Os compósitos estruturais são combinações de compósitos e matérias homogêneas

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Materiais Compósitos Estruturais
De acordo com Callister (2002) um compósito estrutural é composto tanto por materiais homogêneos como por materiais heterogêneos ou compósitos, cujas propriedades dependem não somente das propriedades dos materiais constituintes, mas também do projeto geométrico dos elementos estruturais.
De forma geral, os constituintes dos compósitos estruturais têm funções distintas, sendo um deles responsável por suportar a carga (o reforço) e o outro responsável por transferir a carga externa para o reforço (a matriz), dentre estes compósitos destacam-se os laminares e os sanduíche. A interface reforço-matriz também desempenha um importante papel para os materiais compósitos, pois tem grande influência nas propriedades finais (RATNA, 2009).
Laminares
Além disso, os materiais compósitos podem constituir-se das seguintes características laminares:
Os laminares são materiais normalmente constituídos de fibras de alto módulo de elasticidade e resistência mecânica envolvidas em uma matriz. Suas interfaces são distintas, conservando assim as propriedades químicas e físicas da matriz e da fibra, além de ser composto por lâminas ou painéis bidimensionais possuindo uma direção preferencial de alta resistência como encontrado nas madeiras e nos plásticos reforçados com fibras contínuas (CALLISTER, 2002).
Figura1. Empilhamento de camadas sucessivas reforçadas com fibras. Fonte: (CALLISTER.2007).
Os compósitos com maior importância são aqueles cujo a fase dispersa encontra-se na forma de fibra, ou seja, as fibras consistem em milhares de filamentos apresentando diâmetros variando entre 5 e 15 micrómetros (Callister, 2007).
Os principais tipos de fibras existentes são: vidro, aramida, carbono, boro e carbeto de silício. Na fabricação de materiais compósitos, as fibras podem assumir as seguintes formas:
Fibras continuas ou fibras longas: são cortadas durante o tempo de fabricação do compósito material. Podem ser utilizadas como filamentos alongados ou mesmo tecido (GAY, HOA e TSAI, 2003).
Fibras descontinuas ou fibras curtas: possuem comprimentos de alguns centímetros ou frações de milímetros. São feltros, mantas e fibras curtas utilizadas na moldagem por injeção (GAY, HOA e TSAI, 2003).
Figura 2. Diferentes formas de fibra. Adaptado de: Gay, Hoa e Tsai (2003).
Atualmente os materiais compósitos desenvolvidos para indústria aeroespacial e automotiva são reforçados com fios de fibra contínuos na forma bidimensionais ou tridimensionais, confeccionados na forma de tecidos trançados. Devido à natureza do reforço, esses materiais passaram a ser referidos como compósitos “têxteis” (ASTM D6856/D6856M). O padrão de repetição do tecido é denominado de “células de unidade têxtil” ou simplesmente de “célula unitária”. Esse é um padrão de repetição geométrica baseado em parâmetros de fabricação que os compósitos têxteis possuem. A célula unitária é considerada como a menor secção da arquitetura necessária para repetição do padrão têxtil.
Figura 3. Células unitárias para tecidos simples e tecidos bidirecionais. Adaptado de: ASTM D6856/D6856M.
A largura da célula unitária é a distância entre duas colunas adjacentes de urdidura de fio (na direção de fios de enchimento) e a altura é a espessura do tecido consolidado do compósito (ASTM D6856/D6856M). Levando em consideração as diferenças no tamanho dos fios ou no padrão de repetição da trama ocasionado pelo entrelaçamento dos mesmos, pode ocorrer um aumento de falta de homogeneidade nos deslocamentos locais do laminado. Essa possível falta de homogeneidade no compósito têxtil pode ser grande se comparado a um compósito de fibra tradicional (ASTM D6856/D6856M). O que diferencia um compósito têxtil para um compósito de fibras unidirecionais seria os mesmos valores do módulo e resistência para com as direções longitudinais (x) e transversais (y).
Em se tratando de compósitos laminados, uma boa região de interface é aquela onde toda a região da extensão superficial da fibra é devidamente “impregnada” ou “molhada” pela fase matriz, de maneira a garantir melhores desempenhos mecânicos do material fabricado (RATNA, 2009). A região de interface pode sofrer mudanças dependendo da natureza da matriz bem como da natureza da fibra ou partícula, fibras geralmente são usadas depois de submetidas a tratamentos físicos ou químicos superficiais adequados. Esses tratamentos são um artifício muito utilizado em fibras naturais para o aumento da sua “rugosidade superficial”, contribuindo por melhorar sua adesão com a fase matriz 
As fibras são submetidas a um tratamento de superfície para que dessa forma se diminua a ação de abrasão das mesmas ao passarem através das máquinas de moldagem bem como na tentativa de melhorar a adesão com o material de matriz. Material de fase matriz utiliza polímeros que se dividem em dois grupos: termorrígidos e termoplásticos (CALLISTER, 2007; RATNA, 2009).
