Materiais Compósitos

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Prof. Dr. Jairo José de Oliveira Andrade Prof. Dr. Jairo José de Oliveira Andrade -- FENG/PUCFENG/PUC--RSRS
Materiais CompósitosMateriais Compósitos
?? Materiais que buscam unir as propriedades Materiais que buscam unir as propriedades 
de 2 ou mais tipos de materiais distintosde 2 ou mais tipos de materiais distintos
•• Finalidade Finalidade →→ obtenobtençção de um material superiorão de um material superior
•• PrincPrincíípio de apio de açção combinadaão combinada
•• CompCompóósito natural sito natural →→ osso (proteosso (proteíína = colna = coláágeno geno 
+ mineral = apatita)+ mineral = apatita)
•• Materiais artificiaisMateriais artificiais
–– Fases constituintes Fases constituintes 
•• Quimicamente diferentesQuimicamente diferentes
•• Separadas por uma interface distintaSeparadas por uma interface distinta
•• Resistência especResistência especííficafica
–– RelaRelaçção entre resistência e densidadeão entre resistência e densidade
–– Parâmetro crParâmetro críítico tico →→ materiais fortes e de baixa materiais fortes e de baixa 
densidadedensidade
•• IndIndúústria aeroespacial stria aeroespacial →→alto custo do material alto custo do material 
obtido pela economia do combustobtido pela economia do combustíível vel →→redureduçção de pesoão de peso
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?? Tipos de compósitosTipos de compósitos
Partículas grandes Reforçado por
dispersão
Reforçado com
partículas
Contínuas
(alinhadas)
Alinhadas Orientação
aleatória
Descontínuas
(curtas)
Reforçado com
fibras
Laminados Painéis em
sanduíche
Estrutural
COMPÓSITOS
?? Compósitos reforçados com partículasCompósitos reforçados com partículas
•• PartPartíículas grandesculas grandes
–– Cerâmico/Metal (Cerâmico/Metal (cermetscermets))
•• Ex: Ex: carbetocarbeto cimentado cimentado →→partpartíículas ultraculas ultra--duras duras 
de de carbetocarbeto de tungstênio (WC) ou de titânio de tungstênio (WC) ou de titânio 
((TiCTiC) + matriz met) + matriz metáálica (Co ou lica (Co ou NiNi))
•• Ferramentas de corte para aFerramentas de corte para aççosos
–– Cerâmico/CerâmicoCerâmico/Cerâmico
•• Ex: concreto Ex: concreto →→partpartíículas de cimento + areia + culas de cimento + areia + 
brita + brita + ááguagua
•• Concreto armado Concreto armado →→concreto + armaduras concreto + armaduras 
contcontíínuas (aumento da resistência nuas (aumento da resistência àà tratraçção)ão)
•• Concreto Concreto protendidoprotendido →→armadura armadura tracionadatracionada
atatéé o endurecimento do concretoo endurecimento do concreto
•• ReforReforççados por dispersãoados por dispersão
–– Aumento da resistência dos metais e das ligas Aumento da resistência dos metais e das ligas 
metmetáálicaslicas
•• Dispersão de um material fino e muito duro Dispersão de um material fino e muito duro →→
materiais materiais àà base de base de óóxidosxidos
•• Ex: Aumento da resistência a elevadas Ex: Aumento da resistência a elevadas 
temperaturas das ligas de temperaturas das ligas de NiNi pela adipela adiçção de ão de 
óóxido de txido de tóório (ThOrio (ThO22) ) –– 3% em volume3% em volume
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?? Reforçados com fibrasReforçados com fibras
•• Princípio de funcionamento Princípio de funcionamento →→ uma fibra de um uma fibra de um 
material material éé mais forte que o material como um mais forte que o material como um 
todotodo
•• Alta resistência e rigidez em relaAlta resistência e rigidez em relaçção ao seu ão ao seu 
peso peso 
•• Tipos mais comunsTipos mais comuns
–– Fibras de vidro em matriz de epóxiFibras de vidro em matriz de epóxi
