A Fase FibraFaseMatriz

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A FASE FIBRA E A FASE 
MATRIZ
Curso de Engenharia de Materiais
Tecnologia dos Materiais Conjugados
A FASE FIBRA
| Uma característica importante da maioria dos 
materiais, especialmente daqueles que são frágeis, 
é que uma fibra com menor diâmetro é muito mais 
forte e resistente que o material bruto.
| A probabilidade de haver presente um defeito 
crítico de superfície que seja capaz de levar a uma 
fratura diminui.
| Essa característica é usada com vantagem nos 
compósitos reforçados com fibras.
CLASSIFICAÇÃO DAS FIBRAS
| Uísqueres – consistem em monocristais muito finos 
que possuem razões comprimento –diâmetro 
extremamente grandes.
y Possuem elevado grau de perfeição cristalina.
y Virtualmente isentos de defeitos (o que é responsável 
pelas suas resistências excepcionalmente elevadas).
y São extremamente caros e difíceis de incorporá-los em 
uma matriz.
y Exemplos: grafita, carbeto de silício,
nitreto de silício e o óxido de alumínio.
| Fibras – são materiais policristalinos ou amorfos, e 
possuem diâmetro pequenos.
| Os materiais fibrosos são geralmente polímeros ou 
cerâmicas.
| Exemplos – aramidas poliméricas, o vidro, o 
carbono, o boro, o óxido de alumínio e o carbeto de 
silício.
| Arames Finos – possuem diâmetro relativamente 
grandes.
| São utilizados como reforço radial de aço nos 
pneus de automóveis, nas carcaças de motores a 
jato enroladas com filamentos e em mangueiras de 
alta pressão enroladas em arame.
| Exemplos – aço, molibdênio e o tungstênio.
RELAÇÃO ALINHAMENTO DAS FIBRAS COM 
DIREÇÃO DO CARREGAMENTO
A FASE MATRIZ
| A fase matriz de compósitos com fibras pode ser 
feita a partir de metais, polímeros ou cerâmicas.
| Em geral os metais e polímeros são usados como 
materiais da matriz, pois é desejável alguma 
ductilidade.
| No caso dos compósitos com matriz cerâmica, o 
componente de reforço é adicionado para melhorar 
a tenacidade à fratura.
FUNÇÃO DA FASE MATRIZ
| Ligar as fibras umas às outras atuando como meio 
através do qual uma tensão aplicada externamente 
é transmitida e distribuída para as fibras.
| Proteger as fibras individuais contra danos 
superficiais, como resultado da abrasão mecânica 
ou de reações químicas com o ambiente.
| Separar as fibras uma das outras e prevenir a 
propagação de trincas frágeis.
COMPÓSITOS COM MATRIZ DE 
POLÍMEROS
| Consistem em uma resina polimérica como a fase 
matriz e fibras como meio de reforço.
| As fibras de reforço devem ser metálicas ou 
cerâmicas para que um polímero não reaja com 
outro.
| São usados em ampla diversidade de aplicações 
dos compósitos, bem como nas maiores 
quantidades.
y Por causa das suas propriedades à temperatura 
ambiente;
y Facilidade de fabricação;
y Custo.
COMPÓSITOS REFORÇADOS COM 
FIBRA DE VIDRO
| Compósito que consiste em fibras de vidro, 
contínuas ou descontínuas, contidas no interior de 
uma matriz polimérica. Produzido em grandes 
quantidades.
POR QUE O VIDRO É POPULAR COMO 
MATERIAL DE REFORÇO
| É facilmente estirado na forma de fibras de alta 
resistência a partir do seu estado fundido.
| É um material amplamente disponível.
| Como uma fibra, ele é relativamente forte, e 
quando se encontra dentro de uma matriz de 
plástico produz um compósito que possui 
resistência específica muito alta.
| Quando associado com diferentes plásticos, possui 
uma inércia química relevante.
LIMITAÇÕES
| Não são muito rígidos e não exibem a rigidez 
necessária para algumas aplicações.
| A maioria dos materiais em fibra de vidro está
limitada para aplicações com temperaturas de 
serviço abaixo de 200 ₀C. 
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
| Carcaças de meios de transporte automotivos e 
marítimos;
| Tubulações de plástico, recipientes para 
armazenamento e pisos industriais, etc
COMPÓSITOS POLIMÉRICOS 
REFORÇADOS COM FIBRAS DE 
CARBONO
| O carbono é um material de fibra de alto 
desempenho e o reforço mais comumente utilizado 
em compósitos avançados com matriz polimérica.
