Aula 5 CTM 2017 2 POLÍMEROS, MATERIAIS COMPÓSITOS E NANOESTRUTURADOS

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POLÍMEROS E MATERIAIS 
COMPÓSITOS E 
NANOESTRUTURADOS 
Aula 5 - 18/10/2017 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO – UFMA 
CURSO DE BACHARELADO INTERDISCIPLINAR EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA 
 MATÉRIA: CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
PROFESSOR: LUIS VENANCIO 
PROGRAMA DA DISCIPLINA 
1. Introdução a Ciência e Tecnologia dos 
Materiais. 
2. Estrutura dos materiais: arranjos 
atômicos e iônicos. 
3. Fundamentos de cristalografia. 
4. Imperfeições em sólidos cristalinos. 
5. Diagrama de fases 
6. Polímeros, materiais compósitos e 
nano estruturados. 
7. Propriedades dos materiais. 
8. Seleção de materiais. 
 
DATA DESCRIÇÃO 
06-Sep Introdução a Ciência e Tecnologia dos Materiais 
13-Sep Estrutura dos Materiais: Arranjos atômicos e Iônicos 
15-Sep Estrutura dos Materiais: Arranjos atômicos e Iônicos 
20-Sep Fundamentos de Cristalografia 
22-Sep Exercícios 
27-Sep Exercícios 
29-Sep Avaliação 1 
04-Oct Cancelada 
06-Oct Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
11-Oct Diagramas de Fases 
13-Oct Ponto facultativo 
18-Oct Polímeros, Materiais Compósitos e Nanoestruturados 
25-Oct Exercícios 
27-Oct Exercícios 
01-Nov Avaliação 2 
03-Nov Propriedades dos Materiais 
08-Nov Fratura, Fadiga e Fluência 
10-Nov Cerâmicas 
17-Nov Seleção de Materiais 
22-Nov Seleção de Materiais 
24-Nov Seleção de Materiais 
29-Nov Seleção de Materiais 
01-Dec Avaliação 3 
06-Dec Revisão 
13-Dec Reposição 
15-Dec Revisão 
20-Dec Final 
22-Dec Revisão 
CONSIDERAÇÕES INICIAIS 
• Parte das atribuições do engenheiro é a otimização do custo de 
produção de um determinado produto. 
• Nesta otimização, diversos materiais e processos competem entre si e 
o volume de produção desejado desempenha um papel fundamental 
nas escolhas. 
• Com o custo da energia cada vez mais alto, o uso parcimonioso deste 
recurso, deixou de ser apenas uma preocupação ambiental para se 
tornar um fator crucial nas decisões estratégicas 
INTRODUÇÃO 
• Celuloide criada em 1868 por Hyatt e a baquelite em 1909 por 
Baekeland foram os primeiros. 
• Hoje existem mais de 30 famílias distintas de plásticos. 
• A densidade ≈ 1,4 e a resistência varia de 7 a 550 Mpa. 
• Custo baixo por moldagem ou conformação. 
• Alguns combinam transparência com alta resistência. 
• A maioria é baseada em resinas sintéticas com C como elemento 
central. 
 
FABRICAÇÃO DOS PLÁSTICOS – PRODUÇÃO 
DAS RESINAS 
Compostos 
insaturados 
Pressão, 
temperatura e 
catalizadores 
Molécula 
longa 
Polimerização 
TIPOS DE POLIMERIZAÇÃO 
•Polimerização pode ser aditiva 
•Polimerização condensada 
•Co-polimerização 
PROPRIEDADES 
• Termoplásticos são caracterizados pelas longas moléculas 
entrelaçadas. 
• Dentro das moléculas, ligações químicas. 
• Entre moléculas, ligações secundárias que são soltas pelo calor. 
• Termofixos ou termoestáveis possuem longas moléculas com ligações 
químicas. 
• Mais fortes, mais duros, melhor resistência ao calor e menor custo. 
• A resina plástica é misturada a outros componentes para fazer 
volume ou acrescentar características. 
• MOLDAGEM POR COMPRESSÃO 
• MOLDAGEM POR TRANSFERÊNCIA 
• MOLDAGEM POR INJEÇÃO 
• FUNDIÇÃO 
• EXTRUSÃO 
• LAMINAÇÃO 
• CONFORMAÇÃO DE CHAPAS 
• USINAGEM 
 
