MATERIAIS COMPOSITOS JONATHAN

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SUMÁRIO
1 – Definição ....................................................................................................................3
1.2 – Componentes constituintes para um material Composto ou Compósito.................4
2- Propriedades de Compósitos Reforçados com Partículas...........................5
2.1 – Compósitos com Partículas Grandes............................................................5,6,7 e 8
2.2 – Concreto...................................................................................................................9
2.3– Concreto de Cimento Portland..........................................................................9 e 10
2.4 – Concreto Armado............................................................................................10 e 11
2.5 – Compósitos Reforçados por Dispersão..............................................................12
3 – Propriedades de Compósitos Reforçados com Fibras..................................12
3.1 – Influência do Comprimento da Fibra..............................................................12 e 13
3.2 – Influência da Orientação e Concentração de Fibra.........................................13 e 14
3.3 – Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas.....................................................14
3.3.1– Comportamento Tensão- Deformação em Tração_ Carregamento 
Longitudinal .......................................................................................................14,15 e 16
3.3.2 – Comportamento Elástico _ Carregamento Longitudinal.............................16 e 17
3.3.3 – Comportamento Elástico _ Carregamento Transversal...............................17 e 18
3.3.4 – Limite de Resistência á Tração Longitudinal..............................................18 e 19
3.3.5 – Limite de Resistência á Tração Transversal.......................................................19
3.4 – Compósitos com Fibras Descontínua e Alinhadas ...............................................20 3.5 - Compósitos com Fibras Descontínua e Aleatoriamente Orientadas..............20 e 21
4 – Tipos de Compósitos....................................................................................22
4.1 – A Fase Fibra....................................................................................................22 e 23
4.2 – A Fase Matriz.........................................................................................................
5 – Compósitos com Matriz de Polímero...........................................................24
5.1 – Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibra de Vidro ( GRFP – Glass Fiber-Reinforced Polymer)................................................................................................24 e 25
5.2 – Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibra de Carbono 
( CRFP – Carbon Fiber-Reinforced Polymer).........................................................25 e 26
5.3 – Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras Aramidas...........................27 e 28
5.4 – Outros Materiais para Reforço com Fibras.............................................................28
5.5 – Materiais de Matrizes Poliméricas..................................................................28 e 29
6 – Compósitos com Matriz Metálicas......................................................29 e 30
7 – Compósitos com Matriz Cerâmica......................................................31 e 32
8 – Composto Carbono-Carbono.........................................................32 e 33
9 – Compósitos Híbridos...............................................................................34
10 – Processamento de Compósitos Reforçados com Fibra.........................35
10.1 – Pultrusão..........................................................................................................35
10.2 – Processos de Produção Prepeg............................................................35,36 e 37	.
10.3 – Enrolamento de Filamento.......................................................................37 e 38
11 – Compósitos Estruturais..........................................................................38
11.1 – Compósitos Laminares..............................................................................38 e 39
11.2 – Painéis Sanduíche..............................................................................................39
12 – Processos de fabricação (Obtenção)........................................................40
12.1 – Moldagem sem pressão.......................................................................................40
12.2 – Moldagem por projeção simultânea....................................................................40
12.3 – Moldagem a vácuo..............................................................................................41
12.4 – Moldagem por compressão a frio........................................................................41
12.5 – Moldagem por injeção.........................................................................................42
12.6–Moldagem em contínuo.........................................................................................42
12.7 – Moldagem por centrifugação...............................................................................42
12.8 – Bobinamento circunferencial...............................................................................43
12.9 – Bobinamento helicoidal.............................................................................43
12.10 – Bobinamento polar...................................................................................43
13 – Tabelas...........................................................................................43, 44 e 45
14 – Aplicações ...........................................................................................46 e 47
14- Bibliografia................................................................................................... 47
1- Definição
Um material composto é formado pela união de dois materiais de naturezas diferentes, resultando em um material de performance superior àquela de seus componentes tomados separadamente. O material resultante é um arranjo de fibras, contínuas ou não, de um material resistente (reforço) que são impregnados em uma matriz de resistência mecânica inferior as fibras.
1.2 – Componentes constituintes para um material Composto ou Compósito
Muitas das nossas tecnologias modernas requerem materiais com combinações incomuns de propriedades que não podem ser atendidas por ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos convencionais. Isto é especialmente verdadeiro para os materiais necessários para aplicações aeroespaciais, subaquáticas e de transporte. Por exemplo, engenheiros da indústria aeronáutica estão cada vez mais buscando materiais estruturais que possuam baixas densidades, sejam fortes, rígidos e resistências à abrasão e ao impacto, e que ao mesmo tempo não sejam facilmente corroídos. Isto é uma combinação de características consideravelmente formidável. Com freqüência, os materiais mais fortes são relativamente densos; ainda, o aumento da resistência ou da rigidez resulta, em geral, em uma diminuição da resistência ao impacto.
