Materiais compositos

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Materiais compósitos
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Tecnologias modernas exigem materiais com combinações incomuns de propriedades que não podem ser atendidas pelas ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos convencionais.
Exemplo: Materiais com baixa densidade
mas fortes e rígidos, 
resistentes à abrasão e ao impacto 
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No projeto de materiais compósitos, os cientistas e engenheiros combinam de maneira engenhosa vários metais, cerâmicas e polímeros para produzir uma nova geração de materiais com características extraordinárias.
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As molas desenvolvidas pela Sogefi Group
QUA, 14 MARÇO 2012
As molas desenvolvidas pela Sogefi Group são produzidas em resina epoxi reforçada com fibras de vidro. 
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 Além da redução de peso de 4 a 6 kg por cada veículo, tornando os modelos mais eficientes do ponto de vista dinâmico e energético (menos 0,5 g/km de CO2), as novas molas helicoidais em material compósito apresentam ainda as seguintes vantagens:     - Elevada duração, devido à maior resistência mecânica e à oxidação;     - Aumento do conforto, segurança e estabilidade de condução em superfícies irregulares, com frequências Eigen mais elevadas;     - Menores custos de produção, pois a polimerização do material compósito ocorre a 170º C, contra os 450º C ou 1.000º C necessários para fabricar molas de aço;     - Redução muito considerável de emissões de CO2 durante o processo de produção;       - As novas molas não requerem nenhum tratamento superficial, não produzem desperdícios.
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Materiais aeronáuticos leves e baratos Sergio Müller Frascino, do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), apresentou o projeto “Estruturas aeronáuticas de Materiais Compósitos”.
“O projeto tem o objetivo de desenvolver soluções para estruturas feitas com materiais compósitos para aplicação aeronáutica. Estimamos que esses materiais podem proporcionar uma redução de 10% a 15% do peso e de 10% do custo da aeronave, em comparação com os materiais convencionais”, disse Frascino.
10 de novembro de 2011
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787 
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Cada 787 contêm aproximadamente 35 toneladas de plástico reforçado com fibra de carbono, onde a fibra de carbono representa 23 toneladas. Os compósitos de fibra de carbono têm uma maior resistência com relação ao peso dos materiais tradicionais de aeronaves, e ajudam a tornar o 787 uma aeronave mais leve e resistente. Os Compósitos são usados na fuselagem, nas portas asas, cauda, e no interior da aeronave. 
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Carroceria: monocoque de fibra de carbono com painéis de materiais compósitos
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 Veleiro não tripulado na primeira travessia do Atlântico
 Um veleiro não tripulado, desenvolvido pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), participou na primeira tentativa de travessia do Oceano Atlântico em barcos à vela não tripulados. ... A embarcação, denominada FAST (FEUP Autonomous Sailboat), foi construída em materiais compósitos, tendo os docentes e alunos do Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da FEUP.
16 Jun 2008
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Compósitos naturais
A madeira é um compósito natural: 
Fibra de celulose: flexíveis e resistentes 
Lignina: resina mais rígida que mantém as fibras unidas 
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Os ossos são um compósito natural constituído pela proteína forte, porém mole, conhecida por colágeno, juntamente com o duro e frágil mineral apatita
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Características gerais de um compósito
Um compósito industrial consiste em um material artificialmente multifásico onde as fases devem ser quimicamente diferentes, separadas por uma interface
FASE MATRIZ
FASE DISPERSA:
 
