Materiais Compósitos

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Materiais Compósitos
Em meados do século 20, foi desenvolvida uma promissora classe de materiais de engenharia, denominada de compósitos. Esses materiais atuam na combinação das propriedades dos materiais. Logo, tem como definição um material formado por uma mistura ou combinação de dois ou mais macro constituintes que diferem na forma e na composição química e que, na sua essência, são insolúveis ou não miscíveis uns nos outros. 
	Segundo sua definição, a maioria dos materiais naturais que emergiram do resultado de um processo de evolução prolongado também pode ser tratado como um material compósito. Alguns autores apenas definem material compósito como aquele fabricado pelo homem, ou seja, consiste em um material multifásico feito artificialmente, portanto, materiais naturais como a madeira, não se encaixam nessa definição. 
Logo, compósito consiste de duas ou mais fases físicas ou quimicamente distintas, adequadamente arranjadas ou distribuídas e com uma interface separando-as; e apresentam características não observadas em nenhum dos componentes isolados. 
No projeto de materiais compósitos, os cientistas e engenheiros combinam de maneira engenhosa vários metais, cerâmicas e polímeros para produzir uma nova geração de materiais com características extraordinárias. A maioria dos materiais compósitos foram criados para melhorar combinações de características mecânicas, tais como rigidez, tenacidade e resistência nas condições ambiente e em altas temperaturas. 
	Em sua maioria, os materiais compósitos são fabricados a partir de dois elementos: um material base, chamado matriz ou fase contínua, e um reforço ou carga chamada também de fase dispersa. Tais materiais são separados por uma interface, mas mesmo assim possuem uma grande capacidade de adesão. 
	Em geral, o propósito da matriz é proteger o reforço do ambiente externo, evitando que o material disperso entre em contato com meios ácidos ou corrosivos, manter o reforço em seu lugar e transferir a tensão para o reforço. A rigidez e resistência vem do reforço, o qual pode ser formado por fibras ou partículas. Tipicamente quanto maior a quantidade de reforço, maior a rigidez e resistência do compósito obtido. Nesse contexto, por geometria da fase dispersa subentende-se a forma das partículas, e seu tamanho, sua distribuição e sua orientação. 
	Os compósitos dividem-se em três divisões principais: compósitos reforçados com partículas, compósitos reforçados com fibras e os compósitos estruturais. A fase dispersa para os compósitos reforçados com partículas tem eixos iguais (isto é, as dimensões das partículas são aproximadamente as mesmas em todas as direções); para os compósitos reforçados com fibras, a fase dispersa tem a geometria de uma fibra (isto é, uma grande razão entre o comprimento e o diâmetro). Os compósitos estruturais são combinações de compósitos e materiais homogêneos. 
	Os compósitos reforçados com partículas subdividem-se em compósitos com partículas grandes e compósitos reforçados por dispersão. Recentemente, com a inserção de nanopartículas como agentes de reforço, uma nova classe de materiais foi criada, os nanocompósitos. A distinção entre essas subclassificações está baseada no mecanismo do reforço ou aumento da resistência. O termo “grande” é usado para indicar que as interações partícula-matriz não podem ser tratadas no nível ou ponto de vista atômico ou molecular; em vez disso é empregada a mecânica do contínuo. Para a maioria desses compósitos, a fase partícula é mais dura e mais rígida do que a matriz. Essas partículas de reforço tendem a restringir o movimento da fase matriz na vizinhança de cada partícula. Essencialmente, a matriz transfere parte da tensão aplicada às partículas, as quais suportam uma fração da carga. O grau de reforço ou melhoria do comportamento mecânico depende de uma ligação forte na interface matriz-partícula. 