As combinações e as faixas das propriedades dos materiais foram, e ainda estão sendo, ampliadas através do desenvolvimento de materiais compósitos. De uma maneira geral, pode se considerar um compósito como sendo qualquer material multifásico que exiba uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases que o constituem, de tal modo que é obtida uma melhor combinação de propriedades. De acordo com este princípio da ação combinada, melhores combinações de propriedades são criadas através de uma combinação judiciosa de dois ou mais materiais distintos. Também são feitos intercâmbios de propriedades para muitos materiais compósitos.
Compósitos diversos incluem ligas metálicas, as cerâmicas e os polímeros multifásicos. Por exemplo, aços perlíticos
possuem uma microestrutura que consiste de camadas alternadas de ferrita  e cementita. A fase ferrita é mole e dúctil, enquanto a cementita é dura e muito frágil. As características mecânicas combinadas da perlita (que apresentam ductilidade e resistência razoavelmente altas) são superiores àquelas de ambas as fases constituintes. Existe também uma variedade de compósitos que ocorre na natureza. 
Por exemplo, a madeira consiste em fibras de celulose resistentes e flexíveis, que são envolvidas e mantidas unidas por meio de um material mais rígido chamado de lignina. Também, os ossos são um compósito constituído pela proteína forte, porém mole, conhecida por colágeno, juntamente com o duro e frágil mineral apatita.
Um compósito, no presente contexto, consiste em um material multifásico feito artificialmente, em contraste com material que ocorre ou se forma naturalmente. Além disso, as fases constituintes devem ser quimicamente diferentes e devem estar separadas por uma interface distinta. Dessa forma, a maioria das ligas metálicas, além de muitos materiais cerâmicos, não se enquadra nessa definição, pois as suas múltiplas fases são formadas como conseqüência de fenômenos naturais.
No projeto de materiais compósitos, os cientistas e engenheiros combinam de maneira engenhosa vários metais, cerâmicas e polímeros para produzir uma nova geração de materiais com características extraordinárias. A maioria dos compósitos foi criada para melhorar as combinações de características mecânicas, tais como a rigidez, tenacidade e resistência nas condições ambientes e a altas temperaturas.
Muitos materiais compósitos são compostos por apenas duas fases: uma é chamada de matriz, que é continua e envolve a outra fase, chamada freqüentemente de fase dispersa. As propriedades de compósitos são uma função das propriedades das fases constituintes, das suas quantidades relativas e da geometria da fase dispersa. Nesse contexto, por "geometria da fase dispersa" subtende-se a forma das partículas e seu tamanho, sua distribuição e sua orientação.
 Representações esquemáticas das diversas características geométricas e espaciais das partículas da fase dispersa que podem influenciar as propriedades dos compósitos: (a) concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuição e (e) orientação.
Um esquema simples para a classificação de materiais compósitos consiste em três divisões principais, que são os compósitos reforçados com partículas, os compósitos reforçados com fibra e compósitos estruturais; ainda, existem pelo menos duas subdivisões para cada uma delas. A fase dispersa para os compósitos reforçados com partículas tem eixos iguais (isto é, dimensões das partículas são aproximadamente as mesmas em todas as direções); para compósitos reforçados com fibra, a fase dispersa tem a geometria de uma fibra (isto é, uma grande razão comprimento e o diâmetro). Os compósitos estruturais são combinações de compósitos e materiais homogêneos.
2 – Propriedades de Compósitos Reforçados com Partículas
Os compósitos com partículas grandes e os compósitos reforçados por dispersão são as duas subclassificações dos compósitos reforçados com partículas. A distinção entre essas subclassificações está baseada no mecanismo do reforço ou aumento da resistência. O termo "grande" é usado para indicar que as interações partícula-matriz não podem ser tratadas no nível ou ponto de vista atômico ou molecular; em vez disso é empregada a mecânica do contínuo. Para a maioria destes compósitos, a fase particulada é mais dura e mais rígida do que a matriz. Estas partículas de reforço tendem a restringir o movimento da fase matriz na vizinhança de cada partícula. Essencialmente, a matriz transfere parte da tensão aplicada às partículas, as quais suportam uma fração da carga. O grau de reforço ou melhoria do comportamento mecânico depende de uma ligação forte na interface matriz-partícula.
