1ª Semana de Composites Avançados São José dos Campos - SP III CONGRESSO SAMPE BRASIL CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ À FLEXÃO EM MATERIAL COMPÓSITO CARBONO-EPÓXI CENTRO UNIVERSITÁRIO DA FEI Aluno: Gabriel Prosofsky de Araujo (2) gabrielproa@gmail.com Orientadora: Profa. Dra. Gigliola Salerno (1) gsalerno@fei.edu.br Departamento de Engenharia de Materiais (1) Departamento de Engenharia Mecânica (2)
SUMÁRIO Introdução Objetivos Fundamentação teórica Comprimento crítico Regra da mistura Propagação de trincas Materiais e métodos Resultados experimentais e discussão Porcentagem em massa de fibras Corte a jato d água e montagem Ensaios Fractografia Microscopia Eletrônica por Varredura Conclusões
INTRODUÇÃO Materiais compósitos Aplicações Indústrias automobilística, artigos esportivos, aeronáutica e naval; Resistência e rigidez específicas altas, reduzindo a quantidade de material empregado; Fragilidade quanto ao carregamento flexão
OBJETIVO Estudar a influência das orientações dos tecidos nas propriedades mecânicas de um material compósito laminado carbono-epóxi frente ao carregamento flexão, em duas configurações distintas, em micro, meso e macro-escalas. Lâminas 0 /90 Lâminas 0 /90 /45 /-45
OBJETIVO Estudar a influência das orientações dos tecidos nas propriedades mecânicas de um material compósito laminado carbono-epóxi frente ao carregamento flexão, em duas configurações distintas, em micro, meso e macro-escalas. Micro-escala Meso-escala Macro-escala
Tipos de materiais compósitos FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Fonte: CALLISTER, 2012
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Influência do comprimento e orientação da fibra Fonte: ROESLER, 2007
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Fonte: CALLISTER, 2012
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Regra da mistura Determinação do módulo de elasticidade Fonte: CALLISTER, 2012
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Regra da mistura Determinação do módulo de elasticidade compósitos tracionados longitudinalmente Fonte: BAKER, 2004
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Regra da mistura Determinação do módulo de elasticidade compósitos tracionados transversalmente Fonte: ROESLER, 2007
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Regra da mistura Determinação do módulo de elasticidade Fonte: BAKER, 2004 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% % Volume de fibras x Processamento hand layup vacuum bag resin infusion autoclave Fonte: NASSEH (SAMPE Bridge Contest), 2015.
Propagação das trincas FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Descolamento da resina ao longo da fibra Fonte: ROESLER, 2007
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Processamento de três tipos de corpos de prova, de características distintas Corpos de prova Configuração Cura A 0 /90 24h temp. ambiente B 0 /90 1h 120 C C 0 /90 /45 /-45 1h 120 C *Corpos A apresentaram defeito de laminação. Corpos de prova Dimensões [mm] Quantidade No de lâminas Relação span -espessura A 210 x 60 x 12 6 39 16 B 240 x 50 x 10 7 36 20 C 240 x 50 x 10 7 36 20
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Corte dos tecidos Montagem e cura Corte a jato d`água % massa de fibras e resina Ensaios Microscopia Eletrônica de Varredura
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Corte dos tecidos Montagem e cura Corte a jato d`água % massa de fibras e resina Ensaios Microscopia Eletrônica de Varredura
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Corte dos tecidos Montagem e cura Corte a jato d`água % massa de fibras e resina Ensaios Microscopia Eletrônica de Varredura
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Corte dos tecidos Montagem e cura Corte a jato d`água % massa de fibras e resina Ensaios Microscopia Eletrônica de Varredura
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Corte dos tecidos Montagem e cura Corte a jato d`água % massa de fibras e resina Ensaios Microscopia Eletrônica de Varredura
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Corte dos tecidos Montagem e cura Corte a jato d`água % massa de fibras e resina Ensaios Microscopia Eletrônica de Varredura
RESULTADOS E DISCUSSÃO Macro-escala dos corpos de prova Corpos de prova A Corpos de prova B Corpos de prova C
RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaios de flexão Comparativo dos resultados Corpos de prova A (0 /90 ) Corpos de prova B (0 /90 ) Corpos de prova C (0 /90 /45 /-45 )
