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Materiais Compósitos Resina epoxi /fibra de carbono (superfície de fratura). Fonte: Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge 1PMT3200 - Ciência dos Materiais Nylon-6,6 / SEBS-g-MA / fibra de vidro 2 Compósitos • Princípio da ação combinada: Material multifásico cujas propriedades sejam uma combinação benéfica (sinergia) das propriedades das duas ou mais fases que o constituem. 2 Sinergia: deriva do grego synergía, cooperação sýn, juntamente com érgon, trabalho. É definida como o efeito ativo e retroativo do trabalho ou esforço coordenado de vários subsistemas na realização de uma tarefa complexa ou função, também denominado de ação combinada. 3 • A idéia de usar fibras como elemento reforçador de um material é antiga, tendo ocorrido em diversas civilizações antigas: egípcios, civilizações pré- colombianas (incas, maias, índios brasileiros)... • Essa idéia ainda é empregada hoje – ainda se constrói com tijolos de terra seca reforçada com fibras naturais cortadas (palha) (“adobe”). 3 4 A cidadela de Bam, na província iraniana de Kerman: a maior estrutura do mundo em adobe, datando de pelo menos 500 a.C. Foi extremamente afetada por um terremoto em 2003, e atualmente encontra-se em processo de reconstrução 4 Fonte: PublicDomain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1545245 Construções Atuais em Adobe 6 Exemplos naturais • Ossos • colágeno (proteína de elevada resistência, mas macia), junto com o minerial apatita (resistente, rígido, mas frágil) . the cortical tissue, which can be found in the mid-diaphysis of the femur6 7 Exemplos naturais • Madeira • fibras de celulose : resistentes e flexíveis + hemicelulose (pouco resistente e hidrolisável) envolvidas por lignina, mais rígida. 7 Madeira 88 Hemicelulose é um polímero de baixa massa molar composto por polisacarídeos, que podem ser lineares ou ramificados e amorfos. Fibrila Micro- fibrila Celulose formada por unidades de D-glucose (C6H10O5) ligadas entre si covalentemente através do átomo de oxigênio na posição β-1,4 HemiceluloseParede celular Madeira Lignina Macromolécula tridimensional amorfa 8 Compósitos de engenharia Tipos de compósitos: 9 Novo Boeing 787 Dreamliner, o primeiro avião comercial a ser construído com 50% de compósitos. 9 10 O Lamborghini Sesto Elemento pesa apenas 999 kg (570 cv, V10, ele acelera de 0 a 100 km/h em 2,5 segundos) Novo processo de produção: onde um composto pastoso de fibra de carbono e resina epóxi é injetado a alta pressão em moldes especiais. Este novo material foi chamado de Forged Composite (compósito forjado, em alusão aos processos de forjamento de alta pressão em moldes fechados). PMT3200 - Ciência dos Materiais 10 Estrutura do compósito • Compósitos de engenharia costumam ter: Fase matriz + fase dispersa Fase matriz (fase contínua): polímero (PMC), cerâmica (CMC) ou metal (MMC) Fase dispersa: inúmeras possibilidades (polímeros, cerâmicas, metais, minerais, materiais orgânicos naturais, ...) 1111 Estrutura do compósito 1212 Relação Estrutura - Propriedades • Propriedades do compósito dependem: • das propriedades individuais da fase matriz e da fase dispersa • da natureza da interface “fase matriz - fase dispersa” • da “geometria”da fase dispersa 1313 Estrutura dos Compósitos • Propriedades dependem da “geometria” da fase dispersa: a) Concentração b) Tamanho c) Forma d) Distribuição e) Orientação 1414 Classificação dos compósitos 1515 Nanocompósitos Nanocompósitos 1616 LAMINADOS E PAINÉIS EM SANDUÍCHE 17 Lâminas de material com propriedades anisotrópicas (por exemplo, madeira). A “soma” das lâminas, coladas em diferentes direções, resulta em um material “isotrópico”. LAMINADOS 18 ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Exemplo: Papelão PAINÉIS EM SANDUÍCHE