Aula 03 Compósitos Reforçados com Fibras

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Classificação dos Compósitos
Compósitos reforçados por fibras
• mais comuns tecnologicamente
• projetos voltados para o aumento de resistência, tenacidade ou 
rigidez em relação ao peso
• o grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para as 
fibras pela matriz � interface é o que determina as propriedades.
• estes compósitos são subclassificados de acordo com o comprimento da 
fibra
• fibras muito curtas podem não produzir melhora significativa
Compósito reforçado com fibras:
• a – Continuo e alinhado � boa melhora na resistência
• b – Descontínuo e alinhado (curto) � fibra curta, pouca melhora na resistência.
• c – Orientado aleatoriamente � melhoria de 50 a 90% da resistência em 
relação à fibra longa análoga.
Compósitos reforçados por fibras
• As fibras de vidro (as mais baratas e as mais usadas);
• As fibras de aramida (kevlar);
• As fibras de carbono (apresentam resistências mecânicas elevadas e 
baixas densidades, apesar do seu preço mais elevado são utilizadas em 
muitas aplicações).
Fibras de vidro + Epóxi ( l = 2,5mm)
Fibras sintéticas mais comuns:
• Boro
• Carbeto de silício
• Óxido de alumínio
Fibras sintéticas utilizados em menor intensidade:
Comportamento mecânico de um compósito reforçado 
com fibras. Curvas tensão- deformação
Curva tensão- deformação
• As respostas mecânicas desse tipo de compósito dependem do 
comportamento da fibra e da matriz, além da direção na qual a carga 
é aplicada.
• Para um carregamento na direção longitudinal se considerarmos o 
comportamento tensão-deformação da fibra como totalmente frágil e 
da matriz como dúctil, o compósito apresentará comportamento como 
o da figura. Inicialmente há deformação elástica da fibra e da matriz. 
No estágio II a matriz escoa e se deforma plasticamente enquanto 
que a fibra se estica elasticamente. O início da falha ocorre quando as 
fibras começam a se fraturar e não é catastrófica porque nem todas 
as fibras fraturam ao mesmo tempo.
Compósitos reforçados por fibras contínuas e 
alinhadas:
Compósitos reforçados por fibras contínuas e 
alinhadas: Comportamento elástico longitudinal 
• se a interface matriz-fibra tem boa ligação, a deformação da matriz e 
da fibra é a mesma (isodeformação). Então:
Compósitos reforçados por fibras contínuas e 
alinhadas: Comportamento elástico longitudinal 
Desta maneira, a carga total suportada pelo compósito (Fc) é igual a 
soma das cargas atuantes na matriz (Fm) e fibras (Ff), enquanto que a 
tensão atuante no compósito (σc) é proporcional àquelas da matriz 
(σm) e das fibras (σf) e, também, as frações volumétricas da matriz 
(Vm) e das fibras (Vf).
Compósitos reforçados por fibras contínuas e 
alinhadas: Comportamento elástico transversal 
• Com a aplicação da carga sob um ângulo de 90 graus em relação ao 
alinhamento das fibras, a tensão é a mesma (isotensão):
Compósitos reforçados por fibras contínuas e 
alinhadas: Comportamento elástico transversal 
• Desta maneira, a carga total suportada pelo compósito é diferente das 
cargas atuantes na matriz e fibras, enquanto que a deformação no 
compósito é proporcional as deformações e frações volumétricas da 
matriz e das fibras.
Compósitos reforçados por fibras contínuas e 
alinhadas: Limite de Resistência à tração
Longitudinal � a resistência é a tensão máxima na curva tensão-
deformação. Portanto, a fratura marca o surgimento da falha no 
compósito e depende das propriedades da matriz e fibra e de sua 
interface.
Resistência máxima
Resistência no instante da 
falha
Transversal � anisotropia total. A resistência à tração é, às 
vezes, inferior ao da matriz.
Resistências à tração na direção longitudinal e 
transversal às fibras
• Compostos Reforçados com Fibras Unidirecionais.
• O Teor das Fibras de cada compósito é de aproximadamente 50%vol.
• Embora a eficiência da fibras descontínuas seja menor que para as 
fibras contínuas elas estão se tornando cada vez mais importantes no 
mercado comercial.
• Fibras de vidros picadas são os reforços desse tipo usados com maior 
freqüência. Contudo, fibras descontínuas de carbono também são 
utilizadas em compósitos.