 
FABRICAÇÃO DOS PLÁSTICOS – DAR FORMA E 
NOS TERMOFIXOS, POLIMERIZAR 
MOLDAGEM POR COMPRESSÃO 
• Em geral, utilizam-se prensas de 14 a 55 Mpa. 
• Utilizada para a maioria das peças termofixas e algumas 
termoplásticas de grande porte. 
• Em geral é preparado um tablete comprimido a frio, aquecido e 
colocado no molde afim de acelerar o processo. 
MOLDAGEM POR TRANSFERÊNCIA 
• O material aquecido é forçado através de um canal de descida, 
distribuição e orifício de entrada. 
• Permite obter seções finas e encaixes. 
MOLDAGEM POR INJEÇÃO 
• Meio mais utilizado para termoplásticos. 
• Utiliza pressões de 34 a 340 Mpa. 
• Suporta alta produção automatizada. 
FUNDIÇÃO 
• Método de baixa produtividade. 
• Usado em ornamentos, joias, matrizes, êmbolos e gabaritos. 
• Termofixos são estufados para completar a polimerização. 
EXTRUSÃO 
• Processo de baixo custo e alta produtividade. 
• Utilizado frequentemente de forma contínua com termoplásticos para 
a produção de tubos, conexões, filmes e chapas. 
• Termofixos também são extrudados lentamente para permitir a 
polimerização. 
 
LAMINAÇÃO 
• Laminados de alta pressão em formas, produzem materiais de 
acabamento tipo fórmica. 
• Moldagem de plásticos reforçados com fibras ou mantas. 
CONFORMAÇÃO DE CHAPAS 
• Chapas finas são conformadas por termo- compressão, utilizando 
prensas, a vácuo em matrizes ou por sopro contra matrizes. 
USINAGEM 
• São maus condutores de calor, termoplásticos amolecem. 
• Alguns contem cargas abrasivas. 
• São usada ferramentas com ângulo de corte obtuso. 
 
EVOLUÇÃO 
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal 
COMPÓSITOS OU MATERIAIS COMPÓSITOS 
•Dois ou mais materiais (ou fases). 
•Propriedades buscadas: rigidez, resistência mecânica, 
peso, desempenho em altas temperaturas, resistência 
a corrosão, dureza ou condutividade. 
FUNÇÃO DOS COMPONENTES - REFORÇO 
 
•Dureza 
•Resistência a tração 
• Tenacidade 
•Rigidez 
•Carga 
 
•Manutenção das fibras na orientação apropriada 
•Proteção contra abrasão e efeitos ambientais 
• Transferência e distribuição das tensões 
 
FUNÇÃO DOS COMPONENTES - MATRIZ 
MATERIAIS COMPÓSITOS 
Conhecendo vários tipos de materiais compósitos e a dependência de suas 
características em relação à: 
1. Quantidades relativas 
2. Geometria e distribuição 
3. Propriedades das fases constituintes 
4. Adesão interfacial 
 
É possível projetar materiais possuindo combinações de propriedades 
melhores do que as encontradas em ligas metálicas, cerâmicas e polímeros 
isoladamente. 
Matriz 
Cerâmica Polimérica 
Termofixa Termoplástica 
Carbono e 
Grafite 
Metálica 
FIBRAS UTILIZADAS COMO REFORÇO 
• Vidro-E 
• Vidro-S 
• Carbono (Grafita) 
• Para-aramida (Kevlar®) 
• Vantagens: baixo custo e alta resistência a tração. 
• Desvantagens: baixo módulo de elasticidade e baixa 
resistência à fadiga. 
 
FIBRAS DE CARBONO 
VANTAGENS: 
• Baixa massa específica 
• Alto módulo de elasticidade (200 a 700GPa) 
• Maior resistência à umidade e a muito ácidos e solventes 
 
DESVANTAGENS: 
• Alto custo 
APLICAÇÕES: 
• Indústria de equipamentos esportivos automobilística e aeroespacial. 
 
