2012 1_Aula 08 P&B_Ciência dos Materiais

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03/04/2012 
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Universidade de Brasília - UnB | Ciência dos Materiais | Prof. Claudio Henrique Pereira 
 
ENG AMBIENTAL – UnB 
Faculdade de Tecnologia 
Departamento de Engenharia Civil e Ambiental 
Aula 08 
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Tipos de Materiais: Compostos 
Introdução: Compósitos 
• Muitas das nossas tecnologias modernas exigem 
materiais com combinações não usuais de 
propriedades que não podem ser atendidas pelas 
ligas metálicas, pelos materiais cerâmicos e pelos 
materiais poliméricos convencionais 
– Aplicações aeroespaciais, subaquáticas e de 
transportes. 
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As combinações e faixas das propriedades dos 
materiais foram e ainda estão sendo ampliadas 
através do desenvolvimento de materiais compósitos. 
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Introdução: Compósitos 
• Compósito 
– Qualquer material multifásico que exibe uma proporção 
significativa das propriedades de ambas as fases que o 
constituem, de modo tal que é obtida uma melhor 
combinação de propriedades 
• Princípio da ação combinada. 
 
• Ex.de compósitos: ligas metálicas, cerâmicas e polímeros multifásicos 
 
 
• Materias compósitos compostos por: 
– Matriz e Fase dispersa. 
 
• Propriedade dos compósitos 
– Propriedades das fases constituintes; 
– Suas quantidades relativas; 
– Geometria da fase dispersa. 
 
Representações esquemáticas da geometria 
das fases dispersas 
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Esquema de classificação para os 
materiais compósitos 
Compósitos reforçados com 
Partículas 
• Duas classificações: 
– Compósitos com partículas grandes; 
• Interações partículas-matriz não podem ser tratadas em 
nível atômico ou molecular. 
• Comportamento mecânico depende de uma ligação 
forte na interface matriz-partícula. 
– Compósitos reforçados por dispersão 
• Diâmetros entre 0,01 e 0,1 μm; 
• Aumento da resistência ocorre no nível atômico ou 
molecular; 
• Limites de escoamento, resistência à tração e dureza são 
melhorados. 
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Compósitos com Partículas Grandes 
• Exemplos: 
– Enchimentos; 
– Concreto. 
 
• Partículas: 
– Grande variedade de geometrias; 
– Aproximadamente as mesmas dimensões em todas 
as direções. 
– Distribuidas de forma homogênea ao longo de toda 
a matriz. 
Compósitos com Partículas Grandes 
• Compósitos cerâmica – metal 
– Cermetos- Carbeto cimentado 
• Partículas extremamente duras de 
uma cerâmica refratária à base de 
carbeto, que se encontra envolvido 
por uma matriz de metal (Cobalto e 
níquel); 
– Amplamente utilizados como 
ferramentas de corte para aços 
endurecidos ou encruados; 
– Nenhum material isolado poderia 
proporcionar a combinação de 
propriedades que possui o 
carbeto. 
Fotomicrografia de um carbeto cimentado 
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Compósitos com Partículas Grandes 
• Elastômeros e plásticos 
são reforçados com 
frequência com vários 
materiais particulados. 
• Borrachas modernas 
– Negro de fumo 
• Consiste em partículas de 
carbono muito pequenas e 
essencialmente esféricas ; 
• Quando adicionados à 
borracha vulcanizada, 
melhora: 
– Limite de resistência à 
tração; 
 Tenacidade; Resistência à 
ruptura; e Abrasão. 
Micrografia de partículas de negro-de-fumo usadas 
em um pneu de borracha sintética 
Compósitos com Partículas Grandes 
• Concreto 
– Compósito comum feito com partículas grandes, 
onde as fases matriz e dispersa são compostas por 
fases cerâmicas; 
– Material compósito que consiste em um agregado 
de partículas onde estas estão ligadas umas às 
outras em um corpo sólido através de algum tipo 
de ligação, isto é um cimento; 
• Cimentos: 
– Portland; 
– Asfáltico. 
• Agregado 
– Brita; 
– Areia. 
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Compósitos com Partículas Grandes 
• Concreto de cimento Portland 
– Ingredientes 
• Cimento Portland; 
• Agregado miúdo (areia); 
• Agregado graúdo (brita); 
• Água. 
– Importante material de construção 
• Pode ser derramado no local; 
• Endurece à temperatura ambiente, até mesmo quando 
submerso em água; 
– Limitações e desvantagens 
• Resistência à tração é 10 a 15 vezes menor que a 
resistência à compressão; 
• Grandes expansões térmicas devido a flutuações de 
temperatura. 
Compósitos com Partículas Grandes 
• Concreto Armado 
 
