10 Materiais compósitos

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Elementos de Metalurgia
MET - 216
Fabricação
Aplicações
Estrutura
Prof. Leonardo B. Godefroid
Prof. Luiz Cláudio Cândido
GESFRAM-DEMET-EM-UFOP
Propriedades
Materiais compósitos
1) Introdução
2) Classificação, características e aplicações
Introdução
A palavra “compósito” para materiais compósitos significa que duas ou mais fases 
distintas são combinadas numa escala macroscópica, convenientemente arranjadas 
ou distribuídas, para formar um material com boas propriedades para aplicação na 
Engenharia. 
Geralmente, a fase contínua é referida como matriz, enquanto que a fase 
distribuída é chamada de reforço. 
Basicamente, três aspectos determinam as características do material compósito : o 
reforço, a matriz e a interface entre eles.
Os materiais compósitos são, em alguma literatura, chamados de materiais 
conjugados.
Introdução
Materiais compósitos têm uma longa história de utilização. O início é
desconhecido, mas a história contém diversas referências: a palha usada para 
aumentar a resistência de tijolos de lama, pelos judeus; madeira compensada para 
aumentar a resistência mecânica e a resistência à expansão térmica e evitar 
umidade, pelos egípcios; espadas medievais construídas de diversas camadas, etc.
Algumas propriedades que podem ser melhoradas pela formação de um material 
compósito são: resistência mecânica, rigidez, resistência à corrosão, peso, vida à
fadiga, comportamento dependente da temperatura, isolamento térmico, 
condutividade térmica, isolamento acústico, resistência ao desgaste, beleza, etc. 
Superioridade dos materiais compósitos, em comparação com materiais convencionais, quando se compara a resistência 
mecânica e a resistência específica.
Superioridade dos materiais compósitos, em comparação com materiais convencionais, quando se compara a 
resistência mecânica e a resistência específica.
Resistência específica e módulo específico para uma série de materiais.
DRA = alumínio reforçado por partículas; DRTi = titânio reforçado por partículas; Al(f) = alumínio reforçado por fibras; 
Ti(f) = titânio reforçado por fibras; Q/I = laminado quase-isotrópico; P = fibras de poliacrilonitrila; A = fibras de aramida.
Classificação e características
Uma classificação para os materiais compósitos refere-se ao tipo de matriz empregada :
Materiais Compósitos
Compósitos de Matriz
Polimérica - PMC
Compósitos de Matriz
Metálica - MMC
Compósitos de Matriz
Cerâmica - CMC
Classificação e características
Pode-se classificar também os materiais compósitos de acordo com o tipo de reforço empregado :
Materiais Compósitos
Compósitos reforçados
por partículas
Compósitos reforçados
por fibras
Compósitos
estruturais
Partículas
grandes
Dispersão
Contínuas
Descontínuas
(curtas)
Laminados
Painéis
sandwich
Classificação e características
Compósitos Fibrosos
Tecnologicamente, os compósitos fibrosos são os mais importantes materiais 
compósitos. Eles utilizam fibras como fase dispersa, especialmente preparadas para 
dar uma densidade de discordâncias bem baixa, e conseqüentemente uma elevada 
resistência mecânica. Outras propriedades importantes são o elevado módulo de 
elasticidade e a baixa densidade. De acordo com o comprimento das fibras, 
podemos ter compósitos com fibras contínuas (longas) ou com fibras descontínuas 
(curtas).
Classificação e características
Compósitos Fibrosos
Propriedades de algumas fibras:
Elemento Ponto de fusão
(°C)
Densidade
(g/cm3)
Resistência
(GPa)
Módulo
(GPa)
Vidro-S 840 2,50 4,6 84
Carbono 3.000 1,90 2,0 390
Boro 2.040 2,55 3,5 415
SiC 2200 2,80 2,8 200
Kevlar --- 1,45 3,5 125
Classificação e características
Compósitos Fibrosos
Nestes compósitos, a matriz tem densidade, rigidez e resistência mecânica bem 
menores do que as fibras. Suas funções são: suporte, proteção, transferência de 
carga, etc. Exemplos típicos de matriz são : 
9Matriz metálica : alumínio e suas ligas, ligas de titânio, ligas de magnésio, 
cobre.