	No caso dos compósitos que têm a sua resistência aumentada por dispersão, as partículas são, em geral, muito menores, com diâmetro entre 0,01 e 0,1 µm (10 e 100 nm). As interações partícula-matriz que levam ao aumento de resistência ocorrem no nível atômico ou no nível molecular. O mecanismo do aumento de resistência é semelhante àquele para o processo de endurecimento por precipitação. Enquanto a matriz suporta a maior parte de uma carga que é aplicada, as pequenas partículas dispersas evitam ou dificultam o movimento de discordâncias. Dessa forma, a deformação plástica é restringida de modo tal que o limite de escoamento e o limite de resistência à tração, bem como a dureza, são melhoradas. 
Os materiais compósitos são formados mediante ao uso e diferentes tipos de reforços. Nesses materiais a mistura ou dispersão dos componentes ocorre a nível molecular. As propriedades finais de um material compósito são determinadas predominantemente em função da natureza da interface entre as fases orgânica-inorgânica, com a seguinte classificação:
Classe 1 – os componentes orgânicos e inorgânicos estão homogeneamente dispersos, ocorrendo apenas ligações fracas entre as fases, ligações de hidrogênio e Van der Waals, e interações hidrofílicas e hidrofóbicas;
Classe 2 – os componentes orgânicos e inorgânicos estão fortemente ligados através de ligações químicas covalentes.
	Alguns materiais poliméricos aos quais foram adicionados enchimentos são, na realidade, compósitos com partículas grandes. Novamente, os enchimentos modificam ou melhoram as propriedades do material e/ou substituem parte do volume do polímero por um material mais barato, o enchimento.
	As partículas podem ter uma grande variedade de geometrias, porém elas devem possuir aproximadamente as mesmas dimensões em todas as direções (eixos iguais). Para que ocorra um reforço eficaz, as partículas devem ser pequenas e devem estar distribuídas por igual ao longo de toda a matriz. Além do mais, a fração volumétrica das duas fases influencia o comportamento; as propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor do material particulado. O módulo elástico, por exemplo, deve ficar entre um limite superior e inferior da carga e da matriz. A incorporação de partículas grandes confere aos materiais baixos coeficientes de expansão térmica, maior resistência à corrosão, resistência a fadiga entre outras propriedades. 
	Mais utilizado para os metais e ligas metálicas os compósitos reforçados por dispersão podem ter sua resistência aumentada e ser endurecido através da dispersão uniforme de uma certa percentagem volumétrica de partículas finas de um material inerte e muito duro. A fase dispersa pode ser metálica ou não-metálica; os materiais à base de óxidos são usados com frequência. O mecanismo de aumento de resistência envolve interações entre as partículas e as discordâncias no interior da matriz, como ocorre com o endurecimento por precipitação. 
	 Outra classe importante para os compósitos são aqueles em que a forma dispersa está na forma de fibras. Os objetivos de projeto dos compósitos reforçados com fibras incluem com frequência resistência e/ou rigidez alta em relação ao seu peso. Essas características são expressas em termos dos parâmetros resistência específica e módulo específico, os quais correspondem, respectivamente, às razões do limite de resistência à tração em relação à densidade relativa e ao módulo de elasticidade em relação a densidade relativa. 
	As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não dependem somente das propriedades da fibra, mas também do grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela fase matriz. A magnitude da ligação interfacial entre as fases fibra e matriz é importante para a extensão dessa transmissão de carga. Sob a aplicação de uma tensão, essa ligação fibra-matriz cessa nas extremidades da fibra, produzindo um padrão de deformação da matriz, conforme figura abaixo, em outras palavras, não existe qualquer transmitância de carga a partir da matriz em cada extremidade da fibra. 
	Nos compósitos reforçados por fibras a fase matriz possui várias funções.Primeiro, ela une as fibras e atua como um meio no qual as cargas aplicadas externamente são transmitidas e distribuídas nas fibras, e somente uma pequena proporção da carga é suportada pela fase matriz. A interação matriz-fibra é função das características físicas e químicas das superfícies de ambas as fases. A segunda função é a de proteger as fibras de danos na superfície, em virtude da abrasão ou das reações químicas com o ambiente. Tais interações podem introduzir defeitos de superfície capazes de formar trincas, as quais podem levar a falhas mesmo sob baixos níveis de tensão de tração. Finalmente, a matriz, com sua ductilidade e plasticidade, previne a propagação de rupturas, ou seja, serve como uma barreira, logo, a fase matriz serve como uma barreira contra a propagação de trincas. 
