AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO IMPACTO DE COMPÓSITOS DE FIBRAS CONTÍNUAS/EPÓXI COM APLICAÇÕES AEROESPACIAIS Rogério Almeida Silva 1,2 ; Edson Cocchieri Botelho 3* ; Mirabel Cerqueira Rezende 4 1 Depto de Engenharia Mecânica e Aeronáutica ITA/CTA São José dos Campos São Paulo; 2 Empresa Brasileira de Aeronáutica EMBRAER São José dos Campos SP, rogsilva@embraer.com.br; 3 Depto de Materiais e Tecnologia Universidade Estadual Paulista UNESP Guaratinguetá São Paulo, ebotelho@directnet.com.br; 4 Divisão de Materiais IAE/CTA São José dos Campos São Paulo, mirabel@iae.cta.br. EVALUATION OF IMPACT BEHAVIOR OF CONTINUOUS FIBER/EPOXY COMPOSITES WITH AEROSPACE APPLICATIONS Abstract: An investigation was done in order to study the impact damage of carbon fiber/epoxy and glass fiber/epoxy laminates composites caused by a low and high-velocity foreign object. The impact damage in terms of matrix cracking and delaminations resulting from a point-nose impac was the primary concern. In this work, it was observed that carbon fiber/epoxy laminates, due probably to they stiffness behavior, have presented the lower impact resistance when compared with glass fiber/epoxy laminates. Introdução A indústria aeroespacial exige um controle muito rigoroso na seleção dos materiais utilizados no projeto e na fabricação de aeronaves e tem como base os dados conhecidos das diferentes cargas envolvidas durante as diversas fases de operação. O desempenho das propriedades de um componente em uma aeronave é dependente da região em que ele atua. Por exemplo, o aumento da resistência estática é útil principalmente em regiões de elevada intensidade de carregamento, como na asa de um avião. Em regiões de carregamento moderado, a rigidez é o principal critério de projeto, enquanto que a massa específica do material é importante em qualquer parte de uma aeronave [1,2]. Dentro deste contexto, os compósitos poliméricos têm grande aceitação nas aplicações aeronáutica e espacial, por satisfazerem os requisitos de resistência mecânica e rigidez para componentes de grande responsabilidade estrutural, com peso inferior às estruturas equivalentes em metal. Logo, a substituição do alumínio por compósitos estruturais à base de resinas permite uma redução de peso de 20 a 30%, além de 25% na redução do custo final de obtenção [3,4]. O desenvolvimento de compósitos com fibras contínuas e matriz epóxi visam a obtenção de componentes com melhores propriedades quando comparados a outros materiais convencionalmente utilizados tais como: resistências à fadiga, à tração, à compressão, assim como tolerância a danos e ao impacto [5]. Danos causados por impacto devem ser considerados para o projeto e/ou manutenção de estruturas aeronáuticas feitas em compósitos. A estrutura de uma
aeronave deve ser dimensionada para tolerar uma certa quantidade de energia e danos ao impacto. Dependendo da localização e da maior probabilidade de ocorrência do impacto, a configuração estrutural e o material utilizado devem garantir a integridade da peça após um evento real de impacto. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo avaliar a resistência ao impacto de compósitos de fibras de carbono/epóxi e fibras de vidro/epóxi, com o intuito de garantir a eficiência da utilização destes materiais em diversas partes de uma aeronave. Experimental Para a obtenção dos s, neste trabalho foram utilizados os pré-impregnados de fibras de vidro/epóxi e de carbono/epóxi, com tecido de reforço do tipo 8HS (eight hardness wave), contendo 50% em volume de reforço e matriz de resina epóxi modificada do tipo F-155, ambos fornecidos pela empresa Hexcel Composites. Este sistema foi curado em autoclave à temperatura de 121 C. Com o objetivo de se analisar comparativamente as propriedades de resistência ao impacto entre os s estudados neste trabalho, foram preparados corpos-de-prova na espessura de 2,0 mm com os materiais em estudo, nas dimensões de 100m x100m, sendo ensaiados 5 amostras de cada. Este ensaio foi realizado com base nos procedimentos da norma ASTM D 5628-96, utilizando-se um peso de 12,336 Kg, sendo 12,0 Kg da célula de carga e 336 g do dardo. Após o ensaio de impacto os s foram inspecionados pela técnica não-destrutiva de ultra-som. Neste procedimento foram utilizados dois diferentes métodos: o primeiro, via pulso-eco e o segundo, via coluna d água. Inicialmente, utilizou-se um aparelho da marca Staveley Instruments modelo Sonic Bondmaste. Após este primeiro ensaio, os s foram inspecionados pelo método de ultra-som de coluna d agua sendo possível a obtenção de uma imagem do dano. Resultados e Discussão As Tabelas 1 e 2 apresentam a energia de impacto, a energia absorvida pelo material e as cargas máximas registradas pelo equipamento de ensaio, durante a queda do dardo em duas alturas diferentes.
