Refor+ºos para materiais comp+¦sitos

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Reforços para Materiais 
Compósitos 
 
Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) –
Campus Itabira 
 
Itabira, 04 de abril de 2011 
Fibras 
 
Porque as fibras devem possuir diâmetro 
pequeno? 
 
 
Resistência da fibra em função do diâmetro das fibras de carbono 
Fibras 
d
v
A
d
LDN
A
dLnA
d
D
Nn
DLNA
fibras
II
II
II
I
)(4
2
2
4
1
Ed
adeFlexibilid
Quais fatores relacionados às fibras contribuem 
para a performance do compósito? 
 
 
• Comprimento 
• Orientação 
• Forma 
• Material 
Estrutura e propriedade das fibras 
Estrutura da fibra (exemplo fibra de PET). 
Estruturas: 
Física 
Química 
Morfologia 
Estrutura e propriedade das fibras 
Tipos de ligações químicas e energias de ligação com exemplos de materiais 
As propriedades físicas das fibras são determinadas essencialmente por 
 3 parâmetros: Tipo de ligação, cristalinidade e orientação molecular. 
 
Estrutura e propriedade das fibras 
Estruturas das fibras e propriedades. 
Estrutura e propriedade das fibras 
Valores típicos de resistência (médias) 
de diferentes fibras. 
 Valores típicos de módulo elástico 
de diferentes fibras. 
 
• Tipo de fibra mais largamente utilizada. 
• Aplicação: instrumento musical (flauta), tanques (piscina, 
caixa d
 
água), barcos, material esportivo, cabos de fibra 
ótica, etc. 
 
• Vantagens: 
– Baixo custo 
– Alta resistência à tração 
– Alta inércia química 
• Desvantagens 
– Módulo de elasticidade relativo baixo 
– Auto-abrasividade 
– Baixa resistência à fadiga quando agregada em compósitos 
– Densidade relativa alta 
 
 
Fibras de vidro 
Fibras de vidro 
Materiais de partida: areia, calcário, argila, boratos etc. 
Quatro maiores tipos utilizados: 
 
• Vidro E: boa resistência e resistividade elétrica. 
• Vidro S: 40% mais resistentes, melhor retenção de 
propriedades em elevadas temperaturas. 
• Vidro C: resistente à corrosão. 
• Vidro AR: reforço de cimento. 
 
Composição dos vidros usados na manufatura de materiais compósitos 
 
Propriedades dos tipos de fibras de vidro utilizadas como reforços em compósitos. 
* E-CR (E-corrosion 
resistant -free boron) e AR 
(alkali resistant – 16% 
ZrO2) 
* 
Fibras de vidro – Produção: Método direto 
fibras fiadas diretamente no forno de fusão 
Refino 
Fibras de vidro – Produção: Método indireto 
vidro é inicialmente pelotizado para posteriormente ser fundido 
Refino 
Fibras de vidro – Produção: Método indireto 
Características esperadas para uma fibra de vidro de qualidade: 
• Boa dispersão, 
• Facilidade de corte, 
• Bom assentamento no molde, 
• Baixa formação de eletricidade estática, 
• Boa conformação em cantos vivos, 
• Boa translucidez e fácil desenrolamento. 
A adesão de fibras de vidro à materiais poliméricos é promovida 
por meio de promotores de ligação do tipo organossilanos. 
Fibras de vidro 
Aminopropiltrimetoxisilano (APS) , 
Metacriloxipropiltrimetoxisilano (MPS), 
Glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPS). 
 
Positivas 
• Elevada resistência à tração. Elevada dureza. 
• Módulo de elasticidade longitudinal de elevado a muito 
elevado. Disponível comercialmente em uma variedade de 
módulos de elasticidade; 
• Baixa densidade (< 2,0 g/cm3). 
• Elevada condutividade elétrica. 
• Elevada estabilidade dimensional, apresentam um baixo 
coeficiente de dilatação térmica. 
• Bom comportamento à elevadas temperaturas de serviço. 
• Inércia química, exceto em ambientes oxidantes. 
• Boas características de amortecimento estrutural. 
 
