4.2. Materiais celulares

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1 4.2. Materiais celulares Tópicos a abordar... O que é um material celular? Quais os tipos de materiais celulares? Como é a estrutura dos materiais celulares? Quais as principais propriedades dos materiais celulares? Quais as principais aplicações dos materiais celulares? Chapter 4-1

2 Compósitos: reforço estrutural Reforç. c/ partículas Reforç. c/ fibras Ref. estrutural Camadas/folhas reforçados com fibras empilhadas -- sequência de empillhamento: e.g., 0º/90º -- vantagem: rigidez no plano Painéis em sanduíche -- baixa densidade, núcleo em favo-de-mel -- vantagem: leveza, resistência à flexão folha camad. adesivo favo-de-mel Painel em sanduíche Chapter 4-2

3 Definições Material celular: conjunto de células com arestas e faces sólidas, arranjadas de forma a preencher o espaço. Célula: (Robert Hooke, 1660) deriva da palavra latina cella. CELLA: pequeno compartimento; espaço fechado. Chapter 4-3

4 Cortiça Robert Hooke, 1660: Cortiça foi um dos primeiros materiais a ser observado ao microscópio. Cortiça material celular Chapter 4-4

5 Materiais celulares naturais Materiais celulares são muito comuns na Natureza Cortiça e Balsa Esponja e Osso Coral e Espinha Folha e Tronco Chapter 4-5

6 Materiais celulares artificiais Homem faz materiais celulares tridimensionais (3D) Espumas Materiais poliméricos Poliuretano com células abertas e com células fechadas Materiais metálicos Níquel e Cobre Materiais cerâmicos Zircónia e mulite Vidro e poliéter Chapter 4-6

7 Materiais celulares artificiais Homem faz materiais celulares bidimensionais (2D) Favos-de-mel Favo-de-mel das abelhas Favos-de-mel de Alumínio e de papel impregnado de resina fenólica Favos-de-mel cerâmicos Chapter 4-7

8 Materiais celulares artificiais Muitos alimentos são materiais celulares 3D Espumas Pão e merengue Chocolate e crisp Maltesers e bolo Chapter 4-8

9 Materiais celulares artificiais Bolhas podem ser unidas formando estruturas de baixa densidade. Favo-de-mel de bolhas de sabão Rede de bolhas Esferas de Alumínio ocas sinterizadas Chapter 4-9

10 Material celular O que é um material celular? Sólido com poros isolados: densidade relativa superior a 0,3 Material celular: densidade relativa inferior a 0,3 Chapter 4-10

11 Tipos de materiais celulares Naturais e artificiais Bi- e tridimensionais Células abertas e fechadas Chapter 4-11

12 Principais propriedades Chapter 4-12

13 Principais propriedades Chapter 4-13

14 Principais propriedades Chapter 4-14

15 Principais aplicações Isolamento térmico Embalagens Aplicações estruturais Flutuadores Aplicações Propriedades Estrutura Chapter 4-15

16 Estrutura dos materiais celulares 2D Forma e dimensões das células Triângulo (equilátero e isósceles); Quadrado; Paralelogramo; Hexágono (regular e irregular) Chapter 4-16

17 Estrutura dos materiais celulares 2D Topologia Diferentes conectividades (número de arestas que se encontram num vértice) Chapter 4-17

18 Estrutura dos materiais celulares 3D Forma e dimensões das células Tetraedro; Prisma (triangular, rectangular e hexagonal); Octaedro; Dodecaedro (rômbico e pentagonal); Tetracaidecaedro; Icosaedro Chapter 4-18

19 Estrutura dos materiais celulares 3D Propriedades das células 3D isoladas Chapter 4-19

20 Estrutura dos materiais celulares 3D Modelos mais usados para as células Poliedro de Kelvin (tetracaidecaedro) Poliedro de Weaire&Phelan (poliedro com 14 faces + 2 poliedros com 12 faces) Chapter 4-20

21 Estrutura dos materiais celulares 3D Topologia Conectividade de arestas e conectividade de vértices Chapter 4-21

22 Estrutura dos materiais celulares Lei de Euler: células (C), faces (F), arestas (A) e vértices (V) 2D: F + V = A + 1 (C = F) 3D: F + V = C + A + 1 Chapter 4-22

