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Profjorge Silva

08/10/2022

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INPE-16645-TDI/1608
ESTUDO DO DESALINHAMENTO DAS FIBRAS NAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS
ESTRUTURAIS DE PÁS EÓLICAS
André Santiago Barros
Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia
Espaciais/Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores, orientada pelos Drs.
Mirabel Cerqueira Rezende, e Eduardo Abramof, aprovada em 27 de novembro de
2009.
Registro do documento original:
<http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19@80/2010/01.15.11.17>
INPE
São José dos Campos
2010
http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19@80/2010/01.15.11.17
PUBLICADO POR:
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
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INPE-16645-TDI/1608
ESTUDO DO DESALINHAMENTO DAS FIBRAS NAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS
ESTRUTURAIS DE PÁS EÓLICAS
André Santiago Barros
Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia
Espaciais/Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores, orientada pelos Drs.
Mirabel Cerqueira Rezende, e Eduardo Abramof, aprovada em 27 de novembro de
2009.
Registro do documento original:
<http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19@80/2010/01.15.11.17>
INPE
São José dos Campos
2010
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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Barros, André Santiago.
B278es Estudo do desalinhamento das fibras nas propriedades mecâ-
nicas de compósitos estruturais de pás eólicas / André Santiago
Barros. – São José dos Campos : INPE, 2010.
180 p. ; (INPE-16645-TDI/1608)
Tese (Doutorado em Engenharia e Tecnologia Espaci-
ais/Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores) – Instituto Na-
cional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, 2009.
Orientadores : Drs. Mirabel Cerqueira Rezende, e Eduardo
Abramof.
1. Compósitos. 2. Propriedades mecânicas. 3. Pás eólicas. 4. Re-
forço de vidro e carbono. 5. Matriz epóxi. I.T́ıtulo.
CDU 620.179.12:620.172.25
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of any material supplied specifically for the purpose of being entered and executed on a computer
system, for exclusive use of the reader of the work.
ii
Aprovado (a) pela Banca Examinadora
em cumprimento ao requisito exigido para
obteneao do Titulo de Doutor(a) em
ETElCi~ncia e Tecnologia de Materiais e
Sensores
;'
Dr. Chen Ying An
Dr. Eduardo Abramof
Ora. Mirabel Cerqueira Rezende
Ora. Neidenei Gomes Ferreira
Dr. Edson Cocchieri Botelho
Dr. Rogerio Scatena Biscaro
Convidado(a) I TECSIS I Sorocaba - SP
Presidente IINPE I SJCampos - SP
~
Convidac;;1?a) I UNESP I Guaratingu=-- 'SP
LiJ~~~
Aluno (a): Andre Santiago Barros
Sao Jose dos Campos, 27 de novembro de 2009

À minha esposa Priscila e nossos filhos
Enzo, Hector e Lincoln,
à minha mãe Maria Suelena,
ao meu pai Elpídio e à Dalva.

AGRADECIMENTOS

Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), pela oportunidade de estudos e
utilização de suas instalações.

À empresa Tecsis Tecnologia e Sistemas Avançados por ter acreditado no trabalho e
fornecido recursos para o desenvolvimento da pesquisa.

Ao grupo de pesquisas de Tecnologia de Materiais (TECMAT) do Laboratório
Associados de Sensores e Materiais (LAS), pela atenção dedicada.

À Divisão de materiais do IAE/CTA, especificamente ao Grupo MARE, pelo suporte
dado em todas as etapas experimentais.

Aos professores da Área de Concentração em Ciência e Tecnologia de Materiais e
sensores (CMS) do Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Espaciais
(ETE), pelo conhecimento compartilhado, em especial à Dra. Maria do Carmo Nono e
ao Dr. Chen Ying An.

À minha orientadora Dra. Mirabel Cerqueira Rezende pela sabedoria dividida, pela
tranqüilidade e serenidade demonstrada nos momentos difíceis, e também pela alegria
compartilhada durante todo o período da pesquisa.

Ao meu orientador Dr. Eduardo Abramof pela experiência e motivação passada e pela
atenção dedicada na realização deste trabalho.

Ao Sr. Phillips A. da Costa Lemos, pela vontade de conhecer profundamente os
materiais compósitos aplicados em pás eólicas.

Ao Sr. Leo Ossanai, pelo conhecimento técnico repartido e pelo fornecimento de
recursos para manufatura dos laminados.

Ao Sr. Estácio Terui, pela tranqüilidade evidenciada nas questões mais complexas.

Aos colegas do LAS/INPE, por compartilhar das dificuldades e vitórias: Francisco
Augusto Souza Ferreira, José Vitor, Maria Lúcia Brison, Beatriz Leonila Diaz Moreno,
Emílio Moreno, Stela Teixeira e Úrsula Mengui,

Aos colegas do IAE/CTA pela colaboração: Carlos Eduardo de Souza, Fábio, Rodolfo
Queiroz, Vanderlei Oliveira, João Fernandes e Pedro Laurindo.

Aos colegas da Tecsis pela motivação proporcionada: Rodolfo Meleiro, José Henrique
dos Santos, Rogério Schneider Cardoso, João Alves Feitoza Filho e Wagner Lapa.

RESUMO

Este trabalho apresenta o estudo da influência da ondulação nas propriedades mecânicas
de componentes estruturais de pás eólicas processados por infusão a vácuo. Para isso,
defeitos de desalinhamento de fibra do tipo ondulação fora do plano, comumente
encontrados no processamento dos componentes, foram induzidos em laminados
reforçados com fibras de vidro e carbono, para serem comparados com laminados de
controle, sem a presença de defeitos. Com o desenvolvimento de um dispositivo
especial, laminados com diferentes severidades (S = 2,5 até 20 %) foram fabricados e
usinados para a obtenção de corpos-de-prova para ensaios estáticos de tração
longitudinal (0o, carga aplicada na direção da fibra) e compressão longitudinal(0o), e
para ensaios dinâmicos de fadiga em tração tração. As normas ISO 527-5, ISO 14126 e
ASTM 3479 foram respectivamente utilizadas como referência para esses ensaios. Os
ensaios estáticos e dinâmicos foram realizados em máquinas universais servo-
hidráulicas e os dados de elongação, carga e número de ciclos adquiridos foram
utilizados para determinar a resistência à tração, a resistência à compressão, a
deformação na ruptura e a vida em fadiga. Durante o ensaio de tração longitudinal foi
possível determinar o módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson, utilizando
dispositivos sensíveis à deformação na região elástica do tipo strain gauges. A presença
de ondulação nos laminados de vidro e carbono afetou negativamente a resistência à
tração, com 25 % de decréscimo para os laminados de vidro com S = 20 % e 13 % para
os laminados de carbono com S = 12,5 %. A queda da resistência à compressão se
mostrou bastante acentuada, devido ao desalinhamento da fibra favorecer o modo de
falha por dobramento. Ao se comparar a família de controle com a de S = 20 %, essa
redução chegou a 84 % para os laminados de vidro e a 70 % para os de carbono. A
análise do ensaio de fadiga comprova o efeito deletério da ondulação sobre a vida útil
do laminado em esforços severos. Para uma tensão aplicada no valor de 65 % da tensão
de ruptura, a vida em fadiga da família de referência (S = 0) do laminado de vidro foi de
60.000 ciclos. Aplicando-se o mesmo valor de tensão, a vida foi reduzida para 30.000
ciclos para a família com S = 10 % e para 1.500 ciclos para S = 20 %. Os resultados dos
ensaios mecânicos mostram que a ondulação da fibra influencia negativamente nas
propriedades mecânicas do laminado, evidenciando uma fratura catastrófica e precoce,
localizada na região central do defeito, resultando em um local propício ao início de
trincas em um componente estrutural sob carregamento severo. Em suma, este estudo
permitiu quantificar os efeitos do desalinhamento de fibra tipo ondulação fora do plano
nas propriedades mecânicas dos componentes estruturais de pás eólicas.

STUDY OF FIBER MISALIGNMENT EFFECTS ON THE
MECHANICAL PROPERTIES OF WIND BLADES
STRUCTURAL COMPOSITES

ABSTRACT

This work presents the study of waviness influence on the mechanical properties of
wind blades structural components fabricated by vacuum infusion. For this purpose,
out-of-plane waviness, which is a common manufacturing defect, was induced on glass
and carbon reinforced plastics (GRP and CRP) and compared with control laminates
without waviness (wave-free control specimens). With a special device, different
severities varying from 2,5 to 20 % were intentionally induced in the laminates
Specimen families with different severities were machined for statics longitudinal
tensile test (0o, load applied on fiber direction) and longitudinal compression test (0o),
and tensile-tensile fatigue dynamic test, R = 0,1. ISO 527-5, ISO 14126 and ASTM
3479 norms were respectively used for the tests. Both static and dynamic tests were
performed on servo-hydraulic machines. Elongation, load and cycles number until brake
were acquired and used to determine the tensile strength, the compression strength, the
strain at break and fatigue life. During the longitudinal tensile test it was possible to
determine the Young modulus and the Poisson coefficient using strain gauges
extensometers. The waviness on GRP and CRP affects negatively the tensile strength,
with a reduction of 25 % for GRP with S = 20 %, and of 13 % for CRP with S = 12,5 %.
The drop of compression strength was significant due to the fact that the fiber
misalignment leads to a buckling compression failure. Comparing the control laminate
with the S = 20 % one, this reduction was 84 % for GRP and 70 % for CRP. The fatigue
analysis proved that the out-of-plane waviness reduces substantially the composite life
time under severe strengths. For an applied load of 65 % of control glass laminate
tensile strength, the fatigue life for the control group was 60.000 cycles. Applying the
same load, the fatigue life was reduced to 30.000 cycles for S = 10 % family and to
1.500 for S = 20 %. The mechanical tests results showed the negative influence of the
waviness on the composite mechanical properties, and demonstrated the existence of a
catastrophic and premature failure, localized on the central region of the wave, which
can turns in a potential area for crack initiation of a structural component with severe
load. In summary, this study allowed quantifying the effects of out-of-plane waviness
on the mechanical properties of wind blade structural components.