No caso dos compósitos que tem a sua resistência aumentada por dispersão, partículas são, em geral, muito menores, com diâmetros entre 0,01 e 0,1 m (10 a 100 nem). As interações partícula-matriz que levam ao aumento de resistência ocorrem no nível atômico ou no nível molecular. 
O mecanismo do aumento de resistência é semelhante àquele para o processo de endurecimento por precipitação. Enquanto a matriz suporta a maior parte de uma carga que é aplicada, as pequenas partículas dispersas evitam ou dificultam o movimento de discordâncias. Dessa forma, a deformação plástica é restringida de modo tal que o limite de escoamento e o limite de resistência à tração, bem como a dureza são melhorados.
2.1 – Compósitos com Partículas Grandes
Alguns materiais poliméricos aos quais foram adicionados enchimentos são, na realidade, compósitos com partículas grandes. Novamente, os enchimentos modificam ou melhoram as propriedades do material e/ou substituem parte do volume do polímero por um material mais barato, o enchimento.
Um outro compósito com partículas grandes que nos é familiar é o concreto, que é composto por cimento (a matriz), e areia e brita (os particulados). 
As partículas podem ter uma grande variedade de geometrias, porém elas devem ser de aproximadamente as mesmas dimensões em todas as direções (eixos iguais). Para que ocorra um reforço eficaz, as partículas devem ser pequenas e devem estar distribuídas por igual ao longo de toda a matriz. Além do mais, a fração de volumétrica das duas fases influencia o comportamento; as propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor do material particulado. Duas expressões matemáticas foram formuladas para representar a dependência do módulo de elasticidade em relação à fração de volumétrica das fases constituintes no caso de um compósito bifásico. Estas equações de regra de mistura estimam que o módulo elástico deve ficar entre um limite superior representado por
 (1)
e um limite inferior, ou simplesmente limite, que é representado pela equação
 (2)
 
Nessas expressões, E e V representam o módulo de elasticidade e a fração volumétrica, respectivamente, enquanto os subscritos c, m e p representam as fases compósito, matriz e particulada. A Fig. 3 mostra as curvas com os limites superior e inferior de Ec em função do valor de Vp para um compósito cobre-tungstênio, onde o tungstênio compõe a fase particulada; os pontos de dados experimentais se localizam entre as duas curvas. Equações análogas as Equação (1) e (2) Compósitos com partículas grades são utilizados com todos os três tipos de materiais (metais, polímeros e cerâmicas).
Fig. 3 - Módulo de elasticidade em função do percentual volumétrico de tungstênio para um compósito com partículas de tungstênio dispersas no interior de uma matriz de cobre. Os limites superior e inferior estão de acordo com as Equações 1 e 2; pontos de dados experimentais estão incluídos no gráfico.
Os cermetos (metais cerâmicos) são exemplos de compósitos cerâmica-metal. O cermeto mais comum é o carbeto cimentado, que é composto de partículas extremamente duras de uma cerâmica refratária a base de carbeto de tungstênio (WC) ou carbeto de titânio (TiC), envolvidas em uma matriz de um metal, tal como cobalto ou níquel. Esses compósitos são largamente como ferramentas de corte para aços endurecidos. As duras partículas de carbeto proporcionam a superfície de corte, porém, sendo extremamente frágeis, elas não são capazes de suportarem por si só as tensões de corte. A tenacidade é aumentada pela sua inclusão na matriz metálica dúctil, a qual isola as partículas de carbeto umas das outras, dessa forma prevenindo a propagação de trinca de partícula para partícula. Ambas as fases, matriz e particulada são bastante refratárias, capazes de suportar as temperaturas elevadas geradas pela ação de corte sobre materiais extremamente duros. Nenhum material isolado poderia proporcionar a combinação de propriedades que
possui um cermeto. Podem ser utilizadas frações volumétricas relativamente grandes da fase particulada, freqüentemente superiores a 90% volume; dessa forma, a ação abrasiva do compósito é maximizada. Uma fotomicrografia de um carbeto cimentado WC-Co está mostrada na Fig. 4.
Fig. 4 – Fotomicrografia de um carbeto cimentado WC-Co. As áreas claras são a matriz de cobalto; as regiões escuras são as partículas de carbeto de tungstênio. Ampliado de 100x.