Fibras de carbono - Características 
Negativas 
 
• Resistência ao impacto relativamente baixa 
• Elevada condutividade térmica 
• Fratura frágil 
• Custo relativo elevado 
Fibras de carbono - Características 
Fibras de carbono 
As fibras de carbono são classificadas em três categorias, listadas 
a seguir (PARDINI,2006): 
 
1) Baseada nas propriedades mecânicas: 
 Fibras de ultra alto módulo (módulo > 500 GPa). 
 Fibras de alto módulo (módulo entre 300-500 GPa) tendo 
razão resistência/módulo de 5-7.10-3. 
 Fibras de módulo intermediário (módulo de até 300 GPa) 
tendo razão resistência/módulo acima de 10-2. 
 Fibras de baixo módulo (módulo de elasticidade menor que 
100 GPa) tendo baixo valor de resistência à tração. 
 
 
 Ultra-alta resistência: fibras com resistência à tração maior 
que 5,0 GPa e razão resistência-rigidez entre 2-3.10-2. 
 
 Alta resistência: fibras com resistência à tração maior que 2,5 
GPa e razão resistência-rigidez entre 1,5-2.10-2. 
 
 
Fibras de carbono 
2) Baseada no tipo de precursor : 
 
 Fibras de carbono a partir do precursor poliacrilonitrila (PAN). 
 Fibras de carbono a partir do precursor piche mesofásico e 
isotrópico . 
 Fibras de carbono a partir do precursor rayon . 
 Fibras de carbono crescidas a partir da fase gasosa – VGCF 
(“vapour grown carbon fiber”) . 
 
Fibras de carbono 
3) Baseada na TTT (Temperatura de Tratamento Térmico): 
 
 Tipo I: fibras de carbono com alta TTT, geralmente acima de 
2000 oC e pode ser associadas às fibras de alto módulo de 
elasticidade. 
 Tipo II, fibras de carbono com TTT intermediário, 
temperaturas ao redor de 1500 oC e, normalmente, apresenta 
alta resistência a tração. 
 Tipo III, fibras de carbono com baixa TTT, a temperatura não é 
maior do que 1000 oC. Essas normalmente apresentam baixo 
módulo e baixa resistência à tração. 
Fibras de carbono 
Fibras de carbono 
 
Processos de preparação: 
 
• Precursor PAN (Poliacrilonitrila) 
• Precursor piche mesofásico 
• Precursos Rayon 
 
“Todas as pesquisas direcionadas à obtenção de fibras de 
carbono estabelecem que as propriedades mecânicas são 
melhoradas pelo aumento da cristalinidade e orientação, e pela 
redução dos defeitos na fibra”. 
 
Bomba 
Solução 
polimérica 
Entrada de ar aquecido 
Fieira 
Vaso jaquetado com 
paredes aquecidas 
Saída de gás para 
recuperação de 
solvente 
Para bobinagem 
FIAÇÃO A 
SECO 
Fiação à seco 
Fibra de Poliacrilonitrila 
CH
CN
CH2 CH2
CN
CH CH
CN
CH2 CH2
O grau de cristalinidade da PAN fica em torno de 60%. 
Tal fibra ainda não pode ser utilizada em aplicações em 
compósitos estruturais 
Processos de produção de fibras de poliacrilonitrila. 
 