	Embora algumas das fibras individuais possam eventualmente falhar, a fratura total do compósito não irá ocorrer até que um grande número de fibras adjacentes, uma vez tenham falhado, formem um aglomerado com dimensões críticas. De fato, a força de ligação é uma consideração importante na escolha de uma combinação matriz-fibra. A resistência final do compósito depende em grande parte da magnitude dessa ligação; uma ligação adequada é essencial para maximizar a transmitância de tensão matriz fraca para as fibras mais fortes. Logo, é essencial que as forças de ligação adesivas entre a fibra e a matriz sejam grandes, com o objetivo de minimizar a extração das fibras. 
	Os compósitos reforçados com fibras são subclassificados de acordo com o comprimento da fibra. As fibras utilizadas em compósitos influem nas suas propriedades, basicamente resistência e dureza, em função de:
· comprimento da fibra (magnitude da ligação interfacial entre a fibra e a matriz)
· orientação e concentração das fibras quando se apresentam
- alinhadas e contínuas
- alinhadas e descontínuas
- aleatórias e descontínuas
- parcialmente orientadas
	A melhor combinação geral das propriedades dos compósitos é obtida quando a distribuição das fibras é uniforme. 
 	Um certo comprimento crítico de fibra é necessário para que exista um efetivo aumento crítico, aumento de resistência e um enrijecimento do material compósito. Esse comprimento critico, Lc, depende do diâmetro da fibra, d, e da sua resistência final (ou limite de resistência à tração), , bem como da força de ligação entre a fibra e a matriz (ou da tensão limite de escoamento cisalhante da matriz, o que for menor), , de acordo com a relação:
A figura abaixo mostra o comportamento da tensão em relação ao comprimento da fibra. 
	Quando uma tensão igual a é aplicada a uma fibra que possui exatamente o comprimento critico, tem-se como resultado o perfil tensão-posição; isto é, a carga máxima na fibra é atingida somente no eixo central da própria fibra, figura a. À medida que o comprimento da fibra, I, aumenta, o reforço causado pela fibra se torna mais efetivo, figura b, que representa um perfil da tensão em função da posição axial para L > Lc quando a tensão aplicada é igual a resistência da fibra. Na figura c, está o perfil tensão-posição para L < Lc.
	As fibras para as quais L >> Lc (normalmente L > 15 Lc) são chamadas contínuas; as fibras descontínuas ou curtas possuem comprimentos menores que este. No caso de fibras descontínuas com comprimento significativo menores que Lc, a matriz se deforma ao redor da fibra de modo tal que virtualmente não existe qualquer transferência de tensão, havendo apenas um pequeno reforço devido à fibra. Logo, para que se tenha uma melhoria significativa na resistência do compósito é preciso que as fibras sejam contínuas.
	 A resposta mecânica dos compósitos com fibras contínuas e alinhadas dependem de diversos fatores, que incluem os comportamentos tensão-deformação das fases fibra e matriz, as frações volumétricas das fases e, além desses, a direção na qual a tensão ou carga é aplicada. Além do mais, as propriedades de um compósito que possui as fibras alinhadas são altamente anisotrópicas, isto é, dependem da direção na qual elas são medidas. 
	O comportamento tensão-deformação para uma carga aplicada ao longo da direção do alinhamento, conforme figura abaixo:
	Considerando que a fibra seja totalmente frágil e a fase matriz seja razoavelmente dúctil. O compósito irá exibir um valor de deformação intermediário entre a deformação da fibra e a deformação da matriz. 