PROPRIEDADES
| As fibras de carbono possuem os maiores módulos 
específicos e as resistências específicas dentre 
todos os materiais fibrosos de reforço.
| Elas retêm seus elevados módulos de tração e 
suas grandes resistências mesmo em temperaturas 
elevadas; 
| À temperatura ambiente, as fibras de carbono não 
são afetadas pela umidade ou por uma ampla 
variedade de solventes.
| Exibem múltiplas características físicas e 
mecânicas, permitindo que os compósitos que 
incorporam estas fibras possuam propriedades 
especificamente engenheiradas.
| Foram desenvolvidos processos de fabricação para 
as fibras e os compósitos que são relativamente 
baratos e de boa relação custo – benefício.
FIBRA DE CARBONO
| O uso do termo “fibra de carbono” pode parecer 
surpreendente, uma vez que o carbono é um 
elemento e a sua forma estável é a grafita.
| As fibras de carbono não são totalmente cristalinas, 
mas são compostas por regiões grafíticas e regiões 
não-cristalinas
FABRICAÇÃO
| As técnicas de fabricação para produção de fibras 
de carbono são relativamente complexas. Provém 
da pirólise de materiais carbonáceos (ricos em 
carbono).
| Três materiais precursores são utilizados:
y Raiom
y Poliacrilonitrila
y Piche
| A técnica de processamento varia de acordo com o 
precursor, da mesma forma como irão variar as 
características das fibras resultantes.
| As fibras de carbono são classificadas de acordo 
com o módulo de tração:
y Módulo padrão
y Módulo intermediário
y Módulo alto
y Módulo ultra-alto.
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
| Equipamentos esportivos e de recreação:
y Varas de pescar
y Tacos de golfe...
| Carcaças de motores a jato enroladas em 
filamentos.
| Componentes estruturais de aeronaves
| Vasos de pressão
COMPÓSITOS POLIMÉRICOS 
REFORÇADOS COM FIBRAS ARAMIDAS
| São materiais de alta resistência e com alto módulo 
de elasticidade.
| São especialmente desejáveis devido as suas 
excepcionais relações resistência – peso.
| Quimicamente este grupo é conhecido como poli-
parafenileno-tereftalamida.
y Kevlar
y Nomex
| Existem várias classes 
desses materiais 
comerciais que 
apresentam diferentes 
comportamentos 
mecânicos.
| Durante a síntese, as 
moléculas rígidas são 
alinhadas na direção do 
eixo das fibras.
| Mecanicamente, essas fibras possuem módulos de 
tração e limites de resistência à tração longitudinal 
que são maiores do que outros materiais fibrosos 
poliméricos, entretanto, eles são relativamente 
fracos quando submetidos à compressão.
| É conhecido pela sua tenacidade, resistência ao 
impacto, resistência à fluência e a falha por fadiga.
| Embora as aramidas sejam termoplásticas, elas 
são todavia, resistentes à combustão e estáveis até
temperaturas relativamente elevadas.
| São quimicamente susceptíveis à degradação por 
ácidos e bases fortes, mas são relativamente 
inertes frente a outros solventes e produtos 
químicos.
EXEMPLO DE APLICAÇÃO
| Produtos balísticos (coletes à prova de balas),
| Artigos esportivos
| Pneus,
| Cordas,
| Carcaças de mísseis,
| Vasos de pressão
| Freios automotivos, etc
OUTROS MATERIAIS PARA REFORÇO 
COM FIBRAS
| O vidro, o carbono e as aramidas são os reforços 
com fibras mais comuns incorporados em matrizes 
poliméricas. 
| No entanto, outros materiais fibrosos usados em 
menor intensidade são:
y Boro,
y Carbeto de silício
y Óxido de alumínio
LIMITAÇÃO DOS MATERIAIS DE 
MATRIZES POLIMÉRICAS
| Normalmente a matriz determina a máxima 
temperatura de serviço, uma vez que ela 
normalmente amolece, se funde ou se degrada a 
uma temperatura muito mais baixa do que a fibra 
de reforço.
COMPÓSITOS COM MATRIZ METÁLICA
| A matrizé um metal dúctil.
| Podem ser utilizados a temperaturas de serviços 
mais elevadas do que seus metais-base análogos.
| O reforço pode melhorar sua rigidez específica, a 
resistência específica, a resistência à abrasão, à
resistência a fluência, a condutividade térmica e a 
estabilidade dimensional.
