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1 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 1 Materiais Compósitos Poliméricos M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 2 2 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F COMPÓSITOS Compósitos ou Materiais compósitos : dois ou mais materiais (ou fases). Propriedades : rigidez, resistência mecânica, peso, desempenho em altas temperaturas, resistência a corrosão, dureza ou condutividade. 3 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Exemplos de materiais compósitos: 1)Madeira: fibras de celulose fortes e flexíveis em uma matriz rígida de lignina. 2)Osso: mineral cerâmico de hidroxiapatita forte e quebradiço imerso em polímero – colágeno – tipo de proteína. 4 3 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Exemplos de materiais compósitos: A Hidroxiapatita é formada por fosfato de cálcio cristalino (Ca10(PO4)6(OH)2) e representam um deposito de 99% do cálcio corporal e 80% do fósforo total 3)Concreto: compósito agregado : agregado grosso (brita) e agregado fino (areia) em aluminossilicato de cálcio (cimento Portland) 5 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Compósitos Reforço + Matriz 6 4 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F possíveis combinações dos compósitos com vários tipos de matrizes. 7 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Função dos componentes Reforço •dureza •resistência a tração •tenacidade •rigidez 8 5 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Função dos componentes Matriz •manutenção das fibras na orientação apropriada •proteção contra abrasão e efeitos ambientais •transferência e distribuição das tensões 9 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fatores que influenciam os compósitos •Propriedades e fração volumétrica •Distribuição e dispersão da fase dispersa •Tamanho, formato e porosidade da carga •Adesão interfacial 10 6 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 11 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 12 Compósitos de matriz polimérica 7 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 13 Compósitos de matriz polimérica M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 14 8 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fibras utilizadas como reforço •Vidro-E •Vidro-S •Carbono (Grafita) •Para-aramida (Kevlar®) 15 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fibras de vidro Vantagens: •baixo custo •alta resistência a tração Desvantagens: •baixo módulo de elasticidade •baixa resistência à fadiga 16 9 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fibra de vidro Composição aplicação 17 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fibra de vidro Agente de ligação: Y-(CH2)-Si-(X)3 Y=afinidade orgânica, X= afinidade inorgânica Aplicações: automóveis, barcos, caixas d’água, recipientes de armazenamento. 18 10 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 19 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 20 11 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 21 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fibras de Carbono Vantagens: •baixa massa específica •alto módulo de elasticidade (200 a 700GPa) •maior resistência à umidade e a muito ácidos e solventes 22 12 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fibras de Carbono Filamento longo – diâmetro = 0,005 – 0,010 mm Cristais de grafita + carbono amorfo alinhados paralelamente ao eixo da fibra. 23 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fibras de Carbono Obtenção: -Pirólise de fibras de poliacrilonitrila (resistência específica maior e módulo específico menor), celulose (rayon), piches, etc. -Remoção de oxigênio, nitrogênio e hidrogênio 24 13 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 25 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 26 14 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fibra de Poli (aramida) Vantagens: •Baixa massa específica •Alta tenacidade •Ductibilidade •Alta resistência mecânica 27 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Fibra de Poli (aramida) Desvantagens: •Baixa resistência a compressão Aplicações: cordas,coletes a prova de bala, carcaça de mísseis, substituição do amianto em freios. 28 15 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 29 Aplicações Kevlar:Cordas,coletes a prova de bala, carcaça de mísseis, substituição do amianto em freios, embreagem gaxetas - Kevlar e nomex M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Materiais compósitos híbridos Compósito híbrido carbono/kevlar 30 16 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 31 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 32 17 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 33 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 34 18 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 35 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F Curva de tensão-deformação E = modulo de elasticidade = σ/ γ σe = ponto de escoamento, σr = tensão de ruptura, γr = deformação de ruptura. 