9Matriz polimérica : resinas epoxi, fenólica e poliester.
9Matriz cerâmica : compostos intermetálicos, como disiliceto de molibdênio e 
alumineto de níquel e titânio, e cerâmicos cristalinos, como alumina e carboneto 
de silício.
Classificação e características
Compósitos Fibrosos
(a) Alumínio reforçado com fibras de boro. Vf = 10%.; (b) Poliester reforçado com fibras de carbono. Vf = 50%.
Classificação e características
Compósitos Particulados
Estes compósitos são constituídos por partículas em suspensão de um ou mais 
materiais em uma matriz de outro material. Conforme a combinação, pode-se 
ter:
a) partícula não metálica em matriz não metálica
Î concreto, blocos de mica em resina orgânica (isolamento elétrico).
b) partícula metálica em matriz metálica
Î chumbo em cobre e aço (usinabilidade). 
c) partícula metálica em matriz não metálica
Î pó de alumínio em tinta (proteção contra corrosão).
d) partícula não metálica em matriz metálica
Î cermet (partícula cerâmica a base de óxido e carboneto em matriz 
metálica - ferramentas em altas temperaturas).
Classificação e características
Compósitos Particulados
 
 
Exemplo de compósito particulado: Alumínio reforçado com partículas de SiC. Vf = 17%. 
Classificação e características
Compósitos Particulados
Se as partículas de reforço são bem finas, bem duras, inertes e encontram-se 
dispersas de forma homogênea numa matriz metálica, forma-se o compósito 
reforçado por dispersão. Trata-se de um endurecimento por interação entre 
discordâncias e partículas, semelhante ao endurecimento por precipitação. Uma 
diferença básica entre estes dois métodos de endurecimento é a inexistência de 
reação entre as partículas e a matriz para o compósito reforçado por dispersão, 
inclusive em elevadas temperaturas. As partículas dispersas podem ser metálicas ou 
não metálicas.
Classificação e características
Compósitos Estruturais
Um compósito estrutural é normalmente composto simultaneamente de materiais 
homogêneos e compósitos, sendo que suas propriedades dependem não somente das 
propriedades de seus constituintes mas também do projeto geométrico de seus elementos 
estruturais. 
Um compósito estrutural laminado é constituído por lâminas bidimensionais, que 
apresentam uma direção preferencial para elevada resistência mecânica. As camadas são 
empilhadas e posteriormente cementadas juntas, de tal forma que a direção de maior 
resistência varia com cada camada. Desta forma, este material compósito vai apresentar uma 
relativa elevada resistência em diversas direções no plano bidimensional. 
Pode-se construir um compósito estrutural laminado a partir de um empilhamento 
alternado de material homogêneo e compósito. Um exemplo típico de grande aplicação na 
indústria aeronáutica é o chamado ARALL (aramid aluminum laminate), que consiste de 
finas camadas de ligas de alumínio e de compósito epoxi/aramida, unidas por um adesivo. 
Classificação e características
Compósitos Estruturais
(a) : Compósito laminado, com camadas em diferentes orientações de fibras. (b) : Compósito ARALL.
Classificação e características
Compósitos Estruturais
Uma outra configuração interessante para compósitos laminados consiste no empilhamento 
de camadas alternadas de diversos metais, unidos posteriormente por laminação ou forjamento a quente. 
Algumas aplicações: estruturas de aviões, juntas de conexão em anodos de células para produção de 
alumínio, telhados, fios, equipamentos de processamento químico, invólucro de balas, cunhagens de 
moeda, placas de blindagem de dureza dupla, estruturas navais, etc.