SUMÁRIO

Pág.

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

LISTA DE SÍMBOLOS

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

1 INTRODUÇÃO......................................................................................................27
2 TURBINAS EÓLICAS..........................................................................................31
2.1 Fabricação de pás................................................................................................... 37
3 MATERIAL COMPÓSITO..................................................................................43
3.1 Resina epóxi .......................................................................................................... 45
3.1.1 Região de gel...................................................................................................................................47
3.1.2 Temperatura de transição vítrea.....................................................................................................48
3.1.3 Viscosidade .....................................................................................................................................48
3.2 Reforço .................................................................................................................. 51
3.2.1 Fibra de vidro .................................................................................................................................54
3.2.2 Fibra de carbono ............................................................................................................................55
3.3 Processamento ....................................................................................................... 56
3.4 Ondulação.............................................................................................................. 59
3.4.1 Tipos de ondulação .........................................................................................................................63
4 CARACTERIZAÇÕES MECÂNICA E FRACTOGRÁFICA .........................67
4.1 Ensaios mecânicos................................................................................................. 67
4.1.1 Ensaio de tração .............................................................................................................................68
4.1.2 Ensaio de Compressão....................................................................................................................72
4.1.3 Ensaio dinâmico de fadiga..............................................................................................................74
4.2 Fractografia............................................................................................................ 78
5 PREPARAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA ....................................................81
5.1 Materiais ................................................................................................................ 81
5.2 Preparação dos laminados compósitos .................................................................. 83
5.2.1 Preparação dos dispositivos para a indução do defeito .................................................................83
5.2.2 Preparação dos laminados .............................................................................................................845.2.3 Preparação dos corpos-de-prova ...................................................................................................88
6 RESULTADOS ......................................................................................................95
6.1 Avaliação da qualidade do laminado..................................................................... 95
6.2 Avaliação da temperatura de transição vítrea........................................................ 99
6.3 Ensaios de tração ................................................................................................. 100
6.3.1 Laminados reforçados com fibra de vidro ....................................................................................102

6.3.2 Laminados reforçados com fibra de carbono ...............................................................................113
6.4 Ensaios de compressão ........................................................................................ 124
6.4.1 Laminados reforçados com fibra de vidro ....................................................................................125
6.4.2 Laminados reforçados com fibra de carbono ...............................................................................133
6.5 Ensaios de Fadiga ................................................................................................ 139
7 CONCLUSÕES....................................................................................................149
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................153
ANEXO A - TRABALHOS APRESENTADOS EM EVENTOS ...........................159
ANEXO B – BOLETIM TÉCNICO DOS MATERIAIS UTILIZADOS...............161
ANEXO C – CURVAS DSC .......................................................................................173

LISTA DE FIGURAS

2.1 - Tradicional moinho de vento holandês utilizado na moagem de grãos e
bombeamento de água................................................................................. 31

2.2 - Crescimento em tamanho das turbinas eólicas comerciais.......................... 32

2.3 - Turbina eólica da Bard VM de 5 MW instalada perto da costa (near
shore) em Wilhelmshaven – norte da Alemanha........................................ 35

2.4 - Seção transversal de uma pá eólica típica................................................... 36
.
2.5 - Tipos de carga e materiais em uma pá eólica.............................................. 37

2.6 - Seção longitudinal de um spar cap fabricado por (a) infusão e (b)
fabricado por laminação manual com defeito de ondulação fora do plano. 37

2.7 - Esquema do processamento de fabricação de pás eólicas........................... 38

2.8 - Posicionamento do reforço sobre o molde.................................................. 39

2.9 - Esquema da bolsa de vácuo utilizada no processo de infusão de uma pá
eólica............................................................................................................ 39

2.10 - Vista de um molde de infusão a vácuo na etapa de impregnação da
resina............................................................................................................ 40

2.11 - Vistas da (a) aplicação de adesivo estrutural em uma das cascas, (b)
fechamento do molde para a colagem das duas cascas, (c) pá desmoldada
e (d) pá eólica embalada para transporte..................................................... 41

3.1 - Grupo funcional epóxi................................................................................. 45

3.2 - Esquema da estrutura molecular característica de um polímero
termorrígido................................................................................................. 46

3.3 - Viscosidade em função da temperatura para a resina epóxi MGS L135i.... 49

3.4 - Curvas de viscosidade da resina epóxi L135i versus tempo, curada por
dois endurecedores diferentes. Curva verde: mistura dos endurecedores
(RIMH-137 (80 %) e RIMH – 134 (20 %) (m/m) e curva azul: RIMH –
137............................................................................................................... 50

3.5 - Esquema das possíveis distribuições do reforço no compósito em função
dos parâmetros: (a) concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d)
distribuição e (e) orientação do reforço....................................................... 51

3.6 - Esquema da classificação de reforços em compósitos................................ 52

3.7 - Exemplo de uma máquina de tear utilizada na fabricação de tecidos......... 53

3.8 - Configurações de tecidos sem costura, denominados de (a) Plain Weave,
(b) Satin Weave e (c) Twill Weave.............................................................. 54

3.9 - Exemplo de alinhamento das fibras na fabricação de um tecido
-45/90/+45/90/0o.......................................................................................... 55

3.10 - Esquema do processo de infusão por resina................................................ 58

3.11 - Representação das ondulações das fibras em compósitos: (a) no plano e
(b) fora do plano.......................................................................................... 60

3.12 - Esquema de ondulação fora do plano avaliada neste estudo....................... 61

3.13 - Parâmetros δ e λ para caracterização da severidade de uma ondulação..... 61

3.14 - Ângulo máximo de desalinhamento da fibra............................................... 62

3.15 - Função senoidal que representa a ondulação............................................... 63

3.16 - Ondulação uniforme na direção transversal a fibra (a) e ondulação
uniforme com comprimento de onda unitário (b)........................................ 64

3.17 - Esquema de ondulação gradual................................................................... 64

3.18 - Ondulação no plano localizada em uma camada central............................. 65

4.1 - Esquema dos principais ensaios de caracterização mecânica, com
esforços de (a) tração, (b) compressão e (c) cisalhamento.......................... 68

4.2 - Curva típica de ensaio de tração para compósitos....................................... 71

4.3 - Máquina de ensaio mecânico Instron modelo 1332.................................... 72

4.4 - Modos de falha em compressão Fonte: Franco (2003)............................... 73

4.5 - Vistas dos dispositivo IITRI utilizado nos ensaios de resistência à
compressão.................................................................................................. 74

4.6 - Vista da máquina de ensaios Instron adaptada com o dispositivo IITRI
durante um ensaio........................................................................................ 74

4.7 - Ciclo de fadiga para diferentes valores de R............................................... 76

4.8 - Curva típica de fadiga - tensão versus número de ciclos............................. 77

4.9 - Vista da máquina de ensaio de fadiga MTS 810 durante um ensaio de
fadiga........................................................................................................... 77

4.10 - Modos de falha característicos para os materiais compósitos: (a)
intralaminar, (b) interlaminar e (c) translaminar......................................... 79

5.1 - Vista dos reforços utilizados: (a) vidro e (b) carbono................................. 82

5.2 - Dispositivo utilizado para gerar a ondulação no laminado: (a) vista de
topo, (b) vista da lateral do dispositivo....................................................... 84

5.3 - Esquema do posicionamento do transfer, entrada de resina e bico de
vácuo utilizado na montagem de infusãodos
laminados..................................................................................................... 86

5.4 - Ilustração das etapas de preparação dos laminados: (a) posicionamento
dos bicos de resina, (b) infusão em andamento........................................... 87

5.5 - Curva representativa de um ciclo de cura no processo de infusão dos
laminados..................................................................................................... 88

5.6 - Vista de (a) um laminado com ondulação e (b) da máquina de corte na
obtenção do corpo-de-prova........................................................................ 90

5.7 - Vista do laminado com tabs........................................................................ 90

5.8 - Vista da colagem de tabs no laminado em prensa hidráulica com
aquecimento................................................................................................. 91

