Propriedades Mecânicas de Compósitos Reforçados

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PROPRIEDADES MECÂNICAS
COMPÓSITOS
AMANDA, DEBÓRA, EDUARDA DEGANI, EDUARADA REDIN E SAVANA
SUMÁRIO
 O que são compósitos?
 Compósitos reforçados com partículas
 Compósitos reforçados com fibras
 Compósitos estruturais 
 Artigo 
 Referências 
O QUE SÃO COMPÓSITOS?
Um compósito pode ser considerado qualquer material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades de ambos os constituintes, afim de obter a melhor combinação de tais propriedades. O princípio da ação combinada é amplamente explorado neste contexto.
O conhecimento de tais materiais data de milênios, mas sua classificação e manipulação foi registrada apenas no século XX.
A maioria dos compósitos foi criada com a intenção de melhorar características mecânicas, tais como rigidez, teacidade, resistência a condições ambientes e a elevadas temperaturas.
Muitos materiais compósitos são constituídos de apenas duas fases, sendo uma delas denominada matriz e a outra fase dispersa. A primeira é contínua e envolve a segunda.
As propriedades destes materiais são função das propriedades das fases constituíntes, de sua quantidade relativa e da geometria da fase dispersa.
O QUE SÃO COMPÓSITOS?
COMPÓSITOS REFORÇADOS COM PARTÍCULAS
Podem ser subclassificados como compósitos com partículas grandes ou compósitos reforçados por dispersão. Estes se diferenciam entre si por conta do mecanismo de reforço ou aumento de resistência envolvido.
No primeiro caso, o termo grande infere que as interações partícula-matriz não podem ser tratadas a nível atômico ou molecular, devendo empregar a mecânica do contínuo.
Já nos reforçados por dispersão, as interações partícula-matriz que levam ao aumento de resistência ocorrem a nível atômico ou molecular.
COMPÓSITOS COM PARTÍCULAS GRANDES
As partículas presentes podem ter grande variedade geométrica, mas devem apresentar aproximadamente as mesmas dimensões em todas as direções (equiaxiciais). Além disso, devem ser pequenas e estar distribuídas de forma homogênea por toda a matriz. As properidades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor de partículas.
Expressões matemáticas que respeitam a regra das misturas foram formuladas para representar a dependência do módulo de elasticidade em relação à fração volumétrica das fases constituíntes. 
São utilizados com todos os três grupos de materiais (metais, polímeros e cerâmicas).
Fotomicrografia de um carbeto cementado WC-Co
COMPÓSITOS COM PARTÍCULAS GRANDES
Outro exemplo é o concreto, onde as fases matriz e dispersa são ambas materiais cerâmicos. Se trata de um material compósito que consiste em um agregado de partículas ligadas umas às outras em um corpo sólido por algum tipo de meio de ligação, isto é, o cimento.
É comum o reforço de elastômetros e plásticos com materiais particulados. Um exemplo são as borrachas modernas, que teriam um emprego restrito sem a adição de negro de fumo. Quando este é adicionado à borracha vulcanizada, há uma melhora considerável no limite de resistência à tração, tenacidade e resistência ao rasgo e à abrasão.
COMPÓSITOS REFORÇADOS POR DISPERSÃO
Os metais e as ligas metálicas podem ter sua resistência aumentada e ser endurecidos pela dispersão uniforme de diversas porcentagens volumétricas de partículas finas de um material inerte e muito duro. O mecanismo de aumento de resistência envolve interações entre as partículas e as discordâncias na matriz. 
Um exemplo é a utilização de cerca de 3%v de tória na forma de partículas finamente dispersas em ligas de níquel. O material é conhecido como níquel TD, ou níquel com tória dispersa.
COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS
É a classe de compósitos que mais tem aumentado de importância e de volume de produção. 
 A vantagem de inserção de fibras é decorrente da sua baixa densidade, alta resistência mecânica e elevado módulo de elasticidade, aliados à baixa densidade da matriz.
Ganhos nas seguintes Propriedades: 
σf → Resistência à Tração
 E → Módulo de Elasticidade 
d → Densidade 
𝝈𝒇/𝒅 → Resistência específica 
𝑬/𝒅 → Módulo específico 
INFLUÊNCIA DO COMPRIMENTO DA FIBRA
As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não dependem somente das propriedades da fibra, mas também do grau ao qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela fase matriz.
INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO DAS FIBRAS
Com base no comprimento e na orientação da fibra, são possíveis 3 tipos diferentes:
Fibras contínuas e alinhadas : as propriedades mecânicas são altamente anisotrópicas.
fibras descontínuas e alinhadas: são possíveis resistencias e rigidez significativas na direção longitudinal .