Solução 
polimérica 
Bomba Fieira 
Coagulante 
Banho de Coagulação 
Para recuperação 
de solvente 
FIAÇÃO A ÚMIDO 
Fibra de Poliacrilonitrila 
CH
CN
CH2 CH2
CN
CH CH
CN
CH2 CH2
 
POLIACRILONITRILA 
(PAN) 
ESTIRAMENTO 
90-190oC 
(Vapor água) 
ESTABILIZAÇÃO 
OXIDATIVA SOB 
ESTIRAMENTO 
180-300oC 
PRODUTOS 
VOLÁTEIS 
SECUNDÁRIOS 
 = 1,19 g/cm3 
PANox 
 = 1,35 g/cm3 
N2 
CARBONIZAÇÃO 
TRAT. TÉRMICO 
800oC-1700oC 
GRAFITIZAÇÃO 
1700oC-2800oC 
TRATAMENTO 
SUPERFICIAL 
FIBRA DE CARBONO 
TIPO II 
(ALTA RESISTÊNCIA) 
FIBRA DE CARBONO 
TIPO I 
(ALTO MÓDULO) 
Ar, N2 
200 - 300oC 500 - 1400oC 1700 - 2800oC 
 = 1,75 g/cm3 
Poliacrilonitrila Alinhamento ~ 82% e teor de C ~ 92-93% Teor de C 60% e teor de O 
8-12% 
Processos 
eletrolíticos 
Parâmetros: 
T das várias zonas no forno de oxidação, 
tempo de residência da fibra no forno e 
tensão de estiramento. 
Teor de C ~ 99.7% 
Grafite 
Formação das fibras de carbono a partir da poliacrilonitrila 
Fibras de carbono 
 (a) Estrutura cristalina de um cristal de grafite. (b) Estrutura do carbono turbostrático que está presente nas 
fibras de carbono. Essas duas estruturas não estão desenhadas na mesma escala. A distância entre os 
planos lamelares no carbono turbostrático é maior do que na grafite. 
Precursor PAN 
Estiramento 
Estabilização oxidativa sob 
estiramento 
180-300oC 
PANox 
Carbonização 
(Atmosfera inerte de N2) 
800-1700oC 
Grafitização 
(Atmosfera inerte N2, Ar) 
1700-2800oC 
Primeiro estágio 
Segundo estágio 
Terceiro estágio 
Representação esquemática da preparação das fibras de carbono 
obtidas a partir do precursor poliacrilonitrila (PAN). 
Fibras de carbono(resumo) 
Precursor Oxidação 
Carbonização Bobinagem final 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Composição em função do tratamento térmico para fibras de 
carbono. 
Fibras de carbono obtidas a partir do precursor PAN 
C (%) N (%) H (%) O (%) 
Poliacrilonitrila 68 26 6 - 
PANOx 65 22 5 8 
Fibra de carbono 
TTT 1000oC-1500oC 92 7 0,3 1 
Fibra de carbono 
TTT 1700-2500oC 100 - - - 
Fibras de carbono obtidas a partir do precursor PAN 
Efeito do tratamento térmico no módulo de elasticidade e resistência de 
fibras de carbono produzidas a partir do poliacrilonitrila. 
Fibras de carbono obtidas a partir do precursor piche 
 
 
 
As fibras de carbono podem ser obtidas 
tanto a partir de precursor piche 
isotrópico, quanto do precursor 
anisotrópico (mesofase). 
 
O piche não deve conter insolúveis, 
Durante o processo de fiação o material não pode polimerizar-se ou gerar voláteis, 
A mesofase deve desenvolver alinhamento preferencial durante a fiação, 
A fibra obtida no processo de fiação deve reter reatividade suficiente para ser submetida ao processo de estabilização. 
 
