Materiais Compósitos

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Materiais Compósitos
Química Geral
Componentes do grupo:
Anderson Ribeiro 
Daniele Oliveira 
Dewlynther Moura 
Jéssica Reis 
Luiz Gustavo 
Vivian Cristina 
Wender Charles
Muitas das nossas tecnologias modernas exigem materiais com combinações incomuns de propriedades que não podem ser atendidas pelas ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos convencionais. A partir disso, as combinações e as faixas das propriedades dos materiais foram, e ainda estão sendo ampliadas através do desenvolvimento de MATERIAIS COMPÓSITOS.
Materiais compósitos
Material “composto” ou “compósito” é aquele que é resultado da combinação de dois ou mais materiais distintos em suas propriedades físicas. 
O objetivo desse tipo dessa combinação heterogênea é obtenção das características de seus componentes, para que apresente melhor desempenho estrutural em condições específicas de uso.
Estrutura
Os materiais que podem compor um material compósito são classificados em dois tipos: matriz e reforço.
O material matriz é o que confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas.
Os materiais reforços , também chamados de fase dispersa, são os que realçam propriedades mecânicas, electromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo.
Pode ainda surgir uma sinergia entre material matriz e materiais reforços que resulte, no material compósito final, em propriedades não existentes nos materiais originais.
Materiais Matriz: matriz polimérica; metálica e cerâmica.
Materiais Reforços: fibras orgânicas (nylon, poliéster); fibra de vidro; de carbono; de boro; de titânio; fibras cerâmicas; de carbeto de silício; alumina; de quartzo; metálicas; fibra de madeira (serradura); de aramida; grafite e fibra de basalto.
Classificação dos compósitos
Compósitos Reforçados com partículas
São divididos em compósitos com partículas grandes e compósitos reforçados por dispersão.
A distinção entre essas duas subclassificações está baseada no mecanismo do reforço ou aumento da resistência.
Compósitos Reforçados com partículas grandes
São materiais poliméricos aos quais foram adicionados enchimentos.
Os enchimentos modificam ou melhoram as propriedades do material e/ou substituem parte do volume do polímero por um material mais barato.
São utilizados com todos os três tipos de materiais (metais, polímeros e cerâmicas).
Ex: Concreto – onde as fases matriz e dispersa são compostas por materiais cerâmicos.
Os termos “concreto” e “cimento” são algumas vezes incorretamente trocados.
O termo concreto subentende um material compósito que consiste em um agregado de partículas ligadas umas às outras em um corpo sólido através de algum tipo de meio de ligação, isto é, um cimento. 
Concreto de cimento Portland
Os ingredientes para esse concreto são o cimento Portland, um agregado fino (areia), um agregado grosseiro (brita) e água.
As partículas agregadas atuam como um material de enchimento para reduzir o custo global do concreto produzido.
Para atingir uma ótima resistência e operacionalidade, os ingredientes devem ser adicionados nas proporções corretas.
O empacotamento denso do agregado e um bom contato interfacial são obtidos ao se ter partículas com dois tamanhos diferentes; as partículas finas de areia devem preencher os espaços vazios entre as partículas grandes de britas.
Concreto armado
A resistência do cimento Portland pode ser aumentada através de um reforço adicional, obtido através do uso de vergalhões, arames, barras, ou malhas de aço, as quais são inseridas no concreto fresco e não curado.
Esse reforço torna a estrutura endurecida capaz de suportar maiores tensões de tração, compressão e cisalhamento.
Compósitos reforçados por dispersão
Os metais e as ligas metálicas podem ter sua resistência aumentada e ser endurecidos através de dispersão uniforme de uma certa percentagem volumétrica de partículas finas de um material inerte e muito duro.
Entretanto, o aumento da resistência é mantido em temperaturas elevadas e por períodos de tempo prolongado, pois as partículas dispersas são escolhidas de modo tal a não serem reativas com a fase matriz.
Compósitos reforçados com fibras 
São os compósitos mais importantes, devido a fase dispersa se encontrar em formas de fibras.
Os objetivos de projeto dos compósitos reforçados com fibras incluem com frequência resistência e/ou rigidez alta em relação ao peso.