36 19 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 37 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 38 20 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 39 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 40 21 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 41 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 42 22 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 43 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 44 23 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 45 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 46 Matrizes Termofixas Nestas resinas a polimerização se desenvolve em uma estrutura tridimensional,pois ocorre uma ligação covalente onde não é mais possível ocorrer um escorregamento entre as moléculas. Para estes tipos de polímeros a plasticidade não aumenta com a temperatura. São resinas que apresentam propriedades isotrópicas e quando curadas não se consegue mais fundi-las nem dissolvêlas. Portanto, elas perdem suas propriedades elásticas quando aquecidas na temperatura de distorção, desta forma tornando limitado o uso para componentes estruturais; porém, têm melhor estabilidade dimensional, resistência ao calor, resistência química e elétrica do que as resinas termoplásticas. 24 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 47 Epóxi De uma forma geral este tipo de resina é fornecida na forma líquida, apresentam propriedades superiores as demais e são geralmente utilizadas em materiais de alto desempenho dentro da classe dos plásticos reforçados. A resina epóxi é utilizada em vários setores na indústria, como eletroeletrônica, de embalagem, construção civil e transporte. As aplicações específicas incluem os adesivos, equipamentos para indústria química, compósitos estruturais, etc. A resina epóxi tem características como: - Baixa retração, devido a ausência de materiais voláteis - Bom comportamento a temperaturas elevadas (150 0C) - Boa resistência a agentes químicos M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 48 Poliéster Insaturado A resina poliéster é fornecida na forma de um líquido viscoso e se transforma em um sólido rígido e infusível (termorígido) por meio de uma reação química exotérmica de polimerização ou cura. A cura dessa resina pode acontecer mediante aquecimento, utilizando radiações eletromagnéticas, ou pela adição de catalisadores e aceleradores de reação Para a cura em temperatura ambiente, o catalisador mais utilizado é o peróxido de metil-etil-cetona (MEKP), utilizando juntamente com os aceleradores naftenato de cobalto (CoNap), ou dimetilanilina (DMA), na proporção de 0 a 0,3% em massa 25 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 49 Poliéster Insaturado Possui uma alta facilidade de impregnação nas fibras de vidro, permitindo desta forma a obtenção de um material com boas características mecânicas em relação aos materiais convencionais. A configuração e composição química do poliéster endurecido determinam algumas características como: - Flexibilidade - Dureza - Resistência mecânica - Resistência química - Resistência térmica M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 50 A quantidade de acelerador e o catalisador controla a velocidade de reação e portanto, o tempo de gel e a temperatura máxima atingida durante a reação. Na prática, sistemas de cura à temperatura ambiente não atingem cura total, sendo necessário efetuar um pós-cura, a uma determinada temperatura e um determinado tempo para completar a reação. A seguir será apresentado um gráfico que retrata o tempo de gel e as proporções de catalisadores e aceleradores, utilizando diferentes aceleradores. 26 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 51 Figura 3 – Tempo de Gel para a Formulação da Resina Éster Vinílica DER 411- Dow Química. (a) Em Função da Porcentagem de Dimetilanilina e Catalisador (MEKP), (b) Em Função do Naftenato de Cobalto e Catalisador (MEKP). M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 52 Resina poliéster: Resina Ortoftálica O mais comum dos poliésteres, usado para aplicações gerais que não exigem alta inércia química. Resina Isoftálica Apresenta bom desempenho em ambientes moderadamente agressivos. Resina Bisfenólica Apresenta o máximo de resistência química possível dentro dos poliésteres. É amplamente usada em equipamentos para ambientes agressivos. Resina Tereftálica Apresenta elevada resistência química, sendo usada na fabricação de equipamentos que exijam uma alta inércia química. 27 M AT ER IA IS . Pr o f.H EI N Z SC H AA F 53 Resina poliéster: Fenólica Este tipo de resina é resultante da reação de um fenol e um aldeído. Esta reação faz com que o polímero se torne um produto duro, insolúvel e infusível a temperatura alta. São utilizadas para obtenção de compósitos estruturais, com reforços de fibras de vidro e carbono. A seguir serão apresentadas as principais características de um material a base de resina fenólica: - Boa resistência a altas temperaturas - Alta resistência a chama - Excelentes características elétricas - Resistente ao choque e abrasão - Boa resistência a ataques químicos, principalmente a solventes orgânicos - Boa estabilidade dimensional.
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