 Tanto os elastômeros como os plásticos são freqüentemente reforçados com vários materiais particulados. Nosso uso de muitas borrachas modernas seria drasticamente severamente restringido caso não fosse empregado o reforço com materiais particulados tais como negro de fumo (carbon Black). O negro de fumo consiste de partículas muito pequenas e essencialmente esféricas de carbono, produzidas pela combustão de gás natural ou óleo em meio a uma atmosfera com um suprimento de ar apenas limitado. Quando adicionado a borracha vulcanizada, esse material extremamente barato melhora o limite de resistência à tração, a tenacidade, e a resistência à ruptura e à abrasão. Os pneus de automóveis contêm entre 15 e 30% volume de negro de fumo. Para que o negro de fumo proporcione um reforço significativo, o tamanho de partícula deve ser extremamente pequeno, com diâmetros entre 20 e 50 nm; ainda, as partículas devem estar distribuídas por igual ao longo de toda a borracha, e devem formar uma forte ligação adesiva com a matriz de borracha. O reforço com partículas quando os outros materiais são utilizados (por exemplo, sílica) é muito menos eficaz, pois não existe essa interação especial entre moléculas de borracha e as superfícies das partículas.
Micrografia eletrônica mostrando as partículas esféricas de negro fumo usadas como reforço no composto da face de rolamento de um pneu de borracha sintética. As áreas que lembram marcas d’água são minúsculos bolsões de água na borracha. Ampliação de 80.000x
2.2 – Concreto
Concreto é um compósito comum, feito com partículas grandes, onde as fases matriz e dispersa são compostas por materiais cerâmicos. Uma vez que os termos "concreto" e "cimento" são às vezes incorretamente trocados, talvez seja apropriado fazer uma distinção entre eles. Em sentido mais amplo, o termo concreto subentende um material compósito que consiste em um agregadas de partículas ligadas umas às outras em um corpo sólido através de por algum tipo de meio de ligação, isto é, um cimento. Os dois tipos de concretos mais familiares são aqueles feitos com cimentos portland e asfáltico, onde o agregado é a brita e a areia. Concreto asfáltico é amplamente utilizado, principalmente como material de pavimentação, enquanto o concreto de cimento portland é empregado extensamente como um material estrutural de construção. Apenas esse último tipo de concreto será tratado nessa discussão.
2.3 – Concreto de Cimento Portland.
 Os ingredientes para este concreto são 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, pois elas são baratas, enquanto o cimento é relativamente caro. Para atingir a resistência ótima e a operacionabilidade de uma mistura de concreto, 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 de brita. Normalmente, esses agregados compreendem entre 60 e 80% do volume total. A quantidade da pasta cimento-água deve ser suficiente para cobrir todas as partículas de areia e brita, de outra forma a ligação de cimentação será incompleta. Além disso, todos os constituintes devem ser misturados por completo. Uma ligação completa entre o cimento e as partículas agregadas é dependente da adição da quantidade correta de água. Muito pouca água leva a uma ligação incompleta, enquanto muita água resulta em uma porosidade excessiva; em ambos os casos a resistência final é inferior à ótima.
A natureza das partículas de agregado é uma consideração importante. Em particular, a distribuição de tamanho dos agregados influencia a quantidade da pasta cimento-água que é necessária. Ainda, as superfícies devem estar limpas e isentas de argila e sedimentos, os quais impedem a formação de uma ligação eficiente na superfície da partícula.
Concreto de cimento portland é um importante material de construção, principalmente porque ele pode ser derramado no local e endurece a temperatura ambiente, mesmo quando se encontra submerso em água. Contudo, como um material estrutural, existem algumas limitações e desvantagens. Como a maioria das cerâmicas, o concreto de cimento portland é relativamente fraco e extremamente frágil; sua resistência à tração é aproximadamente 10 a 15 vezes menor do que a sua resistência à compressão. Ainda, as grandes estruturas em concreto podem experimentar uma considerável expansão e contração térmica devido a flutuações de temperatura. Além do que, a água pode penetrar nos poros externos, o que por sua vez pode causar trincamentos severos em condições de clima frio, como uma conseqüência de ciclos de congelamento e descongelamento. A maioria destas inadequações pode ser eliminada, ou pelo menos melhorada através de reforço e/ou incorporação de aditivos.
2.4 – Concreto Armado
 A resistência do concreto de cimento portland pode ser aumentada através de um reforço adicional. Isso é obtido geralmente com o uso de vergalhões, arames, barras ou malhas de aço, as quais são inseridas no interior do concreto fresco e não curado.
 Dessa forma, o reforço torna a estrutura endurecida capaz de suportar maiores tensões de tração, compressão e cisalhamento. Mesmo se houver o desenvolvimento de trincas no concreto, um reforço considerável ainda é mantido.
Aço serve como um material de reforço adequado, pois o seu coeficiente de expansão térmica é aproximadamente o mesmo daquele apresentado pelo concreto. Ainda mais, o aço não corroído rapidamente no ambiente do cimento, e uma ligação adesiva relativamente forte é formada entre ele e o concreto curado. Essa adesão pode ser melhorada pela incorporação de contornos na superfície do membro de aço, o que permite um maior grau de intertravamento mecânico.
