3 Materiais Compósitos

Prévia do material em texto

MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Muitas das tecnologias atuais exigem materiais com combinações não comuns de
propriedades que não podem ser atendidas de maneira isolada por materiais
convencionais, como ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos. Por
exemplo, associar num mesmo material baixa densidade com alta resistência
mecânica e resistência à corrosão. As combinações e faixas de propriedades dos
materiais foram sendo ampliadas através do desenvolvimento de materiais
compósitos.
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
De uma maneira geral, pode-se considerar um material compósito como sendo
qualquer material multifásico que exiba uma porção significativa de propriedades
das fases dos seus constituintes, de tal modo que se obtenha uma melhor
combinação entre propriedades.
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Superfície fraturada de uma liga prata-cobre reforçada com fibras de carbono.
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Alguns exemplos:
 Ligas metálicas → propriedades intermediárias entre soluto e solvente.
 Perlita→ camadas alternadas de ferrita (fase macia e dúctil) com cementita
(dura e frágil).
 Madeira → fibras de celulose (resistentes e flexíveis) envolvidas em lignina
(rígida).
 Ossos → colágeno (proteína macia) envolvido em apatita (mineral duro e frágil).
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Os compósitos apresentam propriedades 
superiores às dos seus componentes!
 Matriz → fase contínua;
 Reforço → fase dispersa envolvida pela matriz.
Propriedades dos materiais compósitos são função: 
 Propriedades da matriz e do reforço;
 Quantidades da matriz e do reforço;
 Geometria do reforço e interface reforço-matriz. 
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Esquema de classificação de materiais compósitos.
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Arquitetura do reforço de materiais compósitos.
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Tipos de compósitos
Arquitetura do reforço de material compósito 
(matriz metálica com reforço cerâmico).
MATERIAIS CERÂMICOSMATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Compósitos particulados
Amostra de núcleo de pavimento asfáltico (compósito reforçado por partículas).
Camada de ligação (a), composta por 5% de asfalto, 30% de areia e 65% de
pedras. Camada de nivelamento (b), composta de maneira idêntica a anterior,
com a diminuição do tamanho das pedras. Camada de desgaste (c), composta
por 10% de asfalto, 55% de areia e 45% de pedras.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Tecnologicamente, os compósitos mais importantes são aqueles em que a fase
dispersa se encontra em forma de fibras, conhecido como compósito reforçado
por fibras.
Representação de um compósito reforçado com fibras (a) contínuas e alinhadas,
(b) descontínuas e alinhadas e (c) descontínuas e aleatoriamente orientadas.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Os compósitos reforçados por fibras são caracterizados por elevada resistência
específica (limite de resistência / densidade) e módulo específico (módulo de
elasticidade / densidade). Exemplos são matriz epoxi reforçada por fibra de vidro e
matriz de poliéster reforçada por fibra de carbono.
Um reforço de alta resistência mecânica são fibras monocristalinas, de pequenas
dimensões e praticamente isentas de defeitos, conhecidas como whiskers. O uso
de fibras com menores volumes reduz a probabilidade da existência de trincas.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Por sua própria natureza, um
material compósito é altamente
anisotrópico e como
conseqüência, a organização,
fração volumétrica e distribuição
das fibras, bem como a
orientação do carregamento
possuem significativa influência
nas propriedades do compósito,
principalmente na resistência
mecânica. A melhor combinação
de propriedades é obtida
quando a distribuição de fibras é
uniforme.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Comportamentos tensão-deformação de fibra e matriz (a) e do material compósito (b).
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Galeno
Oval
A figura anterior exibe esquematicamente comportamentos tensão-
deformação sob carregamento longitudinal uniaxial de uma fibra frágil, uma
matriz dúctil e da combinação de ambos em um material compósito. Quando
isolados, a fibra possui maior resistência mecânica e rigidez do que a matriz,
que por sua vez, apresenta maior ductilidade. No estágio I, ambos se deformam
elasticamente. Já no estágio II, a matriz escoa e se deforma plasticamente a
partir de εlm (b), enquanto que as fibras continuam sob deformação elástica.
Esta diferença de resistência entre matriz e fibra faz com que o compósito
apresente um comportamento geralmente linear, porém com uma curva de
inclinação reduzida em comparação com o estágio I.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
O compósito começa a falhar, isto é, perde sua capacidade de suportar o
carregamento, com o início da fratura das fibras, o que corresponde a uma
deformação aproximadamente equivalente a εf*da fibra. Entretanto, a falha do
compósito não é catastrófica por que nem todas as fibras falham
simultaneamente. Além disto, as fibras fraturadas, menores do que aquelas
originais, ainda estão dispersas no interior da matriz, que continua íntegra, uma
vez que εm*>εf*.Desta forma, as fibras mesmo fraturadas, ainda são capazes de
suportar uma carga reduzida, enquanto que a matriz continua seu processo de
deformação plástica.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
O comportamento elástico de um material compósito reforçado por fibras
contínuas e alinhadas (figura a seguir) é função da orientação do carregamento
com o alinhamento das fibras. No caso da direção de carregamento ser
coincidente com o alinhamento das fibras (carregamento longitudinal),
conforme apresentado na figura a seguir, admite-se que a deformação do
compósito (εc) é a mesma da matriz (εm) e das fibras (εf), caracterizando um
estado de deformação conhecido como isostrain, isto é, mesma deformação.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Carregamento longitudinal de compósito reforçado por fibras contínuas e alinhadas.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
No caso da direção de carregamento ser transversal ao alinhamento das fibras,
conforme apresentado na figura abaixo, admite-se que a tensão do compósito (σc)
é a mesma da matriz (σm) e das fibras (σf), caracterizando um estado de tensão
conhecido como isostress, isto é, mesma tensão.
Carregamento transversal de compósito
reforçado por fibras contínuas e
alinhadas.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Desta maneira, a carga total suportada pelo compósito é diferente das cargas
atuantes na matriz e fibras, enquanto que a deformação no compósito é
proporcional as deformações e frações volumétricas da matriz e das fibras.
=
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
como:
daí:
então: 
onde Ect representa o módulo de elasticidade transversal do compósito.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Dependência da ligação interfacial – Resistência do compósito
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Compósitos de matriz cerâmica
Dependênciada ligação interfacial – Resistência do compósito
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Empilhamento em um compósito estrutural do tipo laminar de camadas
sucessivas reforçadas com fibras orientadas.
Compósitos Estruturais
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Um compósito laminado
possui uma resistência
relativamente alta em
várias direções no plano
bidimensional. Porém, a
resistência em qualquer
direção é menor do que ela
seria se todas as fibras
estivessem orientadas
naquela direção.
Esquema de montagem de um compósito estrutural do tipo painel em sanduíche. 
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Compósitos Estruturais
São projetados para serem vigas
ou painéis de baixo peso com
rigidez e resistência relativamente
elevadas. As lâminas externas são
feitas de um material rígido e
resistente enquanto que o material
do núcleo é leve e possui baixo
módulo de elasticidade.
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Processamento de Compósitos
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
Processamento de Compósitos
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
MATERIAIS COMPOSTOS - COMPÓSITOS
FIM