– A resistência do concreto com cimento Portland pode ser 
aumentada através de um reforço adicional; 
 
• Obtido geralmente com o emprego de vergalhões, 
arames, barras e malhas de aço que são inseridos no 
interior do concreto fresco; 
• Reforço torna a estrutura endurecida capaz de suportar 
maiores tensões de tração, de compressão e de 
cisalhamento. 
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Compósitos Reforçados por 
Dispersão 
• Os metais e as ligas metálicas podem ter sua resistência 
aumentada e podem ser endurecidos mediante a 
dispersão uniforme de uma certa porcentagem 
volumétrica de partículas finas de um material inerte e 
muito duro; 
– Fase dispersa pode ser metálica ou não-metálica. 
 
• Mecanismo de aumento da resistência envolve interações 
entre partículas e as discordâncias no interior da matriz. 
 
• Exemplo 
– Níquel com óxido de tório disperso; 
– Sistema alumínio-óxido de alumínio. 
Compósitos reforçados com fibras 
• Tecnologicamente, os compósitos mais 
importantes são aqueles em que a fase 
dispersa se encontra na forma de fibra; 
– Objetivo: Resistência e/ou rigidez elevadas em 
relação ao peso do material. 
 
• Compósitos reforçados com fibras classificados 
de acordo com o comprimento das fibras. 
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Compósitos reforçados com fibras 
• Influência do comprimento das fibras 
– Um certo comprimento de fibra crítico é necessário 
para que exista um aumento efetivo na resistência e 
na rigidez de um material compósito 
 
• lc = (ơf*d)/2Ƭc 
– Ơf = limite de resistência à tração 
– d = diâmetro 
– Ƭc = força de ligação entre fibra e matriz 
 
– Fibras para as quais l > 15 lc, são chamadas de fibras 
contínuas; 
– As fibras descontínuas ou curtas possuem 
comprimentos menores que este. 
Compósitos reforçados com fibras 
• Influência da orientação e da concentração da fibra 
– Arranjo ou orientação das fibras umas em relação as outras, 
a concentração de fibras e sua distribuição exercem 
influência significativa sobre a resistência e sobre outras 
propriedades dos compósitos reforçados com fibras; 
– Em relação a orientação das fibras: 
• Alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras em 
uma única direção; 
• Alinhamento totalmente aleatório. 
– Fibras contínuas encontram-se alinhadas; 
– Fibras descontínuas 
• Alinhadas; 
• Orientadas aleatoriamente; 
• Parcialmente orientadas. 
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Compósitos reforçados com fibras 
• Compósitos com fibras contínuas e alinhadas 
– Propriedades de um compósito que tem suas fibras 
alinhadas é altamente anisotrópico; 
• Primeiramente analisar comportamento tensão-deformação 
quando a tensão está aplicada na direção do alinhamento 
– Direção longitudinal. 
• Fibra frágil e matriz dúctil. 
Compósitos reforçados com fibras 
• Compósitos com fibras descontinuas e alinhadas 
– Cada vez mais importantes no mercado comercial; 
– Eficiência do reforço é menor do que para fibras 
contínuas; 
– Exemplos: 
• Fibra de vidro; 
• Fibra de carbono; 
• Fibra de aramidas. 
– Podem ser produzidos com módulos de elasticidade e 
limites de resistência à tração que se aproximam de 
90% e 50%, respectivamente, dos seus análogos com 
fibras contínuas. 
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Propriedades de Policarbonatos 
não reforçados e reforçados 
Eficiência de reforço de compósitos 
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Compósitos reforçados com fibras 
• A Fase Fibra 
– Característica dos materiais frágeis 
• Fibra com menor diâmetro é muitomais forte e 
resistente do que o material bruto. 
– Fibras são agrupadas em relação ao seu diâmetro e 
à sua natureza: 
• Uísqueres; 
– Monocristais muito finos com razões comprimento-diâmetro 
extremamente grandes; 
– Grafita, carbeto de sílício, nitreto de silício, óxido de alumínio 
• Fibras, 
– Materiais policristalinos ou amorfos com pequenos diâmetros; 
– Polímeros ou cerâmicas. 
• Arames 
– Diâmetros relativamente grandes. 
Compósitos reforçados com fibras 
• Fase Matriz 
– Pode ser feita a partir de metais, polímeros ou 
cerâmicas 
– Funções: 
• Ligar as fibras umas às outras e atua como meio através 
do qual uma tensão aplicada externamente é 
transmitida e distribuída para as fibras; 
• Proteger as fibras individuais contra danos na sua 
superfície em decorrência de um processo de abrasão 
mecânica ou de reações químicas; 
• Matriz separa as fibras uma das outras e, em virtude da 
sua relativa moleza e plasticidade, previne a propagação 
de trincas frágeis de uma fibra para outra. 
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Compósitos reforçados com fibras 
• Compósitos com matriz de Polímero 
– Consistem em uma resina polimérica como fase 
matriz e fibras como meio de reforço; 
– Usados na mais ampla diversidade de aplicações 
dos compósitos, assim como nas maiores 
quantidades, em função das suas propriedades à 
temperatura ambiente, da sua facilidade de 
aplicação e do seu custo; 
– Principais tipos de reforços: 
• Fibra de vidro; 
• Fibra de carbono; 
• Fibra de aramida. 
Compósitos reforçados com fibras 
• Compósitos com Matriz Metálica 
– Matriz metal dúctil; 
– Vantagens em relação aos compósitos com matriz 
poliméricas 
• Operação em temperaturas elevadas; 
• Não inflamabilidade; 
• Maior resistência contra a degradação por fluídos 
orgânicos. 
– Utilização: 
• Produtos automobilisticos 
– Componentes de motores. 
– Eixos propulsores de motores 
• Indústria aeroespacial 
– Compósitos avançados com matriz metálica em liga de 
alumínio; 
– Fibras de Boro – reforço Onibus espacial. 
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Compósitos reforçados com fibras 
• Compósitos com matriz cerâmica; 
 
