (de total) em geral éusado para indicar que todo o laminado está sendo descrito 29

30 Laminado Notação um sub-escrito S pode ser usado para indicar que um laminado ésimétrico; nesse caso, apenas metade das camadas precisam ser indicadas exemplo: [0/+45/ 45] S = [0/+45/ 45 / 45 /+45/0] T [0/ ±45] S = [0/+45/ 45 / 45 /+45/0] T uma sobre-barra pode ser usada para indicar a camada do meio de um laminado simétrico com um número impar de camadas exemplo: [0/90] S = [0/90/0] T [±45/0] S = [+45/ 45/0/ 45 /+45] T 30

31 Laminado Notação quando camadas repetidas aparecem, um sub-escrito com o número de repetições pode ser usado exemplo: [02/+45/ 45/02] S = [0/0/+45/ 45 /0/0/0/0/ 45 /+45/0/0] T [±30] 2S = [+30/ 30/+30/ 30/ 30/+30/ 30/+30] T parênteses podem ser usados para agrupar um conjunto de camadas exemplo: [0/(90/0) 2 ] S = [0/90/0/90/0/0/90/0/90/0] T [0/(±15) 2 /0] T = [0/±15/±15/0] T = [0/+15/ 15/+15/ 15/0] T 31

32 Laminado Notação se as camadas não forem de mesma espessura e mesmo material, então o ângulo de laminação deve vir acompanhado dessas informações um código em sub-escrito ou super-escrito pode ser usado para indicar o material exemplo: [ 0 2 K /(0/90) C /±45 C ] T onde: C = carbono/epoxi, K = kevlar/epoxi em geral, a espessura nominal da camada éindicada pelo próprio código que indica o material nesse caso, basta indicar o material sendo desnecessário especificar a espessura exemplo: uma fita unidirecional de carbono/epoxide um dado fabricante tem uma espessura nominal de 0,16 mm 32

33 Laminado Notação a orientação de camadas de tecido pode ser indicada pela direção do urdume ou pelas duas direções quando os ângulos forem 0/90ou ±45 exemplos: [0 2 CT /(0,90) CF ] S = [0 CT /0 CT /(0,90) CF ] S [0 CT /(±45) CF ] S = [0 CT /(±45) CF ] S onde: CT= tape de carbono/epoxi, CF = tecido de carbono/epoxi 33

34 Laminado Notação deve-se notar que um mesmo laminado pode ter duas representações diferentes exemplo: os laminados [+45/ 45] S e [ 45/+45] S fisicamente são o mesmo laminado; a diferença éapenas a direção do eixo z quando se soma um ângulo θem todas as camadas, obtém-se o mesmo laminado descrito em um outro sistema de referência exemplo: [0/+15/ 15] S = [0+60/+15+60/ 15+60] S = [60/+75/45] S [+45/ 45] S = [+45 45/ 45 45] S = [0/ 90] S = [0/90] S os laminados acima são iguais fisicamente; a única diferença éo sistema de referência 34