Processo de Produção de FC a partir de Piches 
P. Petróleo 
P. Hulha 
P. Refino P. Isotrópico P. Mesofásico P. Pré-mesofásico 
T.Térmico ~400oC 
T.Térmico c/THQ~400oC -Vac ~500oC 
FIAÇÃO 
Fibra de Piche 
Estabilização oxidativa 
250 – 400oC 
Fibra Oxidada 
Carbonização Grafitização 
Tratamento Superficial 
FC FG 
*THQ - tetrahidroquinona 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Curvas típicas de resistência à tração e módulo de Young em função da temperatura de 
tratamento térmico para fibras de carbono derivadas do piche. 
Fibras de carbono obtidas a partir do precursor piche 
Propriedades mecânicas das duas fibras de grafite típicas 
Poliacrilonitrila (PAN) 
-mercado = ~ 90% 
-Vantagens: 
-controle de reações físico-químicas 
 - produção contínua com uma faixa 
estreita de valores de resistência mecânica 
-Desvantagens: 
- custo 
- Carbono Fixo = ~50% 
Fibras de carbono 
 
Celulose (rayon) 
-mercado = menos de 1% 
-Vantagens: custo 
-Desvantagens: baixo rendimento de Cfixo (<30%) 
Piche 
-mercado = menos de 10% 
-Vantagens: custo (precursor mais barato que a PAN) 
 estrutura próxima da grafite 
 elevado rendimento em Cfixo (90%) 
-Desvantagens: controle da mesofase 
 variação das propriedades mecânicas 
Fibras de carbono 
Fibras poliméricas fortes e rígidas 
Duas formas de alcançar orientação molecular 
(a) sem alta extensão molecular 
(b) com alta extensão molecular. 
Para produzir fibras resistentes e rígidas, as cadeias poliméricas devem ser estiradas e 
orientadas ao longo do eixo da fibra, de forma que após estes processos existam fortes 
ligações interatômicas ao longo das cadeias. 
Duas diferentes formas de obter cadeias poliméricas 
com alta rigidez e resistência 
 
 
 
• Principais produtos/fabricantes 
 
•Kevlar (29, 49, 149) (DuPont); 
 
•Twaron (Teijin); 
 
•Spectra (Honeywell); 
 
•Zylon (Toyobo). 
 
 
Para fenileno 
diamina 
Cloreto 
tereftálico 
Aramida 
Fibras de aramida 
 
 
 
(a) Ligação em uma fibra de aramida. Forte ligação covalente na direção longitudinal e 
fracas interações do tipo ligação de hidrogênio na direção transversal. 
(b) Representação esquemática da estrutura supramolecular do Kevlar 49. 
Fibras de aramida 
Fusão por fiação a seco de uma fase líquido cristalina. 
Fusão ou fiação por gel e estiramento de polímeros com 
configuração aleatória. 
Esquema do método de fiação de fibras de aramida. 
Lacuna de ar: 
 
Fibras de aramida 
Resistência 
à tração 
Módulo de 
elasticidade (GPa) 
Deformação 
na ruptura (%) 
Densidade 
(g.cm-3) 
Aramida de 
baixo módulo 
2760 62 3,6 1,44 
Aramida de 
alto módulo 
2760 117 2,5 1,44 
Positivas 
 
• Módulo de elasticidade longitudinal elevado (comparado às demais 
fibras poliméricas). 
• Elevada tenacidade. 
• Elevada resistência à tração. Boa resistência a danos por impacto. 
• Baixa massa específica. 
• Elevada resistência à fadiga, à fluência e ao desgaste. 
• Boa estabilidade dimensional entre -70 e + 180oC. 
• Excelente comportamento sob temperaturas elevadas de serviço. 
• Boa resistência ao fogo. 
• Elevada resistência à abrasão. 
 
Fibras de aramida - Características 
Negativas 
• Degradação lenta sob a luz ultravioleta. 
• Sensibilidade à meios ácidos e básicos concentrados. 
• Elevada absorção de umidade. 
• Má adesão à resinas. 
• Baixas propriedades à compressão, cerca de 20% da 
resistência à tração. 
• Baixa resistência à compressão e ao cisalhamento e, difícil 
corte ou usinagem. 
 