– Consistem em particulados, fibras ou uísqueres de 
um material cerâmico que se encontram 
encerrados no interior de uma matriz de um outro 
material cerâmico; 
 
– Melhoria nas propriedades de fratura resulta das 
interações entre as trincas que estão avançando e 
as partículas da fase dispersa; 
 
– Em geral, o aumento do teor de fibras melhora a 
resistência e tenacidade à fratura. 
Compósitos Estruturais 
• Composto normalmente tanto por materiais 
homogêneos quanto por materiais compósitos, 
cujas propriedades dependem não somente 
das propriedades dos materiais constituíntes, 
mas também do projeto geométrico dos vários 
elementos estruturais; 
– Compósitos laminares; 
– Paíneis em sanduíche. 
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Compósito Estruturais 
• Compósitos laminares 
– Composto por folhas ou paineis bidimensionais 
que possuem uma direção preferencial de alta 
resistência 
• Madeiras e plásticos reforçados com fibras contínuas e 
alinhadas; 
– Camadas são empilhadas e subsequentemente 
cimentadas uma sobre a outra, de tal modo que a 
orientação da direção de alta resistência varia de 
acordo com cada camada sucessiva; 
– Exemplo: 
• Folhas de madeira adjacentes na madeira compensada; 
Empilhamento de camadas sucessivas reforçadas 
com fibras orientadas para formar um compósito 
laminar 
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Compósitos Estruturais 
• Painéis em sanduíche 
– Consistem em duas lâminas externas mais resistentes, 
ou faces, que se encontram separadas por meio de 
uma camada de material menos denso, ou recheio, 
que por sua vez possui menor rigidez e menor 
resistência. 
– Materiais usados para as bases: 
• Ligas de alumínio, Plásticos reforçados com fibras; Titânio, 
aço, madeira compensada; 
– Funções recheio: 
• Separa as faces e resiste a deformações perpendiculares ao 
plano da face; 
• Proporciona um certo grau de rigidez contra o cisalhamento 
ao longo dos planos que estão perpendiculares às faces 
– Exemplos de materiais: Polímeros em espuma, borrachas sintéticas, 
cimento inorgânicos, madeira de balsa. 
Diagrama esquemático mostrando a 
construção de um paínel em sanduíche