Foram produzidos compósitos reforçados com fibras com resistências e módulos específicos excepcionalmente altos, que empregam materiais de baixa densidade para a fibra matriz.
São sub classificados de acordo com o comprimento da fibra.
Influência do comprimento das fibras
As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não dependem somente das propriedades da fibra, mas também do grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida pela fibra matriz.
Sob à aplicação de uma tensão, essa ligação fibra matriz cessa nas extremidades da fibra, produzindo uma padrão de deformação da matriz.
Um certo comprimento crítico de fibra é necessário para que exista um efetivo aumento da resistência e um enrijecimento do material compósito.
Influência da orientação e da concentração da fibra
Influência significativamente sobre a resistência e sobre outras propriedades desses compósitos.
Em relação a orientação das fibras são possíveis dois extremos:
Um alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras em uma única direção.
Um alinhamento totalmente aleatório. 
Compósitos com fibras contínuas e alinhadas 
As respostas mecânicas desse tipo de compósito dependem de diversos fatores, que incluem os comportamentos tensão – deformação das fases fibra e matriz, as frações volumétricas fases e a direção na qual a tensão e cargas são aplicadas.
As propriedades desse compósito são altamente anisotrópicas, isto é, dependem da direção na qual elas são medidas. 
Compósitos com fibras descontinuas e alinhadas
Estão se tornando cada vez mais importante no mercado comercial, embora a eficiência de reforço seja menor do que as contínuas alinhadas.
Fibras de vidros picadas são os reforços desse tipo usados com maior frequência; contudo, fibras descontínuas de carbono e aramidas também são empregadas. 
Esses compósitos com fibras curtas podem ser produzidos com módulos de elasticidade e limites de resistência à tração que se aproximam de 90% e 50%, respectivamente, dos seus anólogos com fibras contínuas.
Compósitos com fibras descontínuas e aleatoriamente orientadas 
Quando a orientação da fibra é aleatória, são usadas fibras curtas e descontínuas.
As taxas de produção para compósitos de fibras curtas são rápidas , e formas complexas podem ser moldadas.
Os custos de fabricação são consideravelmente menores do que para as fibras contínuas e alinhadas.
Fibra de vidro
É um compósito filamentoso de finíssimos fios de vidro, agregados através de resinas, silicones, fenóis e outros compostos solúveis em solventes orgânicos.
Esse material é resistente a ação de agentes químicos, a corrosão e ação de gases corrosivos presentes no ar.
A fibra de vidro começou a ser fabricada e comercializada pela primeira vez na Europa em meados dos anos 30. Mas somente na década de 40 que este material expandiu-se pelo mundo sendo amplamente utilizado nos mais diversos segmentos industriais, provavelmente em função da Segunda Guerra Mundial, visto que este compósito e amplamente utilizado na fabricação de aviões.
Fibra de aramida
As fibras aramídicas são fibras de origem orgânica e sintética, obtidas por trefilagem de poliamidas aromáticas (benzeno). 
Normalmente são chamadas de Kevlar.
Uma de suas propriedades mais importantes é a sua altíssima resistência .
O kevlar é usado no fabrico de cintos de segurança, cordas, construções aeronáuticas, velas, coletes à prova de balas e na composição de alguns pneus.
O tanque de combustível dos carros de Fórmula 1 é composto deste
material, para evitar que objetos pontiagudos perfurem os tanques no momento da colisão.
Fibra de carbono
Possui propriedades mecânicas semelhantes às do aço e é leve como madeira ou plástico. Por sua dureza tem maior resistência ao impacto do que o aço.
As fibras carbônicas sozinhas não são apropriadas para uso, porém, ao serem combinadas com materiais matrizes, estas resultam num material com propriedades mecânicas excelentes.
Estes materiais compósitos, também designados por materiais plásticos reforçados por fibra de carbono assisti uma demanda e um desenvolvimento extremamente elevados por parte da indústria aeronáutica, na fabricação de peças das asas, na indústria das bicicletas na construção de todo o tipo de peças desde quadros, guiadores, selins e rodas; na formula 1 e entre outros.
Compósitos estruturais 
São dois tipos de compósitos estruturais: os compósitos laminares e os painéis em sanduíche.
É composto normalmente tanto por materiais homogêneos como por materiais compósitos, cujas propriedades dependem não somente das propriedades dos materiais constituintes, mas também do projeto geométrico dos vários elementos estruturais.