PIR: poliisocianureto (espuma isolante) LDR: lã de rocha Parte externa: aço galvanizado Fase dispersa • Partícula : porção de um sólido com dimensões aproximadamente iguais nas três dimensões • Fibras: são materiais finos e alongados, como filamentos, que podem ser contínuos ou cortados. • Partículas grandes: maiores que ~1μm • Matriz transfere parte da carga à fase dispersa • Fibras: diâmetros maiores do que 1μm 1919 Nanocompósitos Matriz + carga: Carga com dimensões nanométricas: 1 a 100 nm – 0,001 a 0,1 µm (nanocarga) Aumento de resistência se dá por interações a nível atômico ou molecular. Sub-micrométrica: 100 a 1000 nm (0,1 a 1µm) 1 nm = 10 Å = 10-9 m 20 Nanocompósitos Carga inorgânica com dimensões nanométricas: 1 a 100 nm. Negro de fumo (nanocarga) Carbonato de cálcio (CaCO3) Novas cargas: melhoria de propriedades CaCO3 (Nanotech Science and Technology) 21 Partículas muito finas de carbono, formadas por combustão de gás natural em atmosfera com ar limitado Nanocompósitos Nanopartículas: tamanho: de 1 a 100 nm em pelo menos uma das coordenadas. • 0D: todas as dimensões (x, y e z) em escala nanométrica nanopartículas de sílica (sol- gel), negro de fumo, nanopartículas metálicas, nanocristais de celulose... Nanocompósitos • 1D: duas dimensões (x e Y) em escala nanométrica e a terceira (z) não está em escala nanométrica: nanotubos de carbono, nanofibras de celulose Nanocompósitos • 2D: uma dimensão (z) em escala nanométrica e as outras (x e y) não estão em escala nanométrica: silicatos com espessura de alguns nanômetros 100 – 1000 nm100 – 1000 nm 1 nm1 nm Nanocompósitos • 3D: em todas as 3 dimensões o tamanho está acima de 100 nm Nanocompósitos Nanopartículas: Grafeno: módulo de elasticidade de 1TPa. Compósitos com matriz polimérica: melhorias em propriedades elétricas, térmicas, barreira a gases, mecânicas. 28 Compósitos com partículas grandes • Regra das misturas: • Propriedades dependem das frações volumétricas das fases. Módulo de elasticidade varia entre: limite superior limite inferior ppmmc VE+VE=(u)E mppm pm c EV+EV EE =(l)E 2929 Relembrando Módulo de elasticidade • Calcular o módulo de elasticidade de uma liga de alumínio, com base nos seguintes dados: εσ (MPa) 00 0,0041300 0,0082600 0,022628 0,045655 0,060675 0,080690 0,10700 3030 Relembrando Módulo de elasticidade y = 73171x - 3E-13 R² = 1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 T en sã o ( M P a) Deformação (mm/mm) 3131 Regra de misturas Exemplo: partículas de tungstênio em cobre Existem tanto limite superior quanto limite inferior para E 3232 Exemplo de MMC: broca de metalduro WC (ou carbeto de titânio) confere a dureza e a resistência ao desgaste necessários ao corte de concreto. Cobalto (ou níquel) confere tenacidade. 3333 Micrografia (aumento aproximado de 1.000 vezes) de um compósito de matriz metálica: contendo 85% WC e 15% Co; (photo courtesy of Kennametal Inc.) Exemplo de PMC: borracha do pneu Matriz: elastômero Partículas: negro de fumo (carbono) (MET) (15 a 30%) partículas absorvem UV e aumentam resistência mecânica Partículas de negro de fumo; cada uma mede de 20 a 50nm, mas se apresentam comumente de forma aglomerada. Fase ellipsoidal: pequenas bolhas de ar na borracha 3434 Exemplo de PMC: Compósitos com Nylon MEV: Nylon-6 + vidro particulado (tamanho médio das partículas 38µm (10 a 100µm ). 35 MEV: Nylon-6 + microesferas de vidro (tamanho médio de partículade 60 µm). 