Tabela 1 Resultados dos ensaios de impacto de diferentes s, com um dardo caindo de 15 cm. Material Energia de Energia Carga Tipo de Dano impacto (J) Absorvida (J) Máxima (kn) Alumínio 17,6±0,2 14,7±0,2 6,2 Deformação da chapa de alumínio Laminado de fibra de vidro Laminado de fibra de carbono 17,9±0,2 16,4±0,2 4,64 Rompimento parcial do 18,1±0,2 14,7±0,2 2,28 Rompimento parcial do Tabela 2 Resultados dos ensaios de impacto de diferentes s, com o dardo caindo de 25 cm. Material Energia de Energia Carga Tipo de Dano impacto (J) Absorvida (J) Máxima (kn) Alumínio 29,8±0,2 27,7±0,2 7,07 Rompimento da chapa Laminado de 29,8±0,2 29,2±0,2 4,82 Rompimento do fibra de vidro Laminado de 29,7±0,2 14,7±0,2 2,03 Rompimento do Fibra de carbono Pela análise dos dados coletados nos resultados do ensaio de impacto com o dardo caindo da altura de 15 cm, pode ser observado que a carga máxima de impacto suportada pelo alumínio é devido a sua ótima resistência à deformação e com esta carga não se observa o rompimento do material (que ocorre somente após a aplicação de uma altura de 25 cm). A partir dos resultados experimentais, observa-se ainda que a amostra de de fibra de carbono apresenta valores inferiores de resistência ao impacto devido à sua elevada rigidez quando comparado com o de fibras de vidro (em ambos os casos, com baixa e alta energia de impacto). A partir deste trabalho, pode-se avaliar que no ensaio de impacto de baixa energia por queda de dardo ou esfera, as matrizes poliméricas com comportamento frágil, inicialmente podem absorver mais energia. No entanto, ocorre o efeito destrutivo com o aparecimento de um maior número de danos associado a uma menor dissipação de energia.
Os s após serem submetidos aos ensaios de impacto, foram inspecionados pela técnica de ultra-som, com a finalidade de analisar o dano interno provocado pelo impacto (Figura 1). Como pode ser observado, o gráfico de cores mostra que colorações mais claras significam que o material encontra-se mais compactado e que ambos os s apresentaram-se homogêneos quanto à distribuição da matriz e presença de poros. Também foi constatado que a espessura dos s não influenciou significativamente na homogeneidade dos compósitos analisados. A análise desta figura mostra que o de fibra de carbono apresenta um dano de menor extensão em relação ao de fibra de vidro. Este comportamento pode ser atribuído à maior rigidez do de fibra de carbono, favorecendo o aparecimento de uma fratura frágil na região do impacto sem favorecer a extensão do dano no interior do. Figura 1 Vista do ensaio de ultra-som dos s estudados. Durante a realização deste trabalho, 5 amostras de cada foram ensaiadas e avaliadas por ultra-som. Todas as amostras apresentaram resultados parecidos e um estudo estatístico mais minucioso encontra-se em andamento.
Conclusões Compósitos de fibras de vidro/epóxi e fibras de carbono/epóxi foram avaliados quanto à resistência ao impacto. Devido à sua elevada rigidez, os compósitos de fibras de carbono apresentaram menores valores de resistência ao impacto tanto em baixa quanto em elevada energia de impacto. Entretanto, após serem examinados por ensaios de ultra-som, os compósitos de fibras de carbono apresentaram danos com menores extensões devido ao seu comportamento frágil, quando comparados aos resultados obtidos dos s de fibras de vidro/epóxi. Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer à FAPESP (projeto número 05/54358-7) pelo auxílio financeiro e às empresas Hexcel e Polibrasil, pelo fornecimento dos pré-impregnados e pela realização dos ensaios de resistência ao impacto. Referências Bibliográficas 1. R. Roy; B. K. Sarkar; N. R. Bose. Composites Part A, 2001, 32, 871. 2. Silva, R. A. Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2006. 3. Botelho, E. C. Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2002. 4. C. Thanomsilp; P. J. Hogg. Composites Science and Technology, 2003, 63, 467. 5. W. A. Morais; J. R. D Almeida; L. B., Godefroid. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2001, 11 (1), 27.