5.9 - Esquema do corte do laminado com tabs.................................................... 91

5.10 - (a) Esquema dos corpos-de-prova dos ensaios de resistência à tração
longitudinal com dimensões em mm e (b) vistas frontal e lateral dos
mesmos........................................................................................................ 92

5.11 - Vista do sistema de medição da deformação do corpo-de-prova com
strain gauge................................................................................................. 92

5.12 - (a) Esquema dos corpos-de-prova dos ensaios de resistência à
compressão com dimensões em mm e (b) vistas frontal e lateral dos
mesmos........................................................................................................ 93

5.13 - (a) Esquema dos corpos-de-prova dos ensaios de resistência à fadiga com
dimensões em mm e (b) vistas lateral e frontal dos mesmos...................... 94

6.1 - Microscopia eletrônica de varredura das seções transversais (a) da fibra
de vidro e (b) da fibra de carbono............................................................... 98

6.2 - Microscopia eletrônica de varredura das seções transversais (a) do
laminado de fibra de vidro e (b) do laminado de fibra de carbono............. 98

6.3 - Curvas típicas do comportamento de tensão-deformação para os
laminados de resina epóxi reforçada com fibra de vidro e fibra de
carbono, com S = 0...................................................................................... 101

6.4 - Curvas de tensão-deformação representativas dos laminados fibra de
vidro / epóxi, com S = 0, 10 e 20 %............................................................ 103

6.5 - Resistência à tração e resistência à tração normalizada das famílias de
laminados fibra de vidro / epóxi com diferentes severidades..................... 105

6.6 - Variação do coeficiente de Poisson, módulo de elasticidade e
deformação de ruptura das famílias de laminados reforçados com fibra
de vidro em função de diferentes níveis de severidade............................... 107

6.7 - Modo de falha tipo escova, observado nas superfícies de fratura da
família de laminados fibra de vidro / epóxi com S = 0............................... 108

6.8 - Modo de falha observado nas superfícies de fratura da família de
laminados epóxi/vidro com S = 20 %. (a) vista geral, (b) detalhe da
ondulação após o ensaio mecânico.............................................................. 109

6.9 - Vista geral de um laminado de vidro (referência) (S = 0). Aumento de
750x............................................................................................................. 110

6.10 - Vista geral de laminados de vidro com (a) S = 12,5 % e (b) S = 15 %,
aumento de 1000x........................................................................................ 111

6.11 - Detalhe da interface fibra de vidro-resina de um laminado de vidro com
(a) S = 5 %, aumento 1500x e (b) S = 2,5 %, aumento 3500x.................... 112

6.12 - Detalhe da seção transversal de um filamento de vidro, com o ponto de
origem da falha e propagação da trinca, S = 0, aumento 5000x.................. 112

6.13 - Aspectos tipo marcas de rio, 1500x (a) e escarpas, 2000x (b) na região de
fratura do laminado de vidro (S= 0)............................................................ 113

6.14 - Curva típicas de tensão-deformação dos laminados de
fibra de carbono / epóxi com (a) S= 0, (b) S = 10 % e (c) S= 20 %............ 115

6.15 - Variação da resistência à tração e resistência à tração normalizada de
laminados de fibra de carbono / epóxi com diferentes severidades............ 118

6.16 - Variação do coeficiente de Poisson, módulo de elasticidade e
deformação de ruptura das famílias de laminados reforçados com fibra
de carbono em função de diferentes níveis de severidade........................... 120

6.17 - Modo de falha típico para as famílias de laminados de carbono com S
igual (a) 0, (b) 10 %, (c) 20 % e (d) detalhe de (c)..................................... 122

6.18 - Detalhes da interface entre as fibras de carbono e a resina epóxi, (a)
S = 10 %, 5000x e (b) 2,5 %, 3500x............................................................ 123

6.19 - Seção transversal de uma fibra de carbono, com o detalhe da origem da
falha e propagação da trinca (seta amarela), S = 10 %, 7500x.................... 123

6.20 - Região de fratura do laminado de fibra de carbono / epóxi (S= 0) sob
tração. Aspectos tipo (a) marcas de rio, 1500x e (b) escarpas,
2000x........................................................................................................... 124

6.21 - Curvas típicas de tensão - deformação em compressão dos laminados
fibra de vidro / epóxi, com (a) S= 0, (b) 10 % e (c) 20 %........................... 126

6.22 - Resistência à compressão e resistência à compressão normalizada das
famílias de laminados fibra de vidro / epóxi com diferentes severidades... 129

6.23 - Deformação em compressão das famílias de laminados
fibra de vidro / epóxi com diferentes severidades....................................... 130

6.24 - Vistas de laminados de vidro após o ensaio de compressão: (a) S = 0 % e
(b) S = 20 %................................................................................................. 131

6.25 - Vistas de um corpo-de-prova de laminado de vidro, com S = 0 %,
ensaiado em compressão............................................................................. 132

6.26 - (a) Imagem do corpo-de-prova de laminado de vidro com S = 10 % após
o ensaio em compressão. (b) Detalhe da região da microflambagem
(500x).......................................................................................................... 132

6.27 - (a) Imagem do corpo-de-prova de laminado de vidro com S = 20 % após
o ensaio em compressão. (b) Detalhe da região da microflambagem
(500x).......................................................................................................... 133

6.28 - Curvas típicas de resistência à compressão dos laminados
fibra de carbono / epóxi, com (a) S = 0, (b) 10 % e (c) 20 %...................... 134

6.29 - Figura 6.30– Resistência à compressão e resistência à compressão
normalizada das famílias de laminados fibra de carbono / epóxi com
diferentes severidades.................................................................................. 137

6.30 - Variação da deformação em compressão em função da severidade das
famílias de laminados fibra de carbono / epóxi com diferentes
severidades.................................................................................................. 138

6.31 - Microscopia eletrônica de varredura de laminado de carbono após ensaio
de compressão,com S = 10 %, aumento de (a) 100x e (b) 500x................ 138

6.32 - Curva S-N e curva S-N com tensão normalizada do laminado de
fibra de vidro / epóxi com S = 0.................................................................. 142

6.33 - Curvas S-N dos laminados de epóxi/vidro com S = 0, 10 e 20 %.............. 143

6.34 - Imagem de uma região de fratura de um bordo de fuga de uma pá eólica.
Fonte: cortesia da empresa Tecsis............................................................... 144

6.35 - Imagem termográfica do corpo-de-prova com S = 20 % durante o ensaio
de fadiga em tração. A barra à esquerda mostra a variação de
temperatura em ºC....................................................................................... 145

6.36 - Inspeção visual do laminado de vidro com S= 0 após o ensaio de fadiga... 146

6.37 - Inspeção visual do laminado de vidro com S= 10 após o ensaio de fadiga. 146

6.38 - Inspeção visual do grupo com S= 20 após o ensaio de fadiga.................... 147

LISTA DE TABELAS

2.1 - Os dez maiores fabricantes de turbinas eólicas em 2007............................. 33

2.2 - Principais fabricantes de turbinas eólicas com potência de 5 MW.............. 34

5.1 - Especificação da resina de infusão MGS RIM 135i.................................... 82

5.2 - Especificação dos endurecedores MGS RIMH 134 e MGS RIMH 137...... 82

5.3 Severidades induzidas nos laminados estudados....................................... 84

5.4 - Configuração dos laminados de compósitos com fibras de carbono e
vidro........................................................................................................... 85

5.5 - Dimensões dos corpos-de-prova utilizados nos ensaios de tração,
compressão e fadiga................................................................................... 89

6.1 - Fração volumétrica de reforço, resina e vazios nos laminados de fibras de
vidro e de carbono................................................................................. 97

6.2 - Valores de tensão de ruptura (σr), desvio padrão de σr (∆σr), σr máximos
e mínimos, coeficiente de Poisson (ν), módulo de Young (Ε) e
deformação na ruptura (εr) das famílias de laminados de
fibra de vidro / epóxi, com diferentes severidades.................................... 104

6.3 - Valores de tensão de ruptura (σr), desvio de σr (∆σr), σr máximos e
mínimos, coeficiente de Poisson (ν), módulo de Young (Ε) e deformação
na ruptura (εr) das famílias de laminados de fibra de carbono / epóxi, com
diferentes severidades.................................................................................. 116

6.4 - Valores de resistência à compressão (σr), desvio padrão (∆σr), valores
máximos e mínimos e deformação na ruptura (εr) das famílias de
laminados de fibra de vidro / epóxi, em função da severidade.................... 127

6.5 - Valores de resistência à compressão (σr), desvio padrão (∆σr), valores
máximos e mínimos e deformação na ruptura (εr) das famílias de
laminados de fibra de carbono / epóxi, em função da severidade................ 135

6.6 - Valores de tensão aplicadas nos ensaios de fadiga e número de ciclos até
a ruptura de laminados de fibra de vidro / epóxi, com S = 0, 10 e
20 %.............................................................................................................. 141

