Introdução aos Materiais Compósitos

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Tecnologia dos Materiais 
 
 
 
 
 
Compósitos 
Aula 5 
 
 
Prof. Marcos Baroncini Proença 
 
 
CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 
 
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Conversa inicial 
Olá! Seja bem-vindo à aula 5 da disciplina Tecnologia dos Materiais! 
Nesta aula, abordaremos os compósitos, que hoje estão presentes em todo o 
mercado, com especial participação no setor aeronáutico. Estão presentes 
desde a indústria da construção civil até a automotiva, de geração de energia, 
eletroeletrônica, de comunicação, aeroespacial e de biotecnologia médica. 
 
Para uma introdução à aula de hoje, assista ao vídeo que está disponível 
no material on-line! 
Contextualizando 
Os materiais compósitos vêm sendo utilizados desde o Egito antigo, onde 
usavam materiais compósitos de fibras naturais, como o papiro, para fazer 
barcos, velas e cordas desde o ano 4000 a.C. Atualmente, os mercados de 
materiais compósitos estão cada vez mais difundidos. 
 
 
Disponível em: <www.embraer.com.br> Acesso em 03/08/2016. 
 
Veja o detalhamento desse tema no site: 
https://compositosmetalicos.wordpress.com/2012/06/22/hello-world/ 
 
Para os comentários do professor Marcos Proença sobre o assunto deste 
tema, assista ao vídeo que está disponível no material on-line! 
 
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Introdução aos Compósitos 
Compósitos são materiais formados por dois ou mais constituintes, que 
apresentam propriedades distintas e /ou melhoradas destes constituintes, 
analisados separadamente. Por sua diversidade de aplicações e propriedades, 
hoje são os materiais que tem maior crescimento de uso no Mercado. 
 
Veja o detalhamento desse tema no anexo 1. O arquivo está disponível no 
material on-line. Aproveite e assista aos comentários do professor 
Marcos Proença no vídeo que está disponível para você! 
Ligação química de formação 
 A ligação que dá origem aos compósitos é a ligação mista. Assim, podem 
ser formados pela composição de ligação molecular com metálica, ou molecular 
com iônica e covalente, ou metálica com iônica e covalente. Cada tipo de ligação 
conferirá ao compósito características próprias. 
 
Figura 1 – Ligação iônica, covalente e metálica 
 
Fonte: Elaborado pelo autor (2016). 
 
 
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Estruturas cristalinas 
 As estruturas dos cerâmicos são bastante complexas, visto serem 
formadas por uma composição de ligações iônicas, ligações metálicas, ligações 
covalentes e moleculares. No entanto, sempre terá a estrutura principal do 
material-base. Assim, se o material-base for metálico, terá como estrutura 
fundamental CCC, CFC, HC ou tetragonal. Se o material-base for cerâmico terá 
CS, CFC, HC. Se o material-base for polimérico, terá como estrutura 
fundamental linear, ramificada ou em rede. 
 
Figura 2 – Estrutura cristalina de compósito 
 
Disponível em: <http://sb.cc.stonybrook.edu/News/general/Rocksalt.php> Acesso em 
03/08/2016. 
 
 
 
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Classificação dos compósitos 
Quanto ao tipo de estrutura 
Os compósitos podem ser classificados quanto ao tipo estrutural, como: 
■ Reforçados por partículas: são aqueles que têm sua estrutura 
reforçada com fragmentos de materiais cerâmicos e/ou metálicos, 
sendo estes fragmentos de tamanho grande ou pequeno 
localizados de forma orientada ou dispersa. 
■ Reforçados por fibras: são aqueles que têm sua estrutura 
reforçada por fibras naturais ou sintéticas, que podem se 
apresentar de forma contínua ou descontínua. As fibras contínuas 
podem estar dispostas de forma unidirecional ou bidirecional. As 
fibras descontínuas podem estar dispostas de forma alinhada ou 
aleatória. 
■ Estruturais: são aqueles compostos por planos unidos na forma 
de laminados ou painéis. 
 