 
Fibras de aramida - Características 
Fibras de aramida - Aplicações 
• Proteção balística (vestimentas, aeronaves, carros, etc...); 
• Pneus 
• Botas, luvas para utilização industrial 
• Indústria naval (cascos, etc...); 
• Peças de aeronaves; 
• Fibras ópticas e cabos eletromecânicos; 
• Gaxetas para altas temperaturas; 
• Adesivos e selantes; 
 
 
 
Resumo 
• A fibra de carbono é a que oferece melhores propriedades mecânicas, 
contudo o preço elevado e a necessidade de importação tornam sua 
utilização restrita a componentes e estruturas que justificam o 
investimento. 
• A fibra aramida possui propriedades atrativas e situadas entre as 
propriedades das fibras de vidro e de carbono. O preço, cerca da metade 
da fibra de carbono, favorece sua utilização em projetos estruturais e 
apresenta a menor densidade entre as três. 
• A fibra de vidro, apesar do preço ser cerca de dez vezes inferior ao da fibra 
de carbono e da oferta no mercado nacional, possui o módulo de 
elasticidade mais baixo e a maior densidade entre as matérias-primas de 
reforço. A resistência é elevada, o que garante à fibra de vidro uma boa 
relação custo-benefício. 
Fibras cerâmicas 
As fibras cerâmicas são utilizadas para aplicações em altas 
temperaturas (T ~1000oC). 
 
Estas fibras podem ser obtidas basicamente por 2 processos: 
(A) Deposição química de fase gasosa (CVD) 
(B) Fiação polimérica (rota polimérica) 
Fibras de SiC 
Alta resistência, 
Alto módulo, 
Boa estabilidade termomecânica, 
Baixa massa específica e 
Baixo coeficiente de expansão térmica. 
 
 
As fibras de carbeto de silício são produzidas tanto pelo processo 
CVD quanto utilizando precursores poliméricos. 
Fibras de SiC Processo CVD 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 CH3SiCl3 SiC + HCl Reagentes: 70% H2 + 30% silanos 
Filamento de carbono de 0,035 mm de diâmetro e fibras resultantes de 0,13 mm–0,15 mm. 
SiC produzido por CVD, com alto grau de acabamento superficial 
(http://www.cvdmaterials.com) 
Fibras de SiC Processo CVD 
Empregados como materiais óticos de alta refletância, tais como 
espelhos para lasers de alta energia, telescópios e satélites 
meteorológico. 
Fibras de SiC - Rota polimérica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Representação esquemática da conversão polimérica do SiC. 
• Elevado módulo de elasticidade longitudinal 
• Elevada resistência à tração 
• Elevada resistência à compressão 
• Preço muito alto (processamento caro) 
• Aplicações aeroespaciais para funcionamento a altas 
temperaturas. 
• Equipamentos desportivos. 
Fibras de boro - Características 
Silar® Whisker de SiC 
Whiskers são reforços na forma de fibras 
monocristalinas, que apresentam seção 
transversal de ~10 m e comprimento de 
~10.000 vezes maior que o diâmetro. 
 
Whisker é um cristal filamentar simples com 
uma razão comprimento/diâmetro elevada. 
Dimensões ~ 1 milímetros de comprimento 
para 1 micrômetro de diâmetro. 
 
Reforços de SiC na forma de whisker 
Os whiskers de SiC obtidos por esse processo tendem a apresentar diâmetros 
da ordem de 0,2- 5 m e comprimento de 50 m. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Diagrama esquemático da produção de whisker de SiC em processo 
vapor/sólido. 
Reforços de SiC na forma de whisker 
3C + SiO2 SiC + 2CODiagrama esquemático da produção de whisker de SiC em processo 
vapor/líquido/sólido. 
Reforços de SiC na forma de whisker 
Serial: β-SiC Whisker 
Made By EnoMaterial 
• The β-SiC micro-powder made by 
EnoMaterial is a high purity, narrow 
particle-size distribution, with small pores, 
active sintering, and regularity of crystal 
structure. The β-SiC whisker possesses a 
high length-to-diameter ratio, smooth 
surface, and fewer granules in the 
whiskers. 
• Even if these products are immersed in 
corrosive environments, serviced in 
extreme attrition mines, or exposed to 
more than 1400℃, their performance is 
superior to other commercialized ceramics 
or metal alloys, including ultra high 
temperature alloys. 
 