As matrizes poliméricas termoplásticas, tais como os metais, tornam-se mais dúcteis com o aquecimento e eventualmente fundem, endurecendo novamente com o resfriamento. Nylon e polipropileno são exemplos típicos de resinas termoplásticas (RATNA, 2009). Da mesma forma, as matrizes termorrígidas sofrem uma reação química de cura com caráter exotérmico, sendo convertidas em um material infusível e insolúvel. A infusibilidade e insolubilidade do polímero curado surgem devido à formação de uma rede estrutural tridimensional (3D). Polímeros termorrígidos podem ser agrupados com base no peso molecular em resinas termorrígidas (baixo peso molecular) e de borracha ou de elastômero (peso molecular elevado), podendo-se citar como exemplo as resinas poliéster, éster-vinilica, uretano, fenol formaldeído e a mais conhecida e utilizada dentre as demais, a resina a epóxi (PILATO e MICHNO, 1994).
Nos dias atuais, o termo epóxi é entendido como um plástico termorrígido reticulado e curado. A palavra epóxi vem do grego “Ep” (sobre ou entre) e do inglês “Oxi” (oxigênio). Em um sentido geral, o termo refere-se a um grupo químico constituído por um átomo de oxigênio ligado a dois átomos de carbono (LEE e NEVILLE, 1967; RATNA, 2009)
Existem vários tipos de resinas epoxídicas comercialmente disponíveis, tais como: diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA), produzida pela reação entre epicloridrina e Bisfenol A, consistindo na resina comercial mais comum dentre as resinas epóxi (RATNA, 2009). De acordo com Lee e Neville (1967) e Ratna (2009), o grupo mais simples é o óxido de etileno onde um átomo de oxigênio está ligado a dois grupos CH2 ligados entre si. O H2C CH2.
A este grupo dá-se a denominação de grupamento α-epóxi. Esse tipo de resina exibe uma elevada adesão por consequência da grande polaridade dos grupos ésteres e hidroxilas alifáticas, que frequentemente constituem a cadeia da resina inicial e a rede do sistema curado outro grupo muito comum é o grupo glicídio que contém no anel epóxi um carbono secundário.
A polaridade desses grupos serve para criar forças de interação entre a molécula epóxi e o substrato, otimizando o seu uso como adesivo e revestimento. As resinas epóxi podem ser usadas como fase matriz na produção de compósitos com fibras sintéticas e naturais. Essas resinas são quimicamente compatíveis com a maioria dos substratos e tendem a molhar as superfícies muito facilmente, justamente devido aos grupos polares que minimizam os problemas relativos à interface resina/reforço. Sabe-se que é por intermédio da região de interface que as interações químicas e físicas entre a matriz e o reforço são estabelecidas ou combinadas (RATNA, 2009).
O tratamento alcalino em fibras de sisal produz uma superfície mais rugosa, influenciando na resistência mecânica à tração e à flexão em compósitos de matriz poliéster, nas últimas décadas, estudos tem revelado que a inclusão de partículas em escalas nano e micro tem contribuído por melhoras as propriedades mecânicas de materiais poliméricos reforçados com fibras. Utilizaram a combinação de micropartículas de sílica para melhoria das propriedadesmecânicas de flexão de um compósito laminado em fibra de vidro. O artifício para aumento da “rugosidade superficial” pode ser associado com a utilização de partículas em combinação às fibras, em razão das partículas proporcionarem mudanças na região de interface entre a fibra e matriz pelo aumento do ângulo de contato entre ambos, dividindo as tensões de forças interlaminares pela criação de pontos cisalhantes (KHANAM; KHALIL, 2011).
Painéis em sanduiches 
Uma estrutura sanduíche consiste basicamente de duas placas (faces finas) de um material resistente, intercaladas por uma camada de outro material, em geral de baixa densidade e resistência inferior à das placas. A resistência desse conjunto à flexão, em certas condições, pode ser muito maior que a de uma placa maciça, constituída do mesmo material e de mesma densidade que as duas faces do sanduíche. A principal função das faces na estrutura sanduíche é fornecer a rigidez à flexão e a rigidez ao cisalhamento, requeridas e suportar assim as cargas de flexão bem como as cargas de cisalhamento no plano. Dentre os materiais típicos que são utilizados para as faces, estão incluídas as ligas de alumínios, os plásticos reforçados com fibras, o titânio, os aços e as madeiras compensadas.