Um compósito estrutural tipo painel sandwich consiste de duas camadas externas de material 
resistente, separadas por uma camada de material de baixa densidade, commenor rigidez e resistência. 
Estruturalmente, o núcleo tem duas funções. Ele separa as faces e resiste a deformações perpendiculares 
ao plano das faces. Ele também promove uma certa rigidez cisalhante ao longo de planos 
perpendiculares às faces. 
Um exemplo popular de sandwich é a chamada estrutura “honeycomb”, que consiste de finas 
camadas cobrindo uma estrutura de células hexagonais, cujo eixo está orientado perpendicularmente ao 
plano das faces. Esta estrutura é comumente aplicada em paredes e assoalhos de edifícios, assim como 
asas e fuselagem de aviões. 
Classificação e características
Compósitos Estruturais
Empilhamento de uma estrutura honeycomb.
Aplicações
CONSTRUÇÃO CIVIL
Ponte totalmente feita de compósito a base de 
fibras de vidro, e montada em menos de um dia.
Vigas transversais e longitudinais de compósitos 
carbono/epoxi em uma ponte rodoviária nos EUA.
Colunas de sustentação de uma ponte 
envolvidas com compósito carbono/epoxi.
Prótese de corrida de compósito carbono/epoxi.
Muletas feitas de carbono/epoxi, mais 
resistentes do que alumínio, e 50% mais leves.
Seção separada de um bloco de motor de alumínio da HONDA, com 
tubos de pistons de compósitos de matriz metálica. No detalhe, a 
seção transversal de um destes revestimentos.
Embalagem de compósito de AlSiC para um rádio de 
micro-ondas usado em satélites de comunicação.
Seção transversal de um fio condutor de eletricidade. 
O núcleo consiste de 19 fios de compósito de 
alumínio reforçado continuamente. Este núcleo 
suporta o carregamento para 54 fios de alumínio, e 
ainda conduz eletricidade.
Bocal de exaustão de uma turbina do avião F-18, 
mostrando 12 conjuntos de flaps e vedações de 
compósitos de matriz cerâmica.
APLICAÇÕES NAVAIS
Barcos de patrulha com casco construído de compósito de 
plástico reforçado por fibras.
Barcos esportivos feitos com compósitos sandwich de 
fibras de carbono, de vidro e de aramida.
MATERIAIS PARA FINS ESPORTIVOS
Compósito de matriz polimérica e fibras de 
carbono, com a maior rigidez conhecida, para 
aplicação em baseball e softball.Tubos de compósito de fibras de carbono e matriz epoxi.
Face de titânio forjado e corpo 
de compósito de carbono, 75% 
mais leve do que o taco de 
golfe padrão de titânio.
Compósito de resina poliamida e fibras de vidro, 
com elevada resistência ao impacto e à fadiga, 
para aplicação em chassis de skates.
MATERIAIS PARA FINS ESPORTIVOS
Adesivo de grande eficiência, 
usado em petecas de elevado 
peso.
Skate de três rodas de compósito sandwich de 
poliamida reforçada com fibras de vidro e 
alumínio.
Compósito sandwich de núcleo do 
tipo honeycomb e fibras de vidro, 
leve e tenaz, para aplicação em 
prancha de ski.
Barco esportivo feito de compósito sandwich de fibras de 
carbono, vidro e aramida.
INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA
INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA
Diversos materiais empregados no Boeing 777.
CFRP = epoxi reforçado por fibra de carbono 
TCFRP = CFRP com epoxi tenaz
FG = epoxi reforçado com fibra de vidro
HY = híbrido
Utilização de diversos materiais compósitos avançados no bombardeio B-2 da U.S.A.F.
Ônibus Espacial
	Introdução
	Introdução
	Resistência específica e módulo específico para uma série de materiais.
	Classificação e características
	Classificação e características
	Classificação e características
	Classificação e características
	Classificação e características
	Classificação e características
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	Aplicações