Reforços de SiC na forma de whisker 
Comparação 
Formas de apresentação das fibras 
Tecido de 
fibra de vidro 
Tecido de 
aramida Véu de fibra 
 de vidro 
Fio (roving) 
Fio (roving) 
Mantas de fibra 
 de vidro 
Fio (roving) 
Fibra de alumina 
Mantas e véus: 
 
 
 
 
• Os véus são materiais finos usados na fabricação de compósitos e atuam como 
camadas de proteção contra agentes químicos, por isso muitas vezes são 
conhecidos como véus de superfície. (gramaturas de 25 a 80 g/m2). 
 
• As mantas são obtidas pelo arranjo aleatório de fibras de vidro cortadas de forma 
uniforme com cerca de 5 cm de comprimento e agregadas em forma de placas por 
ligantes especiais. As mantas são fabricadas nas gramaturas de 300 g/m2, 450 g/m2 
e 600 g/m2. 
Formas de apresentação das fibras 
+ AGLOMERANTE 
Fibra de vidro picada 
(chopped fiber) 
= 
Manta de fibra de vidro 
(mat) 
Véu de fibra de vidro 
Tecidos: 
 
 
 
 
 
 
 
• O tecido padrão tela é fabricado alternando-se o fio de urdume sobre e sob o fio 
de trama, com essa sequencia sendo invertida na fileira seguinte. Tecidos de fibra 
de vidro padrão tela são fabricados com gramatura variando de 150 g/m2 a 1000 
g/m2 . 
Formas de apresentação das fibras 
 
Arranjo das fibras nas formas principais de tecido: (A) tecido tipo tela (plain weave) 
Tecido plain 
weave 1/1 
Variações do tecido plano: 
 
 
 
 
 
 
 
 
• No tecido tipo padrão cetim, há uma passagem de um fio de trama sob vários fios 
sucessivos de urdume e em seguida sobre um fio ou alguns fios desse. 
Formas de apresentação das fibras 
 
Arranjo das fibras nas formas principais de tecido: (B) tecido tipo cetim (satin weave). 
 
Plain weave 
Twill weave 
Satin weave 
Variações do tecido plano: 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Os tecidos basket utilizam o padrão de tela plano, formado por dois ou mais cabos do 
urdume por fileira e/ou dois ou mais cabos na trama por fileira. Construções que tenham tela 
plana, mas que utilizam duplo cabo em uma fileira e um simples cabo na fileira perpendicular 
são designados oxford. 
Formas de apresentação das fibras 
Diagrama do tecido do tipo basket 2x2 (A), e basket do tipo oxford (B) 
 
Tecidos híbridos, fitas e pré-impregnados 
Twill Carbon Fiber Hybrid Fabric 
with Red Aramid Fiber. 
Plain Carbon Fiber Hybrid Fabric 
with Lemon Yellow Aramid Fiber. 
Carbon fiber prepreg 
Carbon fiber fabric tape 
 
Especificação de Tecidos 
Tipo de 
Fibra 
Gramatura 
(g/cm2) 
Título do 
fio (tex) 
N° fios/cm 
(urdume e 
trama) 
Tipo de 
Tela 
Carbono 
Vidro 
Aramida 
SiC 
Híbridos 
50 - 1000 1000 
3000 
6000 
etc 
2 - 50 Plain 
(plano) 
8HS 
4 HS 
etc 
Vídeos: 
http://www.youtube.com/watch?v=4t1pBvTDNXE 
http://www.youtube.com/watch?v=c3SZiRYJzH8 
http://www.youtube.com/watch?v=IeST0vfDuhw 
http://www.youtube.com/watch?v=lzAYVNan4Dg