ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE TENSÃO E FLEXÃO DE COMPÓSITOS SANDUÍCHE

PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ESCOLA DE ENGENHARIA UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE Dissertação de Mestrado ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE TENSÃO E FLEXÃO DE COMPÓSITOS SANDUÍCHE DANIEL PEREIRA NUNES GAMA JULHO DE 2017

DANIEL PEREIRA NUNES GAMA ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE TENSÃO E FLEXÃO DE COMPÓSITOS SANDUÍCHE Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFF como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Mecânica Orientador: João Marciano Laredo dos Reis, Ph. D. (PGMEC/UFF) UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE NITERÓI, 24 DE JULHO DE 2017

Aos Meus Pais Douglas de Oliveira da Gama e Leyla Pereira Nunes

Agradecimentos Ao meu orientador João Marciano Laredo dos Reis, pelo ensinamento e orientação, e a toda equipe do PGMEC e LMTA. À equipe Blackbird Aerodesign da Universidade Federal Fluminense pelo fornecimento dos materiais. Aos meus pais e irmão: Leyla Pereira Nunes, Douglas de Oliveira da Gama e Victor Pereira Nunes Gama, por prestarem total apoio durante a realização deste trabalho. trabalho. À Marina Saad Muller pelo apoio durante o mestrado e pela ajuda na revisão deste

RESUMO O objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento mecânico de compósitos sanduíches. As lâminas do compósito são formadas por fibra de vidro e fibra de carbono enquanto o núcleo é constituído de chapas de madeira balsa e divinycell H45 (48 kg m -3 ). O principal ponto do trabalho é avaliar a resistência a tração (σu), módulo de elasticidade (E), resistência a flexão (σf), módulo de elasticidade a flexão (Ef) e a massa dos corpos de prova. Para tal, foi confeccionado chapas laminadas pelo processo de infusão a vácuo e em seguida foi recortado corpos de prova de dimensões 250 por 25 mm. O ensaio de tração e flexão foram realizados de acordo com as respectivas normas: ASTM D3039 e ASTM D790. Os compósitos sanduíche formados por lâminas de fibra de carbono apresentaram melhores propriedades em comparação com os mesmos compósitos constituídos por lâminas de fibra de vidro. Deste modo, os compósitos com núcleo de madeira balsa com lâminas de fibra de carbono podem ser aplicados em áreas de maior esforço enquanto os compósitos com núcleo de divinycell H45 e fibra de carbono pode ser aplicado em áreas de menor solicitação. Palavras-chave: Propriedades mecânicas; Compósitos sanduíche; Ensaio de tração; Ensaio de flexão.

ABSTRACT This work is concerned with the study of the mechanical behavior of polymer composite sandwich beams. The skins consist of glass and carbon reinforced epoxy composites. The core is made from balsa wood and Divinycell H45 (48 kg m 3 ) foam. The main goal is to evaluate the best composite system considering the ultimate tensile strength (σu), the elastic modulus (E), flexural strength (σf) and flexural modulus (Ef) and the mass of the specimens. For this purpose, laminated sheets were made by the vacuum infusion process and then 250 mm by 25 mm specimens were cut out. Tensile tests according to standard ASTM D 3039 and bending tests according to standard ASTM D 790 were performed. The sandwich beams composites formed by carbon fiber presented a better performance in comparison to the same composites constituted by fiberglass. Thus, composites with balsa wood core with carbon fiber can be applied in areas of greater effort while composites with divinycell H45 core and carbon fiber can be applied in less demanding areas. Keywords: Mechanical properties, Sandwich beams, Tensile test, Flexural Test

SUMÁRIO Lista de Figuras...10 Lista de Tabelas...11 Capítulo 1. INTRODUÇÃO...12 1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS...12 1.2. OBJETIVOS...14 1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO...15 Capítulo 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...16 2.1. FIBRAS E MATRIZ POLIMÉRICA...19 2.2. COMPÓSITOS LAMINADOS...26 2.3. COMPÓSITOS SANDUÍCHE...30 2.4. PROCESSO DE INFUSÃO A VÁCUO...34 2.5. ENSAIOS MECÂNICOS...37 2.5.1. Ensaio de Tração...37 2.5.2. Ensaio de Flexão...40 Capítulo 3. MATERIAIS E MÉTODOS...41 3.1. MATERIAIS...41 3.2. EQUIPAMENTOS...45 3.3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL...46

3.3.1. Ensaio de Tração...48 3.3.2. Ensaio de Flexão...49 Capítulo 4. RESULTADOS e DISCUSSÃO...52 4.1. MASSA...52 4.2. ENSAIO DE TRAÇÃO...53 4.3. ENSAIO DE FLEXÃO...55 Capítulo 5. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS...59 5.1. CONCLUSÕES...59 5.2. PERSPECTIVAS FUTURAS...60 Capítulo 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...61 ANEXO I...65 ANEXO II...71

Lista de Figuras Figura 2.1: Materiais compósitos empregados no EMB-314 [3]...18 Figura 2.2: Resistência mecânica em função do diâmetro da fibra. [4]...19 Figura 2.3: Arranjos de fibras [4]...21 Figura 2.4: Classificação dos polímeros [1]...23 Figura 2.5: Comparativo de performance dos polímeros utilizados na matriz polimérica [4]...25 Figura 2.6: Exemplificação dos laminados [1]...27 Figura 2.7: Esquemático dos laminados [4]...27 Figura 2.8: Falha das camadas de um compósito laminado [4]...29 Figura 2.9: Exemplos de compósitos sanduíche, (a) núcleo de espuma, (b) núcleo de honeycomb, (c) núcleo ondulado [11]...31 Figura 2.10: Evolução do processo de infusão a vácuo em relação a demanda e ao comprimento das pás de geradores e energia eólicos [18]...34 Figura 2.11: Esquemático do processo por infusão a vácuo. (1) Equipamento de mistura da resina com o catalizador; (2) Recipiente da resina; (3) Molde; (4) Recipiente intermediário e bomba de vácuo [19]...35 Figura 2.12: Corpo de prova típico do ensaio de tração [20]...37 Figura 2.13: Tensão x deformação de um típico material metálico [20]...38 Figura 2.14: Curva tensão-deformação da fibra, matriz e compósito [21]...39 Figura 2.15: Esquemático do ensaio de flexão de três pontos [23]...41 Figura 2.16: Curvas típicas de ensaio de flexão em três pontas em materiais compósitos. Adaptado de [23]...42 Figura 3.1: Máquina de ensaio de tração Shimadzu Servopulser...45 Figura 3.2: Máquina de ensaio universal EMIC DL...46 Figura 3.3: Tipos de amostras confeccionadas...47 Figura 3.4: Corpo de prova durante o ensaio...48 Figura 4.1: Comparativo tensão x deformação...53 Figura 4.2: Comparativo tensão de flexão x deformação fibra de vidro e fibra de carbono...56 Figura 4.3: Comparativo tensão de flexão x deformação fibra de vidro/fibra de carbono + madeira balsa/divinycell H45...56 Figura A.1: Tensão x deformação fibra de carbono...65 Figura A.2: Tensão x deformação fibra de carbono + divinycell H45...65 Figura A.3: Tensão x deformação fibra de carbono + madeira balsa...66 Figura A.4: Tensão x deformação fibra de vidro...66 Figura A.5: Tensão x deformação fibra de vidro + divinycell H45...67 Figura A.6: Tensão x deformação fibra de vidro + madeira balsa...67 Figura A.7: Tensão de flexão x deformação fibra de carbono...68 Figura A.8: Tensão de flexão x deformação fibra de carbono + divinycell H45...68 Figura A.9: Tensão de flexão x deformação fibra de carbono + madeira balsa...69 Figura A.10: Tensão de flexão x deformação fibra de vidro...69 Figura A.11: Tensão de flexão x deformação fibra de vidro + divinycell H45...70 Figura A.12: Tensão de flexão x deformação fibra de vidro + madeira balsa...70