Epoxi-fibra de Carbono, diametro de fibra 7 μm.
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Tipos de compósitos
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Uma fibra com menor diâmetro é muito mais forte e resistente do que o material bruto.
razões comprimento-diâmetro 
extremamente grandes
Diâmetros das fibras variam normalmente 
entre 3 e 20 um
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A fase matriz. 
Liga as fibras umas às outras 
Atua como o meio através do qual uma tensão aplicada externamente é transmitida e distribuída para as fibras.
O material da matriz deve ser dúctil
A matriz deve proteger as fibras individuais contra danos superficiais, como resultado da abrasão mecânica ou de reações químicas com o ambiente
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A matriz separa as fibras umas 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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Propriedades de um compósito dependem:
Propriedades das fases constituintes
Das quantidades relativas das fases constituintes
Da geometria da fase dispersa
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INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO DA DA FIBRA
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As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não dependem somente das propriedades da fibra, mas também do grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela fase matriz.
não existe qualquer transmitância
de carga a partir da matriz em cada extremidade da fibra.
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Um certo comprimento crítico de fibra é necessário para que exista um efetivo aumento da resistência e um enrijecimento do material compósito
comprimento crítico, lc, 
diâmetro da fibra, d, 
limite de resistência à tração σf
força da ligação entre a fibra e a matriz (ou da tensão limite de escoamento cisalhante da matriz, o que for menor) 
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Para que se desenvolva uma melhoria significativa na resistência do compósito, as fibras devem ser contínuas.
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Tensão deformação
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INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO DA
DA FIBRA
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Comportamento Elástico — Carregamento Longitudinal
razão entre a carga suportada pelas fibras e a carga suportada pela matriz é de
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Comportamento Elástico — Carregamento Transversal
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Resistência ao impacto
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Compósitos reforçados com partículas
Características gerais:
Em geral a fase particulada é mais dura e mais rígida que a matriz.
A matriz transfere parte da tensão aplicada às partículas que suportam uma fração da carga 
Diâmetro das partículas de 0,01 μm até 0,1μm para dispersões com partículas pequenas.
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Compósitos com partículas
O Concreto:
Cimento-matriz
Areia e brita- particulados
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Cermetos (metais + cerâmicas): 
WC + Co (micrografia ao lado) ou Ni
TiC + Co ou Ni
Dureza(cerâmico) + tenacidade(metal) 
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Compósitos com partículas
Elastômeros e plásticos:
 São reforçados com partículas de NEGRO DE FUMO.
NEGRO DE FUMO: Queima do gás natural ou óleo gera partículas de carbono que melhora a resistência, tenacidade e dureza dos polímeros 
Ex: Pneus 
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Compósitos reforçados com fibras
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Resistências à tração na direção longitudinal e transversal às fibras
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Compósitos de matriz metálica
Resiste à temperaturas mais altas que com matriz polimérica.
MATRIZ:
Superligas: (a base de Niquel, Cobalto, Molibdênio.
Ligas de alumínio
Ligas de magnésio
Ligas de titânio
Ligas de cobre 	
FIBRAS: (entre 10 e 60% em volume)
DE CARBONO
DE CARBETO DE SILÍCIO SiC.
DE ALUMINA (PARTICULADOS EM GERAL)
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Comparação entre as propriedades de vários compósitos metal- reforço de fibra
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Compósitos carbono - carbono
Um dos materiais mais avançados e promissores em engenharia é o compósito de MATRIZ DE CARBONO com reforço de FIBRA DE CARBONO.
Grande resistência mecânica e a fluência alta tenacidade baixa expansão térmica e ótima condutividade térmica. 
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O exemplo mais famoso são os compósitos de carbono/carbono. Neste caso, a matriz é um cerâmico a base de carbono reforçado com fibras de carbono. O custo de tais componentes é elevadíssimo, no entanto em algumas aplicações aeroespaciais não se pode não usá-los. Praticamente todos os discos de freio das mais modernas e pesadas aeronaves são feitos com tais compósitos,
assim como a barreira de proteção térmica dos veículos de reentrada atmosférica, e estudos estão em andamento para se poder usá-los como material de construção de paletas de turbina..
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Nozzle para foguetes feito com CMC sendo testado. Imagem: Astrium Eads (http://cs.astrium.eads.net).
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‘
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Processamento dos compósitos reforçados com fibras 
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Autoclave
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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).
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Moldagem por transferência 
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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 epoxi.
Fibras usuais: De vidro , carbono, aramida 
Pultrusão
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Processamento dos compósitos reforçados com fibras
Prepreg: 
	
Fibras contínuas pré-impregnadas com resina polimérica parcialmente curadas em espessuras de 0,08mm 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.
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 
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Compósitos estruturais
Compósitos laminares: Folhas ou painéis bidimensionais são cimentados umas as outras invertendo a direção do alinhamento das fibras de cada placa
Ex: Esqui moderno
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Compósitos estruturais
Painéis em forma de sanduíches: Duas folhas externas mais resistentes separadas por uma camada de metal menos denso.
Folhas externas: madeira compensada, alumínio e ligas, plásticos + fibras, titânio aço.
Recheio interno: Polímeros com espuma, borrachas sintéticas, colmeias.
Ex: Asas e fuselagem de aeronaves, telhados, pisos, paredes. 
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Consiste em duas faces relativamente finas e rígidas separadas por um material de preenchimento relativamente espesso e muito leve. Esse tipo de estrutura funciona como uma viga em I, que pode suportar grandes esforços com o mínimo de deformação por flexão. As faces do painel sanduíche atuam como flanges enquanto o material de preenchimento atua como a alma da viga. 
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