O concreto de cimento portland também pode ser reforçado pela mistura, ao concreto fresco, de fibras de um material de fibras com módulo elevado, tal como vidro, o aço, o náilon e o polietileno. Deve-se tomar cuidado na utilização deste tipo de reforço, uma vez que alguns materiais fibrosos experimentam uma rápida deterioração quando expostos ao ambiente do cimento.
Ainda uma outra técnica de reforço para o aumento da resistência do concreto envolve a introdução de tensões de compressão residuais no membro estrutural; o material resultante é chamado concreto protendido ("prestressed concreto"). Esse método utiliza uma característica das cerâmicas frágeis, qual seja, que elas são mais resistentes quando submetidas à compressão do que quando submetidas à tração. Dessa forma, para fraturar um membro de concreto protendido, a magnitude da tensão precompressiva deve ser excedida por uma tensão de tração que é aplicada.
Em uma dessas técnicas de pro-tensão cabos de aço de alta resistência são posicionados dentro dos moldes vazios, e em seguida esticados com uma grande força de tração, a qual é mantida constante. Após o concreto ter sido colocado no molde e ter endurecido, a tração é liberada. À medida que os cabos se contraem, eles colocam a estrutura em um estado de compressão, pois a tensão é transmitida ao concreto através da ligação concreto-cabo que foi formada.
Também utilizada uma outra técnica, onde as tensões são aplicadas após o concreto ter endurecido; esta é chamada apropriadamente pós-tracionamento. Chapas metálicas ou tubos de borracha são colocados dentro,
e passam através de formas de concreto, ao redor dos quais o concreto é moldado. 
 Após o cimento ter endurecido, os cabos de aço são inseridos através dos orifícios resultantes, e aplica-se tração é aos cabos por meio de macacos que são presos e ficam apoiados às faces da estrutura. Novamente, uma tensão compressiva é imposta sobre a peça de concreto, desta vez pelos macacos. Finalmente os espaços vazios dentro do tubo são preenchidos com pasta de argamassa, a fim de proteger o cabo contra a corrosão.
O concreto que é protendido deve ser de boa qualidade, e deve possuir uma pequena contração e uma baixa taxa de fluência. Os concretos protendidos, geralmente pré-fabricados, são comumente utilizados na construção de pontes, tanto rodoviárias quanto ferroviárias.
2.5 – Compósitos Reforçados por Dispersão
Os metais e ligas metálicas podem ter sua resistência aumentada e ser endurecidas através da dispersão uniforme de uma certa percentagem volumétricas de partículas finas de um material inerte e muito duro. A fase dispersa pode ser metálica ou não-metálica; os materiais à base de óxidos são usados com freqüência. Novamente, o mecanismo de aumento de resistência envolve interações entre as partículas e as discordâncias no interior da matriz, como ocorre com o endurecimento por precipitação. O efeito do reforço por dispersão não é tão pronunciado quanto o efeito devido ao endurecimento por precipitação; entretanto, o aumento da resistência é mantido a temperaturas elevadas e por períodos de tempo prolongados, pois as partículas dispersas são escolhidas de modo tal a não serem reativas com a fase matriz. Para ligas endurecidas por precipitação, o aumento na resistência pode desaparecer com a realização de um tratamento térmico, como conseqüência de um crescimento do precipitado ou dissolução da fase precipitada.
A resistência à altas temperaturas das ligas de níquel pode ser melhorada de maneira significativa pela adição de aproximadamente de 3% volume de óxido de tório (ThO2) na forma de partículas finamente dispersas; este material é conhecido por níquel com óxido de tório disperso [ou níquel TD (Thoria-Dispersed)]. O mesmo efeito é produzido no sistema alumínio-óxido de alumínio. Provoca-se a formação de um revestimento muito fino e aderente de alumina (óxido de alumínio) sobre a superfície de flocos de alumínio extremamente pequenos (0,1 a 0,2 m de espessura) que se encontram dispersos no interior de uma matriz de alumínio metálico; este material é chamado de pó de alumínio sinterizado (SAP – Sintered Aluminium Powder).
3 – Propriedades de Compósitos Reforçados com Fibras
 Tecnologicamente, os compósitos mais importantes são aqueles em que a fase dispersa encontra-se na forma de uma fibra. O objetivo de projeto dos compósitos reforçados com fibras incluem com freqüência resistência e/ou rigidez alta em relação ao seu peso. Essas características são expressas em termos dos parâmetros resistência específica e módulo específico, os quais correspondem respectivamente, às razões do limite de resistência à tração em relação à densidade relativa e ao módulo de elasticidade em relação a densidade relativa. Foram produzidos compósitos reforçados com fibra com resistências e módulos específicos excepcionalmente altos, que empregam materiais de baixa densidade para fibra e a matriz.