Lista de Tabelas Tabela 2.1: Propriedades de fibras e arames [4]...24 Tabela 2.2: Vantagens e desvantagens do processo de fabricação por infusão a vácuo [18]...38 Tabela 3.1: Características das fibras [24, 25]...45 Tabela 3.2: Propriedades dos núcleos dos compósitos sanduíches [26, 27]...46 Tabela 3.3: Propriedades da resina epóxi [28]...46 Tabela 3.4: Tipos e quantidade de corpos de prova utilizadas por ensaio...49 Tabela 3.5: Valores de distância entre suporte e taxa de deformação...52 Tabela 4.1: Massa média e desvio padrão dos corpos de prova...55 Tabela 4.2: Tensão máxima e módulo de elasticidade...60 Tabela 4.3: Tensão máxima de flexão e módulo de elasticidade...6

13 Capítulo 1 Introdução 1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS Materiais compósitos laminados em matriz polimérica vem se destacando na indústria nas últimas décadas. Amplamente aplicados às áreas da aviação, estruturas espaciais, automotiva e petroquímica os compósitos laminados devem possuir propriedades adequadas às solicitações mecânicas apresentadas. Especificamente para a engenharia aeroespacial os conhecimentos das propriedades mecânicas são tratados com destaque por se apresentar como um dos fatores principais para projetos em tais áreas da indústria [1-4]. Distintivamente dos metais cujas características previamente citadas foram amplamente estudadas, os materiais compósitos carecem da quantidade de informações disponíveis sobre os aspectos citados. Por se tratar de materiais formados pela composição

14 de dois ou mais constituintes que apresentam propriedades distintas, a matriz polimérica apresentará particularidades provenientes de sua composição [2-4]. Durantes anos os compósitos laminados são estudados por sua alta resistência mecânica e baixo peso. Porém, a fim de se propor novas características mecânicas os compósitos híbridos foram desenvolvidos pela composição de dois ou mais tipos de compostos adquirindo as propriedades mecânicas de ambas [4]. Compósitos híbridos podem ser produzidos por várias configurações, como intra-camadas e sanduíches [5]. Os estudos típicos realizados por [6-10] mostram que os compósitos híbridos sob carregamentos de flexão, tração, fadiga e impacto apresentam propriedades melhores em relação aos compósitos com alta resistência mecânica e baixo deslocamento. Dentre os compósitos híbridos há o tipo sanduíche que consiste em duas camadas finas de lâminas rígidas de baixa espessura com um núcleo de maior espessura, composta por um material menos denso e com menor resistência. Com isso, se obtém um compósito com a resistência de suas lâminas externas, resistente a tração e compressão, e com as características de seu núcleo com alta resistência a flexão e baixo peso [11]. Para [11-13] o comportamento sob tração nos compósitos sanduíche não se altera, pois o limite de escoamento do núcleo é menor que o da lâmina, sendo esta predominante. No entanto, para os corpos de prova sob flexão o núcleo distribui as tensões pelo corpo minimizando os efeitos de cisalhamento e tração nas quais ficam concentrados nas lâminas. Outros estudos avaliam a composição do núcleo e sua geometria sob flexão. Para [14] os efeitos de cisalhamento e flexão podem ser previstos pela composição do sanduíche e sua espessura por meio da lei das misturas. Para [15] os núcleos de PVC (usualmente aplicados) podem ser substituídos por compósitos naturais e metais a fim de garantir maior ou menor

15 rigidez, enquanto para [16, 17] colunas de resina no núcleo ou uso da geometria de colmeia produzirá o mesmo efeito. Com estes aspectos em vista esta dissertação tem por objetivo avaliar e comparar compósitos laminados com matriz polimérica e tipo sanduíche entre si, definindo a composição com melhores propriedades. Os ensaios foram realizados de acordo com a ASTM D3039 [23] e a ASTM D790 [29]. 1.2. OBJETIVOS O objetivo deste trabalho é investigar e avaliar as propriedades mecânicas: resistência a tração, resistência a flexão, módulo de elasticidade a tração, módulo de elasticidade a flexão e massa por meio de ensaio de tração, conforme a norma ASTM D3039, e ensaio de flexão de acordo com a norma ASTM D790 de compósitos formados por fibra de carbono e fibra de vidro reforçados por matriz polimérica, assim como compósitos sanduíches com núcleo de divinycell H45 e madeira balsa com lâminas de fibra de carbono e fibra de vidro a fim de determinar o compósito com a melhor combinação destas propriedades levando em consideração suas aplicações no aeromodelo da Universidade Federal Fluminense tanto quanto para a indústria aeroespacial.

16 1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO No capítulo II são apresentadas as referências bibliográficas abordando os materiais compósitos reforçados por matriz polimérica e compósitos sanduíche, esclarecendo o papel das fibras, do núcleo e da matriz polimérica. No mesmo capítulo é introduzido a noção do processo de infusão a vácuo tal qual uma breve introdução aos ensaios de tração e flexão. O capítulo III apresenta as propriedades dos materiais, o maquinário utilizado e a metodologia experimental empregada. O capítulo IV traz os resultados dos ensaios e a comparação das propriedades, tal como a análise dos gráficos obtidos e suas interpretações. As conclusões e perspectivas futuras para o trabalho se encontram no capítulo V. Por fim, o Anexo I mostra os gráficos obtidos pelos ensaios de flexão e de tração enquanto o Anexo II apresenta o artigo publicado no 6th International Symposium on Solid Mechanics - MECSOL 2017.

17 Capítulo 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os materiais compósitos vêm se tornando cada vez mais comum na indústria e no cotidiano. Sendo amplamente versáteis, eles podem ser encontrados em veículos, aeronaves, televisores e periféricos de computadores. O aumento de sua aplicação é devido à variedade de propriedades mecânicas geradas pela combinação de dois ou mais componentes. Para Jones [1], os materiais compósitos são formados por dois ou mais materiais que, combinados em escala macroscópica formam um terceiro material com propriedades mecânicas bem definidas em função dos materiais escolhidos para formar o compósito. No entanto, pode-se afirmar que diferentes materiais podem ser combinados em escala microscópica, como a adição de ligas metálicas ao compósito, porém o resultado deve ser

18 analisado de forma macroscópica pois os componentes não podem ser distinguidos e, na prática, agem como um corpo único. Segundo Dietz [2], uma série de vantagens são apontadas pelo uso dos materiais compósitos, entre elas destacam-se: Resistência mecânica; Rigidez; Resistência a corrosão; Peso; Vida em fadiga; Dependência da temperatura; Isolamento térmico e acústico. Seguramente, as propriedades supracitadas não são experimentadas ao mesmo tempo pelo compósito obtido, algumas propriedades entram em conflito com outras, como por exemplo: resistência mecânica e vida em fadiga, neste aspecto fica a cargo do projetista a escolha das propriedades em função do tipo de solicitação na qual o material compósito irá sofrer. No âmbito histórico [1-4], o emprego de materiais compósitos é datado dos egípcios que implementaram a expansão térmica da madeira a fim de adquirir melhores propriedades mecânicas de resistência e impermeabilidade para a construção civil, passando pela idade média na qual as espadas e armaduras eram produzidas por camadas sobrepostas de diferentes ligas metálicas, até a década de sessenta quando os materiais compósitos de alto desempenho foram introduzidos na indústria aeroespacial pelo desenvolvimento de fibras de carbono, vidro e boro ofereceram aos desenvolvedores a oportunidade de flexibilizar os projetos

19 estruturais. Em conjunto, os tecidos de fibra de vidro e carbono foram desenvolvidos e implementados em aeronaves militares e comerciais, assim como na indústria automotiva permitindo uma redução em peso de até 40% de seus produtos. A Figura 2.1 exemplifica o emprego de materiais compósitos no Embraer EMB-314. Figura 2.1: Materiais compósitos empregados no EMB-314 [3]. Os materiais compósitos são comumente classificados em três subdivisões, sendo elas: Compósitos fibrosos; Compósitos laminados; Compósitos de partículas. Pelo escopo desde trabalho, serão descritos os compósitos fibrosos reforçados por matriz polimérica e os compósitos laminados. O próximo tópico será relacionado aos compósitos fibrosos constituídos por matriz polimérica e em seguida será apresentado os compósitos laminados com ênfase nos laminados tipo sanduíche.