Fibras descontínuas e com orientação aleatória: apesar de algumas limitações na eficiencia de reforço, as propriedades são isotrópicas. 
A FASE FIBRA 
Com base no diâmetro e na natureza, as fibras são agrupadas em três classificações diferentes:
Whiskers (filamentos);
Fibras;
Arames.
Pode ser:
Metal;
Polímero;
Cerâmica
Em geral, os metais e polímeros são empregados como matrizes, pois é desejável alguma ductilidade, nos compósitos com matriz cerâmica, o componente de reforço é adicionado para melhorar a tenacidade à fratura. 
FASE MATRIZ
Consistem em uma resina polimérica como a fase matriz, com fibras como o meio de reforço.
 Reforçados com fibras de Vidro;
 Reforçados com fibras de Carbono;
 Reforçados com fibras de Aramida;
COMPÓSITOS COM MATRIZ POLIMÉRICA
A matriz é um metal dúctil. Esses materiais podem ser usados em temperaturas de serviços mais elevadas que seus respectivos metas de base, além disso, o reforço pode melhorar:
Rigidez especifica 
Resistência especifica
Resistência á abrasão
Resistência à fluência
Condutividade térmica
Estabilidade dimensional 
COMPÓSITOS COM MATRIZ METÁLICA
COMPÓSITOS COM MATRIZ CERÂMICA
Os materiais cerâmicos são inerentemente resistentes à oxidação e à deterioração em temperaturas elevadas.
A tenacidade á fratura das cerâmicas tem sido melhorada de forma significativa pelo desenvolvimento de uam nova geração de compósitos com matriz cerâmica.
COMPÓSITOS CARBONO-CARBONO
Um dos materiais de engenharia mais avançados e promissores. Esses materiais são relativamente novos e caros, dessa forma, no momento não são utilizados extensivamente. Suas propriedades incluem:
Altos módulos e limites de resistencia à tração que são mantidos até temperaturas acima de 2000 ºC
Resistência à fluência
Valores relativamnete altos de tenacidade à fratura 
COMPÓSITOS HÍBRIDOS
É obtido a partir utilizando-se dois ou mais tipos de fibras diferentes em uma úniica matriz, os híbridos apresentam melhor combinação geral de propriedades. 
Compósitos Estruturais
São compostos por multicamadas e em geral possuem baixa massa específica, sendo utilizados em aplicações que exigem a integridade estrutural, resistência a tração, compressão, torção e rigidez.
Composto por lâminas (ou camadas) bidimensionais que estão colados uns aos outros.
Uma estrutura de múltiplas camadas é conhecida como laminado. Cada camada tem uma direção preferencial de alta resistência.
Existem 4 classes de compósitos laminados: unidirecional, cruzados, com camadas em ângulos, multidirecional. Suas propriedades vão depender da direção de suas camadas. 
Os laminados multidirecionais são isotrópicos enquanto os unidirecionais possuem maior grau de anisotropia.
COMPÓSITOS LAMINADOS
PROPRIEDADES
Os laminados compósitos são em geral de matriz polimérica reforçada com fibras longas de alta resistência.
Por serem geralmente de carbono, possuem maior rigidez e resistência.
As fibras apresentam-se sob a forma de finos filamentos agrupados. A matriz aglomerante permite a transmissão de carga para as fibras e confere a conformabilidade necessária a um material estrutural.
Além da alta resistência, é observado tenacidade a fratura.
A fita prepeg unidirecional 
É produzida pela disposição de várias fitas umas sobre as outras com diferentes orientações de alta resistência.A resistência depende de alguns fatores:
material da fibra;
número de camadas;
sequência de orientação.
Aplicações no setor automotivo, marítimo e de infraestrutura civil.
As fibras podem ser de vidro, carbono ou aramida.
São projetados para serem vigas ou painéis de baixo peso, com resistência e rigidez elevada.
Quando fletido, uma das face sofre compressão e outra tensão de tração, já o núcleo fornece suporte e resistência ao cisalhamento.
As lâminas externas são feitas de um material rígido e resistente - ligas de alumínio, aço, plásticos reforçados com fibras. 
Os materiais mais comuns para o núcleo são polímeros termoplásticos, madeira balsa e estrutura em colmeia (ligas metálicas e materiais poliméricos).
COMPÓSITOS PAINÉIS - SANDUÍCHES
Polímeros termoplásticos: espumas rígidas - poliestireno, poliuretano e polipropileno.
Madeira balsa: Possui ótima resistência ao cisalhamento e compressão.
