Os materiais Compósitos

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Roberta Magalhães Mariano
robertammagalhaes@yahoo.com.br
Universidade Geraldo di Biase FERP
Materiais Compósitos
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O QUE É UM MATERIAL COMPOSTO OU COMPÓSITO?
American Society for Testing and Materials (ASTM)
Mistura física de dois ou mais componentes, combinados para formar um novo material de engenharia útil, com propriedades diferentes aos componentes puros, podendo ser obtidos por combinação de metais, cerâmicas ou polímeros.
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TIPOS DE MATERIAIS COMPÓSITOS
REFORÇADOS
C/PARTÍCULAS
REFORÇADOS
C/ FIBRAS
COMPÓSITOS
LAMINARES
COMPÓSITOS
NATURAIS
Concreto
Asfalto
Cermet (materiais cerâmicos e metálicos)
Fibras de carbono, Kevlar, vidro, etc
Matriz de epoxy, poliéster, PEEK, etc
Laminados de fibras e resina
Sandwich
Madeira
Ossos
Conchas de moluscos
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OBJETIVO DE SE PREPARAR UM COMPÓSITO
 Para aplicações tecnológicas que exigem materiais com combinações incomuns de propriedades, que não podem ser alcançadas por materiais poliméricos, cerâmicas e metálicos comuns.
 
 Ao invés de desenvolver um novo material que pode ou não ter as propriedades desejadas para uma determinada aplicação, modifica-se um material já existente, através da incorporação de outro(s) componente(s).
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Compósitos de alto desempenho
Desenvolvidos à partir da década de 60 na indústria aeroespacial como novas oportunidades para estruturas de alto desempenho e baixo peso
Exemplos:
1) Fibras de carbono, boro, quartzo, de vidro.
2) Compósitos carbono/carbono (compósitos de Carbono Reforçados com Fibras de Carbono-CRFC) 
3) Tecidos de fibras de quartzo 
4) Polímeros de alto desempenho
poliamidas, 
poliimidas,
PEEK [poli(éter-éter-cetona)], 
PEI [poli(éter-imida)], 
PPS [poli(sulfeto de fenileno)], 
PSU (polisulfona)
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APLICAÇÕES 
Surgiu inicialmente na indústria aeronáutica devido à necessidade de diminuição de peso, preservando a robustez dos componentes estruturais.
Utilizado na confecção de painéis solares.
Área esportiva: raquetes de tênis, tacos de golf, pranchas de surf, barcos de competição, skis, etc.
Vantagens: além da leveza; maior facilidade para produção de peças de formato complexo.
Fibra de vidro, resina e PU
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APLICAÇÕES 
Setor aeroespacial 
Cones dianteiros de foguetes, em partes externas de veículos submetidos à reentrada na atmosfera terrestre e em aviões supersônicos, como na área de mísseis, foguetes e aeronaves de geometrias complexas.
Revestimento de aeronaves (contra corrosão, erosão e sinais de infravermelho)
Helicópteros possuem também vários componentes em material composto: pás da hélice principal, hélice traseira, árvore de transmissão (sistema de engrenagem de veículos), fuselagem, etc.
Sistema de árvore de transmissão (fibras de carbono)
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APLICAÇÕES 
Indústria automobilística: utilização mais recente, tais como: teto, capô, cárter de óleo, colunas de direção, árvores de transmissão, molas laminadas, painéis, pára-choques (em PP). 
Pagani Hayara - 1 390 kg 
Subaru Impreza WRX STI Carbon
BMW (M3 e M6)
Astra
Renault 
Audi (Logan)
Pára-lama (clio)
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FUNÇÕES DA CARGA
Melhorar o desempenho mecânico da matriz
VANTAGENS
- Resistência à tração ; Rigidez ; Tenacidade ; Estabilidade térmica e dimensional.
DESVANTAGENS
- Aumenta o custo e densidade da matriz;
- Pode causar distorção na peça;
- Reduz fluxo do material fundido (dificulta o processamento).
Modificar as propriedades da matriz 
VANTAGENS
- Rigidez; Módulo de Flexão e tração; Estabilidade térmica e dimensional ; Aumentar a condutividade elétrica e térmica .
DESVANTAGENS
- Aumenta a densidade da matriz;
- Reduz fluxo do material fundido
(dificulta o processamento);
- Diminui tenacidade.
FUNÇÕES DA MATRIZ
1) Meio de distribuir e transferir tensões mecânicas para as cargas;
2) Proteger a superfície da carga contra corrosão;
3) Ligar a carga uma a outra.
 Cargas fibrosas: fibra de vidro (FV), fibra de carbono (FC), fibra de Kévlar (poliamidas aromáticas), fibra de boro
 CaCO3, Caulim, Alumina, Esfera de vidro, 
Talco , focos de alumínio ou prata
Mg3Si4O10(OH)2
PROPRIEDADES DA MATRIZ
Matrizes poliméricas têm em geral baixa resistência e baixo ponto de fusão.
Matrizes metálicas têm maior resistência e maior ponto de fusão, mas são mais pesadas.
Matrizes cerâmicas usadas para resistência a temperaturas extremamente elevadas, perdendo-se tenacidade (medida de quantidade de energia que um material pode adsorver antes de fracturar).
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COMPÓSITOS NATURAIS
Anisotropia=característica que um material possui em que uma certa propriedade física varia com a direção.
A madeira é um exemplo de material anisotrópico com as suas propriedades mecânicas a dependerem da disposição das suas fibras. 
A madeira se expande ou retrai de forma diferente às variações de umidade no ambiente, consoante sejam considerados os sentidos relativos de suas fibras. No sentido longitudinal ao eixo de uma tora, por exemplo, a variação é mínima (0,1%); no sentido tangencial, é máxima (até 10%), e no sentido radial, cerca de 5%.