20 2.1. FIBRAS E MATRIZ POLIMÉRICA As fibras são utilizadas como reforço por proporcionar força e rigidez a matriz polimérica. As mais comuns são as fibras de vidro, carbono e aramida. Independentemente de suas boas características as fibras podem apresentar queda de desempenho devido a seu diâmetro, comprimento, orientação, formato e a matriz na qual ela está inserida. Para Kaw [4], a resistência mecânica é relacionada a pequenas falhas do material. Removendo essas falhas haverá um aumento da resistência mecânica. Deste modo, as fibras com menor diâmetro apresentarão menos áreas de falha, possuindo assim, maior resistência mecânica. Pode-se dar o exemplo de uma placa de aço que possui resistência mecânica de 689 MPa enquanto um arame de mesmo material apresentará 4100 MPa. A Figura 2.2 ilustra a resistência mecânica de fibra de carbono em função de seu diâmetro. Figura 2.2: Resistência mecânica em função do diâmetro da fibra [4].

21 As fibras podem ser longas ou curtas. Fibras longas e contínuas são fáceis de se orientar e facilitam o processo de fabricação, elas possuem melhor resistência, baixo enrugamento, melhor qualidade superficial e estabilidade dimensional. Já, as fibras de menor comprimento, apesar da dificuldade em sua orientação na fabricação são mais fáceis de se trabalhar, apresentam menor tempo de cura e custo reduzido, além de, por serem menores, possuem maior resistência. Fibras orientadas em apenas uma direção possuem maior rigidez e resistência à tração na direção escolhida. Se a fibra é orientada em múltiplas direções sua rigidez e resistência à tração será equivalente ao percentual em volume do número de fibras nessas direções. Por fim, as fibras são normalmente confeccionadas em formato circular. Porém, podem ser produzidas com secções hexagonais e quadradas que possuem maior rigidez e resistência mecânica, mas seu alto custo de fabricação e dificuldades no processo faz com que sejam menos comuns no mercado. A Figura 2.3 apresenta diferentes arranjos de fibras.

22 Figura 2.3: Arranjos de fibras [4]. Os materiais compósitos tanto quanto os metais possuem propriedades bem definidas. Para Jones [1], a fibra é caracterizada geometricamente não apenas pela relação comprimento-diâmetro, mas também pela proximidade do diâmetro dos cristais da fibra. Neste cenário a Tabela 2.1 apresenta a resistência à tração e módulo de elasticidade, assim como sua relação com a densidade de algumas fibras e arames metálicos. Contudo, a comparação direta entre os arames e fibra não deve ser feita, pois, para uso estrutural, as fibras devem ser aplicadas juntamente à matriz polimérica, já os metais podem ser

23 empregados sem este preparo. A densidade é apresentada na Tabela 2.1 em razão de ser um parâmetro indicativo da eficiência da fibra cujo peso é especialmente avaliado pela indústria aeroespacial. Tabela 2.1: Propriedades de fibras e arames [4]. Fibra/Arame Densidade, ρ (Kg/m 3 ) Tensão máxima, S (MPa) S/ρ Módulo de elasticidade, E (GPa) E/ρ Alumínio 26,3 620 24 73 2,8 Aço 76,6 4100 54 207 2,5 Fibra de vidro Fibra de Carbono Fibra de Boro 24,4 4800 197 86 3,5 13,8 1700 123 190 14 25,2 3500 137 400 16 As fibras por si só não apresentam propriedades estruturais para resistir aos esforços aplicados a elas. Desta maneira é necessário algum tipo de suporte, ou estrutura na qual as fibras possam estar compactadas e assim serem capazes de suportar esforços. Para Dietz [2], este suporte é fornecido pela incorporação das fibras em uma matriz suficientemente rígida a fim de conter o colapso das fibras sob carregamento e transmitir os esforços de fibra para fibra, principalmente em condições de cisalhamento. A matriz, usualmente com menor resistência mecânica e rigidez que as fibras não suporta carregamento elevados, mas, com a

24 adição das fibras, o compósito formado apresenta propriedades tanto das fibras quanto da matriz, ou seja: alta resistência mecânica, rigidez e dureza. Os compósitos reforçados por matriz polimérica apresentam baixo custo, alta resistência mecânica e manufatura simples. Como o nome sugere, a matriz polimérica é formada por polímeros. Os polímeros são formados a partir de unidades menores, chamadas monómeros. Estes são moléculas de baixa massa que por meio do processo de polimerização geram o polímero. As unidades repetitivas que provem do monómero são nomeadas de mero. Os meros, como mostra a Figura 2.4, são divididos em três categorias: linear, ramificado e em rede. Os polímeros lineares são uma cadeia de meros, entre os três tipos é o que possui menor rigidez e resistência mecânica. Os polímeros em ramos são constituídos por polímeros lineares conectados uns aos outros. Por fim, os polímeros em rede são aqueles nas quais suas cadeias formam uma larga estrutura tridimensional interconectada garantindo a eles maior rigidez e resistência mecânica [1]. Figura 2.4: Classificação dos polímeros [1].

25 Outra classificação empregada para estruturas poliméricas é de acordo com o seu comportamento perante ao aumento de temperatura. São elas: borracha, termoplástico e termofixos. Para Jones [1], as borrachas são materiais poliméricos em rede cujo estado sólido é abaixo da temperatura ambiente. Os termoplásticos são polímeros em ramos, ao aquecelos, eles se tornam macios, ao resfriá-los tornam-se rígidos. Suas características são: alta taxa de deformação, capacidade de reprocessamento e baixo tempo de cura. Pode-se citar como exemplo de termoplástico: nylon e polietileno. Já, os polímeros termofixos são formados por reações químicas até que todas as suas moléculas tomem uma forma irreversível de rede. Uma vez que esta forma é adquirida ela não pode ser desfeita. As principais características dos termofixos são: baixa taxa de deformação, alta resistência mecânica e maior resistência a temperaturas elevadas. Exemplos de polímeros termofixos são: poliamidas e epóxi. As principais matrizes poliméricas são formadas por resinas. A escolha do tipo de resina é de acordo com a aplicação. Deve-se considerar a resistência mecânica, custo, emissão de gás e temperatura de operação. A Figura 2.5 mostra um comparativo destas qualidades para diferentes tipos de resina.

26 Figura 2.5: Comparativo de performance dos polímeros utilizados na matriz polimérica [4]. Como pode ser observado na Figura 2.5, cada resina possui suas vantagens e desvantagens. A resina mais utilizada pela indústria (cerca de dois terços) é a resina epóxi. Apesar de seu custo elevado ela apresenta alta resistência mecânica, baixa viscosidade que permite boa aderência com as fibras na matriz polimérica, baixa volatilidade durante a cura e baixo enrugamento causando a redução das tensões de cisalhamento [4].

27 2.2. COMPÓSITOS LAMINADOS Compósitos laminados são caracterizados pela união de duas ou mais lâminas ligadas entre si por uma matriz, a Figura 2.6 apresenta uma exemplificação dos compósitos laminados. A importância dos laminados se dá por razões estruturais. Ao examinar uma única lâmina sua espessura é da ordem de 0,125 mm sendo necessário uma série de lâminas para suportar cargas presentes em situações de esforço. Uma segunda justificativa é relacionada as propriedades mecânicas, uma única lâmina unidirecional torna-se vulnerável a solicitações de cisalhamento. Portanto, a fim de obter melhores propriedades mecânicas e condicionar as lâminas para suportar cargas estruturais os laminados são projetados e fabricados por uma série de lâminas empilhadas em uma matriz. Em consequência dos esforços e rigidez exigidos, os laminados devem ser projetados de acordo com os esforços de tração, compressão, cisalhamento, flexão e torção. As tensões e deformações são observadas de forma local, global e em cada lâmina do laminado. Com isso, as propriedades do laminado, em geral, estarão atreladas as seguintes características: Módulo de elasticidade; Posicionamento das lâminas; Espessura; Orientação das lâminas.

28 Figura 2.6: Exemplificação dos laminados [1]. Os laminados são formados por grupos de lâminas. Cada lâmina pode ser identificada de acordo com sua posição e seu ângulo de aplicação no laminado. Para isso, como mostra a Figura 2.7, deve-se seguir uma notação. Cada lâmina é representada por seu ângulo em relação ao eixo x e cada camada é separa por um sinal de barra (/) entre colchetes. Figura 2.7: Esquemático dos laminados [4].