LISTA DE SÍMBOLOS

A - Área da seção transversal
F - Força
k - Permeabilidade
l - Distância de escoamento
L0 - Comprimento inicial da amostra
MA - Massa da amostra
M f - Massa de fibra
η - Viscosidade dinâmica da resina
p - Diferença de pressão
R - Razão entre tensão mínima e tensão máxima
S - Severidade
t - Tempo de preenchimento
Tg - Temperatura de transição vítrea
VA - Volume da amostra
Vf - Volume de fibras
Vr - Volume de resina
Vv - Volume de vazios
∆L - Elongação
∆σ - Faixa do ciclo de tensão
Ε - Módulo de elasticidade ou módulo de Young
Ν - Número de ciclos

δ - Amplitude
ε - Deformação
εn - Deformação transversal
ε1 - 0,0005 de deformação
ε2 - 0,0025 de deformação
λ - Comprimento de onda
ν - Coeficiente de Poisson
θ - Ângulo da fibra
ρf - Massa específica da fibra
ρL - Massa específica do laminado
ρr - Massa específica da resina
σ - Tensão
σa - Amplitude do ciclo de tensão
σm - Tensão média
σmax - Tensão mínima
σmin - Tensão máxima
σr - Tensão de ruptura
σ1 - Tensão em ε1
σ2 - Tensão em ε2

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

AR - Aspect Ratio
ASTM - American Society for Testing and Materials
AWEA - American Wind Energy Association
CET - Coeficiente de expansão térmica
DSC - Differencial Scanning Calorimetry
EWEA - European Wind Energy Association
GE - General eletric
GL - Germanischer Lloyd
HBM - Hottinger Baldwing Messtechnick
HLU - Hand Lay Up
IITRI - Illinois Institute of Technology Research Institute
ISO - International Organization for Standardization
MEV - Microscopia Eletrônca de Varredura
PAN - Poliacrilonitrila
PVC - Poli(cloreto de vinila)
RTM - Resin Transfer Moulding
SCRIMP - Seeman Composite Resin Infusion Manufacturing Process
VIP - Vacuum Infusion Process

27
1 INTRODUÇÃO

Diante do esgotamento iminente das fontes de energia não renováveis, como os
combustíveis fósseis, e dos danos que este tipo de energia vem causando ao meio
ambiente, o interesse pelo uso de energias alternativas, provenientes de recursos
naturais renováveis, tem aumentado significativamente nas últimas décadas. A energia
eólica é uma forma de energia renovável, reabastecida diariamente quando parte da terra
é aquecida pelo sol e o ar arremete-se para preencher as áreas de baixa pressão, criando
o vento. Ela é considerada atualmente a fonte renovável com melhor relação
custo/benefício para a geração de eletricidade (Awea, 2007).
A energia eólica é transformada em eletricidade por uma turbina eólica, composta
tipicamente por um conjunto de três pás dispostas em sua frente, onde a energia cinética
do vento (energia do movimento das moléculas do ar) é convertida em movimento
rotacional do rotor. O rotor é conectado a um gerador por meio de um eixo, que
converte o movimento rotacional do eixo em energia elétrica.
As pás eólicas e alguns outros componentes da turbina eólica são fabricados com
materiais compósitos poliméricos. As dimensões das pás variam entre 30 e 60 metros,
com uma produção de energia que varia de 1 a 5 MW. As pás em materiais compósitos
são processadas pelo uso de diferentes materiais, como madeira balsa, espuma de
poli(cloreto de vinila) (PVC), fibras de carbono e de vidro e uma matriz polimérica
(Mastemberg, 2004; Bundy, 2005). Uma das mais atrativas características desses
materiais é a elevada razão resistência/peso. A fibra de carbono tem, por exemplo, a
resistência específica cinco vezes maior que a do alumínio (Mastemberg, 2004).
Usualmente, no setor de energia eólica, os materiais compósitos são obtidos em moldes
que atendem a perfis aerodinâmicos, de modo a maximizar o desempenho da pá no
aproveitamento da energia do vento. Desse modo, componentes estruturais, como hastes
e componentes próximos a regiões da raiz da pá, constituem-se em partes com elevado
carregamento mecânico, apresentando, assim, rígidos requisitos em serviço. Materiais
28
compósitos espessos, processados com fibras de vidro unidirecionais e resina epóxi, são
normalmente utilizados na fabricação de componentes estruturais de pás de geradores
eólicos. O processo de fabricação mais utilizado na obtenção desses componentes é a
infusão, pelo fato dessa técnica melhor se ajustar à obtenção de componentes de grande
porte e de geometria complexa.
Atualmente, os produtores de geradores eólicos estão procurando fornecer às
companhias de energia elétrica turbinasmais eficientes a um custo cada vez mais baixo
(Dawson, 2003). Desta forma, o aumento da potência de saída das atuais turbinas
eólicas está atrelado à necessidade de utilização de pás cada vez maiores (Bundy, 2005).
Enquanto a área de varredura da pá aumenta com o quadrado do comprimento da pá, o
seu peso cresce a um expoente de aproximadamente 2,35 de seu comprimento (Mason,
2007). Conforme as pás se tornam maiores, o reforço estrutural principal deve aumentar
proporcionalmente de tamanho (Bundy, 2005).
Na busca contínua de otimização dos materiais, a substituição seletiva da fibra de vidro
por fibra de carbono está disponibilizando estruturas híbridas mais complexas, que
podem alcançar a demanda estrutural de pás de geradores eólicos mais modernos
(Bundy, 2005). Estudos recentes de utilização de fibra de carbono e laminados híbridos
de carbono/vidro têm apresentado valores de resistência à compressão e tensões de
fratura, que são fronteiras no projeto de pás de geradores eólicos (Avery et al., 2004).
As resistências à tração e à compressão para laminados de fibra de vidro e resina epóxi
são da ordem de 480 e 420 MPa, respectivamente, enquanto que para um laminado de
fibra de carbono com resina epóxi encontram-se em torno de 2550 e 1470 MPa,
respectivamente (Hexion, 2009; Toray, 2008).
A ocorrência de defeitos em artefatos de materiais compósitos pode ser relativamente
significativa, dependendo de diferentes fatores, como geometria, tamanho, e técnica de
processamento. O controle da presença de defeitos é uma preocupação constante para
processadores e usuários, já que defeitos promovem, normalmente, o decréscimo das
propriedades mecânicas do material (Wang, 2001).
29
Atualmente, pás de geradores de energia eólica são fabricadas, em nível nacional, por
meio de projetos de clientes internacionais. Apesar da importância dessa área para o
Brasil, como exportadora de pás de geradores e, também, como incentivadora na
implantação de um maior número de geradores eólicos no país, poucos estudos têm sido
realizados na otimização dos parâmetros de processamento desses artefatos e no
entendimento de seus comportamentos mecânicos em função da presença de defeitos
gerados no seu processamento.
Considerando que para se tornar um produtor competitivo, o processador deve garantir a
qualidade de seu produto, a Tecsis - Tecnologia e Sistemas Avançados LTDA, empresa
brasileira de fabricação de pás eólicas, tem investido na otimização de seus produtos.
Neste enfoque, a referida empresa está ampliando os seus conhecimentos relativos à
influência da presença de defeitos no desempenho de componentes estruturais de pás e o
quanto eles afetam a vida útil do artefato. Para isto, estudos envolvendo a definição de
critérios de aceitação ou rejeição de componentes durante o seu processo de fabricação
estão sendo realizados. Este tipo de informação é estrategicamente fundamental para a
empresa Tecsis, que deu todo o suporte e apoio para a realização dessa pesquisa de
doutorado.
No processamento de componentes estruturais com fibras contínuas, um dos tipos de
defeitos que promovem a degradação das propriedades mecânicas do artefato é o
desalinhamento de fibras no plano e fora do plano. Considerando-se os possíveis efeitos
deletérios que a presença de desalinhamentos de fibras e ondulações em compósitos
estruturais pode promover no desempenho de pás de geradores eólicos e artefatos
aeroespaciais, o presente trabalho tem como motivação o estudo sistemático da presença
desses defeitos no comportamento mecânico de laminados.
Assim, esta lacuna tecnológica, referente ao conhecimento do efeito de desalinhamentos
de fibras nas propriedades mecânicas de compósitos, motivou a realização deste estudo
sistemático, que visa à otimização do processamento de compósitos estruturais para a
aplicação em geradores eólicos e artefatos de uso aeroespacial e o estabelecimento de
materiais de referência aplicados no processo de fabricação de pás para melhorar a vida
30
útil desses componentes e, também, fornecer subsídios para a indústria de asas rotativas,
que ainda é inexistente no Brasil.
Com isso, o objetivo principal deste trabalho de doutorado é investigar a influência de
defeitos do tipo desalinhamento de fibras nas propriedades mecânicas de compósitos
estruturais de fibras contínuas de vidro e de carbono em resina epóxi, utilizados no
processamento de componentes estruturais de pás de geradores eólicos. A investigação
foi realizada por meio de ensaios mecânicos específicos em corpos-de-prova, nos quais
o desalinhamento das fibras nos laminados foi induzido intencionalmente, com a
posterior comparação do comportamento mecânico dessas amostras com as de
referência, obtidas sem a presença de defeitos.
Além deste capítulo de Introdução, o conteúdo desta tese está estruturado em outros 7
capítulos. O Capítulo 2 apresenta o conceito de turbinas eólica e a fabricação de pás
eólicas. O Capítulo 3 discute o tema materiais compósitos, com ênfase no reforço e na
matriz, assim como a abordagem de aspectos de seu processamento e o desalinhamento
da fibra, e discorre sobre estudos feitos com diferentes ondulações de fibras contínuas.
O Capítulo 4 descreve os ensaios mecânicos realizados neste estudo e apresenta
algumas considerações sobre análise de fratura, de modo a apoiar as análises feitas neste
estudo. A preparação das amostras de laminados e as metodologias utilizadas na
caracterização dos corpos-de-prova são descritas no Capítulo 5. No Capítulo 6 são
apresentados e discutidos os resultados dos ensaios mecânicos e a correlação destes com
os aspectos morfológicos dos materiais e das superfícies de fratura. As conclusões finais
são relatadas no Capítulo 7.
31
2 TURBINAS EÓLICAS