Celulose (monômero de glicose) é o principal componente da parede celular. Polissacarídeos estrutural longo e rígido. Imersa na matriz (hemicelulose)
hemicelulose – moléculas não celulósicas (xiloglucanos) ligados por pontes de hidrogênio as microfibrilas.
Lignina –polifenol –confere resistência à compressão .
calcário
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COMPÓSITOS POLIMÉRICOS
Componente estrutural
Meio descontínuo
Carga
(reforço ou enchimento)
Componente matricial
Meio contínuo
Polímero
(Termoplástico ou termorrígido )
Novo Material
+
Compósitos poliméricos representam um caso particular de importância dentro do grupo de misturas poliméricas imiscíveis (materiais heterogêneos multifásicos).
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Principais compósitos poliméricos de aplicação de engenharia
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Polímeros reforçados com fibra de carbono
Desafio industrial na obtenção de componentes com maiores valores de resistência mecânica e de rigidez específicas, incluindo propriedades como baixo custo e peso, oferecendo flexibilidade no projeto de peças complexas. 
Compósitos de fibra de carbono com matriz epóxi e bismaleimida (Principais grupos utilizadores: Boeing, Bombardier e EMBRAER)
Baixa detecção por radares
Aplicação na forma de pré-impregnados (tecidos ou cabo de reforços contínuo impregnados com resina).
Aeronave F-117
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Compósitos com matriz polimérica
Aderência ruim entre a matriz e as fibra
b) Boa aderência entre a matriz e as fibras
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COMPÓSITOS AVANÇADOS
COMPÓSITOS DE MATRIZ METÁLICA
Podem ser usados a temperaturas superiores em relação aos compósitos de matriz polimérica
Possuem maior resistência mecânica que o metal da matriz não reforçado
Atenua-se a vantagem das maiores resistência e rigidez específicas
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Comportamento mecânico dos materiais
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Propriedades físicas
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Propriedades mecânicas de alguns materiais 
Resistência à tração
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 COMPÓSITOS CERÂMICA-CERÂMICA
 Possuem uma maior tenacidade à fratura em relação ao cerâmico não reforçado;
 Usados apenas em aplicações de elevada temperatura (+ 1000ºC)
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CLASSIFICAÇÃO DOS COMPÓSITOS
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COMPÓSITOS PARTICULADOS
 Apresentam relação entre a maior e menor dimensão do corpo (L/D) menor que 3. 
 Os compósitos particulados são mais utilizados em compósitos de matriz cerâmica e metálica: aumento na dureza do material e da tenacidade à fratura. 
 Para matrizes poliméricas a introdução de partículas não leva a um aumento substancial das propriedades mecânicas do polímero. 
Explicação: “Isto ocorre, pois as tensões não são efetivamente transferidas da matriz polimérica para entidades esféricas dotadas de pequena área superficial.”
Também podem atuar como nucleadores de trincas.
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COMPÓSITOS FIBROSOS
Normalmente, as fibras são as cargas de reforço mais eficientes.
As fibras tipicamente usadas em compósitos em matrizes poliméricas são:
 fibras de vidro, carbono, boro e mais recentemente fibras de Kevlar e fibras naturais.
FUNÇÃO
 Fibras são usadas como agente sustentador de tensões e visam conferir elevadas propriedades mecânicas aos compósitos.
Usam-se em projetos cujos objetivos incluem uma alta relação resistência/peso.
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OUTROS COMPÓSITOS
 Compósitos Laminados: são formados através do empilhamento de várias finas camadas impregnadas com resina polimérica, também denominadas de lâminas. 
 Compósitos híbridos: são aqueles constituídos por mais de um material como agente de reforço. 
Ex: resina epóxi reforçada com fibras de vidro e fibra de carbono, poliéster reforçado com fibra natural e fibra de vidro.
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PROPRIEDADES DOS COMPÓSITOS
O desempenho dos compósitos é fortemente influenciado pelas propriedades dos seus constituintes:
 distribuição;
 fração volumétrica;
 e interação entre eles.
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As propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com fibras dependem de alguns fatores, tais como:
 orientação das fibras;
 comprimento; 
 distribuição;
 composição química da matriz e das fibras, etc.
PROPRIEDADES DOS COMPÓSITOS
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ARQUITETURA DE COMPÓSITOS
Os laminados, ou estruturas laminadas, são constituídos de sucessivas camadas de fibras impregnadas em resina segundo uma orientação.
Laminados
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ARQUITETURA DE COMPÓSITOS
 A técnica de estruturas do tipo sanduíche consiste em colocar um material leve, entre duas contraplacas com alta rigidez. 
 Este princípio concilia leveza e rigidez à estrutura final.
Sanduíche
Sanduíche em alma plena
Sanduíche em alma oca
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Processos de fabricação muito utilizados:
Modelagem por transferência de resina (RTM – Resin Transfer Molding)
Moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (VARTM – Vaccum Assisted Resina Transfer Molding )
Setores que utilizam compósitos avançados: 
Aeronáutico comercial 60%, 
Defesa e espaço 20%, 
Recreativo 10%
Indústrias em geral 10%. 
Tipos de reforços
Setores aeronáutico/defesa/espaço:60% de pré-impregnados unidirecionais (tapes) e 40% de tecidos bidirecionais,
Setor recreativo: 80% de reforços unidirecionais e 20% de tecidos bidirecionais 
Demais setores: 10% de tecidos e reforços unidirecionais e 90% de reforços tipo nãotecidos (nonwoven reinforcements).