29 Assim, um laminado composto por: 0-45 90 60 30 É designado como [0/-45/90/60/30], isto é, o laminado consiste em cinco camadas com cada uma delas em um ângulo diferente em relação ao eixo x [4]. Uma das propriedades mais importante dos compósitos laminados é a sua resistência mecânica. Para Jones [1], ao analisar a resistência mecânica dos laminados a falha de uma lâmina não necessariamente irá influência na falha do laminado, como mostra a Figura 2.8. O laminado pode sustentar elevadas cargas mesmo com a queda de rigidez (ocasionada pela falha de uma lâmina). A resistência, tanto para tração quanto para flexão dos laminados será determinada pelo número de camadas, pelo ângulo de aplicação das lâminas e pelo material empregado. Além disso, a temperatura de cura e o tipo de matriz irá influenciar na propriedade.

30 Figura 2.8: Falha das camadas de um compósito laminado [4]. Muitos pesquisadores estudam a influência da direção da fibra na resistência mecânica e no módulo de elasticidade dos compósitos laminadas. Para Pamar [5], tensões de tração e flexão em fibras orientadas em 90º são superiores pois as tensões são igualmente distribuídas por todas as fibras e transmitidas ao longo de seus eixos principais (x e y). Maiores deformações são observadas com ângulo de 30º, entretanto, camadas sobrepostas com ângulos diferentes de 90º resultam em concentradores de tensão causando a ruptura precoce do corpo de prova. Liang [6], avaliou a ruptura por tensão de cisalhamento em amostras de fibra de carbono unidirecionais e não lineares. As amostras não lineares possuem uma melhor resposta às tensões de cisalhamento. Elas absorvem mais energia devido à alta resistência mecânica comparada as amostras unidirecionais. Nas amostras unidirecionais a ruptura começa nas bordas e rapidamente avança para o centro, a amostra falha pelo descolamento das lâminas adjacentes. Outros pesquisadores estudaram a alteração das propriedades mecânicas de laminados compostos por fibras de materiais diferentes, em especial fibra de vidro e fibra de carbono. Os compósitos com fibra de vidro no exterior e fibras de carbono no interior apresentam maior tensão de ruptura e maior resistência a tração. Há uma perda de 17% de resistência a tração dos híbridos (fibras de carbono/vidro) em relação ao laminado confeccionado apenas com fibra de carbono, porém há um aumento significativo (90%) da tensão de ruptura [7].

31 Os ensaios de flexão realizados por Dong [8] e Tan [9] apontaram uma queda significativa no módulo de flexão dos híbridos em relação a fibra de carbono pura. No entanto, os resultados comparados com fibra de vidro apontaram um aumento significativo na deformação e na resistência a flexão. Além disso, Irina [10] aponta a redução de custos ao optar pelo hibrido de fibra de carbono/vidro em vez do compósito formado apenas por fibra de carbono. 2.3. COMPÓSITOS SANDUÍCHE Os tipos mais simples de compósitos sanduíche consistem em duas lâminas de pouca espessura, chamadas de faces, com elevada rigidez e densidade, geralmente composta de fibras de carbono e vidro, separadas por uma espessa camada com menor densidade e rigidez chamado de núcleo. Os núcleos possuem um papel fundamental nos compósitos tipo sanduíche. Eles devem ser rígidos o bastante na direção perpendicular às faces a fim de resistirem a tensões de cisalhamento nas quais podem fazer com que, ao ser dobrado, as faces não se soltem do núcleo [11]. A Figura 2.9 apresenta alguns exemplos de compósitos sanduíche.

32 Figura 2.9: Exemplos de compósitos sanduíche, (a) núcleo de espuma, (b) núcleo de honeycomb, (c) núcleo ondulado [11]. Os compósitos sanduíche são avaliados baseados na sua resistência, peso, durabilidade, resistência a corrosão e custo. Os materiais comumente aplicados para a face são ligas de alumínio e fibras reforçadas. As ligas de alumínio possuem excelente resistência, porém necessitam de tratamento anticorrosivo. As fibras reforçadas empregadas são as combinações de carbono/epóxi e vidro/epóxi por sua resistência mecânica e resistência a corrosão, podendo ser unidirecionais ou em tranças. Ao se tratar do núcleo os materiais geralmente empregados são: madeira balsa por sua resistência a compressão, boa vida em fadiga e alta resistência a cisalhamento; Placas de

33 polímeros de baixa densidade, como: poliuretano, poliéster e PVC pelo baixo peso; E, os honeycombs que possuem diversas formas e configurações [4]. Para Frostig [12] os compósitos sanduíches com núcleo de materiais poliméricos apresentam as seguintes características sob flexão: O núcleo afetará toda a estrutura; A lâmina superior será mais afetada que a inferior; Os esforços axiais serão maiores no centro do corpo de prova (onde a carga é aplicada) e diminuem no sentido axial; As tensões de cisalhamento na vizinhança da área onde a carga é aplicada não é uniforme, no entanto, ao longo do corpo de prova ela se mostra uniforme; Há tensões de compressão na face superior e tração na face inferior. A distribuição de tensão depende da resistência a flexão do corpo de prova; As forças de cisalhamento nas faces são significantes na área onde a carga é aplicada e vai diminuindo no comprimento do corpo de prova. No núcleo a força de cisalhamento é nula em seu interior devido a simetria do corpo de prova; O momento de flexão na face será dependente da rigidez do núcleo. Quanto mais rígido o núcleo, maior será o efeito nas faces; Quanto menor a rigidez do núcleo mais suscetível o corpo de prova estará de colapsar. Lingaiah et al. [13] completa o trabalho de Frostig [12] ao avaliar a rigidez à flexão em corpos de prova formados por núcleos de honeycombs de alumínio e espuma de PVC.

34 Lingaiah afirma que a rigidez à flexão de compósitos sanduíche com núcleo de espuma aumenta à medida que a espessura do núcleo é elevada e que o valor experimental é 90 porcento em relação ao teórico. Diferentemente do núcleo de espuma, núcleos mais rígidos, como o honeycomb de alumínio dispõem de maior rigidez que, neste caso, oferecem uma rigidez experimental 55% do teórico. Nilsson et al. [14] e Shahdin et al.[15] pesquisaram o efeito das vibrações em materiais compósitos sanduíche uma vez que este é amplamente utilizado em aviões e helicópteros. Suas conclusões levam a dependência da rigidez a flexão à frequência, isto é, em sanduíches de maiores espessuras cujo funcionamento se dê em uma menor frequência sua rigidez a flexão será menor. Steeves et al. [16] propõem a seleção do compósito sanduíche feita a partir da massa com uma tensão previamente estabelecida a fim de otimizar a estrutura. Em seu artigo ele estabelece outras composições de sanduíche e afirma que a combinação com faces de fibra de carbono e núcleo de espuma é ótima para estruturas com baixo carregamento. Estruturas com alto carregamento devem ser formadas por sanduíches com faces hibridas de carbono e núcleo de honeycomb, no entanto, núcleos de espuma com hastes poliméricas ou núcleos oriundos de compósitos naturais podem ser utilizados como substitutos por possuir rigidez a flexão equivalente. No âmbito de substituição dos núcleos convencionais, Yalkin et al. [17] ao propor o núcleo formado de espuma de PVC com hastes poliméricas aponta a melhora das propriedades mecânicas em geral com um aumento de peso de 7 porcento em relação aos núcleos de espuma sem haste. A melhora das propriedades está diretamente ligada ao número de hastes introduzidas no núcleo de espuma. No entanto, as hastes restringem o movimento do núcleo implicando na redução da deflexão máxima do compósito.