Fig.3. Classificação dos compósitos por tipo de estrutura 
 
 
 
 
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Quanto ao tipo de matriz 
Os compósitos podem ser clasificados quanto ao tipo de matriz, como: 
■ Compósitos de matriz metálica: o material-base da liga é um 
material metálico, podendo ser compósito metal-metal, metal-
cerâmico e metal-polímero. 
■ Compósitos de matriz cerâmica: o material-base da liga é um 
material cerâmico, podendo ser compósito cerâmico-metal, 
cerâmico-cerâmico e cerâmico-polímero. 
■ Compósitos de matriz polimérica: o material-base da liga é um 
material polimérico, podendo ser compósito polímero-metal, 
polímero-cerâmico e polímero-polímero. 
 
Figura 4 – Classificação dos compósitos por tipo de Matriz 
 
 
Compósitos reforçados com partículas 
Características: são reforçados por partículas grandes ou pequenas. Nos 
reforçados por partículas grandes, a fase particulada é mais rígida do que a 
matriz, absorvendo parte da tensão aplicada nela. Nos reforçados por partículas 
pequenas, estas dificultam o movimento de defeitos no material, fazendo com 
que a deformação plástica seja diminuída e a resistência à tração melhorada, 
assim como a sua dureza aumentada. 
 
 
Matriz 
Polimérica
Matriz Cerâmica
Matriz 
Metálica
 
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Figura 1 – Concreto. Ciência dos Materiais 
 
 
Veja mais dados desse tema nos anexos 2a, 2b, 2c, 2d e 2e, disponíveis 
no material on-line! 
 
Aplicações: concreto, pneus, estruturas arquitetônicas, solas de sapatos, 
metais especiais para indústria aeroespacial são exemplos de aplicações deste 
tipo de compósitos. 
 
Assista ao vídeo do professor Marcos Proença que está disponível no 
material on-line! 
Compósitos reforçados com fibras 
Características: em geral são usadas fibras como reforços quando se 
deseja nos materiais-base uma elevada resistência mecânica, mas com boa 
tenacidade e rigidez, sem alteração significativa no seu peso. As fibras mais 
comumente usadas como reforço são fibra de vidro, fibras naturais e fibra de 
carbono. 
 
Veja mais dados desse tema no anexo 3a, disponível no material on-line. 
 
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Tipos de fibras 
 As fibras podem ser divididas em: 
■ Fibras longas (fios): possuem comprimento muito maior que as 
outras fibras. Tem a particularidade de poderem ser trançadas em 
malhas, aumentando o reforço estrutural. Exemplos: fibras de 
carbono, fibras de aço, fibras de madeiras. 
■ Fibras curtas: são originárias de materiais policristalinos ou 
amorfos – são geralmente fibras poliméricas ou cerâmicas. 
Exemplos: fibras de aramidas; fibras de vidro; fibras de alumina e 
carbono. 
■ Whiskers: são monocristais muito finos, com razão 
comprimento/diâmetro elevada. São os materiais mais duros 
existentes. Possuem custo elevado. Exemplos: C Grafite; SiC; 
Nitreto de Silício. 
 
Veja mais dados desse tema no anexo 3b, disponível no material on-line! 
 
Configurações: as fibras de reforço de compósitos podem ter três tipos 
de configuração. Podem ser unidirecionais alinhadas (a), aleatórias (b) e 
bidirecionais trançadas (c). 
 
Figura 1 - Configurações das fibras. Ciência dos Materiais. 
 
 
 
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Aplicações: concretos especiais, refratários, veículos automotivos, 
aeronaves, veículos aeroespaciais, eletrodomésticos, supercondutores, malhas 
de pneus, cabos triaxiais, entre outras aplicações. 
 
Para mais explicações, assista ao vídeo do professor MarcosB. Proença, 
disponível no material on-line! 
Compósitos estruturais 
Características: são compostos tanto por materiais homogêneos quanto 
por composição heterogênea. Podem ser: 
■ Compósitos laminares: painéis bidimensionais empilhados e 
colados com uma direção preferencial de alta resistência. Ex.: 
madeira, plásticos reforçados com fibras contínuas e alinhadas. 
■ Painéis em sanduíche: formado por duas folhas externas, mais 
resistentes, que são separadas por um material menos denso e 
menos rígido. São materiais típicos para as faces: ligas de Al, 
plásticos reforçados com fibras, aço e madeira compensada. Para 
recheio: espuma, borracha sintética e colmeia de alumínio. 
 
