Compósitos reforçados com fibras..

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Compósitos Reforçados com Fibras 
ALUNOS: 
MARCELO MIGUEL PELUSO 
MATEUS RIZZI 
VITOR FUJI 
RICARDO FLORENCIO 
MARCIO NEIDORF 
WELERSON 
 INTRODUÇÃO: 
 Com o avanço da tecnologia, muitas vezes para o melhor funcionamento 
de um dado produto necessitamos de materiais que possuam uma soma 
de propriedades especificas que atuem de forma interligada sem 
prejudicar uma as outras. Tais propriedades muitas vezes não podem ser 
alcançadas por ligas metálicas, materiais cerâmicos ou materiais 
poliméricos convencionais, sendo necessário então o desenvolvimento de 
materiais compósitos. 
 DEFINIÇÃO: 
 Material compósito é considerado como um material multifásico 
(admite varias funções), que exibe uma proporção significativa das 
propriedades de todas as fases que o constituem, de modo a obter 
a melhor combinação destas propriedades. 
 EXEMPLO DE SEU USO: 
 Na Indústria aeronáutica cada vez mais é necessário o desenvolvimento de 
materiais fortes, rígidos com resistência a abrasão/impactos e ao mesmo 
tempo com baixa densidade, como por exemplo, uma espaçonave (ônibus 
espacial) deve ser constituída de um material rígido o suficiente para perfurar 
a camada atmosférica, que não se decomponha ou perca suas 
propriedades quando exposto a fortes radiações (solares por exemplo), e 
que além de tudo ainda possua um peso relativamente baixo para que o 
vôo se torne possível e a espaçonave utilize o mínimo de combustível 
possível. 
COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS: 
 Do ponto de vista tecnológico estes compósitos são os mais 
importantes. 
POR QUE? 
Compósitos reforçados com fibras incluem resistência ou rigidez elevadas em 
relação ao seu peso. Essas características são expressas em termos dos 
parâmetros : resistência específica (LRT Vs densidade relativa) e módulo 
específico (módulo de elasticidade Vs densidade relativa). 
 
IMPORTÂNCIA ECÔNOMICA: 
 Com o aumento da população mundial, instaurou-se no planeta 
uma verdadeira crise energética, tornando-se necessário então o 
desenvolvimento de aparelhos que alcançassem um maior 
rendimento, logo um dos fatores primordiais para um bom 
rendimento é o fator peso, por exemplo, quanto mais leve um 
carro, menos força este necessita para se locomover, logo 
consumirá menos combustível, aumentando assim sua eficiência. 
CLASSIFICAÇÃO DOS COMPÓSITOS 
 São classificados basicamente de acordo com o comprimento que 
suas fibras possuem, sendo este fator um dos grandes responsáveis 
pelas propriedades fornecidas ao material. 
INFLUENCIA DO COMPRIMENTO DA FIBRA 
  É importante salientar que as características mecânicas de um dado compósito 
não dependem somente das propriedades das fibras que o constituem, mas 
também de como a tensão sobre a qual o material é aplicado se transmite 
sobre estas, ou seja, a magnitude das ligações interfaciais é de extrema 
importância para que não haja ruptura do material por tensões cisalhantes. 
 O comprimento das fibras podem alterar significativamente o desempenho 
mecânica, bem como outras propriedades do compósito. Definindo o 
comprimento critico da fibra(Ic)como sendo o comprimento mínimo da fibra, 
que depende do diâmetro da fibra (d) e do LRT (𝜎f), bem como a força da 
ligação entre a fibra e a matriz (τ). 
 
 Onde: 
 * σ = limite de resistência a tração 
 * τc = força das ligações que atuam entre as fibras e a matriz 
 * d = diâmetro das fibras 
 
 Como fator curiosidade, as combinações matriz-fibra de vidro e 
matriz-fibra de carbono possuem o comprimento lc = 1 mm, o que 
corresponde a cerca de 20 a 150 vezes o diâmetro das fibras. 
CASOS CRÍTICOS: 
  Se ao acaso o material compósito for exposto a uma tensão que em módulo se 
iguala a força das ligações que atuam entre as fibras e a matriz, e estando as 
fibras do material com seu comprimento critico, temos que a localização 
máxima da tensão se dará exatamente no ponto médio do comprimento 
longitudinal da fibra. 
 
lc = 0 lc = 1/4 lc = 1/2 lc = 3/4 lc = 1 
σc 
 a medida que a fibra se alonga esta tensão se espante para todo 
o novo comprimento: 
 
 
lc = 0 lc = 1/2 Area deformada lc = 1/2 lc = 1 
σc 
Se por acaso a fibra possuir um comprimento inicial menor que o comprimento 
critico teremos que a tensão a esta aplicada terá um limite menor do que a 
tensão σc, pois caso contrário teremos o rompimento do material. 
 