–– Fibras de carbono em matrizes de polFibras de carbono em matrizes de políímerosmeros
•• Velas de Velas de windsurfwindsurf
•• Influência da orientação e da concentração da Influência da orientação e da concentração da 
fibrafibra
–– Anisotropia Anisotropia →→ depende da diredepende da direçção de referênciaão de referência
Direção 
longitudinal
Direção
transversal
Fibras contínuas 
e alinhadas
Fibras descontínuas
e alinhadas
Fibras descontínuas
e aleatoriamente orientadas
?? Compostos alinhadosCompostos alinhados
–– Resistência máxima Resistência máxima →→ ao longo da direao longo da direçção da ão da 
fibrafibra (longitudinal)(longitudinal)
–– Direção transversal Direção transversal →→ reforreforçço virtualmente o virtualmente 
inexistenteinexistente
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•• Fibras contínuas alinhadasFibras contínuas alinhadas
–– Diagrama tensãoDiagrama tensão--deformaçãodeformação
Fibra (frágil)
Matriz (dúctil)Te
n s
ão
Fibra (frágil)
Matriz (dúctil)Te
n s
ão
Compósito
Falha
Deformação Deformação
•• Falha de um compósito não é catastróficaFalha de um compósito não é catastrófica
–– Nem todas as fibras rompem ao mesmo tempoNem todas as fibras rompem ao mesmo tempo
–– A matriz ainda encontraA matriz ainda encontra--se intactase intacta
•• Capaz de suportar uma carga reduzidaCapaz de suportar uma carga reduzida
•• Fibras descontínuas e alinhadasFibras descontínuas e alinhadas
–– Reforço de menor eficiênciaReforço de menor eficiência
–– Importância no mercadoImportância no mercado
•• Fibras de vidro e carbonoFibras de vidro e carbono
–– Módulo de elasticidade Módulo de elasticidade ≈≈ 90% das fibras 90% das fibras 
contcontíínuasnuas
–– Limites de resistência Limites de resistência àà tratraçção ão ≈≈ 50% das fibras 50% das fibras 
contcontíínuasnuas
•• Fibras descontínuas e aleatoriamente orientadasFibras descontínuas e aleatoriamente orientadas
–– Fibras curtas e descontínuasFibras curtas e descontínuas
–– Ideal para o caso da aplicação de tensões Ideal para o caso da aplicação de tensões 
multidirecionaismultidirecionais
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?? Compósitos com matriz de polímero (PMC)Compósitos com matriz de polímero (PMC)
•• Resina (matriz) + fibras (reforço)Resina (matriz) + fibras (reforço)
•• Compostos reforCompostos reforççados com fibra de vidro ados com fibra de vidro 
(GFRP)(GFRP)
–– Vidro estirado na forma de fibras de alta Vidro estirado na forma de fibras de alta 
resistênciaresistência
•• Estado fundidoEstado fundido
–– Material amplamente disponMaterial amplamente disponíívelvel
–– Economicamente viEconomicamente viáávelvel
–– Alta resistência especAlta resistência especííficafica
–– Apresenta certa inApresenta certa inéércia qurcia quíímica mica 
•• Emprego em ambientes corrosivosEmprego em ambientes corrosivos
–– DesvantagensDesvantagens
•• Não são muito rNão são muito ríígidos para certas aplicagidos para certas aplicaçções ões 
estruturais (pontes e/ou aviões)estruturais (pontes e/ou aviões)
•• Temperaturas de trabalho < 200Temperaturas de trabalho < 200ooC C →→altas altas 
temperaturas: escoamento e deterioratemperaturas: escoamento e deterioraçção do ão do 
materialmaterial
–– AplicaçõesAplicações
•• CarcaCarcaçças de meios de transporte automotivos as de meios de transporte automotivos 
e mare maríítimostimos
•• TubulaTubulaçções de plões de pláásticostico
•• Recipientes para armazenamentoRecipientes para armazenamento
•• Pisos industriaisPisos industriais
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•• Compostos polimCompostos polimééricos reforricos reforççados com fibra de ados com fibra de 
carbono (CFRP)carbono (CFRP)
–– Carbono Carbono →→ material de fibra com alto material de fibra com alto 