A evolução das turbinas eólicas modernas é uma história de engenharia e conhecimento
científico, acoplada a um forte espírito empresarial. Nos últimos 20 anos, as turbinas
tiveram sua potência aumentada em pelo menos 100 vezes (de 25 kW para 2500 kW ou
superiores), o custo da energia foi reduzido em cerca de cinco vezes e a indústria passou
de uma atividade inicialmente idealista para um estabelecido setor da indústria de
geração de energia elétrica (Ewea, 2009).
A origem da turbina eólica se deve ao tradicional moinho de vento holandês (Figura
2.1), que se espalhou pela Europa a partir do século XIX e teve seu pico no final do
século XIX, com aproximadamente 100.000 máquinas. Essas máquinas foram
antecessoras ao surgimento da energia elétrica, e eram usadas para moer grãos e
bombear água pelo uso da energia do vento.

Figura 2.1 – Tradicional moinho de vento holandês utilizado na moagem de grãos e
bombeamento de água.
Fonte: Adaptada de Schefter (1982).
A tentativa mais recente de geração de energia comercial em grande escala foi a turbina
Smith Putnam, de 53 m de diâmetro e com 1,25 MW, erguida em 1939 nos EUA. Outro
marco foi a turbina Gedser de 24 m de diâmetro, 200 kW, instalada em 1956 na
Dinamarca. Já, no começo dos anos 80, muitos tópicos relativos à tecnologia de pás
eólicas foram investigados, sendo que o sistema madeira-epóxi foi desenvolvido nos
EUA e, a construção pelo uso do sistema fibra de vidro/poliéster se tornou consolidada
nos anos 80 na Dinamarca pela LM, empresa construtora de barcos (Ewea, 2009).
32
Pelo aspecto tecnológico, um resultado significativo e particularmente notável foi o
desenvolvimento realizado por fabricantes alemães, que propuseram alguns novos
conceitos, como a introdução da tecnologia inovadora de gerador com direct drive
(acoplamento entre rotor e gerador sem engrenagens) feito pela empresa Enercom.
Entretanto, o maior desafio nos anos recentes é o desenvolvimento de turbinas cada vez
maiores, para a geração comercial de máquinas multi-megawatts. Nesse sentido, já
existem geradores instalados no continente e foradele (Ewea, 2009).

Figura 2.2 – Crescimento em tamanho das turbinas eólicas comerciais.
Fonte: Adaptada de Ewea (2009).

A Figura 2.2 resume a história do aumento do tamanho das turbinas eólicas comerciais
até a data de 2008 e ilustra alguns conceitos das maiores turbinas para o futuro próximo.
Geradores eólicos aparecem em vários tamanhos, dependendo do uso da eletricidade.
Por exemplo, uma turbina com pás acima de 40 m de comprimento, com diâmetro do
rotor acima de 80 m, montada em uma torre de 80 m de altura pode gerar 1,8 MW de
potência. Esse sistema supre eletricidade suficiente para 600 casas, com um custo
superior a 1,5 milhão de dólares (Dawson, 2007).
Passado e
presente das
turbinas eólicas
Futuro das
turbinas
eólicas?
e
33
Medido pela fatia de mercado global em 2007, a Tabela 2.1 mostra os dez maiores
fabricantes de turbinas eólicas, assim como as características técnicas das turbinas,
como potência gerada e o diâmetro do rotor (Ewea, 2009).

Tabela 2.1 – Os dez maiores fabricantes de turbinas eólicas em 2007.
Fonte: Ewea (2009).

Fabricante Fatia de
mercado
(%)
Modelo Potência

(kW)
Diâmetro

(m)
Vestas 22,8 V90 3000 90
GE Energy 16,6 2.5XL 2500 100
Gamesa 15,4 G90 2000 90
Enercon 14,0 E82 2000 82
Suzlon 10,5 S88 2100 88
Siemens 7,1 3.6 SWT 3600 107
Acciona 4,4 AW-119/3000 3000 116
Goldwind 4,2 REpower 750 750 48
Nordex 3,4 N100 2500 99,8
Sinovel 3,4 1500 (Windtec) 1500 70

Em relação às três primeiras fabricantes líderes de mercado, destaca-se, há um longo
tempo, a empresa dinamarquesa Vestas, tendo como seus produtos-chave as turbinas
V80 e V90. Essa empresa tem como principal característica tecnológica o fornecimento
de turbinas mais leves, com pás em compósitos de elevada resistência, manufaturadas
pelo uso de pré-impregnados.
Atualmente, a empresa americana GE Energy está focada no aumento de produção das
suas turbinas para 2,5 MW, que já entraram em produção em série no início de 2008.
Essa produção já é tida como a próxima geração de turbinas, substituindo as bem
sucedidas máquinas de 1,5 MW (Ewea, 2009).
34
O último projeto da empresa espanhola Gamesa, o G10X, de 4,5 MW e 128 m de
diâmetro de rotor, está atualmente sendo desenvolvido, sendo que esse desenvolvimento
tem como características, pás de baixo peso, seccionadas em 2 partes.
Em relação às grandes turbinas, com potência gerada em torno de 5 MW, destacam-se
as fabricantes listadas na Tabela 2.2.

Tabela 2.2 – Principais fabricantes de turbinas eólicas com potência de 5 MW.
Fonte: EWEA (2009).
Fabricante Modelo Diâmetro do
rotor
(m)
Comprimento
da pá
(m)
Massa

(103 kg)
Bard VM 5.0 122 59,4 26
Enercon E112 114 55,5 20
Multibrid M5000 116 56,5 17
REpower 5M 126,3 61,5 18

A empresa Bard VM inaugurou sua primeira turbina de 5 MW em agosto de 2008 em
Wilhelmshaven, no litoral norte da Alemanha (Figura 2.3). Destacam-se, também, as
turbinas E-112 da empresa Enercom, a M500 da empresa Multibrid e a REpower 5M da
empresa REpower.
O desafio do futuro é estender o conceito convencional de turbinas de três pás com
potência acima de 5 MW, como o projeto Upwind. Upwind é o maior projeto europeu
de pesquisa e desenvolvimento de energia eólica, iniciado em 2006, cujo objetivo é
projetar e fabricar um gerador eólico com capacidade de energia de saída de 8 a 10 MW
e com um diâmetro do rotor maior que 120 m (Ewea, 2006).
Nesse sentido, a otimização do uso de material compósito torna-se cada vez mais
necessária, especialmente para grandes geradores eólicos, considerando-se que o peso
da pá aumenta significativamente em relação à sua capacidade de geração de energia.
No entanto, sabe-se que pás muito compridas são praticamente inviáveis de serem
utilizadas, sem um conhecimento sólido do comportamento do material sob as cargas
35
dominantes geradas pelo peso da pá (Nijssen et al., 2003). O fator peso é crítico no
gerador eólico, principalmente, devido às cargas de curvatura induzidas pela gravidade.
Essas cargas são completamente revertidas a cada ciclo do rotor, estabelecendo-se,
assim, uma considerável deformação dinâmica da pá.