Os compósitos reforçados com fibra são subclassificados de acordo com o comprimento da fibra. No caso das fibras curtas, para produzir uma melhoria significativa na resistência.
3.1 – Influência do Comprimento de Fibra
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 para as fibras pela fase matriz. A magnitude da ligação interfacial entre as fases fibra e matriz. É importante para a extensão dessa transmissão de carga. Sob a aplicação de uma tensão, essa ligação fibra-matriz cessa nas extremidades da fibra, produzindo um padrão de deformação da matriz, como está mostrado esquematicamente, em outras palavras, não existe nenhuma transmitância de carga a partir da matriz em cada extremidade da fibra.
 O padrão de deformação na matriz em volta de uma fibra que está sujeita a aplicação de carga de tração.
Um certo comprimento crítico de fibra é necessário para que exista um efetivo aumento da resistência e um enrijecimento do material compósito. Este comprimento crítico, lc depende do diâmetro da fibra, d e da sua resistência final (ou limite de resistência à tração) *f, bem como da força de ligação entre a fibra e a matriz (ou limite de escoamento cisalhante da matriz, o que for menor) c, de acordo com a relação 
 (17.3).
Para várias combinações matriz-fibra de vidro ou de carbono, esse comprimento crítico é da ordem de 1 mm, o que varia entre 20 e 150 vezes o diâmetro da fibra.
 Perfis tensão-posição quando o comprimento da fibra l (a) é igual ao comprimento crítico lc; (b) é maior do que o comprimento crítico; e (c) é menor do que o comprimento crítico para um compósito reforçado por fibra que é submetido a uma tensão de tração igual à resistência à tração da fibra f .
 As fibras para as quais l >> lc (normalmente l > 15 lc) são chamadas continuas; as fibras descontínuas ou curtas possuem comprimentos menores do que este. No caso de fibras descontínuas com comprimento significativamente menores do que lc, a matriz se deforma ao redor da fibra de modo tal que virtualmente não existe qualquer transferência de tensão, havendo apenas um pequeno reforço devido à fibra. Esses são, essencialmente os compósitos particulados conforme foram descritos acima. Para que se desenvolva uma melhoria significativa na resistência do compósito, as fibras devem ser contínuas.
3.2 – Influência da Orientação e Concentração da Fibra
O arranjo ou orientação das fibras em relação umas às outras, a concentração das fibras e sua distribuição tem influência significativa sobre a resistência e sobre outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. Em relação à orientação das fibras, são possíveis dois extremos: (1) alinhamento paralelo do eixo longitudinal das fibras em uma única direção e (2) um alinhamento totalmente aleatório. Normalmente, as fibras contínuas alinhadas (Fig. 8a), enquanto as fibras descontínuas podem estar alinhadas (Fig. 8b), orientadas aleatoriamente (Fig. 8c), ou parcialmente orientadas. A melhor combinação geral das dos compósitos é obtida quando a distribuição das fibras é uniforme.
3.3 – Compósitos com Fibras Contínuas e Alinhadas
3.3.1 – Comportamento Tensão-Deformação em Tração – Carregamento Longitudinal
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 das fases e além desses, a direção na qual a tensão ou carga á aplicada. Além do mais, as propriedades de um compósito que possui suas fibras alinhadas são altamente anisotrópicas, isto é, dependem da direção na qual elas são medidas. Vamos considerar, em primeiro lugar, o comportamento tensão-deformação, para uma situação em que a tensão é aplicada ao longo da direção longitudinal.
 Representações esquemáticas de compósitos reforçados com fibras (a) contínuas e alinhadas, (b) descontínuas e alinhadas, e (c) descontínuas e aleatoriamente orientadas.
Para começar, considere os comportamentos tensão-deformação para as fases fibra e matriz representados esquematicamente na Fig. 9a; nesse tratamento, consideramos que a fibra seja totalmente frágil e que a fase matriz seja razoavelmente dúctil. Também indicadas nessa figura estão as resistências à fratura sob condições de tração para a fibra e para a matriz, *f e *m, respectivamente, e suas correspondentes deformações no momento da fratura, *f e m*; além disso, considera-se que *m>*f, o que é normalmente o caso. 