Estrutura em colmeia: Células com formato hexagonal. Suas propriedades são anisotrópicas, tendo a resistência a tração de compressão maior em uma direção paralela ao eixo da célula. Excelentes características de amortecimento de som e vibrações.
O painel sanduíche é eficiente em termos de custos.
COMPÓSITOS PAINÉIS - SANDUÍCHES
ESTUDO DE CASO
A aeronave com tamanho médio e de longo alcance é a primeira a utilizar compósitos para maior parte de sua construção.
As propriedades dos compósitos foram exploradas na sua construção, utilizando materiais que favorecem a:
Maior leveza - maior eficiência e menos combustível
Maior conforto - maiores níveis de pressão e de umidade, incluindo menos ruídos.
Os compósitos são 50% do peso do Boeing, enquanto as ligas de alumínio correspondem a 20%.
As estruturas de compósitos mais comuns são os laminados (epóxi e carbono - fita prepeg).
Os painéis sanduíches são utilizados em carcaças de motores e nos componentes das caudas.
Uso de compósitos no Boeing 787 
PROPRIEDADES
Elevada resistência à fadiga e à corrosão;
Baixa condutividade térmica;
Isolamento acústico e térmico;
Facilidade de obtenção de geometrias complexas, assegurando-lhes maior performance em serviço.
São compostos por partículas com tamanho nanométrico inseridas no material de matriz. Podem ser projetados para possuir propriedades superiores às de materiais convencionais. Dois fatores são responsáveis por tais propriedadaes, sendo eles o aumento da razão entre a área da superfície e o volume das partículas e o tamanho das partículas.
Embora possam ser feitos a partir de qualquer material, o mais comum é utilizar matrizes poliméricas. As propriedades dependem não apenas do material utilzado, mas também da forma e do teor das partículas, assim como das características interfaciais matriz-nanopartícula. 
Os três tipos genéricos de nanopartículas principais são nanocarbonos, nanoargilas e nanocristais particulados.
NANOCOMPÓSITOS
APRIMORAMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA
Nanocompósitos poliméricos de alta resistência e baixo peso são produzidos pela adição de nanotubos de carbono com paredes múltiplas no interior de resinas epóxi; normalmente o teor de carbono nestes casos varia de 20 a 30%p. 
Sua utilização envolve principalmente em lâminas de turbinas de vento e equipamentos esportivos. 
O principal desafio para a produção de nanocompósito é a distribuição uniforme e homogêneadas das nanopartículas no interior da matriz.
NANOCOMPÓSITOS
Propriedades mecânicas de materiais compósitos à base de cimento Portland e resina epoxi
O estudo do efeito da combinação de uma fase polimérica termorrígida, uma resina epóxi, com cimento Portland branco estrutural, seguido da avaliação da resistência à compressão e módulo de elasticidade. 
 Artigo
INTRODUÇÃO
Estes compósitos vêm sendo empregados na construção civil tanto na fase de acabamento, como também na fabricação de produtos pré-fabricados.
Recentemente, uma nova demanda por compósitos poliméricos ressurgiu, e um exemplo claro disso é a crescente produção de mármores e granitos artificiais a cada ano.
A utilização e o desenvolvimento de produtos cimentícios poliméricos vêm sendo conduzidos em vários países há mais de quarenta anos. 
INTRODUÇÃO
O artigo traz o efeito da adição de um polímero termorrígido de alta resistência mecânica à fase cimentícia sem adição de água. 
As propriedades mecânicas investigadas foram resistência à compressão e módulo de elasticidade, e as massas específicas correspondentes. 
Em termos de microestrutura, a fase polimérica tende a recobrir os grãos não hidratados de cimento, retardando o processo de hidratação parcialmente ou completamente.
MATERIAIS E MÉTODOS
O compósito C1 foi preparado com 100% de fase polimérica e o compósito C5 com 100% de fase cimentícia. Os demais compósitos C2, C3 e C4 foram fabricados com 75%, 50% e 25% de fase polimérica, respectivamente. 
A adição de água foi realizada apenas no compósito C5, constituído apenas de cimento. O fator água-cimento foi de 30% sobre a massa de cimento Portland. 
Cinco tipos de compósitos foram preparados, representando as variações de fração das fases cimentícia/ polimérica adotadas. 
 FIGURA 30 : CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS. FONTE : T. H. PANZERA, 2010.
MATERIAIS E MÉTODOS
Fase polimérica termorrígida: resina epóxi
A fase polimérica termorrígida utilizada neste trabalho foi uma resina epóxi de alto desempenho, fabricada pela Indústria Química Huntsman. 
A resina epóxi é constituída de duas partes, sendo uma denominada araldite e a outra endurecedor. O araldite usado foi o LY 1564BR e o endurecedor o Aradur 2954.