desempenhodesempenho
•• Maiores mMaiores móódulos e resistências especdulos e resistências especííficasficas 
entre todos os materiais fibrosos de reforentre todos os materiais fibrosos de reforççoo
•• Equipamentos esportivos e de recreaEquipamentos esportivos e de recreaçção ão 
(varas de pescar, tacos de golfe)(varas de pescar, tacos de golfe)
–– RetRetéém suas propriedades mesmo a m suas propriedades mesmo a 
temperaturas elevadastemperaturas elevadas
–– Temperatura ambienteTemperatura ambiente
•• Não são afetadas pela umidade, certos Não são afetadas pela umidade, certos 
solventes, solventes, áácidos e basescidos e bases
–– AplicaçõesAplicações
•• Vasos de pressão e componentes estruturais Vasos de pressão e componentes estruturais 
de aeronavesde aeronaves
•• ReforReforçços estruturais em estruturas de concreto os estruturais em estruturas de concreto 
armadoarmado
•• Compostos polimCompostos polimééricos reforricos reforççados com fibras ados com fibras 
aramidasaramidas
–– Fibras Fibras aramidasaramidas →→ materiais de alta resistência materiais de alta resistência 
àà tratraçção e elevado mão e elevado móódulodulo
•• Baixas resistências Baixas resistências àà compressãocompressão
–– Boas relaBoas relaçções resistência/pesoões resistência/peso
•• Superiores Superiores ààquelas apresentadas pelos metaisquelas apresentadas pelos metais
–– Elevada tenacidade, resistência ao impacto, Elevada tenacidade, resistência ao impacto, 
resistência à fluência e falha por fadigaresistência à fluência e falha por fadiga
–– Temperaturas de trabalho entre Temperaturas de trabalho entre –– 200 e 200200 e 200ooCC
–– Nomes comerciais Nomes comerciais →→ KevlarKevlar e e NomexNomex
–– AplicaçõesAplicações
•• Coletes Coletes àà prova de balasprova de balas
•• Pneus, cordasPneus, cordas
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?? Compósitos com matriz metálica (MMC)Compósitos com matriz metálica (MMC)
•• Metal dúctil (matriz) + reforço (particulados)Metal dúctil (matriz) + reforço (particulados)
•• SuperligasSuperligas
–– Alumínio, magnésio, titânio e cobreAlumínio, magnésio, titânio e cobre
–– Vantagens em relação aos compósitos com matriz Vantagens em relação aos compósitos com matriz 
à base de polímerosà base de polímeros
•• Maiores temperaturas de trabalhoMaiores temperaturas de trabalho
•• Não Não inflamabilidadeinflamabilidade
•• Maior resistência Maior resistência àà degradadegradaçção por fluidos ão por fluidos 
orgânicosorgânicos
–– São mais caros que os PMCSão mais caros que os PMC
•• UtilizaUtilizaçção restritaão restrita
–– AplicaçãoAplicação
•• Motores de turbinasMotores de turbinas
?? Compósitos carbonoCompósitos carbono--carbonocarbono
•• Material mais avançado em EngenhariaMaterial mais avançado em Engenharia
•• Matriz de carbono + reforMatriz de carbono + reforçço com fibras de o com fibras de 
carbonocarbono
•• Materiais novos e caros Materiais novos e caros →→ ttéécnicas de fabricacnicas de fabricaççãoão
–– Pouco utilizados no momentoPouco utilizados no momento
•• PropriedadesPropriedades
–– Elevadas resistências à tração em temperaturas Elevadas resistências à tração em temperaturas 
elevadas (> 2000elevadas (> 2000ooC)C)
–– Resistência à fluênciaResistência à fluência
–– Alta resistência à tenacidade e à fraturaAlta resistência à tenacidade e à fratura
–– AplicaçãoAplicação
•• Motores de foguetesMotores de foguetes
•• Materiais de atrito em aeronaves de alto Materiais de atrito em aeronaves de alto 
desempenhodesempenho
•• Escudos tEscudos téérmicos em vermicos em veíículos espaciais na culos espaciais na 
reentrada na atmosferareentrada na atmosfera
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