SUBCLASSIFICAÇÃO DAS FIBRAS 
 

INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO E DA 
CONCENTRAÇÃO DA FIBRA 
  Levando em relação à orientação temos como parâmetro de 
classificação duas situações extremas: 
 Um alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras em uma 
única direção. 
 Um alinhamento totalmente aleatório. 
 Normalmente as fibras contínuas se encontram alinhadas, 
enquanto as fibras descontinuas podem estar alinhadas, orientadas 
aleatoriamente ou estarem parcialmente orientadas. Teremos a 
melhor combinação das propriedades do material compósito 
quando a distribuição das fibras forem uniformes. 
COMPÓSITOS COM FIBRAS 
CONTÍNUAS E ALINHADAS 
 
 
Comportamento tensão deformação em tração – 
carregamento longitudinal 
 
A resposta mecânica desse tipo de compósito dependem de fatores como 
comportamentos de tensão-deformação das fases fibra e matriz, das frações 
volumétricas das fases e ainda do direcionamento da tensão aplicada em 
relação ao posicionamento das fibras. Logo é importante salientar que as 
propriedades deste tipo de material são de caráter anisotrópicas, ou seja, se 
comportam de uma forma diferente de acordo com a direção sobre as quais são 
orientadas. 
Comportamento Elástico - Carregamento 
longitudinal 
 
 Quando submetido a um carregamento na direção em que estas 
estão alinhadas, a ligação interfacial fibra-matriz é muito boa. 
Assim a deformação tanto da matriz como das fibras é a mesma, 
ou seja, ocorre isodeformação. Nestas condições a carga 
suportada pelo compósito Fc é igual as cargas suportadas pela 
fase matriz (Fm) e pela fase fibra (Ff). 
 Esta relação pode ser feita pela expressão abaixo : 
 
 F σ = Fm + Ff 
Deduzindo expressões 
 A definição de tensão nos diz que F= σrA, assim é possível encontrar 
representações para Fc, Fm e Ff em função de suas tensões e área 
de seção reta. O que nos fornece: 
 σcAc = σmAm + σ𝑓A𝑓 dividindo tudo por Ac , obtemos : 
 σc = σmAm/Ac + σ𝑓A𝑓/Ac 
 onde AJ/AC e A/Ac são as frações de área das fases matriz e fibra, 
respectivamente. Se os comprimentos do compósito, da matriz e 
da fibra forem todos iguais, AJAC é equivalente à fração 
volumétrica da matriz, Vm; e de maneira análoga para as fibras, 
Vf = AJA, a equação anterior então se torna 
 σc = σmVm + σ𝑓V𝑓 
Deduzindo expressões 
O estado de isodeformação significa que εc = εm = εf, se dividirmos cada termo por 
sua deformação respectiva obtemos a expressão: 
 σc / εc = (σm / εm)Vm + ( σ𝑓 / ε𝑓 )V𝑓 
Da mesma forma, e através de outras manipulações algébricas podemos obter a 
expressão final 
Ecl = Em(1- V𝑓) + E𝑓V𝑓 
Onde Ecl representa a média ponderada da fração volumétrica dos módulos de 
young das fases fibra e matriz. 
Outra equação obtida é a que relaciona a razão entre a carga suportada pelas fibras 
e a suportada pela matriz 
 
 
Assim, resolveremos juntos com a turma o seguinte exemplo. 
Comportamento Elástico – Carregamento 
Transversal 
  Uma outra forma de carregamento é o transversal, um compósito com fibras 
contínuas e orientadas pode ser carregado nessa direção. Nesta forma de 
carregamento a carga é aplicada com um ângulo de 90° em relação à orientaçãodo alinhamento das fibras. Nesta situação a tensão cuja qual o compósito e suas 
fases estão expostos é a mesma: 
 σc = σm = σ 𝑓 = σ 
 Temos que a deformação total do compósito é dada por : 
 εc = εmVm + ε 𝑓 V 𝑓 
 Através de manipulações algébricas obtemos : 
 