VANTAGENS EM RELAÇÃO AOS 
COMPÓSITOS COM MATRIZ DE 
POLÍMERO
| Maiores temperaturas operacionais;
| Não – inflamabilidade;
| Maior resistência contra degradação por fluidos 
orgânicos.
MATRIZES METÁLICAS
| Superligas
| Ligas de alumínio
| Magnésio
| Titânio
| Cobre
O REFORÇO PODE SER:
| Na forma de particulados.
| Fibras – tanto contínuas como descontínuas e de 
uísqueres.
| Os materiais de fibras contínuas incluem o 
carbono, o carbeto de silício, o boro, a alumina e os 
metais refratários.
| Os reforços descontínuos consistem principalmente 
em uísqueres, carbeto de silício e alumina.
PROPRIEDADES DOS COMPÓSITOS 
COM MATRIZ METÁLICA
LIMITAÇÕES
| Algumas combinações de reforço de matriz são 
altamente reativas a temperaturas elevadas. 
Conseqüentemente a degradação do compósito 
pode ser causada pelo processamento a altas 
temperaturas ou ao se sujeitar a condições de 
serviço a temperaturas elevadas.
| Esse problema é resolvido comumente ou pela 
aplicação de um revestimento superficial de 
proteção ao reforço ou pela modificação da 
composição da matriz
COMPÓSITOS COM MATRIZ CERÂMICA
| Os materiais cerâmicos são inerentemente 
resilientes à oxidação e a deterioração a 
temperaturas elevadas.
| Não fosse pela predisposição desses materiais à
fratura frágil, alguns seriam candidatos ideais par 
uso em aplicações a altas temperaturas e sob 
severas condições de tensão.
TENACIDADE À FRATURA
| A tenacidade à fratura das cerâmicas tem sido 
melhorada significativamente pelo desenvolvimento 
de uma nova geração de compósitos com matriz 
cerâmica (CMC – ceramic – matriz composites) –
particulados, fibras ou uísqueres de um material 
cerâmico que se encontram embutidos no interior 
de uma matriz de um outro material cerâmico.
| A melhoria nas propriedades de fratura resulta das 
interações entre as trincas que avançam a as 
partículas da fase dispersa.
| A iniciação das trincas ocorre normalmente com a 
fase matriz, enquanto sua propagação é obstruída 
ou retardada pelas partículas, fibras ou uísqueres.
TÉCNICAS PARA RETARDAR A 
PROPAGAÇÃO DE TRINCAS
| Aumento de Tenacidade por Transformação –
pequenas quantidades de zircônia são dispersas 
no interior do material da matriz, freqüentemente 
AL2O3 ou a própria ZrO2.
| Tipicamente CaO, MgO, Y2O2 e CeO são usados 
como estabilizadores.
| A estabilização parcial permite a manutenção da 
fase tetragonal metaestável em condições 
ambientes, em vez da fase monoclínica estável.
Os campos de tensão em frente 
de uma trinca que se propaga faz 
com que essas partículas 
tetragonais sofram transformação 
para fase estável.
Há um ligeiro aumento no 
volume da partícula que 
tendem a estrangular e fechar 
a trinca.
OUTRAS TÉCNICAS DE AUMENTO DE 
TENACIDADE.
| Utilização de uísqueres cerâmicos para inibir a 
propagação de trincas pela:
y Deflexão das pontas das trincas.
y Formação de pontes através das faces das trincas.
y Absorção de energia durante à extração a medida que 
os uísqueres se deslizam e se separam da matriz.
y Indução de uma redistribuição das tensões em regiões 
adjacentes às pontas das trincas.
COMPÓSITOS CARBONO - CARBONO
| Um dos materiais mais 
promissores em engenharia é o 
compósito feito a partir de uma 
matriz de carbono e um reforço 
com fibras de carbono.
| Como o próprio nome indica, 
tanto o reforço como a matriz 
são feitos de carbono.
| São relativamente novos e caros e, portanto 
não são muito utilizados no momento.
| Suas melhores propriedades são:
y Altos módulos de tração.
y Limites de resistência à tração que são 
mantidos até temperaturas superiores a 2000 
ºC.
y Resistência a fluência.
y Valores de tenacidade à fratura relativamente 
altos.
y Baixos coeficientes de expansão térmica.
y Condutividade térmica alta.