	 
	O início da falha do compósito começa à medida em que as fibras passam a se fraturar. A falha de um compósito não é catastrófica por duas razões: Em primeiro lugar, nem todas as fibras fraturam ao mesmo tempo, uma vez que sempre existirá uma variação considerável na resistência à fratura de materiais fibrosos frágeis. Além disso, mesmo após a falha da fibra, a matriz ainda se encontra intacta, uma vez que ϵf < ϵm. Dessa forma, essas fibras fraturadas, que são menores do que as fibras originais, ainda estão inseridas no interior da matriz, que se encontra intacta, e, consequentemente, ainda são capazes de suportar uma carga reduzida enquanto a matriz continua seu processo de deformação plástica. 
	Quando aplicada na direção transversal, pode ocorrer falhas prematuras, uma vez que o limite de resistência à tração na direção transversal em geral é extremamente baixo (ele é algumas vezes mais baixo do que o limite de resistência à tração da matriz). Dessa forma, na realidade, o efeito do reforço introduzido pelas fibras é um efeito negativo. 
	Enquanto a resistência longitudinal é dominada pela resistência da fibra, vários fatores terão influência significativa sobre a resistência transversal; dentre eles estão propriedades tanto da fibra quanto da matriz, a resistência da ligação fibra-matriz e a presença de vazios. Para melhorar essa resistência transversal envolvem geralmente a modificação das propriedades da matriz. 
	Embora a eficiência de reforço seja menor para as fibras descontinuas do que para as fibras continuas, os compósitos de fibras descontinuas e alinhadas estão se tornando cada vez mais importante no mercado comercial. Fibras de vidro picadas são os reforços desse tipo usados com maior frequência, assim como fibras de carbono e aramidas. Esses compósitos com fibras curtas podem ser produzidos com módulos de elasticidade e limites de resistência à tração que se aproximam de 90% e 50%, respectivamente, dos seus análogos com fibras contínuas. 
	Para o caso de fibras com orientação aleatória, são usadas fibras curtas e descontínuas. Para um reforço com fibras aleatórias (da mesma forma que ocorre para fibras orientadas), o módulo aumenta de acordo com uma dada proporção da fração volumétrica da fibra. 
	Para resumir, então, os compósitos fibrosos são inerentemente anisotrópicos, no sentido de que a resistência e o reforço máximos são obtidos ao longo da direção do alinhamento (longitudinal). Na direção transversal, o reforço com fibras é virtualmente inexistente: a fratura ocorre normalmente em níveis de tensões de tração relativamente baixos. Para outras orientações de tensão, a resistência do compósito se encontra entre esses extremos. 
	A consideração em relação à orientação e ao comprimento da fibra para um compósito particular dependerá do nível e da natureza da tensão aplicada, bem como dos custos de fabricação. As taxas de produção para os compósitos com fibras curtas (tanto os alinhados com os com orientações aleatórias) são rápidas, e formas complexas podem ser moldadas, as quais não são possíveis quando se utiliza um reforço com fibras contínuas. Ademais, os custos de fabricação são consideravelmente menores do que para as fibras continuas alinhadas; as técnicas de fabricação aplicadas para fibras curtas incluem a moldagem por compressão, injeção e extrusão. 
	Uma característica importante da maioria dos materiais, especialmente daqueles que são frágeis, é que uma fibra com menor diâmetro é muito mais forte e resistente do que o material bruto. E além disso, apresentam elevada resistência à tração. 
 	Em relação ao diâmetro e à natureza, as fibras são agrupadasem três classificações diferentes: uísqueres, fibras e arames. 
	Os uísqueres consistem em monocristais muito finos que possuem razões comprimento-diâmetro extremamente grandes. Possuindo um elevado grau de perfeição cristalina e são virtualmente isentos de defeitos, o que é responsável pelas suas resistências excepcionalmente elevadas; eles são os materiais mais resistentes que se conhece. Apesar dessas altas resistências, os uísqueres não são amplamente utilizados como meio de reforço, pois são extremamente caros. Além disso, é difícil e frequentemente impraticável incorporar uísqueres no interior de uma matriz. Os materiais de uísqueres compreendem a grafita, o carbeto de silício, o nitreto de silício e o óxido de alumínio.