A proporção da mistura em massa utilizada foi de 74% de araldite para 26% de endurecedor.
 
Fase cimentícia: cimento Portland
O cimento Portland utilizado no experimento foi o CPB-40 (NBR 12989) do fabricante Cauê, indústria brasileira.
FIGURA 31 :CARACTERÍSTICA DA RESINA EPOXI. Fonte: T. H. Panzera, 2010.
MATERIAIS E MÉTODOS
Sete corpos de prova de cada condição experimental foram fabricados utilizando moldes cilíndricos poliméricos de dimensão 29,88 mm de diâmetro e 42,00 mm de altura e uma bancada para vibração e compactação dos mesmos.
 
Após o período de cura de 28 dias, foram desmoldados e cortados, garantindo o paralelismo necessário para execução do ensaio de resistência à compressão, e para determinação das massas específicas dos mesmos.
 
Preparação dos corpos de prova
FIGURA 32: CORTE DOS CORPOS DE PROVA DOS 
COMPÓSITOS ESTUDADOS. FONTE: T. H. PANZERA, 2010.
MATERIAIS E MÉTODOS
O ensaio de resistência mecânica à compressão foi baseado nas recomendações da norma britânica BS-12390. Os testes foram realizados de forma aleatória. Os compósitos investigados foram rompidos para um período de cura de 28 dias. 
Os módulos de elasticidade foram determinados em função dos gráficos tensão-deformação obtidos no ensaio de compressão. 
A massa específica dos compósitos foi calculada dividindo a massa do compósito seco (após 24 h na estufa e a 105 °C) pelo volume das amostras.
Massa específica e propriedades mecânicas
FIGURA 33: COMPRESSION TESTING OF PLASTIC. FONTE:THE UNIVERSAL GRIP COMPANY, 2016.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Resultados de resistência à compressão (Rc), módulo de elasticidade (E) e massa específica (ρ)
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os compósitos fabricados com 100% de polímero (C1) e 100% de cimento (C5) exibem, respectivamente, os limites inferiores (1,17 g/cm3) e superiores (1,92 g/cm3).
A maior resistência mecânica é apresentada pelo compósito C3 (98,80 MPa), constituído de 50% de fase polimérica e 50% de fase cimentícia;
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A fase cimentícia proporciona o aumento do módulo de elasticidade do compósito, enquanto a fase polimérica contribui para o aumento da resistência à compressão;
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Pode-se observar o aumento do módulo de elasticidade em função do aumento da massa específica dos compósitos investigados;
A massa específica apresenta uma correlação direta com o módulo de elasticidade, por outro lado a resistênciamecânica não segue a mesma tendência;
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O compósito C3 constituído de 50% de ambas as fases cimentícia-polimérica destacou-se, apresentando um comportamento de regime elasto-plástico acentuado.
CONCLUSÃO
A fase cimentícia promoveu um aumento da massa específica, diminuição da resistência à compressão e aumento do módulo de elasticidade dos compósitos;
A fase polimérica promoveu o aumento da resistência à compressão dos compósitos;
O módulo de elasticidade variou em função da massa específica;
 
O compósito C3, exibiu a maior resistência à compressão, como também um comportamento mecânico diferenciado, exibindo elevada tenacidade.
REFERÊNCIAS
Callister Jr., William d., 1940- Ciência e engenharia de materiais : uma introdução \ William D. Callister Jr., David G. Rethwisch ; tradução Sérgio Murilo Stamile Soares, Luiz Claudio de Queiroz Faria ; revisão técnica Wagner Anacleto Pinheiro. - 10. ed. - Rio de Janeiro : LTc, 2021. 
CÂNDIDO, Geraldo M.; ALMEIDA, Sérgio F. M.. Processamento de Laminados de Compósitos Poliméricos Avançados com Bordas Moldadas. Polímeros: Ciência e Tecnologia, São José dos Campo, v. 10, n. 1, p. 31-41, jan. 2000. Disponível em: https://www.revistapolimeros.org.br/. Acesso em: 01 set. 2022.
MATERIAIS Compósitos: Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais. Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais. 2017. USP. Disponível em: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4141306/mod_resource/content/1/PMT3100_2017-Un19-Compositos-v4.0.pdf. Acesso em: 01 set. 2022.
PANZERRA, T. H. et al. Propriedades mecânicas de materiais compósitos à base de cimento Portland e resina epoxi. Cerâmica 56. 2010. Disponível em: <https://www.scielo.br/j/ce/a/PmJS6pB5PscTKzd33rQ8rLm/?format=pdf&lang=pt>. Acesso em: 01 set. 2022.
OBRIGADA!
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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