35 2.4. PROCESSO DE INFUSÃO A VÁCUO Com o progresso da indústria de materiais compósitos o processo de infusão a vácuo vem ganhando destaque no meio. Um exemplo evidente pode ser observado na indústria eólica. As pás dos geradores, devido a suas dimensões, impulsionaram a indústria e o desenvolvimento de novas técnicas para a confecção de peças oriundas dos materiais compósitos. A Figura 2.10 mostra a evolução do processo de infusão a vácuo em relação a demanda e ao comprimento das pás dos geradores de energia eólica [18]. Figura 2.10: Evolução do processo de infusão a vácuo em relação a demanda e ao comprimento das pás de geradores e energia eólicos [18]. O processo de infusão a vácuo é uma técnica recente (1995) de injeção de resina sob pressão, em molde fechado, para a produção de compósitos. Enquanto em um processo de laminação manual os reforços são colocados sobre o molde e a resina é impregnada manualmente com o auxílio de escovas ou rolos e o vácuo é apenas utilizado no final a fim de remover o excesso de resina. No processo por infusão a vácuo o material compósito é

36 submetido a pressão do vácuo enquanto ainda está seco, sendo a força motriz da bomba de vácuo responsável por sugar a resina para o interior do molde por meio de tubos estrategicamente posicionados. Ao final do processo, o excesso de resina passa pelo laminado e é conduzido à um recipiente intermediário posicionado entre o laminado e a bomba de vácuo. Com isso, a resina é introduzida de forma mínima no laminado e, consequentemente, origina uma redução de peso no compósito. A Figura 2.11 exemplifica o processo [19]. Figura 2.11: Esquemático do processo por infusão a vácuo. (1) Equipamento de mistura da resina com o catalizador; (2) Recipiente da resina; (3) Molde; (4) Recipiente intermediário e bomba de vácuo [19]. A principal dificuldade encontrada durante o planejamento do processo remete ao tamanho e a forma do laminado. Isto se dá pela necessidade de diferentes disposições dos canais na qual a resina irá passar, e para que durante o processo não ocorra vazamentos ou a cura da resina antes da infusão estar completa [19]. O processo de infusão a vácuo é realizado nas seguintes etapas [18]:

37 Limpar o molde e aplicar cera desmoldante na superfície; Posicionamento das fibras; Aplicar a película sobra as fibras; Posicionar os tubos de injeção de resina na película; Aplicar a fita de vedação entre o saco de vácuo e a superfície onde se encontra o laminado e a película; Conectar o tubo de extração da resina no recipiente intermediário e conectalo na bomba de vácuo; Ligar a bomba de vácuo; Verificar vazamento; Aguardar a cura da resina. Como todo processo de fabricação, o por infusão a vácuo também apresenta vantagens e desvantagens. A Tabela 2.2 apresenta algumas delas. Tabela 2.2: Vantagens e desvantagens do processo de fabricação por infusão a vácuo [18]. Vantagens Controle das tolerâncias dimensionais Boa qualidade superficial Propriedades mecânicas uniformes Desvantagens Cura demorada Requer baixas viscosidades da resina Consumíveis caros Razão volumétrica de fibra e resina elevada Processo econômico

38 2.5. ENSAIOS MECÂNICOS O objetivo desta seção é apresentar os conceitos dos ensaios mecânicos monótonos de tração e flexão nas quais foram utilizados para caracterizar os materiais compósitos analisados neste trabalho. 2.5.1. Ensaio de Tração O ensaio de tração convencional é realizado com a finalidade de obter a resistência a tração do corpo de prova. A Figura 2.12 ilustra um corpo de prova típico do ensaio de tração. Figura 2.12: Corpo de prova típico do ensaio de tração [20]. O diâmetro do, o comprimento lo, e a área de seção transversal A são medidos previamente ao ensaio. O corpo de prova é montado na máquina de testes e a carga P é aplicada. A carga é convertida em tensão por meio da Equação 2.1 [20]: σ = P A (2.1) Por sua vez, a deformação do corpo de prova é caracterizada pelo alongamento relativo, isto é, o comprimento final (l) do corpo de prova em relação ao seu comprimento inicial lo. Deste modo, a Equação 2.2 representa a deformação [20]: ε = l lo lo (2.2)

39 Com as equações 2.1 e 2.2 as propriedades mecânicas relevantes sobre o material podem ser obtidas. A curva tensão x deformação é criada a partir das variáveis σ e ε. A Figura 2.13 mostra a curva tensão x deformação de um típico material metálico. Figura 2.13: Tensão x deformação de um típico material metálico [20]. Na Figura 2.13 o ponto pl é chamado de limite de proporcionalidade. Até este ponto o material experimenta a deformação elástica, ou seja, se o corpo de prova for carregado até este ponto e logo em seguida a carga for removida não será observada deformação plástica. Até este ponto a curva é caracterizada pela lei de hook, que é dada pela seguinte equação: σ = Eε (2.3) Onde a constante de proporcionalidade E é denominada módulo de elasticidade e pode ser usada como indicativo da rigidez do material.

40 O ponto el é denominado limite de elasticidade. Este ponto é caracterizado por separar o limite elástico do limite plástico. Abaixo dele, o material estará experimentando deformação elástica. Acima, será observado a deformação plástica. O ponto y correspondente a Sy e εy é o ponto de escoamento. Neste ponto a tensão Sy é denominada tensão de escoamento, isto é, ao aplicar uma tensão maior que Sy o material estará submetido a deformação plástica. Este ponto também está relacionado a reta a que corresponde a uma deformação de 0,2% e é utilizada para definir o limite de escoamento do material (em alguns casos esse porcentual é 0,1 ou 0,5%) [20]. A tensão máxima ou resistência mecânica corresponde ao ponto u na qual é registrado o valor máximo de tensão suportado pelo corpo de prova. E o ponto f representa a tensão e a deformação de ruptura do material [20]. A Figura 2.14 ilustra as relações tensão-deformação nos materiais compósitos. Figura 2.14: Curva tensão-deformação da fibra, matriz e compósito [21]. A resistência à tração do compósito é dada pela soma das duas contribuintes apresentadas na Figura 2.14 (matriz e fibra) A maior parte dos compósitos reforçados por

41 matriz polimérica há uma distribuição de comprimentos de fibra. Como resultado da diferença de deformação entra a fibra e a matriz, são induzidas tensões de cisalhamento nas fibras em direção ao seu eixo, tencionando-as. Com o aumento do esforço a tração, a tensão na fibra aumenta até um ponto onde a resistência à tração máxima na fibra é excedida, pois a área de sua seção reta é muito pequena, e a fibra quebra à medida em que o processo de deformação do compósito continua, a fibra continuará a quebras até quando as tensões de cisalhamento na superfície da fibra não forem mais suficientes para rompê-la [21]. 2.5.2. Ensaio de Flexão O ensaio de flexão consiste na aplicação de uma carga crescente em determinados pontos de uma barra de geometria padronizada, a qual pode estar na condição bi apoiada ou engastada em uma das extremidades. Mede-se o valor da carga versus a deformação máxima. Em materiais dúcteis, quando sujeitos a esse tipo de carga, por serem capazes de absorver grandes deformações, não fornecem resultados quantitativos qualificados para o ensaio de flexão [22]. Portanto, o ensaio deve ser aplicado para materiais de maior rigidez. As principais propriedades obtidas do ensaio de flexão são: tensão de ruptura em flexão (σf), módulo de elasticidade em flexão (Ef). Os resultados podem variar com a temperatura, velocidade de aplicação da carga, defeitos superficiais e geometria da seção. Existem três tipos principais de ensaio de flexão: o ensaio de três pontos, em que a barra a ser testada é apoiada nas extremidades e a carga é aplicada no centro do comprimento do corpo de prova; o ensaio em quatro pontos, na qual a barra a ser testada é bi apoiada nas extremidades e a carga é aplicada em dois pontos na região central do comprimento,

42 separadas por uma distância padronizada; e o método de engaste, que consiste em engastar uma das extremidades e aplicar a carga na ponta oposta do engaste [22]. O ensaio de flexão em três pontos será comentado a seguir por se tratar do tipo de ensaio utilizado neste trabalho para a obtenção das propriedades mecânicas de flexão dos compósitos. A Figura 2.15 apresenta um esquemático do ensaio de flexão em três pontos. O ensaio consiste na aplicação de uma carga P no centro do corpo de prova, apoiado em dois pontos. A carga é aplicada a partir de um valor zero e aumentada lentamente até a ruptura do corpo de prova. O valor da carga versus o deslocamento do ponto central consiste na resposta do ensaio. Este tipo de ensaio é aplicado à materiais frágeis, ou de elevada dureza, como o caso de compósitos. Os principais parâmetros obtidos por este ensaio são: tensão de ruptura em flexão (σf), módulo de elasticidade em flexão (Ef) [22]. Figura 2.15: Esquemático do ensaio de flexão de três pontos [23]. As equações de conversão da carga e deslocamento para tensão de flexão e deformação de flexão, assim como o módulo de elasticidade à flexão serão discutidas no

43 capítulo 3 na seção metodologia experimental. Entretanto, a curva esperada para cada corpo de prova é apresentada na Figura 2.16. As curvas típicas do ensaio podem ser do tipo a, quando a ruptura ocorre antes da deformação das fibras; do tipo b, quando há deformação das fibras e a ruptura 5% de deformação após este ponto; e do tipo c, quando não há deformação das fibras e nem ruptura, neste caso o ensaio deve ser interrompido e o valor máximo registrado [23]. Figura 2.16: Curvas típicas de ensaio de flexão em três pontas em materiais compósitos. Adaptado de [23].