Figura 2.3 – Turbina eólica da Bard VM de 5 MW instalada perto da costa (near shore)
em Wilhelmshaven – norte da Alemanha.
Pás para geradores eólicos são aplicações únicas de materiais compósitos, no sentido em
que esses sistemas são submetidos a um ambiente de carregamento incomum (Nijssen et
al., 2003), caracterizado pela variedade de condições ambientais externas, pelos
carregamentos severos e complexos , incluindo mais de 100 milhões de ciclos de fadiga,
e pelo complexo estado de tensões nas partes estruturais internas da pá.
Apesar de surgirem diferentes projetos de pás eólicas nesses últimos anos, a indústria
convergiu para uma estrutura universal (Mastemberg, 2004). A Figura 2.4 é
representativa dessa estrutura, que apresenta a seção transversal de uma pá típica de
gerador eólico.
36

Figura 2.4 – Seção transversal de uma pá eólica típica.
Fonte: Adaptada de Mastemberg (2004).
Nessa estrutura, universalmente aceita, tem-se que a seção transversal é, essencialmente,
uma combinação de uma estrutura tipo viga em I, denominada de longarina, composta
de duas mesas de longarina (denominada em inglês de spar cap) e uma alma de
longarina (denominada em inglês de shear web), que promove um suporte adicional em
flexão e cisalhamento, com um envoltório aerodinâmico (casca) para o suporte
estrutural. Cargas de pressão na casca da pá são transmitidas como cargas significativas
na direção dos bordos, que são proporcionais à direção do vento. Cargas de gravidade
geram cargas cíclicas na direção da ponta da pá. O spar cap, o bordo de ataque e o
bordo de fuga são predominantemente fabricados com tecidos unidirecionais espessos
(Figura 2.5 e Figura 2.6). As almas da longarina são manufaturadas, principalmente, por
laminados compósitos multiaxiais. Para prevenir esforços em dobramento dos grandes
painéis da casca, espuma e madeira balsa são utilizadas em algumas áreas internas da pá
(Nijssen et al., 2007).

Raiz
Ponta
B. ataque
Bordo de
fuga
Alma
Flange
Mesa
Raiz
Ponta
B. ataque
Bordo de
fuga
Alma
Flange
Mesa
37
Figura 2.5 – Tipos de carga e materiais em uma pá eólica.
Fonte: Adaptada de Nijssen et al. (2007).

(a) (b)
Figura 2.6 – Seção longitudinal de um spar cap fabricado por (a) infusão e (b) por
laminação manual com defeito de ondulação fora do plano.

2.1 Fabricação de pás

As pás eólicas são predominantemente fabricadas pelo processo de infusão a vácuo.
Basicamente, este tipo de processamento é dividido em várias etapas, como ilustrado na
Figura 2.7. Primeiramente, duas metades de uma pá, denominadas de casca, são
fabricadas pelo processo de infusão (Figura 2.7a). Em seguida, um componente
estrutural pré-fabricado, denominado de alma da longarina, é colado nessas cascas
(Figura 2.7b). Posteriormente, faz-se a aplicação do adesivo estrutural nos bordos
(Figura 2.7c), o molde é fechado (Figura 2.7d) e, finalmente, as cascas são coladas,
Reforço
Multiaxial
Espumadireção do vento
Unidirecional
Reforço
Multiaxial
Espumadireção do vento
Unidirecional
38
formando o produto final (Figura 2.7e). A seguir, tem-se a descrição de cada uma das
etapas de fabricação de uma pá eólica:
- infusão das cascas: refere-se ao posicionamento de todo o reforço seco sobre o molde,
além dos materiais de preenchimento como madeira balsa e espuma de PVC, incluindo
peças estruturais pré-fabricadas como, por exemplo, a mesa de longarina (Figura 2.8).
- Após o posicionamento do reforço e acessórios, a bolsa de vácuo é selada utilizando-
se uma membrana, também conhecida como plástico de vácuo. A bolsa é, então,
evacuada a uma pressão de, aproximadamente, 10 mbarcom o auxílio de uma bomba de
vácuo e o material acessório conhecido como espiral de vácuo (Figura 2.9).
- Em seguida, a resina é impregnada no reforço (Figura 2.10). A direção do fluxo de
resina é perpendicular ao comprimento da peça, iniciando no centro da bolsa, onde se
localiza a canaleta principal de entrada de resina e seguindo em direção às laterais do
molde, onde estão localizadas as canaletas de vácuo.
Figura 2.7 – Esquema do processamento de fabricação de pás eólicas.
Fonte: Huntsman (2009).
a)
c)
e)
d)
b)
39

Figura 2.8 – Posicionamento do reforço sobre o molde.
Fonte: cortesia da empresa Tecsis.
- Após a infusão e cura das cascas, todos os materiais auxiliares de processo, que não
fazem parte do laminado, são retirados, como, por exemplo, o plástico de vácuo.
Seguindo o processo, a alma de longarina é colada sobre a mesa de longarina em uma
das cascas, e após essa etapa, as cascas são preparadas para o fechamento da pá,
aplicando-se adesivo estrutural nos bordos de cada uma das cascas (Figura 2.11a).
Figura 2.9 – Esquema da bolsa de vácuo utilizada no processo de infusão de uma pá
eólica.

Cubas
Bomba de vácuo
Canaleta para entrada de água
Espiral de Vácuo Perimetral
Tambor para água
resina
resina
Cubas
Bomba de vácuo
Canaleta para entrada de água
Espiral de Vácuo Perimetral
Tambor para água
resina
resina
40

Figura 2.10 – Vista de um molde de infusão a vácuo na etapa de impregnação da resina.
Fonte: cortesia da empresa Tecsis.

Em seguida, o molde é fechado para que a pá seja finalmente colada (Figura 2.11b).
Após a cura do adesivo estrutural, o molde é aberto e a peça é desmoldada (Figura
2.11c). Em seguida, a pá eólica passa por processos de acabamento, como pós-cura,
realizada em estufa para completar a cura, de modo que a temperatura de transição
vítrea seja adequada com a temperatura de operação da turbina, rebarbação, corte,
furação e pintura. Para finalizar, outros componentes são montados na pá, como, por
exemplo, o sistema de para-raio. Finalmente, tem-se o produto final pronto para ser
entregue ao cliente, que, por fim, é acondicionado em embalagens adequadas para o
transporte por meio de caminhões e navio (Figura 2.10d).
41

(a) (b)

(c) (d)
Figura 2.11 – Vistas da (a) aplicação de adesivo estrutural em uma das cascas, (b)
fechamento do molde para a colagem das duas cascas, (c) pá
desmoldada e (d) pá eólica embalada para transporte.
Fonte: cortesia da empresa Tecsis.
42

43
3 MATERIAL COMPÓSITO

Compósito é um material que consiste da combinação de dois ou mais componentes,
convenientemente arranjados e distribuídos, porém mantendo-se física e quimicamente
distintos, mas que juntos conferem propriedades diferenciadas ao produto resultante,
graças à formação da interface entre os componentes (Shackelford, 2008).
Os materiais compósitos caracterizam-se por serem formados por reforços, tipos fibras
ou partículas, aglomerados por uma matriz, que pode ser metálica, cerâmica ou
polimérica (Shackelford, 2008). No presente estudo, os materiais estudados encontram-
se na classe dos compósitos poliméricos. Os componentes principais desse tipo de
compósito são:
- matriz polimérica, que pode ser de dois tipos, termorrígida ou termoplástica,
responsável pela transferência dos esforços, pelo alinhamento das fibras e pela proteção
das mesmas da abrasão e da degradação ambiental. Este componente está diretamente
relacionado com as resistências à compressão e ao cisalhamento do compósito. A matriz
confere ainda rigidez, tornando este tipo de material susceptível ao dano (Mastemberg,
2004);
- reforço, que pode ser constituído por partículas, fibras picadas ou contínuas e
whiskers. Neste estudo são utilizadas fibras contínuas. Este componente é,
prioritariamente, responsável pela resistência mecânica aos esforços, principalmente, de
tração e fadiga.
Pelo fato do material compósito ser formado por dois ou mais componentes, existem
diferentes possibilidades de combinações. Devido a isso, os compósitos são
desenvolvidos pela engenharia para atender propriedades específicas, como rigidez,
resistência, tolerância a danos, resistência à corrosão, condutividade térmica, entre
outras, para uma aplicação particular (Mastemberg, 2004; Shackelford, 2008).
44
A área de materiais compósitos tem mostrado um desenvolvimento contínuo, motivado
pela sua crescente aplicação em setores que exigem produtos com elevados valores de
resistência e menor massa específica, em relação aos metais. A seleção entre as várias
opções de materiais, tanto a matriz polimérica quanto o reforço, está condicionada a
fatores como desempenho, custo, condições de processamento e disponibilidade
(Nogueira et al., 1999).
Uma característica de suma importância neste tipo de material é a razão
resistência/peso, onde os reforços de fibras de carbono têm se sobressaído. A fibra de
carbono, por exemplo, apresenta a razão resistência/peso 4 a 5 vezes maior que a do
alumínio (Mastemberg, 2004; Shackelford, 2008).
Esses materiais são denominados compósitos poliméricos avançados ou estruturais
(Nogueira et al., 1999; Ellis, 1993), quando a combinação do reforço contínuo com a
matriz polimérica confere ao compósito obtido baixos valores de massa específica, por
exemplo de 1,2 a 3,0 g/cm3, e elevados valores de resistência mecânica e rigidez, por
exemplo, resistência à tração de 700 e 2500 MPa para compósitos reforçados com fibras
de vidro e carbono, respectivamente.
Os materiais poliméricos para aplicação estrutural em aeronaves, por exemplo, utilizam
fibras de excelente qualidade e resina epóxi de elevada resistência, pertencentes a
gerações de polímeros de diferenciados desempenhos, que apresentam maior tolerância
a danos, resistência ao impacto e boas propriedades nas condições de temperatura e
umidade elevadas (Franco, 2003).
Nesse sentido, este capítulo apresenta conceitos básicos relativos aos dois componentes
do material compósito - matriz e reforço - e ao processamento desse material, de modo a
embasar conceitualmente o tema abordado nesta tese.

