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GOVERNO DO ESTADO DO PARÁ UNIVERSIDADE DO ESTADO DO PARÁ CENTRO DE CIENCIAS NATURAIS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL DISCIPLINA: PROPRIEDADE DOS MATERIAIS Fonte: CVT-MG Altamira-PA 2012 Capítulo 5 – Polímero Maio/2012 Prof. Glauber Epifanio Loureiro, M. Sc. Eng Página 1 de 9 5.1 INTRODUÇÃO Um material composto é formado pela união de dois materiais de naturezas diferentes, resultando em um material de performance superior àquela de seus componentes tomados separadamente. O material resultante é um arranjo de fibras, contínuas ou não, de um material resistente (reforço) que são impregnados em uma matriz de resistência mecânica inferior as fibras. 5.2 COMPONENTES CONSTITUINTES DE UM MATERIAL COMPOSTO 5.2.1 Fibras A(s) fibra(s) é o elemento constituinte que confere ao material composto suas características mecânicas: rigidez, resistência à ruptura, etc. As fibras podem ser curtas de alguns centímetros que são injetadas no momento da moldagem da peça, ou longas e que são cortadas após a fabricação da peça. Os tipos mais comuns de fibras são: de vidro, de aramida (kevlar), carbono, boro, etc. As fibras podem ser definidas como sendo unidirecionais, quando orientadas segundo uma mesma direção; bidimensionais, com as fibras orientadas segundo duas direções ortogonais (tecidos), Figura 1 e Figura 2, ou com as fibras orientadas aleatoriamente (esteiras), Figura 3; e tridimensionais, quando as fibras são orientadas no espaço tridimensional (tecidos multidimensionais). 5.2.2 Matrizes As matrizes têm como função principal, transferir as solicitações mecânicas as fibras e protegê-las do ambiente externo. As matrizes podem ser resinosas (poliéster, epóxi, etc), minerais (carbono) e metálicas (ligas de alumínio). Figura 1 – Tecido padrão 1 Capítulo 5 – Polímero Maio/2012 Prof. Glauber Epifanio Loureiro, M. Sc. Eng Página 2 de 9 Figura 2 – Tecido - padrão 2 Figura 3 – Esteira (fibras contínuas ou cortadas) A escolha entre um tipo de fibra e uma matriz depende fundamentalmente da aplicação ao qual será dado o material composto: características mecânicas elevadas, resistência à alta temperatura, resistência a corrosão, etc. O custo em muitos casos pode também ser um fator de escolha entre um ou outro componente. Deve ser observada também a compatibilidade entre as fibras e as matrizes. 5.3 INTERESSE DOS MATERIAIS COMPOSTOS O interesse dos materiais compostos está ligado a dois fatores: econômico e performance. O fator econômico vem do fato do material composto ser muito mais leve que os materiais metálicos, o que implica numa economia de combustível e consequentemente, num aumento de carga útil (aeronáutica e aeroespacial). A redução na massa total do produto pode chegar a 30 % ou mais, em função da aplicação dada ao material composto. O custo de fabricação de algumas peças em material composto pode ser também sensivelmente menor se comparado com os materiais metálicos. O fator performance está ligado a procura por um melhor desempenho de componentes estruturais, sobretudo no que diz respeito às características mecânicas (resistência a ruptura, resistência à ambientes agressivos, etc.). O caráter anisotrópico dos Capítulo 5 – Polímero Maio/2012 Prof. Glauber Epifanio Loureiro, M. Sc. Eng Página 3 de 9 materiais compostos é o fator primordial para a obtenção das propriedades mecânicas requeridas pelo componente. A leveza juntamente com as excelentes características mecânicas faz com que os materiais compostos sejam cada vez mais utilizados dentro de atividades esportivas. 5.4 APLICAÇÕES DOS MATERIAIS COMPOSTOS A aplicação dos materiais compostos surgiu inicialmente na área aeronáutica devido a necessidade de diminuição de peso, preservando a robustez dos componentes estruturais. Atualmente uma grande variedade de peças em materiais compostos podem ser encontradas nos aviões em substituição aos materiais metálicos: fuselagem, spoilers, portas de trem de aterrissagem, portas internas, etc., Figura 4. Em muitos destes componentes, sua concepção foge da definição dada inicialmente para materiais compostos, pois nestes casos os componentes são fabricados normalmente em placas de baixa densidade, contra-placadas por placas finas de alta resistência. Esta configuração normalmente é dita sanduíche. De uma forma mais ampla, estas configurações são também consideradas “materiais compostos”, pois combinam diferentes materiais. Figura 4 – Componentes em material composto em aviões-caça Dentro da área aeronáutica, os helicópteros possuem também vários componentes em material composto: pás da hélice principal, hélice traseira, árvore de transmissão, fuselagem, etc, Figura 