44 Capítulo 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. MATERIAIS Os compósitos ensaiados foram divididos em dois grupos, os compósitos reforçados de fibra de carbono e fibra de vidro com matriz polimérica, e compósitos tipos sanduíches constituídos com camadas externas de fibra de vidro e carbono com núcleo de espuma de PVC Divinycell H45 e madeira balsa. A Tabela 3.1 apresenta as características das fibras utilizadas. Tabela 3.1: Características das fibras [24, 25]. Propriedades Fibra de vidro Fibra de carbono Fios/cm urdume 4,0 5,0 Fios/cm trama 4,0 5,0 Densidade (g/m 2 ) 330 200 Espessura (mm) 0,30 0,30

45 Os compósitos tipo sanduíche são constituídos por núcleos. As propriedades dos dois tipos de núcleos supracitados podem ser observadas na Tabela 3.2. Tabela 3.2: Propriedades dos núcleos dos compósitos sanduíches [26, 27]. Propriedades Divinycell h45 Madeira Balsa Resistência à tração (MPa) 1,4 19,9 Módulo de elasticidade (MPa) 55,0 900,0 Densidade (Kg/m 3 ) 48,0 140,0 Com o intuito de conferir rigidez aos corpos de prova, a matriz polimérica utilizada é a resina epóxi LY 5052 da Araldite com proporção de mistura resina:catalisador de 2:1. A Tabela 3.3 mostra as propriedades da resina de acordo com o fabricante. Tabela 3.3: Propriedades da resina epóxi [28]. Propriedades Araldite LY 5052 Densidade @ 25ºc (g/cm 3 ) 1,16 1,18 Viscosidade @ 25ºc (mpas) 1000 1500 Resistência à tração (MPa) 80 83 Resistência à flexão (MPa) 126 126 Alongamento máximo (%) 8,5 13,4

46 3.2. EQUIPAMENTOS Dois equipamentos foram utilizados. Um para os ensaios de tração e o outro para o ensaio de flexão. A Figura 3.1 mostra a máquina de ensaio utilizada no ensaio de tração. O ensaio foi realizado em uma Shimadzu Servopulser hidráulica com uma célula de carga com 100 kn de capacidade e deslocamento máximo de 250 mm. Figura 3.1: Máquina de ensaio de tração Shimadzu Servopulser.

47 O ensaio de flexão foi realizado na máquina de ensaio universal EMIC DL eletromecânica com célula de carga de 5 kn. A Figura 3.2 mostra a máquina. Figura 3.2: Máquina de ensaio universal EMIC DL. 3.3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL Para investigar o comportamento mecânico dos materiais compósitos chapas de 300 x 300 mm foram confeccionadas pelo processo de infusão a vácuo, após montar e configurar a máquina os vazamentos foram devidamente vedados, a pressão exercida pela bomba de vácuo foi de 1 Bar e seu funcionamento se deu por 2 horas, a cura decorreu pelas 8 horas seguintes à temperatura ambiente. Em seguida foram cortadas tiras com dimensões de 250 mm x 25 mm deixando, assim, uma seção de 200 mm nos corpos de prova para os ensaios. A Tabela 3.4 apresenta os tipos e a quantidade de amostras para cada ensaio de acordo com as normas ASTM D790 [23] e ASTM D3039 [29]. E a Figura 3.3 mostra os corpos de prova

48 nas dimensões estabelecidas pelas normas para os ensaios, onde: (a) fibra de vidro; (b) fibra de vidro + madeira balsa; (c) fibra de vidro + Divinycell H45 ; (d) fibra de carbono; (e) fibra de carbono + madeira balsa e (f) fibra de carbono + Divinycell H45. Tabela 3.4: Tipos e quantidade de corpos de prova utilizadas por ensaio. Corpos de prova Ensaio de tração (ASTM D3039) Ensaio de flexão (ASTM D790) Fibra de carbono 5 3 Fibra de vidro 5 3 Fibra de carbono + Divinycell H45 5 3 Fibra de carbono + Madeira balsa 5 3 Fibra de vidro + Divinycell H45 5 3 Fibra de carbono + Madeira balsa 5 3 Figura 3.3: Tipos de amostras confeccionadas.

49 As amostras (a) e (b) são formadas por 8 camadas de fibra de carbono e vidro [0/90º], enquanto as amostras de (c) à (f) são formadas pelo núcleo de madeira balsa com fibras em sentido axial e divinycell H45 com 2 camadas de fibra de carbono ou vidro [0/90º] em cada lado do corpo de prova. Por se tratar de materiais que serão aplicados no aeromodelo da Universidade Federal Fluminense, a massa de cada amostra foi tomada e será discutida no Capítulo Resultados e Discussões. 3.3.1. Ensaio de Tração O Ensaio de tração foi realizado de acordo com a norma ASTM D3039. A velocidade de ensaio empregada foi de 2,0 mm/min para todos os corpos de prova como consta na norma. As garras do cabeçote foram calibradas para evitar a formação de uma seção menor nas pontas do corpo de prova. A Figura 3.4 mostra um dos corpos de prova durante o ensaio. Figura 3.4: Corpo de prova durante o ensaio.

50 Assim, após os ensaios os dados foram tratados no programa Microsoft Excel. As Equações 2.1 e 2.2 foram utilizadas para a determinação da curva tensão deformação enquanto a Equação 2.3 foi aplicada para a determinação do módulo de elasticidade. 3.3.2. Ensaio de Flexão O ensaio de flexão em três pontos foi realizado de acordo com a norma ASTM D790. A espessura do corpo de prova é essencial para o ensaio pois ela é responsável por determinar a distância entre os pontos de apoio na máquina e a velocidade do ensaio. A distância entre apoios é determinada pela Equação 3.1 apresentada a seguir: L = 16 x d (3.1) Onde: d Espessura do corpo de prova, [mm] L Distância entre os suportes, [mm] A taxa de deformação é determinada pela Equação 3.2: R= ZL2 6d (3.2) Onde: Z Taxa de estiramento, deve ser igual a 0,01 R Velocidade de ensaio, [mm/min] Deste modo, para cada corpo de prova o cálculo da distância entre os suportes e da taxa de deformação foi realizado. A Tabela 3.5 apresenta estes valores.

51 Corpo de Prova Tabela 3.5: Valores de distância entre suporte e taxa de deformação. Fibra de Carbono Espessura (mm) Distância entre suportes (mm) Taxa de deformação (mm/min) Corpo de Prova Espessura (mm) Fibra de Vidro Distância entre suportes (mm) Taxa de deformação (mm/min) 1 1,8 28,8 0,768 1 3 48 1,28 2 1,8 28,8 0,768 2 3 48 1,28 3 1,8 28,8 0,768 3 3 48 1,28 Corpo de Prova Fibra de Carbono + Divinycell H45 Fibra de Vidro + Divinycell H45 Espessura (mm) Distância entre suportes (mm) Taxa de deformação (mm/min) Corpo de Prova Espessura (mm) Distância entre suportes (mm) Taxa de deformação (mm/min) 1 4,5 72 1,92 1 5 80 2,133 2 4,5 72 1,92 2 5 80 2,133 3 4,5 72 1,92 3 5 80 2,133 Corpo de Prova Fibra de Carbono + Madeira Balsa Espessura (mm) Distância entre suportes (mm) Taxa de deformação (mm/min) Corpo de Prova Fibra de Vidro + Madeira Balsa Espessura (mm) Distância entre suportes (mm) Taxa de deformação (mm/min) 1 3,5 56 1,493 1 4 64 1,706 2 3,5 56 1,493 2 4 64 1,706 3 3,5 56 1,493 3 4 64 1,706 Após os ensaios, os dados foram tratados no programa Microsoft Excel. Segundo a ASTM D790 para se determinar a curva tensão deformação deve-se aplicar as Equações 3.3 e 3.4 exibidas a seguir:

52 Para tensão: Onde: σf Tensão de flexão, [MPa] P Carga aplicada, [N] b Largura do corpo de prova, [mm] Para deformação: Onde: εf Deformação à flexão D Deslocamento, [mm] σ f = 3PL 2bd 2 (3.3) ε f = 6Dd L 2 (3.4) Deste modo, os gráficos tensão deformação foram obtidos e os módulos de elasticidade sob tensão e flexão foram analisados. Os resultados podem ser observados no próximo capítulo.