Figura 4. Ciência e engenharia de materiais uma introdução de William D. Callister, Jr.
A camada central ou núcleo têm várias funções importantes, como por exemplo:
Ser suficientemente rígido na direção perpendicular às faces para garantir que estas permaneçam à distância correta uma da outra; 
Rigidez ao cisalhamento para assegurar que quando a estrutura for fletida as faces não deslizem uma sobre a outra;
Também, manter a rigidez suficiente para as faces aproximadamente planas.
Vários materiais e estruturas são utilizados como núcleo ou recheio, incluindo polímeros em espuma, borrachas sintéticas, cimentos inorgânicos e madeira de baixa densidade, como por exemplo, a madeira de balsa.
Conforme já descrito as estruturas sanduíche são formadas por duas camadas externas finas, faces, e uma camada interna espessa, núcleo. Estas estruturas constituem um tipo especial de laminado. As faces têm a função de suportar as tensões normais de tração, compressão ou cisalhamento, associadas à flexão. O núcleo, por sua vez, deve manter o afastamento das faces, ser rígido na direção perpendicular a elas a fim de evitar o esmagamento, e a sua rigidez ao cisalhamento transversal deve ser grande o suficiente de modo a garantir que o conjunto funcione.
Os adesivos são disponibilizados em diversas formas, como líquidos, pastas, pós e filmes. Sua aplicação pode ser feita por spray, rolo ou espátula, ou outras formas manuais. Os principais adesivos utilizados na fabricação de estruturas sanduíche são à base de epóxi. A característica mais conhecida das resinas epóxi é a sua excepcional adesão às mais variadas superfícies. A maior parte dos adesivos à base de resinas epóxi é bi componente, porém, agentes de cura latente podem ser empregados para produzir adesivos monocomponentes. A boa capacidade das resinas epóxi de molhar superfícies diversas, contribui para sua excelente adesão com contração desprezível durante o processo de cura. Pela modificação das resinas epóxi com flexibilizantes, plastificantes, cargas inertes e outros aditivos, propriedades adesivas específicas podem ser intensificadas a fim de simplificar, reforçar ou melhorar o seu desempenho (MENDONÇA, 2005).
Os núcleos podem ser confeccionados com diversos materiais e podem ser em colmeia, corrugados ou poliméricos. Os núcleos colmeias e corrugados são fabricados pelo corte de chapas em diversos materiais como alumínio, aço inox, papel, fibras de vidro.
Figura 5. Painéis sanduiche com recheio (a) polimérico, (c) colmeia, (c) corrugado Allen (1969).
Os núcleos de espuma, são compostos por espuma formada por plásticos expandidos e solidificados. Existem vários tipos de espumas disponíveis, como a de PVC, a de poliuretano ou de silicone. Essas espumas têm baixa condutividade térmica, em geral têm alta resistência à água, altas taxas resistência/peso, baixa permeabilidade à umidade e elevada resistência à corrosão, as espumas plásticas podem ser adquiridas em forma líquida, para ser combinada com os reagentes no local, ou podem ser adquiridas em forma de pranchas.
Além dos núcleos de espuma e balsa, encontramos outros núcleos de madeira, principalmente, Pinus e OSB (Oriented Strand Board). Os núcleos de madeira apresentam alta resistência mecânica e rigidez.
Comercialmente existem alguns materiais utilizados como faces de sanduíches, um dos exemplos mais atuais são as placas cimentícias reforçadas com fibras, sem amianto, utilizadas por diversas empresas nacionais e internacionais, dentre elas: Brasilit, Eternit e Decorlit.
De acordo com dados fornecidos pela Brasilit (www.brasilit.com.br) as placas sanduíche (painéis Wall) produzidas por eles são compostas por: cimento, celulose e reforçadas com fios sintéticos. A densidade dessas placas é de, aproximadamente, 1700 kg/m³ e seu custo é relativamente baixo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CALLISTER JR. W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.
MENDONÇA, P. T. R. Materiais Compostos e Estruturas-sanduíche. Barueri / SP, Ed. Manole, 2005.
NETO, F. L., Pardini, L. C., Compósitos Estruturais: Ciência e Tecnologia. Ed. Edgard Blücher, São Paulo, 2006.
LEVY N. F., PARDINI, L. C. Compósitos Estruturais: Ciência e Tecnologia, Editora Edgard Blücher, 2006
RATNA, D. Handbook of Thermoset Resins. iSmithers. Shawbury, Shrewsbury, Shropshire, SY4 4NR, United Kingdom. 2009
GABLIARDO P D. Análise de estruturas sanduíche: Parâmetro de projetos, Campinas-SP, 2008.