Veja mais dados desse tema nos anexos 4a e 4b, disponíveis no material 
on-line! 
 
Aplicações: reforços estruturais de construções civis, de aeronaves, 
painéis solares, pisos, telhados, paredes de prédios. Em aeronaves: asas, 
fuselagem e revestimento do leme horizontal. 
 
Assista ao vídeo que está disponível no material on-line e tire as dúvidas 
com o professor Marcos Proença! 
 
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Matrizes dos compósitos 
Características: os compósitos têm como suas matrizes os materiais 
poliméricos, cerâmicos e metálicos. Se entende por matriz o material-base, no 
qual será introduzido um outro material para prover propriedades especificadas 
para sua utilização. 
 
Aplicações: como exemplos de matrizes, podemos citar: 
■ Matriz cerâmica com fibra de vidro: diâmetro da fibra de 3 a 20 
μm (pisos industriais recipientes para armazenamento tubulações); 
■ Matriz polimérica com fibra de carbono: (equipamentos 
esportivos, componentes estruturais de aeronaves, hélice de 
helicóptero); 
■ Matriz polimérica com fibra de aramida: Kevlar e Nomex 
(cordas, coletes à prova de bala, carcaça de mísseis, em freios, por 
exemplo). 
 
Veja mais dados desse tema nos anexos 5a e 5b, disponíveis no 
material on-line. 
 
Assista também no material on-line, o vídeo que o professor Marcos B. 
Proença preparou para você! 
Matriz 
Polimérica
Matriz Cerâmica
Matriz 
Metálica
 
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Na prática 
Veja a seguir algumas aplicações práticas do que foi visto na aula de hoje: 
1. Analise os compósitos epoxi/carbono, epoxi/vidro, Glare (Glass-
Reinforced Fibre Metal Laminate) e Caral (Carbon Reinforced 
Aluminum Laminates) representados graficamente, em termos de 
tensão máxima, tensão limite de ruptura e módulo de elasticidade. 
 
 
 
Podemos observar do gráfico que, embora tenham o limite de elasticidade 
próximo, o compósito epoxi/carbono tem uma tensão máxima e uma tensão 
limite de ruptura bastante superiores. Já o Glare e o Caral apresentam superior 
alongamento na ruptura. O epoxi/carbono é o que apresenta menor alongamento 
na ruptura. 
 
 
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2. Considerando o gráfico de tensão x deformação do compósito 
epoxi reforçado com fibra de vidro, comparadas as propriedades do 
epoxi sem reforço e da fibra de vidro, determinar a tensão limite 
elástica de cada um. 
Sabendo que 𝐸 =
𝛿
∈ 
 ∴ 𝛿 = 𝐸. ∈ 
Assim: 
𝛿𝑣𝑖𝑑𝑟𝑜 = 72,4𝑥103𝑥0,019 = 1375,6𝑀𝑃𝑎 
𝛿𝑐𝑜𝑚𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜 = 52,8𝑥103𝑥0,019 = 1003,2𝑀𝑃𝑎 
𝛿𝑒𝑝ó𝑥𝑖 = 6,9𝑥103𝑥0,020 = 138𝑀𝑃𝑎 
 
 
 
3. Tomando como base os resultados apresentados no gráfico, 
relativos ao aço do tipo ASTM 1024 reforçado, analisar em 
comparação com o aço sem reforço, a necessidade de tratamento 
térmico após a confecção do compósito. 
 
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Os resultados evidenciam a importância do tratamento térmico para 
melhorar as propriedades de resistência à tração e dureza. 
 
 
Síntese 
Após esta aula você adquiriu conhecimentos sobre os compósitos, 
reforçados por partículas, por fibras, estruturais de painéis e laminados, vendo 
suas características, propriedades e aplicações para uso profissional. 
Até a próxima! 
 
Para as considerações finais do professor Marcos Proença, assista ao 
vídeo que está disponível no material on-line! 
Referências 
BEER, F. P., JOHNSTON JR., E. R. Resistência dos Materiais. 3ª edição. 
Pearson – Makron Books, 1995. 
HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 7ª edição. Pearson, 2010.