Compósitos laminares 
Um compósito laminar é composto por folhas ou painéis bidimensionais que possuem uma direção preferencial de alta resistência, tal como encontrado na madeira e em plásticos reforçados com fibras contínuas e alinhadas.
Os laminados também podem ser construídos empregando-se materiais na forma de tecidos, tais como o algodão, o papel, ou fibras de vidro trançadas, os quais são inseridos no interior de uma matriz de plástico. 
Um exemplo de estrutura laminada relativamente complexa é o esqui moderno.
As camadas são empilhadas e subsequentemente cimentada umas às outras, de modo tal que a orientação da direção de alta resistência varia de acordo com a camada sucessiva.
Painéis em Sanduíche 
Consistem em duas folhas externas mais resistentes, ou faces, que se encontram separadas por uma camada de material menos denso, ou recheio, que por sua vez possui menor rigidez e menor resistência.
Esse recheio serve para duas funções: separa as faces e resiste a deformações perpendiculares ao plano da face e para proporcionar um certo grau de rigidez contra o cisalhamento ao longo dos planos que são perpendiculares às faces. 
São encontrados em uma ampla variedade de aplicações, dentre as quais telhados, pisos e paredes de prédios; e em aeronaves: nas asas, na fuselagem e nos revestimentos do leme horizontal.
Utilidades
Por se tratar de um material com propriedades mecânicas maiores que de seus constituintes, tais como o aumento da rigidez, resistência, diminuição do peso, e a facilidade de confecção, a utilização dos compósitos está sendo cada vez maior.
Indústria aeroespacial, na produção de pás da hélice principal, hélice traseira, árvore de transmissão, fuselagem dos helicópteros e aeronaves, estrutura de foguetes e também nos painéis solares de satélites.
A Composite Helicopters International desenhou, fez a engenharia e construiu o primeiro helicóptero do mundo com uma cabina monocoque, inteiramente fabricada em materiais compósitos de Carbon-Kevlar. 
O design escolhido e os materiais compósitos oferecem uma resistência sem paralelo ao impacto, corrosão e fadiga, o que resulta um helicóptero mais forte e seguro, com os custos de operação mais baixos da sua classe.
O setor esportivo também utiliza na fabricação de tacos de golfe, raquetes de tênis, pranchas de surf, varas de pescar, e barcos a vela.
No setor automobilístico, vem sendo usado na produção de para-choques, teto, fabricação de capôs, colunas de direção, árvores de transmissão, molas laminadas, e painéis. 
Curiosidades
Compósitos, ao contrário do que se imagina, não são de origem recente. 
Na antiguidade, tijolos para a construção civil eram fabricados de barro e capim seco, formando um compósito. 
A partir da década de 1939 é que os compósitos fibrosos artificiais passaram a ser produzidos comercialmente.
O fim da Guerra Fria, no final da década de 80, trouxe uma redução na pesquisa e desenvolvimento de materiais compósitos para a área militar. 
O corpo humano é um compósitos.
Atualmente na bioengenharia os compósitos são usados na fabricação de próteses internas e externas.
O Curauá, uma planta da Amazônia, conhecido pelo fato do seu uso ter sido empregado de forma artesanal, atualmente vem sendo usado em alternativa a fibra automobilística, pela pressão que a indústria automobilística sofre para produzir um carro biodegradável. As fibras são mais macias, leves e resistentes.
Conclusão
Durante os últimos 20 anos, verificou-se um grande desenvolvimento de compósitos para aplicações. A principal motivação desta grande evolução foi a possibilidade de se produzirem compósitos com altas propriedades mecânicas e baixas densidades que poderiam substituir materiais usualmente utilizados como o aço e madeira. A combinação de polímeros de alto desempenho com fibras cerâmicas ou poliméricas de elevados módulo de elasticidade e resistência mecânica, permitiu a produção de novos compósitos com um grupo de propriedades específicas superiores ao aço, alumínio e outros. Esses compósitos apresentam em geral elevadas relações módulo/peso e resistência/peso sendo mesmo superiores às de materiais cerâmicos, poliméricos e metálicos.
Fim...
Obrigado pela atenção!
Boa noite à todos.