35PMT3200 - Ciência dos Materiais Exemplo de PMC: Compósitos com PP MEV: PP + EPDM + talco (EPDM: copolímero de etilieno-propeno-dieno) 36 Tabela 2 – Propriedades Mecânicas de Polipropileno Modificado com EPDM Propriedades PPcopo PPcopo + 20% EPDM PPcopo +C.M +EPDM PPcopo + F.V. +EPDM Res Tração (Mpa) 29,0 21,0 16,0 18,0 Mod Flexão (Mpa) 1400,0 900,0 1200,0 1700,0 Res Impact Izod(J/m) 23o C -20o C 85,0 25,0 700,0 500,0 300,0 55,0 300,0 90,0 HDT a 1,82 Mpa(o C) 55,0 45,0 55,0 52,0 Contração (%) 1,0-2,0 1,0-2,0 0,8-1,5 0,6-1,2 36 Exemplo de CMC: concreto • Matriz: cimento Portland • Partículas: areia e brita Clínquer: Silicato tricálcico (CaO)3SiO2 Silicato dicálcico (CaO)2SiO2 Aluminato tricálcico (CaO)3Al2O3 Ferroaluminato tetracálcico (CaO)4Al2O3Fe2O3 3737 Concreto Armado • Armação metálica + concreto 38PMT3200 - Ciência dos Materiais 38 • Fim da primeira aula. • Ler capítulo 16 do Callister. 39PMT3200 - Ciência dos Materiais 39 Compósitos reforçados com fibras • São os mais comuns. • Vantagem é alta resistência ou alta rigidez da fibra, aliado à baixa densidade da matriz. • Resistência à tração σf • Módulo de elasticidade E • Densidade d • Resistência específica σf/d • Módulo específico E/d 4141 PMT 2200 em 2011 Tópico 1: Compósitos Fibras Propriedade do compósito depende da fibra e da interface (quanto de carga é transferida para a fibra). Ligação interfacial entre fibra e matriz cessa na ponta da fibra, (deformando a matriz naquela região). 4242 Fibras Influência do comprimento da fibra ℓc= σf d 2τc σf limite de resistência da fibra τc resistência da ligação fibra-matriz (ou tensão limite de escoamento por cisalhamento da matriz – o que for menor) d diâmetro da fibra Em compósitos com fibra de vidro ou carbono, ℓc ~ 1mm para (ℓc entre 20 e 150 x d) “Fibras contínuas” : ℓ > 15 ℓc Se não, “fibras curtas ou descontínuas” 4343 Fibras Influência da orientação das fibras Representação esquemática de compósitos com fibra: (a) Fibras contínuas e alinhadas; (b) Fibras curtas ou descontínuas e alinhadas; (c) Fibras curtas ou descontínuas com orientação randômica 4444 Fibras contínuas • Quando o processo de fabricação garante que as fibras fiquem alinhadas, surge a anisotropia das propriedades → as propriedades dependem da direção na qual a carga é aplicada, em relação à direção das fibras. 4545 46 Carregamento longitudinal em compósitos com fibras contínuas e alinhadas Representação esquemática de curvas Tensão versus Deformação para compósito com matriz dúctil e fibra frágil. Estágio I: fibra e matriz deformam elasticamente Estágio II: matriz entra em regime plástico. Em εf* , fibras começam a fraturar, mas o compósito não apresenta falha catastrófica. Cálculo do E em compósitos com fibras contínuas e alinhadas Para carregamento longitudinal (estado de isodeformação) Para carregamento transversal (estado de isotensão) ffmmlc VE+VE(l)E 4747 fffmlc VE+VE=(l)E )1( mfff fm mffm fm ct EVEV EE EV+EV EE =(t)E )1( 4848 Cálculo do E em compósitos com fibras contínuas e alinhadas Exercício Considerar que fração de área = fração de volume 49 Carregamento transversal 49 Influência da interação entre fibra e matriz Compósitos reforçados com fibras requerem uma adesão moderada entre matriz e fibra : uma alta adesão entre as duas fases confere boa resistência mecânica pela transferência eficiente de carga da matriz para as fibras, porém o material torna-se frágil. uma baixa adesão resulta em baixa resistência mecânica, mas a energia absorvida na fratura aumenta por dissipação de energia durante o processo de descolamento da fibra (puxamento da fibra – fiber pullout) alta adesão baixa adesão 5050 Compósito com fibra alinhada e contínua *f : limite de resistência à tração da fibra; ’m : tensão na matriz no momento em que a fibra falha. )1('** fmffcl Vσ+Vσ=σ Concentração de fibra 50% LR tração T (MPa) LR tração L (MPa) Material 20700Vidro-poliéster 351000Carbono-epoxi 201200Poliaramida- epoxi 5151 Limite de resistência do compósito na direção longitudinal (L) (fibra falha antes da matriz) Compósito com fibra alinhada e descontínua *f : limite de resistência à tração da fibra; ’m :tensão na matriz no momento em que o compósito falha. τc: resistência da ligação fibra-matriz (ou tensão limite de escoamento por cisalhamento da matriz – o que for menor) d: diâmetro da fibra )1() 2 1( '** fm c ffcd Vσ+ l l Vσ=σ 5252 Limite de resistência do compósito na direção longitudinal (L) Com distribuição uniforme de fibras com l > lc Limite de resistência do compósito na direção longitudinal (L) Com distribuição uniforme de fibras com l < lc )1()( ' ' * fm c fcd Vσ+ d l V=σ Exercício Quer-se produzir um compósito com fibras contínuas e alinhadas, que consista em 45% volume de fibras aramida e 55% volume de matriz a base de policarbonato (PC). As características mecânicas dos dois materiais são: Ainda, a tensão na matriz de PC quando as fibras de aramida falham é de 35MPa. Para esse compósito, calcule o limite de resistência à tração e o módulo de elasticidade longitudinal. LR (MPa)E (GPa)Material 3600131Fibras: Aramida 652,4Matriz: Policabonato [ Exercício 16.8 Callister ] 5353 A fase fibra • 3 classes • Whiskers • Fibras • Arames Monocristais, alta razão comprimento / diâmetro, (alto grau de perfeição cristalina) altíssima resistência, caros Policristais ou amorfos, diâmetro pequeno Diâmetro de dezenas de microns 5454 A fase Fibra 55 PMT3200 - Ciência dos Materiais 55 Compósitos com matriz polimérica • Matrizes: • Termorrígidas: Poliésteres e vinil-ésteres, • Epóxi, fenólicas • Termoplásticas: PA, PEEK, PPS, PEI • (poliamida, polieteretercetona, poli(sulfeto de fenileno), Polieterimida) • Reforços • fibra de vidro (GFRP) • fibra de carbono (CFRP) • fibras aramidas (poliaramidas) 5656 Compósitos de fibra de vidro • Vantagens • Alto σf* (3500 MPa), barato; • Compósitos podem ser obtidos utilizando uma ampla variedade de técnicas de fabricação; • Quando incorporada em uma matriz polimérica, produz um compósito com uma resistência específica elevada; • Compósitos com matriz polimérica pode apresentar uma inércia química (utilizado em ambientes corrosivos) • Usos • Carcaças automotivas e marítimas • Recipientes de armazenamento • Limitações • Baixa rigidez (70 GPa) 5757 Fabricação da fibra de vidro • 55%SiO2, 16%CaO, 15%Al2O3, 10%B2O5 e 4%MgO. • Diâmetros entre 3 e 20μm. • Muito sensível a defeitos superficiais da fibra • São recobertas com capa protetora • Algumas capas devem ser removidas antes da fabricação do compósito. • Podem ser usadas na forma de fios e tecidos 5858 Fabricação da fibra de vidro 5959 Compósitos de fibra de carbono • Vantagens • As fibras de carbono têm o módulo específico e a resistência específica mais alta, dentre as fibras de reforço. • Alto módulo e alta resistência em temperaturas elevadas (a oxidação em alta temperatura, entretanto, pode ser um problema) • À temperatura ambiente, as fibras de carbono não são afetadas pela umidade ou por uma grande variedade de solventes, ácidos e bases. • Foram desenvolvidos processos de fabricação de fibras e compostos que são relativamente baratos e econômicos • Usos • Equipamento esportivo, aviação, automotivo. 6060 Fabricação da fibra de carbono • Fibras de diâmetro 4 a 10μm • Fibra contém regiões de grafita e regiões não-cristalinas. • Produzidas a partir de precursores: rayon, poliacrilonitrila e piche. • Processo afeta E: existem classes de E (padrão, intermediário, alto e ultra alto). 6161 Compósitos de fibras de poliaramida (“kevlar”) • Vantagens • Baixa densidade relativa (1,44) • Alta tenacidade • Ductilidade permite tecelagem • Usos • Blindagem balística • Artigos esportivos, pneus • Limitações • Susceptíveis a ácidos e bases fortes • Baixa resistência à compressão • Custo (> fibra de vidro) 6262 Compósitos de fibras de poliaramida (“kevlar”) 6363 Comparações entre compósitos com fibra contínua e alinhada e matriz epóxi 6464 Processamento de compósitos reforçados com fibras Pultrusão: produtos longos e seção transversal constante (mechasde fibras) Usado com fibras de vidro, carbono e aramidas (concentração entre 40 e 70% fibras) 6565 Processo Prepreg Fibras contínuas pré-impregnadas com resina parcialmente curada. 