RESULTADOS E DISCUSSÃO Tensão-deformação degraus dos corpos 0 /90 /45 /-45. Grupo C
RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaios de flexão Comparativo dos resultados Corpos de prova A Regime elástico E [GPa] Regime plástico Média 33,6 260 0,78 302 1,06 278 1,29 Desvio padrão ± 0,7 ± 10 ± 0,03 ± 25 ± 0,11 ± 47 ± 0,09 Corpos de prova B Regime elástico E [GPa] Regime plástico Média 34,2 180 0,53 266 1,20 260 1,32 Desvio padrão ± 3,6 ± 36 ± 0,07 ± 57 ± 0,17 ± 61 ± 0,24 Corpos de prova Regime elástico Regime plástico C E [GPa] Média 24,0 206 0,85 275 1,26 264 1,46 Desvio padrão ± 1,0 ± 17 ± 0,05 ± 14 ± 0,08 ± 11 ± 0,18
RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaios de flexão Comparativo dos resultados Corpos de prova A [MPa] [MPa] Média 302 9,4 Desvio padrão ± 25 ± 0,8 Corpos de prova B [MPa] [MPa] Média 266 6,7 Desvio padrão ± 57 ± 1,4 Corpos de prova C [MPa] [MPa] Média 275 6,9 Desvio padrão ± 14 ± 0,4
RESULTADOS E DISCUSSÃO Macro-escala dos corpos de prova Densidade, %mássica e volumétrica de fibras. A B C Densidade 1,23 g/cm³ 1,30 g/cm³ 1,29 g/cm³ % mássica de fibras 51,15 %M 59,46 %M 58,27 %M % volumétrica de fibras 39,99 %V 47,27 %V 46,04 %V Módulo de elasticidade médio 33,6 GPa 34,2 GPa 24,0 GPa Fonte: BAKER, 2004
RESULTADOS E DISCUSSÃO Modos de falha dos compósitos CP-2 CP-20 CP-8 Todos os corpos de prova C apresentaram o mesmo modo de falha
RESULTADOS E DISCUSSÃO MEV Microscopia Eletrônica de Varredura
RESULTADOS E DISCUSSÃO MEV Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo A. Análise por MEV, entrelaçamento e ruptura por tração do CP-1
RESULTADOS E DISCUSSÃO MEV Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo A. Análise por MEV, pull-out e presença de volume de vazio interno no CP-1
RESULTADOS E DISCUSSÃO MEV Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo A. Análise por MEV, pull-out, presença de bolha e delaminação no CP-1 Fonte: ROESLER, 2007
RESULTADOS E DISCUSSÃO MEV Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo A. Análise por MEV, ruptura por tração, delaminação e bolhas no CP-1.
RESULTADOS E DISCUSSÃO MEV Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo B. Análise por MEV, pull-out e propagação de trinca na resina no CP-8
RESULTADOS E DISCUSSÃO MEV Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo B. Análise por MEV, propagação de trinca no CP-8 Fonte: ROESLER, 2007
RESULTADOS E DISCUSSÃO MEV Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo C. Análise por MEV, bolhas, delaminação e trinca no CP-17 Fonte: ROESLER, 2007
RESULTADOS E DISCUSSÃO MEV Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo C. Análise por MEV, lâmina 45 /-45 não rompida por tração CP-17.
CONCLUSÕES Foi possível verificar o ensaio de flexão de três pontos: Corte à jato d água apresentou ótimo acabamento superficial apesar da espessura ser considerável. Após o corte, não foram encontradas fibras soltas nas superfícies dos corpos de prova. Os corpos de prova A, B e C falharam predominantemente devido à tração por apresentarem valores altos de relação span-espessura e, consequentemente, apresentaram valores baixos de tensão cisalhante interlaminar. A rigidez dos corpos de prova de orientação 0 /90 é cerca de 42,5% maior, em média, que a rigidez de corpos de prova de orientação 0 /90 /±45 enquanto que a resistência permanece a mesma.
CONCLUSÕES Corpos de prova C (0 /90 /±45 ) apresentaram falha em degraus. O processamento manual é deficiente e deve ser tratado com muito cuidado ao ser aplicado à construção de estruturas de elevada responsabilidade, pois durante as etapas do processo, como preparação da e mistura da resina com o endurecedor e laminação há o surgimento ou aprisionamento de pequenas bolhas de ar, bolhas estas que caso não sejam retiradas com o processo de cura sob vácuo, podem formar trincas e fragilizar o material.
AGRADECIMENTOS À Professora Dra. Gigliola Salerno. Ao Centro Universitário da FEI e aos técnicos do laboratório de materiais da FEI. À minha família e à Flávia Fagundes pelo apoio. À Deus pela oportunidade.
1ª Semana de Composites Avançados São José dos Campos - SP III CONGRESSO SAMPE BRASIL CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ À FLEXÃO EM MATERIAL COMPÓSITO CARBONO-EPÓXI CENTRO UNIVERSITÁRIO DA FEI Aluno: Gabriel Prosofsky de Araujo (2) gabrielproa@gmail.com Orientadora: Profa. Dra. Gigliola Salerno (1) gsalerno@fei.edu.br Departamento de Engenharia de Materiais (1) Departamento de Engenharia Mecânica (2) OBRIGADO!