Um compósito reforçado com fibras que consiste
nesses materiais de fibra e da matriz irá exibir a resposta tensão uniaxial-deformação que está ilustrada na Fig. 9b; os comportamentos da fibra e da matriz mostrados na Fig. 9a estão incluídos nessa figura para fornecer uma perspectiva. Na região inicial do estágio I, tanto a fibra como a matriz se deformam elasticamente; normalmente, essa parte da curva é linear. Tipicamente, para um compósito desse tipo, a matriz escoa e se deforma plasticamente (em lm, na Fig. 9b), enquanto as fibras continuam a se esticar elasticamente, uma vez que o limite de resistência à tração das fibras é significativamente maior do que o limite de escoamento da matriz. Esse processo constitui o Estágio II, como está observado na figura, em que o comportamento é normalmente muito próximo do linear, porém com uma curva de inclinação reduzida em comparação com aquela apresentada pelo Estágio I. Além do mais, ao se passar do Estágio I para o Estágio II, aumenta a proporção da carga aplicada que é suportada pelas fibras.
O início da falha do compósito começa na medida em que as fibras passam a se fraturar, o que corresponde a uma deformação de aproximadamente *f, como está observado na Fig. 9. A falha de um compósito não é catastrófica por duas razões. Em primeiro lugar, nem todas as fibras fraturam ao mesmo tempo, uma vez que sempre existirá uma variação considerável na resistência à fratura de materiais fibrosos frágeis. Além disso, mesmo após a falha da fibra, a matriz ainda se encontra intacta, uma vez que *f<*m; (Fig. 9a). 
Dessa forma, essas fibras fraturadas, que são menores do que as fibras originais, ainda estão inseridas no interior da matriz, que se encontra intacta, e, conseqüentemente, ainda são capazes de suportar uma carga reduzida enquanto a matriz continua seu processo de deformação plástica.
Fig. 9 - (a) Curvas esquemáticas tensão-deformação para materiais com fibra frágil e matriz dúctil. As tensões e deformação na fratura para ambos os materiais estão anotadas. (b) Curva esquemática tensão-deformação para um compósito reforçado com fibras alinhadas que está exposto a uma tensão uniaxial que é aplicada na direção do alinhamento; as curvas para os materiais da fibra e da matriz apresentadas na parte (a) também estão superpostas.
3.3.2 – Comportamento Elástico – Carregamento Longitudinal
Vamos agora considerar o comportamento elástico de um compósito fibroso contínuo e orientado que é carregado na direção do alinhamento das fibras. Em primeiro lugar, admite-se que a ligação interfacial fibra-matriz é muito boa, de modo tal que a deformação tanto da matriz quanto das fibras é a mesma (uma situação de isodeformação). Sob essas condições a carga total suportada pelo compósito, Fc é igual as cargas suportadas pela fase matriz, FM, e pela fase fibra, Ff ou seja, 
 (4)
A partir da definição de tensão, Eq. 6.1, F = A, é possível desenvolver expressões para Fc, Fm e Ff em termos das suas respectivas tensões (c, m e f) e áreas de seção reta (Ac, Am e Af).
 A substituição dessas expressões na Equação (4) fornece
	(5)
e então, dividindo todos os termos pela área de seção reta total do compósito, Ac , nós temos
 (6)
onde Am / Ac e Af / Ac são as frações de área das fases matriz e fibra, respectivamente. Se os comprimentos do compósito, da matriz e fibra forem todos iguais, Am / Ac é equivalente à fração de volumétrica da matriz, Vm; e de maneira análoga para as fibras Vf = Af / Ac . A Equação (6) torna-se então: 
 
 (
 
)A hipótese anterior de um estado de isodeformação significa que
 (8)
e quando cada termo na Equação (7) é dividida pela sua respectiva deformação,
 (9)
Ainda, se as deformações do compósito, da matriz e da fibra forem todas elásticas, então c /c = Ec , m /m = Em e f /f = Ef onde E representa os módulos de elasticidade para as respectivas fases. A substituição na Equação (9) fornece uma expressão para o módulo de elasticidade de um compósito fibroso contínuo e alinhado na direção de alinhamento (ou direção longitudinal), Ecl, e assim,
 (10a)
 ou
 (10b)
uma vez que o compósito consiste somente nas fases matriz e fibra; isto é, Vm + Vf = 1.