FIBRA DE POLI (ARAMIDA) 
VANTAGENS: 
• Baixa massa específica 
• Alta tenacidade 
• Ductibilidade 
• Alta resistência mecânica 
DESVANTAGENS: 
• Baixa resistência a compressão 
APLICAÇÕES: 
• Cordas, proteção balística, carcaça de mísseis, substituição do amianto em 
freios. 
EXEMPLOS DE MATERIAIS COMPÓSITOS 
• Concreto armado: compósito de agregado grosso (brita) e agregado 
fino (areia) em cimento com reforço em aço. 
• Madeira: fibras de celulose fortes e flexíveis em uma matriz rígida de 
lignina. 
• Fibras de vidro com resina 
• Fibras de carbono em 
• Compósitos estruturais 
• Osso: mineral cerâmico de hidroxiapatita forte e quebradiço imerso 
em polímero – colágeno – tipo de proteína. 
MATERIAIS COMPÓSITOS NA INDÚSTRIA 
AEROESPACIAL 
Os materiais compósitos possuem vantagens e desvantagens para emprego na 
aviação. Destacamos, em especial, a grande vantagem de redução de peso que 
podem proporcionar, que pode chegar a diminuir em mais de 25% o peso estruturalde uma aeronave. Acrescentaríamos a isso o fato de os materiais compósitos não 
serem sujeitos à corrosão (um cuidado especial deve ser tomado na interface entre 
a fibra de carbono e os metais, pois tende a ocorrer aí um tipo de oxidação 
chamado de oxidação galvânica. Por isso, frequentemente, se usa sempre uma 
camada leve de fibra de vidro em toda interface entre carbono e metal). 
Além disso, os materiais compostos são significativamente mais resistentes à fadiga 
que os metais. Também sua conformação é muito maior e simples, o que permite a 
construção de formas aerodinamicamente mais eficientes e complexas. 
• Entretanto, a resistência a altas temperaturas das matrizes típicas é 
precária, e num caso extremo de incêndio em voo, a aeronave, ou 
seus componentes em materiais compósitos, literalmente derreteria. 
• Outra dificuldade reside nas juntas, conexões e encaixes, onde o uso 
de parafusos ou arrebites é precário. Medidas especiais para 
solucionar o problema implicam em um aumento no peso do 
componente. A fixação de uma asa que seja estruturalmente feita em 
materiais compósitos pode ser muito complexa. 
 
MATERIAIS COMPÓSITOS NA INDÚSTRIA 
AEROESPACIAL 
MATERIAIS COMPÓSITOS 
• Reparos e a manutenção de componentes podem ser muito mais difíceis, complexos e caros. A 
menos que uma estrutura seja toda construída em partes (o que implicaria em inúmeras 
conexões e juntas, e consequentemente, um aumento no peso final), na maioria das vezes a única 
forma de se reparar um dano em uma componente é através da substituição de todo o 
componente. 
• Se uma asa é feita inteira em peça única e sofre um dano em seu bordo de ataque por causa de 
uma colisão com um pássaro, por exemplo, é até possível fazer um reparo local, mas as técnicas 
envolvidas em tal reparo serão significativamente complexas. Impactos em geral tendem a 
provocar delaminações internas que só podem ser detectadas com métodos sofisticados de 
ultrassom. 
• Os materiais compósitos vieram para ficar. Seu emprego em grande escala na grande indústria 
ainda está amadurecendo. O avanço tecnológico promete materiais cada dia mais sofisticados. 
Materiais inteligentes onde sensores embutidos entre as fibras são usados para detectar e 
restaurar rachaduras estão em desenvolvimento. 
• Por outro lado, a extensão e a viabilidade da aplicação em cada projeto deve ser definida através 
de um estudo comparativo entre as diversas soluções. Aquelas que oferecerem os melhores 
compromissos entre desempenho, segurança e custo serão as melhores opções. 
 
Baker, Alan; Composite Materials for Aircraft Structures. Second Edition. Reston, Virginia, 2004; Callister, William D. Cencia e Engenharia de Materiais. Seventh Edition. John Wiley & Sons Inc. New York, USA, 2007. 
• Video TV Cultura https://www.youtube.com/watch?v=myr_nMOFOiw 
• Material Programa de Nanotecnologia Programa de Nanotecologia 
2012.pdf 
• Apresentação Fontinha – Portugal Materiais 
Nanoestruturados_FONTINHA.pdf