A resistência longitudinal é dada por:
Compósitos reforçados por fibras descontínuas 
e alinhadas:
• Para l > lc : σcd = σfVf (1- lc/2l) + σm(1-Vf)
• Para l < lc : σcd = lττττcVf/d + σm(1-Vf)
Lc é o comprimento crítico da fibra � relacionado com o aumento efetivo da 
resistência no compósito
Comparação entre as propriedades de um 
polímero sem e com o reforço de fibras de vidro
A resistência aumenta de acordo com uma certa fração volumétrica da 
preenchimento da fibra.
• Quando a orientação da fibra é aleatória são usadas fibras curtas e 
descontínuas. A tabela mostra o reforço que é possível se obter.
Compósitos reforçados por fibras descontínuas 
e aleatoriamente orientado:
ORIENTAÇÃO DAS FIBRAS
A resistência será máxima 
quando as fibras estiverem 
orientadas com o esforço 
(sendo mínima na direção 
perpendicular)
Variação de propriedades com a 
orientação das fibras para uma liga de 
Titânio reforçada com fibras de Boro
Comportamento Elástico em Função da Direção de Carregamento
Para uma carga alinhada na direção do carregamento:
Ecl = EmVm + EfVf
módulo de elasticidade do compósito
Ecl = Em (1-Vf) + EfVf
Ff/Fm = EfVf/EmVm relação entre a carga suportada pelas fibras e pela matriz
Resumindo: 
Para uma carga alinhada na direção transversal ao carregamento:
1/Ecl = Vm/Em + Vf/Ef
módulo de elasticidade do compósito
Ecl = Em Ef / VmEf + VfEm = EmEf/ (1-Vf)+ VfEm
Ff/Fm = EfVf/EmVm relação entre a carga suportada pelas fibras e pela matriz
• Regra das misturas: usada quando para compósitos com fibras descontínuas e 
aleatoriamente orientadas:
Ecd = Vm/Em + KVf/Ef
SISAL
Extração da fibra de sisal
(desfibramento):
Fibras Naturais
Fibras Naturais
JUTA
Extração da fibra de juta
(maceração):
Fibras Naturais
COCO
Extração da fibra de
coco (maceração):
Processamento dos compósitos reforçados com 
fibras
• Pultrusão: Para produção de formatos de seção reta constante 
(barras tubos vigas).
• Mechas ou cabos de fibras são impregnados com uma resina 
termofixa, sendo então estirados através de um molde de aço 
aquecido. 
• Passa na seqüência em um molde de cura aquecido que confere a 
peça sua forma final.
• Matrizes usuais: Poliésteres, ésteres vinílicos, resinas epóxi.
• Fibras usuais: De vidro , carbono, aramida. 
Processamento dos compósitos reforçados com 
fibras
• Prepreg: Processo mais utilizado para 
estruturas.
• Fibras contínuas pré-impregnadas com 
resina polimérica parcialmente curadas 
em espessuras de 0,08 mm a 0,25 mm 
e larguras de 2,5 mm a 1525 mm.
• Esse material é enviado ao fabricante 
em forma de fita. Essa fita molda e cura 
por completo o produto sem a 
necessidade de adicionar qualquer 
resina adicional apenas com calor e 
pressão. 
• Teor de resina: 35 a 45 % em vol. 
termofixa ou termoplástica.
• O prepreg deve ser mantido a 0 C pois 
a cura prosseguiria à temperatura 
ambiente
• Após a remoção do papel de suporte 
várias camadas são colocadas, em 
geral com as fibras cruzadas para se 
ter mesma resistência nos dois 
sentidos.
Processamento dos compósitos reforçados com 
fibras
• Enrolamento de filamento: Processo 
no qual as fibras de reforço contínuas 
são posicionadas segundo um padrão 
pré-determinado para compor uma 
forma oca geralmente cilíndrica 
• Fios individuais ou em mechas são 
alimentados através de um banho de 
resinas e em seguida enroladas 
continuamente ao redor de um mandril 
(processo automático).
• Após um número apropriado de 
camadas a cura é executada em m 
forno ou a temperatura ambiente após 
a retirada do mandril.
• Como alternativa pode-se enrolar 
prepregs estreitos e delgados (até 10 
mm) ao redor do mandril.