53 Capítulo 4 RESULTADOS 4.1. MASSA Por se tratar de uma propriedade importante para a engenharia aeroespacial a massa média das amostras e seus respectivos desvios padrão podem ser analisados na Tabela 4.1. Amostra / Propriedades Tabela 4.1: Massa média e desvio padrão dos corpos de prova. Fibra de Carbono Fibra de Vidro Fibra de Carbono + Madeira Balsa Fibra de Vidro + Madeira Balsa Fibra de Carbono + Divinycell H45 Fibra de Vidro + Dininycell H45 Massa [g] 13,66 22,05 8,03 10,37 6,41 9,39 Desvio Padrão 1,41% 2,90% 8,87% 9,55% 3,15% 2,35% A diferença de massa é evidente entre os corpos de prova formado por fibra de carbono em comparação com os constituídos de fibra de vidro. Isso se dá pela diferença de densidade entre os dois compostos, tal diferença pode ser observada na Tabela 3.1. Entretanto para as amostras com núcleo de madeira balsa o desvio padrão mostra-se elevado, 9,55%

54 para amostras com fibra de carbono e 8,87% para os corpos de prova com fibra de vidro, tal diferença pode ser explicado pelo fato da madeira balsa ser um composto natural que, por consequência, pode apresentar variações de densidade nos diferentes corpos de prova. 4.2. ENSAIO DE TRAÇÃO Os ensaios de tração foram realizados conforme a norma ASTM D3039 com taxa de deformação de 2,0 mm/min. A Figura 4.1 e a Tabela 4.2 apresentam, respectivamente, o gráfico comparativo tensão x deformação dos corpos de prova e os resultados de tensão máxima e módulo de elasticidade com seus desvios padrão. Figura 4.1: Comparativo tensão x deformação.

55 Tabela 4.2: Tensão máxima e módulo de elasticidade. Amostra / Propriedades Tensão máxima (MPa) Desvio padrão tensão máxima Módulo de elasticidade (GPA) Fibra de Carbo no Fibra de Vidro Fibra de Carbono + Madeira Balsa Fibra de Vidro + Madeira Balsa Fibra de Carbono + Divinycell H45 Fibra de Vidro + Dininycell H45 582,94 210,44 107,09 69,67 158,09 58,25 2,92% 4,60% 11,95% 10,81% 4,22% 3,74% 36,81 10,85 11,12 8,26 9,96 4,52 Desvio padrão módulo de elasticidade Deformação máxima (mm/mm) 2,73% 4,82% 6,82% 9,85% 4,40% 3,52% 0,0183 0,021 0,009 0,0098 0,0163 0,0137 Os corpos de prova constituídos apenas de fibra de carbono e fibra de vidro, como esperado, apresentaram os maiores valores de tensão máxima. Ao introduzir o núcleo de madeira balsa e divinycell H45 os corpos de prova constituídos pelas camadas de fibra de carbono mantiveram-se com tensão máxima maior do que as com lâminas de fibra de vidro, isto se deve a maior resistência a tração da fibra de carbono em comparação à fibra de vidro.

56 Os núcleos constituídos de madeira balsa apresentam elevado desvio padrão. Por ser um composto natural, a madeira balsa pode ser tratada como material anisotrópico que justifica as diferenças das curvas observadas nas Figuras A.3 e A.6 e o desvio padrão apresentado na Tabela 4.2. Diferentemente da madeira balsa, os corpos de prova compostos por núcleo de Divinycell H45 não apresentam os mesmos efeitos. Os desvios padrão de 4,22% para fibra de carbono e 3,74% para fibra de vidro mostram a isotropia do material, que, por sua vez, é industrializado e passa por um rigoroso processo de qualidade. Com maior módulo de elasticidade, a fibra de carbono incorporada aos núcleos de madeira balsa e divinycell H45 apresentam excelentes resultados, visto que, seus módulos de elasticidade estão no mesmo patamar que os corpos de prova constituídos apenas por fibra de vidro. Do mesmo modo que a tensão máxima, o módulo de elasticidade segue a mesma tendência. Nas comparações diretas, os compósitos constituídos de fibra de carbono apresentam melhor resultado pela maior resistência a tração. Porém, diferentemente da tensão máxima, o módulo de elasticidade dos compósitos com núcleo de madeira balsa mostraramse com valores superiores aos com núcleo de divinycell H45. Isto se deu pela maior rigidez da madeira balsa. 4.3. ENSAIO DE FLEXÃO Os ensaios de flexão foram realizados conforme a norma ASTM D790 com taxa de deformação e distância entre pontos apresentados na Tabela 3.5. As Figuras A.7 a A.9 são referentes aos corpos de prova formados por fibra de carbono enquanto as Figuras A.10 a

57 A.12 são referentes aos corpos de prova formados por fibra de vidro. A Tabela 4.3 mostra os valores das propriedades analisadas em conjunto com seus desvios padrão. Figura 4.2: Comparativo tensão de flexão x deformação fibra de vidro e fibra de carbono. Figura 4.3: Comparativo tensão de flexão x deformação fibra de vidro/fibra de carbono + madeira balsa/divinycell H45.

58 Tabela 4.3: Tensão máxima de flexão e módulo de elasticidade. Amostra / Propriedades Tensão máxima (MPa) Desvio padrão tensão máxima Fibra de Carbono Fibra de Vidro Fibra de Carbono + Madeira Balsa Fibra de Vidro + Madeira Balsa Fibra de Carbono + Divinycell H45 Fibra de Vidro + Dininycell H45 751,43 284,79 125,27 52,20 30,04 26,97 9,46% 8,75% 1,96% 1,90% 5,98% 4,10% Módulo de elasticidade 47,28 17,74 24,91 9,45 6,15 4,42 (GPA) Desvio padrão módulo de elasticidade 6,24% 4,97% 3,07% 4,47% 5,98% 5,92% Deformação máxima (mm/mm) 0,022 0,022 0,0058 0,0061 0,0078 0,0095 Os compósitos formados por fibra de carbono e fibra de vidro apresentaram os maiores valores de resistência a flexão. Ao se tratar de resistência a flexão a rigidez do material e do núcleo deve ser levada em consideração, neste caso, os compósitos com núcleo de maior rigidez obtiveram maiores valores de resistência a flexão.

59 No caso dos compósitos reforçados por fibra de vidro e fibra de carbono foi observado um elevado desvio padrão. Tal fato, deve-se ao início da ruptura das fibras que gera um processo em cadeia de quebra das mesmas não sendo possível observar um padrão em relação a tensão máxima de flexão. Os corpos de prova formados por núcleo de madeira balsa apresentaram um efeito similar aos compósitos reforçados. A ruptura do núcleo ocorre antes da ruptura das lâminas ocasionando as quedas bruscas de tensão a flexão. Por outro lado, as amostras com núcleo de divinycell H45 formam curvas mais suaves pela baixa rigidez de seu núcleo devido à transmissão dos esforços por todo o corpo de prova. Os módulos de elasticidade apresentados na Tabela 4.3 mostram que a fibra de carbono como lâmina nos compósitos sanduíche são responsáveis pelo valor superior do módulo de elasticidade encontrado em relação aos formados por fibra de vidro. Tal qual a resistência a tração, o núcleo do compósito sanduíche, por sua rigidez, irá influenciar o módulo de flexão, ou seja, quanto mais rígido for o núcleo, maior será o módulo de elasticidade. No entanto, a combinação fibra de carbono mais madeira balsa apresentou valores superiores em relação ao compósito reforçado por fibra de vidro apesar de não superar a tensão a flexão.