Ect = EmE 𝑓 /(VmE 𝑓 + V 𝑓 Em) = EmE 𝑓 /[(1-V 𝑓)E 𝑓 + V 𝑓 Em] 
 
Esta expressão será utilizada na resolução do exercício que resolveremos a seguir: 
 
Limite de Resistência à Tração Longitudinal 
 Ao analisarmos a resistência de compósitos que apresentam fibras contínuas e 
alinhadas, principalmente quando submetidos a uma carga na direção 
longitudinal, observamos alguns comportamentos específicos. 
 Assim, a resistência é normalmente determinada como sendo a máxima tensão na 
curva tensão - deformação. É neste ponto que ocorre à quebra da fibra e 
acontece o surgimento da falha do compósito. Geralmente a falha que ocorrem 
nesse tipo de material é um processo complexo, onde várias modalidades de 
falha distintas são possíveis. 
Representação gráfica 
Limite de Resistência à Tração Transversal 
 Compósitos fibrosos e contínuos apresentam resistências com altos graus de anisotropia. 
Os mesmos geralmente são projetados para suportarem carregamentos através de suas 
direções longitudinais, que apresentam alta resistência. 
 Por sua vez, cargas de tração transversais também pode estar presentes. Quando 
submetidos a esta aplicação, podem ocorrer falhas prematuras, já que o limite de 
resistência à tração nesta direção é muito baixo. 
 De uma maneira geral a resistência longitudinal é determinada pela resistência da fibra, 
em contra partida, outros fatores influenciarão a resistência transversal, como exemplo a 
presença de vazios. 
COMPÓSITOS COM FIBRAS 
DESCONTÍNUAS E ALINHADAS 
 Quando tratamos sobre a eficiência de reforço , muitas vezes as fibras descontínuas 
apresentam um grau menor deste parâmetro em relação as fibras contínuas. Apesar 
desta desvantagem, as mesmas estão assumindo papel de destaque no mercado 
comercial. 
 Um dos exemplos que podemos citar é a fibra de vidro picada, esta é usada com 
grande frequência, juntamente com fibras descontínuas de carbono e aramida. 
Compósitos com fibras curtas geralmente são produzidos com módulos de young e LRT 
que apresentam uma semelhança significativa aos análogos fabricado com fibras 
contínuas. 
COMPÓSITOS COM FIBRAS DESCONTÍNUAS E 
ALEATORIAMENTE ORIENTADAS 
Quando a fibra apresenta orientação aleatória, as fibras curtas e 
descontínuas se encontram presentes na estrutura. 
Nesta condição o módulo de elasticidade é dado pela seguinte 
equação: 
 
Ecd= KE 𝑓 V 𝑓 + EmVm 
 
Onde K é o parâmetro de eficiência da fibra. A magnitude deste 
parâmetro se encontra na faixa entre 0,1 e 0,6. 
Assim, para reforços que apresentam fibras aleatórias, o módulo 
aumenta de acordo com uma proporção da fração volumétrica da 
fibra. 
 
Conclusão 
 Nesta apresentação buscamos citar algumas das propriedades de 
materiais compósitos que são influenciadas pela presença de 
fibras. Tratamos a respeito do comprimento destas, além de suas 
características físicas e espaciais. 
 É importante destacar que a utilização de materiais compósitos 
tem se intensificado nas últimas décadas graças a descobertas de 
como a presença de fibras afetam sua estrutura. 
 São através de pesquisas e avanços nas área de desenvolvimento 
de materiais que o surgimento de novos materiais se tornam uma 
realidade. 
Referências 
 Callister, w. d. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 
5. ed. 2002 
 http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1517-
70762006000200004&script=sci_arttext 
 http://www.demar.eel.usp.br/compositos/Notas_aula/introducao.p
df 
 http://www.seer.ufu.br/index.php/cieng/article/viewFile/530/490.. 
 http://pt.wikipedia.org/wiki/Comp%C3%B3sito