5. Capítulo 5 – Polímero Maio/2012 Prof. Glauber Epifanio Loureiro, M. Sc. Eng Página 4 de 9 Figura 5 – Componentes em material composto em helicópteros A utilização dos materiais compostos dentro da indústria automobilística é bem mais recente do que na área aeronáutica. Inicialmente, eram produzidos somente pára- choques e tetos de automóveis. Atualmente, o material composto é utilizado para a fabricação de capôs, carters de óleo, colunas de direção, árvores de transmissão, molas laminadas, painéis, etc., Figura 6. Uma das grandes vantagens trazidas para o meio automobilístico pelos materiais compostos é, além da redução do peso, a facilidade em confeccionar peças com superfícies complexas. Figura 6 – Componentes em material composto em automóveis Uma atividade esportiva notória que emprega material composto é a Fórmula 1, que pode ser considerada como um laboratório para as inovações tecnológicas. Em muitos casos, o que se emprega dentro dos carros de Fórmula 1, será utilizado futuramente nos carros de passeio. Neste caso, o aumento da relação potência/peso é fundamental para um bom desempenho do carro nas pistas. A configuração mais frequentemente utilizada nestes carros é do tipo sanduíche que é utilizada para a confecção da carroceria. Em praticamente todas as atividades esportivas (Figuras 7 e 8), a redução do peso está diretamente ligada a redução do tempo de execução de uma prova esportiva. Como Capítulo 5 – Polímero Maio/2012 Prof. Glauber Epifanio Loureiro, M. Sc. Eng Página 5 de 9 exemplo disto, podemos citar: barcos a vela, skis, bicicletas, etc. Em alguns casos, o que se procura é a agilidade, e a perfeição de alguns golpes, como no tênis, com suas raquetes; no golfe, com seus tacos; e no surf, com suas pranchas. Figura 7 – Barcos a vela Figura 8 – Ski Figuras 7 e 8 – Compósitos presentes também nos materiais esportivos Uma aplicação bem recente dos materiais compostos na área aeroespacial são os painéis solares de satélites, confeccionados em uma configuração sanduíche, Figura 9, e os motores de último estágio dos lançadores de satélites, confeccionados a partir do bobinamento das fibras sobre um mandril, Figura 10. Figura 9 – Painéis solares de satélite Capítulo 5 – Polímero Maio/2012 Prof. Glauber Epifanio Loureiro, M. Sc. Eng Página 6 de 9 Figura 10 – Propulsor de último estágio de lançador de satélite 5.5 PROPRIEDADES M e ta is M a s s a v o lu m é tric a M ó d u lo d e e la s tic id a d e M ó d u lo d e c is a lh a m e n to C o e fic ie n te d e p o is s o n T e n s ã o d e ru p tu ra à tra ç ã o (M P a ) A lo n g a m e n to à ru p tu ra (% ) C o e fic ie n te d e d ila ta ç ã o té rm ic a T e m p e ra tu ra lim ite d e u tiliz a ç ã o E G α Tmax aços 7800 205000 79000 0,3 400 a 1600 1,8 a 10 1,3.10-5 800 ligas de alumínio2800 75000 29000 0,3 450 10 2,2.10-5 350 ligas de titânio 4400 105000 40300 0,3 1200 14 0,8.10-5 700 Cobre 8800 125000 48000 0,3 200 a 500 1,7.10-5 650 Capítulo 5 – Polímero Maio/2012 Prof. Glauber Epifanio Loureiro, M. Sc. Eng Página 7 de 9 F ib ra s M a s s a v o lu m é tric a M ó d u lo d e e la s tic id a d e M ó d u lo d e c is a lh a m e n to C o e fic ie n te d e p o is s o n T e n s ã o d e ru p tu ra à tra ç ã o (M P a ) A lo n g a m e n to à ru p tu ra (% ) C o e fic ie n te d e d ila ta ç ã o té rm ic a (º C - 1 ) T e m p e ra tu ra lim ite d e u tiliz a ç ã o E G α Tmax Vidro “R” 2500 86000 0,2 3200 4 0,3.10 -5 700 Vidro “E” 2600 74000 30000 0,25 2500 3,5 0,5.10 -5 700 Kevlar 49 1450 130000 12000 0,4 2900 2,3 -0,2.10 -5 Grafite “HR” 1750 230000 50000 0,3 3200 1,3 0,02.10 -5 >1500 Grafite “HM” 1800 390000 20000 0,35 2500 0,6 0,08.10 -5 >1500 Boro 2600 400000 3400 0,8 0,4.10 -5 500 M a triz e s M a s s a v o lu m é tric a M ó d u lo d e M ó d u lo d e c is a lh a m e n to (M P a ) C o e fic ie n te d e p o is s o n T e n s ã o d e ru p tu ra à tra ç ã o (M P a ) A lo n g a m e n to à ru p tu ra (% ) T e m p e ra tu ra lim ite E G α Tmax Termorresistentes Epóxi 1200 4500 1600 0,4 130 2 a 6 11.10 -5 90 a 200 Fenólica 1300 3000 1100 0,4 70 2,5 1.10 -5 120 a 200 Poliéster 1200 4000 1400 0,4 80 2,5 8.10 -5 60 a 200 Poli carbonato 1200 2400 60 6.10 -5 120 Termoplásticos Poli propileno 900 1200 30 20 a 400 9.10 -5 70 a 140 Poliamida 1100 4000 70 200 8.10 -5 170 Capítulo 5 – Polímero Maio/2012 Prof. Glauber Epifanio Loureiro, M. Sc. Eng Página 8 de 9 EXERCÍCIO 1) Explique o que é um compósito. 2) Quais fatores influenciam nas propriedades mecânicas dos compósitos ? 3) Qual o interesse da engenharia na fabricação de compósitos ? 4) Dê exemplos de compósitos com matriz cerâmica, metálica e polimérica
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