45
3.1 Resina epóxi
As resinas epóxi (também denominadas epoxídicas), poliéster, poliamida e éster-vinílica
são as matrizes poliméricas mais usadas no processamento de materiais compósitos.
Neste trabalho de compósitos para aplicações estruturais é estudada apenas a matriz
polimérica do tipo epóxi.
As resinas epóxi foram introduzidas no mercado após a segunda grande guerra e podem
ser consideradas como um avanço tecnológico sobre alguns termorrígidos existentes,
como, por exemplo, as resinas fenólica e poliéster (Costa, 1998).
As resinas epóxi são polímeros caracterizados pela presença de pelo menos dois anéis
de três membros (Figura 3.1), conhecidos como epóxi, epóxido, oxirano ou etano epóxi
(Almeida, 2005). A resina epóxi, que pode possuir um ou mais grupamentos epóxi, é
convertida em uma forma termorrígida pela formação de uma estrutura tridimensional
em rede (May, 1988; Costa, 1998).
O termo epóxi é comumente usado para descrever o anel de oxirane, representado por
um composto monocíclico com um átomo de oxigênio ligado a outros dois átomos,
formando um anel de 3 átomos (oxa + irane: o prefixo oxa representa o oxigênio de
valência 2 e a terminação irane representa um anel de 3 membros), sem nitrogênio e
saturado, isto é, sem dupla ligação entre estes 3 membros. O anel de três átomos é
formado por um átomo de oxigênio ligado a dois outros átomos de carbono, chamados
de -α ou grupos epóxi -1,2. Uma resina epóxi é definida por qualquer molécula que
contenha uma ou mais moléculas do grupo epóxi -1,2 (Costa, 1998).

Figura 3.1– Grupo funcional epóxi.
As resinas epóxi são convertidas em polímeros termorrígidos por um processo chamado
reação de cura, pela ação de agentes de cura, que também são conhecidos por
46
endurecedores. O termo cura é usado para descrever o processo onde um ou mais tipos
de reagentes, isto é, um grupo epóxi e um agente de cura, são transformados de um
material de baixa massa molar em uma rede rica em ligações cruzadas (Figura 3.2) e de
maior massa molar (May, 1988; Shackelford, 2008). Esse mecanismo de crescimento
das cadeias moleculares é devido à presença de monômeros polifuncionais. Após esta
etapa de tratamento térmico, a resina termorrígida não mais se funde.
A reação química de cura é acelerada com o aumento da temperatura e é irreversível, ou
seja, a polimerização se mantém após o resfriamento. A rigidez e a maior estabilidade
térmica apresentada pelos polímeros termorrígidos, em particular as resinas epóxi,
tornam essas resinas atrativas para aplicações estruturais (Ancelotti Jr., 2006). Os
termorrígidos são também chamados de polímeros de engenharia, muito comuns na
substituição de determinados materiais metálicos (Shackelford, 2008). Apesar das
inúmeras vantagens deste tipo de polímero, vale mencionar que eles têm a desvantagem
de não serem reciclados e, em geral, apresentam as suas características finais
estreitamente dependentes dos parâmetros de processamento utilizados. A alteração de
poucos graus na temperatura de processamento pode produzir diferenças significativas
nas características finais do material obtido.

Figura 3.2 – Esquema da estrutura molecular característica de um polímero
termorrígido.
Fonte: Shackelford, (2008).
47
A utilização de agentes de cura (endurecedores) no processamento de resinas epóxi
torna esta estrutura com um arranjo tridimensional das cadeias, que confere ao material
propriedades como estabilidade, insolubilidade e infusibilidade.
A escolha do tipo e da proporção de endurecedor está ligada aos parâmetros de
processamento do produto, que, por sua vez, está relacionada ao tempo de trabalho da
matriz. Os parâmetros de mistura são normalmente definidos pelo fabricante, visando as
melhores propriedades do material final. Caso as proporções mais adequadas de
resina:endurecedor não sejam consideradas, não se pode garantir a cura completa da
resina e, consequentemente, as melhores propriedades finais do produto.
O aumento da viscosidade da resina no processamento de um material compósito está
diretamente relacionado com o tipo e a quantidade de endurecedor adicionado. Os tipos
de endurecedores são classificados como rápidos e lentos, de acordo com o tempo de
cura desejado.
3.1.1 Região de gel
A cura de um polímero termorrígido usualmente envolve complexas mudanças
químicas, que afetam o comportamento reológico do material, quando o monômero ou
oligômero é transformado do estado líquido para o estado sólido. Essa etapa envolve a
formação de uma estrutura molecular de rede com ligações cruzadas, resultantes de
reações químicas dos grupos reativos no sistema (May, 1988; Shackelford, 2008). Nesse
processo, a transição entre os dois estados da matéria mencionados passa por uma
região denominada de região de gelificação ou região de gel.
Na região de gel coexistem uma rede tridimensional infinita e numerosas cadeias livres.
Após essa região, a rede se densifica. Teoricamente, a região de gel corresponde ao
limiar de formação de uma molécula infinita, correspondente à formação de uma fração
de massa molar insolúvel em solventes polares e apolares (Costa, 1998).
48
3.1.2 Temperatura de transição vítrea
Diversas propriedades mecânicas importantes da resina epóxi, que incluem, por
exemplo, módulo e carga máxima de ruptura em cisalhamento, estão correlacionadas
intimamente com a composição química e a energia interna do polímero. Entretanto,
essas correlações estão restritas à resposta puramente elástica da resina curada, abaixo
de sua temperatura de transição vítrea (May, 1988; Shackelford, 2008).
Os polímeros amorfos, como é o caso de sistemas de resina epóxi após a polimerização,
são constituídos de macromoléculas com conformações desordenadas. A temperaturas
mais baixas, esses polímeros têm características vítreas e a temperaturas mais elevadas
apresentam comportamento viscoelástico. A transição entre estas duas condições tem
como referência a denominada temperatura de transição vítrea (Tg). Nessa temperatura
ocorre um aumento da mobilidade das macromoléculas, resultando no relaxamento do
material, sem, no entanto, apresentar alterações na sua integridade estrutural (Ortiz,
2008; Rocha, 2009).
Na Tg, o módulo e a resistência à tração, dureza, propriedades elétricas e resistência
química se alteram, enquanto que o alongamento e a flexibilidade aumentam
sensivelmente (Costa, 1998; Shackelford, 2008). As temperaturas de transição vítrea de
resinas e compósitos poliméricos de alto desempenho são frequentemente utilizadas
como uma medida da temperatura máxima de utilização do material. Portanto, a
temperatura de serviço do compósito é limitada à temperatura de transição vítrea da
resina (Ortiz, 2008; Rocha, 2009).
3.1.3 Viscosidade
A viscosidade é um parâmetro de particular importância nos sistemas poliméricos
líquidos, pois sendo função da temperatura determina os parâmetros de processamento.
Como exemplo, a Figura 3.3 mostra a variação da viscosidade em função da
temperatura da resina epóxi L135I da empresa MGS Hexion, aditada com os
endurecedores RIMH-137 (80 % m/m) e RIMH-134 (20 % m/m) (Hexion, 2009). O
49
perfil desta curva mostra que à medida que a temperatura aumenta, a viscosidade
diminui, como esperado para sistemas termorrígidos (Costa, 1998).
A Figura 3.4 mostra um gráfico de viscosidade versus tempo de uma resina epóxi
catalisada por dois diferentes tipos de endurecedores, indicando que os dois sistemas
apresentam tempos de cura diferentes. À medida que ocorre o aumento da densidade das
ligações cruzadas, a viscosidade da matriz aumenta exponencialmente (Hexion, 2009).