23 Estrutura real dos materiais celulares 3 secções ortogonais de uma espuma de poliuretano anisotrópica Células com: - diferentes tamanhos - diferentes números de vizinhos Estrutura anisotrópica Chapter 4-23

24 Densidade relativa ρ ρ S Chapter 4-24

25 Esquemas de curvas tensão-extensão de materiais compactos Metais são elasto-plásticos Cerâmicos são frágeis Polímeros Chapter 4-25

26 Comportamento mecânico de estruturas 2D Curvas tensão extensão obtidas em ensaios de Compressão e tracção Elastómero (borracha) Elasto-plástico (metal) Frágil (cerâmico) Chapter 4-26

27 Comportamento mecânico de estruturas 2D Modelo de estrutura em favo-de-mel com células hexagonais Propriedades no plano estão relacionadas com as cargas aplicadas no plano X1-X2; resposta a cargas aplicadas na direcção X3 são dessignadas propriedades fora Chapter do plano 4-27

28 Chapter 4-28 Comportamento mecânico de estruturas 2D Deformação no-plano Flexão elástica ( ) S S S 3 S sin sin cos cos sin sin sin h cos sin h cos cos sin cos 12 sin 2 cos 2 sin cos sin ν ν ν θ θ θ ε ε ν θ θ θ θ θ θ θ δ ε θ θ δ ε θ δ θ δ θ θ θ σ θ σ E E h h t E E t E E bt I I E W I E P W M P M b W b h P = = + = = + = + = + = = = = = = = = + = l l l l l l l l l l l l l

29 Comportamento mecânico de estruturas 2D Deformação no-plano Colapso plástico Chapter 4-29

30 Comportamento mecânico de estruturas 2D Deformação no-plano Fractura frágil e propagação de fendas Chapter 4-30

31 Comportamento mecânico de estruturas 2D Deformação no-plano Encurvadura / varejamento Euler buckling load = P crit = n 2 π h 2 2 E S I Chapter 4-31

32 Comportamento mecânico de estruturas 2D Deformação no-plano Mecanismos de deformação (modelo de borracha) Chapter 4-32

33 Comportamento mecânico de estruturas 2D Deformação no-plano Mecanismos de deformação (modelo de Alumínio) Localização da deformação Chapter 4-33

34 Comportamento mecânico de estruturas 2D Deformação no-plano Compressão de um favo-de-mel de Alumínio Chapter 4-34

35 Chapter 4-35 Comportamento mecânico de estruturas 2D Deformação fora-do-plano Compressão e Varejamento 0 0 cos sin S S S 3 = = = = = + + = ν ν ν ν ν ν ν ρ ρ θ θ E E E E t h h E E l l l

36 Comportamento mecânico de estruturas 2D Tracção Alinhamento das paredes Não há varejamento Chapter 4-36

37 Comportamento mecânico de estruturas 3D Curvas tensão extensão obtidas em ensaios de Compressão e tracção Elastómero (borracha) Elasto-plástico (metal) Frágil (cerâmico) Chapter 4-37

38 Modelos de células cúbicas abertas e fechadas para espumas Sólido concentra-se nas arestas Flexão Chapter 4-38

39 Mecanismos de deformação de espumas Espumas com células abertas: deformação de paredes (arestas) + + escoamento do fluido Espumas com células fechadas: deformação de paredes (arestas) + + deformação das membranas nas faces + + pressão do gás nas células Chapter 4-39

40 Efeito das membranas nas faces Flexão das arestas faz com que as faces das células estiquem Chapter 4-40

41 Absorção de energia em materiais celulares Chapter 4-41

42 Condutividade térmica em materiais celulares q = λ T a = λ ρ C p λ = λ S + λ G + λ c + λ r Convexão é suprimida Densidade óptima da espuma para condução mínima Chapter 4-42

43 Resumo Vários tipos de materiais celulares. Propriedades são determinadas pela geometria mas também pela topologia das células. Aplicações em isolamento térmico, embalagens, aplicações estruturais. Mecanismos de deformação em compressão e em tracção são diferentes. Chapter 4-43

44 Bibliografia sobre materiais celulares Hilyard, N.C. (ed) (1982). Mechanics of Cellular Plastics. Applied Science Publishers, London Weaire, D. and Hutzler, S. (1999). The Physics of Foams. Clarendon Press, Oxford Chapter 4-44