APLICAÇÕES.
| Motores de foguetes.
| Materiais sujeitos a atritos em aeronaves.
| Automóveis de alto desempenho.
| Moldes em estampagem a quente.
| Componentes para motores deturbinas.
| Escudo térmico em veículos espaciais de reentrada 
na atmosfera. 
DESVANTAGENS.
| A sua principal desvantagem é a sua propensão à
oxidação quando são submetidos a altas 
temperaturas.
| São muito caros.
y A razão principal de serem caros são as técnicas de 
processamento relativamente complexas empregadas 
na sua fabricação.
COMPÓSITOS HÍBRIDOS.
| Obtido pelo uso de dois ou mais tipos de fibras 
diferentes no interior de uma única matriz.
| Possuem uma melhor combinação global de 
propriedades do que os compósitos que possuem 
somente um tipo de fibra.
| O sistema mais comum envolve fibras de carbono 
e fibras de vidro em uma matriz polimérica.
y As fibras de carbono são fortes e relativamente e 
rígidas, mas são caras. As fibras de vidro são baratas, 
mas carecem da rigidez do carbono.
FORMAS DE COMBINAÇÕES DE 
FIBRAS. 
| As fibras podem estar:
y Todas alinhadas e intimamente misturadas.
y Laminadas – camadas superpostas, sendo cada uma 
das camadas de um tipo de fibra, alternadamente.
FALHA DO COMPÓSITO HÍBRIDO.
| Geralmente não é catastrófica.
| As fibras de carbono são as primeiras a falhar, no 
momento em que a carga é transferida para as 
fibras de vidro.
| Com a falhas das fibras de vidro, a matriz deve 
suportar a carga aplicada.
| A falha final do compósito coincide com a falha da 
matriz.
APLICAÇÕES.
| Componentes estruturais de transportes terrestres, 
aquáticos e aéreo.
| Artigos esportivos.
| Componentes ortopédicos de peso reduzido.
ATIVIDADES
| Para um compósito reforçado com fibras de matriz polimérica 
listar três funções da fase matriz.
| Comparar as características mecânicas desejadas para a 
fase matriz e fibra.
| Qual é a distinção entre a fase matriz e a fase dispersa em 
um material compósito?
| Do que depende as propriedades dos materiais compósitos 
reforçados com fibras?
| Listar quatro razões pelas quais as fibras de vidro são mais 
comumente utilizadas como reforço.
| O que é um compósito híbrido?
| Listar duas vantagens importantes dos compósitos híbridos 
em relação aos compósitos com fibras normais.
	A FASE FIBRA E A FASE MATRIZ
	A FASE FIBRA
	CLASSIFICAÇÃO DAS FIBRAS
	RELAÇÃO ALINHAMENTO DAS FIBRAS COM DIREÇÃO DO CARREGAMENTO
	A FASE MATRIZ
	FUNÇÃO DA FASE MATRIZ
	COMPÓSITOS COM MATRIZ DE POLÍMEROS
	COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRA DE VIDRO
	POR QUE O VIDRO É POPULAR COMO MATERIAL DE REFORÇO
	LIMITAÇÕES
	EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
	COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE CARBONO
	PROPRIEDADES
	FIBRA DE CARBONO
	FABRICAÇÃO
	EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
	COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS ARAMIDAS
	EXEMPLO DE APLICAÇÃO
	OUTROS MATERIAIS PARA REFORÇO COM FIBRAS
	LIMITAÇÃO DOS MATERIAIS DE MATRIZES POLIMÉRICAS
	COMPÓSITOS COM MATRIZ METÁLICA
	VANTAGENS EM RELAÇÃO AOS COMPÓSITOS COM MATRIZ DE POLÍMERO
	MATRIZES METÁLICAS
	O REFORÇO PODE SER:
	PROPRIEDADES DOS COMPÓSITOS COM MATRIZ METÁLICA
	LIMITAÇÕES
	COMPÓSITOS COM MATRIZ CERÂMICA
	TENACIDADE À FRATURA
	TÉCNICAS PARA RETARDAR A PROPAGAÇÃO DE TRINCAS
	OUTRAS TÉCNICAS DE AUMENTO DE TENACIDADE.
	COMPÓSITOS CARBONO - CARBONO
	APLICAÇÕES.
	DESVANTAGENS.
	COMPÓSITOS HÍBRIDOS.
	FORMAS DE COMBINAÇÕES DE FIBRAS. 
	FALHA DO COMPÓSITO HÍBRIDO.
	APLICAÇÕES.
	ATIVIDADES