Figura 3.3 - Viscosidade em função da temperatura para a resina epóxi MGS L135i.
Fonte: Hexion (2009).
Temperatura (oC)
V
is
co
si
da
de
(
m
P
as
)
50

Figura 3.4 – Curvas de viscosidade da resina epóxi L135i versus tempo, curada por dois
endurecedores diferentes. Curva verde: mistura dos endurecedores (RIMH-
137 (80 %) e RIMH – 134 (20 %) (m/m) e curva azul: RIMH – 137.
Fonte: Hexion (2009).
O aumento da viscosidade da resina em função do tempo está diretamente relacionado
com o tipo e a quantidade de endurecedor utilizado. Os tipos de endurecedores podem
ser classificados como rápidos e lentos, de acordo com o tempo de cura. Pode-se
acrescentar um endurecedor lento quando busca-se um tempo de cura maior, ou um
endurecedor rápido para um tempo de cura menor, e, até mesmo, uma combinação entre
os endurecedores, na proporção 80 % do lento e 20 % do rápido, como mostra a Figura
3.4, por exemplo.
O tempo de processamento da matriz está diretamente atrelado ao tipo e à proporção de
endurecedor utilizado, que, por sua vez, está ligado à técnica de processamento e aos
parâmetros ambientais de processamento do produto como, por exemplo, a temperatura
ambiente. Os parâmetros de mistura são normalmente definidos pelo fabricante da
resina, pois a adição de uma maior ou menor quantidade de endurecedor não afeta a
velocidade da reação de cura, mas o grau de cura da resina e, consequentemente, as
propriedades finais do componente que está sendo fabricado.
Tempo (min)

V
is
co
si
da
de
(
m
P
as
)

51
3.2 Reforço
As propriedades estruturais de um compósito dependem primeiramente do tipo de
reforço utilizado, da sua porcentagem em volume no material, da orientação da fibra e o
quão efetivo o material é utilizado (May, 1988; Shackelford, 2008). Tipicamente,o
reforço é utilizado para conferir resistência aos esforços, ou seja, maiores valores de
rigidez e de resistência à tração ao material. O reforço, no caso de compósitos
estruturais, é constituído de fibras contínuas, as quais podem ser de diferentes tipos, por
exemplo, fibras de vidro, carbono e aramida.
Os compósitos são diferenciados de acordo com as características do reforço presente,
conforme esquematizado na Figura 3.5. Esta classificação envolve os parâmetros: (a)
concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuição e (e) orientação do reforço.
Figura 3.5 – Esquema das possíveis distribuições do reforço no compósito em função
dos parâmetros: (a) concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuição
e (e) orientação do reforço.
Fonte: Shackelford (2008).
A classificação do reforço pode também ocorrer de acordo com a sua disposição na
matriz, conforme a Figura 3.6 (Ancelotti Jr., 2006; Shackelford, 2008):
• particulados: alta rigidez, baixa resistência, baixa tenacidade;
• fibras curtas (descontínuas): alta rigidez, baixa resistência, baixa tenacidade, e
• fibras longas (contínuas): alta rigidez, alta resistência, alta tenacidade.

Figura 3.6 – Esquema da classificação de reforços em compósitos.
Fonte: Ancelotti Jr. (2006).
Reforços de mantas de fibras descontínuas têm as orientações das fibras dispostas
aleatoriamente e são conhecidos como nãotecidos. Alguns exemplos de nãotecidos são:
manta com gramatura de 240 g/m2 e véu com gramatura de 40 g/m2 (Seartex, 2009).
O reforço de fibra contínua pode ser obtido no mercado na forma de rolos de cabos com
diferentes números de filamentos contínuos, por exemplo, 3.000, 9.000 ou 12.000
filamentos, fitas unidirecionais ou como tecidos, com o arranjo dos filamentos em duas,
três e até quatro direções e diferentes gramaturas.
Os reforços na forma de tecidos são confeccionados em máquinas de tear, onde os
parâmetros orientação das camadas, gramatura e tipo de costura ou amarração são
definidos em função da aplicação final (Figura 3.7).
53

Figura 3.7 – Exemplo de uma máquina de tear utilizada na fabricação de tecidos.
Fonte: Liba (2009).
Reforços com arranjo unidirecional e tecido bidirecional ±45o, preferencialmente de
fibras de vidro, são os tipos de reforços normalmente utilizados na área de fabricação de
pás para geradores eólicos. A seleção dos tecidos de reforço utilizados na fabricação de
pás de turbinas eólicas é historicamente focada em materiais utilizados na indústria
naval (Samborsky, 1999). Os reforços de fibra contínua podem ser classificados em dois
tipos: os trançados (tecidos) e os costurados pelo arranjo de fitas unidirecionais e tecido
biaxial.
Nos tecidos, uma mecha de fios passa sobre um outro, posicionando as mechas de fibras
nas direções 0o (urdume) e 90o (trama). A configuração do arranjo dos cabos define
vários tipos de tecidos, como ilustra a Figura 3.8. Nesta figura observam-se três tipos
diferentes de tecidos sem costura.
54

(a) (b) (c)
Figura 3.8 – Configurações de tecidos sem costura, denominados de (a) Plain Weave,
(b) Satin Weave e (c) Twill Weave.
Fonte: Hexcell (2009).
Nos tecidos, as fibras podem também ser mantidas em sua posição por meio de costura
com fios sintéticos (poliéster, poliamida), com o arranjo dos filamentos em uma, duas,
três e até quatro direções, na direção da trama ou do urdume, ou até mesmo a 45o. Para
aplicações estruturais de pás para geradores eólicos, normalmente são utilizados os
reforços unidirecionais na direção 0o (trama). A Figura 3.9 ilustra um tecido sendo
confeccionado pelo posicionamento de fibras unidirecionais nos ângulos de -
45/90/+45/90/0o (Saertex, 2009).

3.2.1 Fibra de vidro
O material mais comumente utilizado como reforço no processamento de compósitos
poliméricos é a fibra de vidro. O tipo denominado de E-glass é o mais amplamente
utilizado. O componente principal deste tipo de fibra é a sílica (SiO2, dióxido de silício)
(Mastenberg, 1994; May, 1988). O vidro é um material amorfo e a produção de
filamentos de fibra de vidro envolve a mistura de produtos de rochas (areia, caolin e
colmanita) a 1600 oC, produzindo o vidro líquido. Este líquido é bombeado através de
uma fieira com furos muito finos (na ordem de micrometros) e, simultaneamente, é
resfriado (Seartex, 2009). Posteriormente, o filamento é processado em diferentes
arranjos, fitas e tecidos.
55

Figura 3.9 – Exemplo de alinhamento das fibras na fabricação de um tecido
-45/90/+45/90/0o.
Fonte: Saertex (2009).
Existem dois tipos de vidro usados com resina epóxi, o vidro tipo E, borosilicato
alumínio-cal, e o vidro tipo S, uma combinação do dióxido de silício (SiO2), alumínio e
magnésio. O tipo E-glass, que possui o menor preço, é o mais amplamente utilizado em
compósitos estruturais. O tipo S-glass é aproximadamente duas vezes mais resistente,
tem maior módulo e elongação, e é selecionado quando necessita-se de melhor
desempenho do componente (May, 1988).
O vidro é considerado um material pobre, devido à presença quase que inerente de
defeitos e falhas, somada à sua menor rigidez. O vidro puro tem maior resistência, mas é
mais frágil. Qualquer tipo de defeito, principalmente os tipo fenda, rapidamente se
transforma em trinca, que se propaga com pouca carga (Mastenberg, 2004). O uso de
fibras curtas em uma matriz polimérica minimiza esse efeito, primeiramente pelo fato
de fibras mais curtas apresentarem um número menor de defeitos, somado ao fato da
falha na fibra ser isolada pela matriz polimérica.

3.2.2 Fibra de carbono
A fibra de carbono é produzida por meio da oxidação controlada, carbonização e
grafitização de materiais ricos em carbono, que já se encontram na forma de fibras. O
objetivo é remover, na forma gasosa, todos os elementos que não sejam carbono, apesar
de que fibras de alta resistência (4 GPa) podem conter até 5 % de nitrogênio (Morgan,
2005; Ortiz, 2008).
56
A matéria-prima mais frequentemente usada na produção de fibras de carbono de uso
estrutural é a poliacrilonitrila (PAN) (Seartex), embora a fibra de carbono possa também
ser obtida de precursores como celulose, piche de alcatrão de hulha e piche de petróleo.
Dependendo dos parâmetros de processamento, as fibras podem ter inúmeras variações
de propriedades mecânicas. As fibras podem ser classificadas quanto ao tipo de
precursor, propriedades mecânicas (resistência e módulo), e temperatura de tratamento
final. Uma classificação comercial bastante utilizada diz respeito às propriedades de
resistência e módulo, podendo então ser classificadas como fibras de alta resistência (4
GPa), ultra-alta resistência (>4 GPa), módulo padrão (230 GPa) , módulo intermediário
(~270 GPa), alto módulo (350 GPa) e ultra-alto módulo (>370 GPa) (Ancelotti Jr.,
2006; Ortiz, 2008).
De todos os materiais precursores disponíveis para a preparação de fibras de carbono de
boa qualidade, a PAN é a matéria-prima mais adequada. A qualidade final das fibras de
carbono depende fortemente da composição e da qualidade da PAN, das condições do
processo de estabilização oxidativa, bem como das condições de carbonização (Costa,
1998).
3.3 Processamento
Atualmente, existem muitos processos disponíveis para o processamento de compósitos
termorrígidos. Os mais utilizados são: laminação manual ou hand lay up, infusão por
vácuo (Vacuum Infusion Process, VIP), o Resin Transfer Moulding (RTM) e a
laminação pelo uso de pré-impregnados.
Alguns processos são bem simples e envolvem pouca tecnologia e intenso trabalho
manual, enquanto outros fazem uso de ferramentas sofisticadas e controles
computacionais. No entanto, todas as técnicas de processamento possuem um ponto em
comum, que é o uso de ferramentas, denominadas de moldes, para manter