60 Capítulo 5 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS 5.1. CONCLUSÕES A análise do comportamento mecânico sob tração e flexão dos corpos de prova constituídos de fibra de carbono e vidro reforçados por matriz polimérica e dos compósitos sanduíches com núcleo de madeira balsa e divinycell H45 combinados com lâminas de fibra de carbono e fibra de vidro mostraram a alta resistência a tração/flexão e elevado módulo de elasticidade a tração/flexão das fibras reforçadas por matriz polimérica. Os compósitos sanduíches com lâminas de fibra de carbono apresentaram melhor desempenho em todos os parâmetros analisados comparados aos compósitos de mesmo núcleo com lâmina de fibra de vidro. Isto se deve a menor densidade da fibra de carbono e suas propriedades superiores.

61 Ao comparar os compósitos constituídos com núcleo de madeira balsa e divinycell H45, durante os ensaios de tração e flexão, a madeira balsa, por ser um composto natural, possuir maior rigidez e ser um material anisotrópico provoca a ruptura do núcleo antes das fibras gerando quedas acentuadas de tensão. Já os compósitos com núcleo de divinycell H45 absorvem e dissipam as tensões em todo o corpo de prova devido à baixa rigidez do material, gerando curvas mais suaves e previsíveis, principalmente no ensaio de flexão. Ao avaliar as propriedades e a massa de cada compósito, e também, levando em consideração a aplicação aeroespacial, os compósitos formados por fibra de vidro não são desejáveis pela baixa resistência a tração e flexão, assim como pela massa mensurada em comparação aos compósitos de fibra de carbono. Por fim, dentre os compósitos com fibra de carbono os com núcleo de madeira balsa podem ser aplicados em áreas de maior esforços e concentração de tensões, para áreas de menor esforços pode-se aplicar os compósitos com núcleo de divinycell H45. 5.2. PERSPECTIVAS FUTURAS Para sequencia deste trabalho sugere-se: Análise dos compósitos sanduíches com núcleo de divinycell H45 com variantes de espessura e número de lâminas de fibra de carbono; Análise de fadiga dos compósitos sanduíches com núcleo de madeira balsa e divinycell H45 com lâminas de fibra de carbono.

62 Capítulo 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Jones, Robert M. Mechanics of composite materials. Vol. 193. Washington, DC: Scripta Book Company, 1975 [2] Dietz, ALBERT GH. "Composite materials: A general overview." Theory and Design of Wood and Fiber Composite Materials 3 (1972): 1. [3] Rezende, Mirabel C., and Edson C. Botelho. "O uso de compósitos estruturais na indústria aeroespacial." Polímeros 10.2 (2000): e4-e10. [4] Kaw, Autar K. Mechanics of composite materials. CRC press, 2005. [5] Pamar, J. Dhanraj, et al. "Experimental Investigation of Bi Directional Carbon Fiber Composite." Materials Today: Proceedings 2.4 (2015): 3008-3016. [6] Liang, Yuan, Hai Wang, and Xuesen Gu. "In-plane shear response of unidirectional fiber reinforced and fabric reinforced carbon/epoxy composites." Polymer Testing 32.3 (2013): 594-601.

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64 [16] Steeves, Craig A., and Norman A. Fleck. "Material selection in sandwich beam construction." Scripta materialia 50.10 (2004): 1335-1339. [17] Yalkin, Huseyin Erdem, Bulent Murat Icten, and Tuba Alpyildiz. "Enhanced mechanical performance of foam core sandwich composites with through the thickness reinforced core." Composites Part B: Engineering 79 (2015): 383-391. [18] da Silva, Fernando Daniel Ribeiro. "Modelação Dinâmica de um Processo de Infusão a Vácu." (2016). [19] Lopes, Inês Abreu Freire. "Estudo do processo de infusão a vácuo em materiais compósitos: produção de tampa de bagageira para autocarro." (2012). [20] Shigley, Joseph Edward. "Mechanical engineering design." (1972). [21] Beer, Ferdinand Pierre, and Elwood Russell Johnston. Resistência dos materiais. Vol. 5. McGraw-Hill, 1982. [22] Garcia, Amauri, Jaime Alvares Spim, and Carlos Alexandre dos Santos. Ensaios dos materiais. Livros Técnicos e científicos, 2000. [23] ASTM Subcommittee D20. 10 on Mechanical Properties. "Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials." American Society for Testing Materials, 1997. [24] Fibertex, 01 Plástico Reforçado: Carbono Tecido Bidirecional Tecido de Fibra de Carbono CC 0201, 2001 [25] Fibertex, 05 Plástico Reforçado: Vidro Tecido Bidirecional Tecido de Fibra de Vidro AF 0004, 2001 [26] Divinicell H, technical data, 2016 [27] Tagarielli, V. L., V. S. Deshpande, and N. A. Fleck. "The high strain rate response of PVC foams and end-grain balsa wood." Composites Part B: Engineering 39.1 (2008): 83-91.

65 [28] Huntsman, Advanced materials, Araldite LY 5052 AradurTM 5052, 2008. [29] Standard, A. S. T. M. "Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials." ASTM D3039/D 3039M (1995)

66 ANEXO I Gráficos tensão deformação dos corpos de prova tanto sob tração quanto sob flexão. Figura A.1: Tensão x deformação fibra de carbono. Figura A.2: Tensão x deformação fibra de carbono + divinycell H45

67 Figura A.3: Tensão x deformação fibra de carbono + madeira balsa. Figura A.4: Tensão x deformação fibra de vidro.

68 Figura A.5: Tensão x deformação fibra de vidro + divinycell H45. Figura A.6: Tensão x deformação fibra de vidro + madeira balsa.

69 Figura A.7: Tensão de flexão x deformação fibra de carbono. Figura A.8: Tensão de flexão x deformação fibra de carbono + divinycell H45.

70 Figura A.9: Tensão de flexão x deformação fibra de carbono + madeira balsa. Figura A.10: Tensão de flexão x deformação fibra de vidro.

71 Figura A.11: Tensão de flexão x deformação fibra de vidro + divinycell H45. Figura A.12: Tensão de flexão x deformação fibra de vidro + madeira balsa.

72 ANEXO II Artigo publicado no 6th International Symposium on Solid Mechanics - MECSOL 2017.

VI International Symposium on Solid Mechanics - MecSol 2017 April 26-28, 2017 - Joinville - Brazil TENSILE AND FLEXURAL PROPERTIES OF POLYMER COMPOSITE SANDWICH BEAMS Daniel P.N. Gama Laboratory of Theoretical and Applied Mechanics LMTA Mechanical Engineering Graduated Program PGMEC, Universidade Federal Fluminense UFF danielgama@id.uff.br João M.L. Reis Laboratory of Theoretical and Applied Mechanics LMTA Mechanical Engineering Graduated Program PGMEC, Universidade Federal Fluminense UFF jreis@mec.uff.br ABSTRACT This work is concerned with the study of the mechanical behavior of polymer composite sandwich beams. The skins consist of glass and carbon reinforced epoxy composites. The core is made from balsa wood and Divinycell H45 (48 kg m 3 ) foam. The main goal is to evaluate the best composite system considering the ultimate tensile strength (σ u), the elastic modulus (E), flexural strength (σ f) and flexural modulus (E f). Tensile tests according to standard ASTM D 3039 and bending tests according to standard ASTM D 790 were performed. The mechanical properties were analyzed and compared, in order to present the composite laminate with finest properties. Keywords: Mechanical properties, Sandwich beams, Tensile test, Flexural Test INTRODUCTION Laminated polymer matrix composite materials have been excelling in the industry in recent decades. Widely applied to the areas of aviation, spacecraft, automotive and petrochemical structures, composite laminates must have appropriate properties to mechanical stress. Specifically, for the aerospace engineering knowledge of the mechanical properties are treated especially for performing as one of the main factors for projects in such areas of industry [1-3]. Distinctively of metals, which characteristics previously cited have been widely studied, composite materials lack the amount of information available on those aspects. Because it is