66 Fitas finas: 0,08 -0,25mm Com 35 a 45% em volume de resina 66 67 Prepreg 67 6868 Outras referências importantes: - Callister, 5ª Ed - capítulo 17 : completo. - Shackelford, J. F. Ciência dos Materiais, 6ª ed. Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2008. – Capítulo 14: completo. Capítulos do Callister, 7ª ed., 2008, tratados nesta aula - Capítulo 6 : completo; capítulo 12: seções 12.8 e 12.9; - Capítulo 16 : completo. Sites interessantes • http://www.hurner.com.br • Notícias: http://www.compositesnews.com/ • Ass. Bras. Mat. Compósitos: http://www.abmaco.org.br/ • http://www.jeccomposites.com/ • Nanotubos: http://depts.washington.edu/polylab/cn.html • Saint Gobain: http://www.sgva.com/ • http://oea.larc.nasa.gov/PAIS/Concept2Reality/composites.html 6969 Conceitos de Tensão e Deformação • Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductilidade e a rigidez. • O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta (ou DEFORMAÇÃO) a uma carga (ou TENSÃO) que esteja sendo aplicada sobre um corpo fabricado deste material. • As deformações podem ser ELÁSTICAS ou PLÁSTICAS. • As DEFORMAÇÕES ELÁSTICAS não são permanentes, isto é, são deformações que desaparecem quando a tensão aplicada é retirada. Dito de outra forma, as deformações elásticas são reversíveis, sendo resultado da ação de forças conservativas. • As DEFORMAÇÕES PLÁSTICAS são permanentes, isto é, permanecem após a tensão aplicada ser retirada. Deformações plásticas são irreversíveis, sendo acompanhadas por deslocamentos atômicos permanentes. PMT3200 - Ciência dos Materiais 70 LE . E • Em uma escala atômica, a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA macroscópica é manifestada como pequenas alterações no espaçamento interatômico e na extensão de ligações interatômicas. • Para a maioria dos materiais metálicos, as deformações elásticas ocorrem até deformações de ~ 0,5%. • Quando as deformações ultrapassam o limite de proporcionalidade, a relação entre a tensão e a deformação deixa de ser linear (lei de Hooke), produzindo-se deformação permanente, a chamada DEFORMAÇÃO PLÁSTICA. Curva Tensão -Deformação • Na prática, muitas vezes, é difícil definir a posição do ponto P com precisão. Como conseqüência, geralmente se define uma TENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO (LE) como sendo a tensão necessária para se produzir uma pequena quantidade de deformação plástica. Para os metais, o ponto E corresponde a uma deformação de engenharia = 0,002 = 0,2%. PMT3200 - Ciência dos Materiais 71 Deformação Elástica Curva Tensão vs. Deformação coeficiente angular = módulo de elasticidade • Define-se o MÓDULO DE ELASTICIDADE como sendo o coeficiente angular da curva vs. , na região linear da curva. Como a curva tem origem no ponto (0,0), = E. (Lei de Hooke) PMT3200 - Ciência dos Materiais 72 Deformação Elástica Átomos fortemente ligados Átomos fracamente ligados F r Força de Ligação vs. Distância Interatômica • O módulo de elasticidade é proporcional ao valor da derivada dF/dr no ponto r = r0. • O módulo de elasticidade representa uma medida da intensidade das forças de ligação interatômicas. PMT3200 - Ciência dos Materiais 73 • Os precipitados também dificultam o movimento das discordâncias. • PRECIPITADOS INCOERENTES: não existe continuidade entre os planos cristalinos do precipitado e os da matriz, e as discordâncias terão que se curvar entre os precipitados MECANISMO DE OROWAN Mecanismo de Orowan para a interação de discordâncias com partículas incoerentes. Endurecimento em Metais: Precipitação ou Dispersão PMT3200 - Ciência dos Materiais 74