Dessa forma, Ecl é igual à média ponderada da fração volumétrica dos módulos de elasticidade das fases fibra e matriz. Outras propriedades, incluindo densidade, também apresentam essa dependência em relação às frações volumétricas. A Equação (10a) representa o análogo da Equação (1), o limite superior para compósitos reforçados por partícula. Também pode ser também mostrado, para carregamento longitudinal, que a razão entre a suportada pelas fibras e a carga suportada pela matriz é de
 (11)
3.3.3 – Comportamento Elástico – Carregamento Transversal
Um compósito de fibras contínuas e orientadas pode ser carregado na direção transversal; isto é, a carga pode ser aplicada segundo um ângulo de 90º em relação à direção do alinhamento das fibras, conforme está mostrado na Fig. 8a. Para esta situação, a tensão segundo à qual o compósito em ambas as fases estão exposto é a mesma, ou seja 
 (12)
isso é conhecido por estado de isotensão. Ainda, a deformação da totalidade do compósito, c, é de (13)
porém, uma vez que = / E,
 (14) 
onde Ecl representa o módulo de elasticidade na direção transversal. Agora, dividindo toda a expressão por , tem-se
 (15)
que se reduz para
 (16)
A Equação (16) é análoga à expressão para o limite inferior para os compósitos particulados, Equação (2).
3.3.4 – Limite de Resistência à Tração Longitudinal
Vamos agora considerar as características de resistência dos compósitos reforçados com fibras contínuas e alinhadas que são submetidos à aplicação de uma carga na direção longitudinal. Sob essas circunstâncias, a resistência é normalmente tomada como sendo a tensão máxima na curva tensão-deformação, Fig. 9b. Com freqüência, esse ponto corresponde à fratura da fibra e marca o surgimento da falha do compósito. A Tabela 1 lista valores típicos para o limite de resistência à tração longitudinal de três compósitos fibrosos comuns. A falha deste tipo de material compósito é um processo relativamente complexo, e várias modalidades de falhas diferentes são possíveis. A modalidade que opera para um compósito específico dependerá das propriedades dos compósitos das fases fibra e matriz, bem como da natureza e da força da ligação interfacial entre a fibra e a matriz.
Se admitirmos que *f <*m (Fig. 9a), o que é o caso mais geral, então as fibras irão falhar antes da matriz. E, uma vez que as fibras tenham fraturado, a maior parte da carga que era suportada pelas fibras será agora transferida para a matriz. Sendo este o caso, é possível adaptar a expressão para a tensão neste tipo de compósito, Equação (7), à seguinte expressão para a resistência longitudinal do compósito, *cl:
(17)
Aqui o ’m representa a tensão da matriz no momento em que ocorre a falha da fibra (como está ilustrado na Fig. 9a) e, como anteriormente, ’f representa o limite de resistência à tração da fibra.
3.3.5 – Limite de Resistência à Tração Transversal
As resistências de compósitos fibrosos contínuos e unidirecionais dão altamente anisotrópicas, e tais compósitos são projetados normalmente para serem carregados ao longo da direção longitudinal, de alta resistência. Entretanto, durante as aplicações em condições de serviço, cargas de tração transversais também podem estar presentes. Sob essas circunstâncias, podem ocorrer falhas prematuras, uma vez que o limite de resistência à tração na direção transversal em geral é extremamente baixo (ele é algumas vezes mais baixo do que o limite da resistência à tração da matriz). Dessa forma, na realidade, o efeito de reforço introduzido pelas fibras é um efeito negativo. Os limites de resistência a tração transversal típicos para três compósitos unidirecionais estão apresentados na Tabela 1.
Enquanto a resistência longitudinal é dominada pela resistência da fibra, vários fatores terão influência significativa sobre a resistência transversal; dentre eles estão propriedades tanto da fibra quanto da matriz, a resistência da ligação fibra-matriz e a presença de vazios. Os métodos que estão sendo empregados para melhorar a resistência transversal desses compósitos envolvem geralmente a modificação das propriedades da matriz. 
3.4 – Compósitos com Fibras Descontínuas e Alinhadas
Embora a eficiência de reforço seja menor para as fibras descontínuas do que para as fibras contínuas, os compósitos com fibras descontínuas e alinhadas (Fig. 8b) estão se tornando cada vez mais importantes no mercado comercial. Fibras de vidro picadas são os reforços desse tipo usados com maior freqüência; contudo, fibras descontínuas de carbono e aramidas também são empregadas. Esses compósitos com fibras curtas podem ser produzidos com módulo de elasticidade e limites de resistência a tração que se aproximam de 90% e 50%, respectivamente, dos seus análogos com fibras contínuas.
Para um compósito com fibras descontínuas e alinhadas, com uma distribuição uniforme das fibras, e onde l > lc, a resistência longitudinal (*cd) é dada pela relação
 (18)
onde *f e 'm representam, respectivamente, a resistência à fratura da fibra e a tensão na matriz quando o compósito falha (Fig. 9a).
Se o comprimento da fibra for menor do que o comprimento crítico (l < lc), então, a resistência longitudinal do compósito (*cd’) é dada pela expressão
 (19)
onde d é o diâmetro da fibra e c é o menor valor entre a resistência da ligação fibra-matriz e o limite de escoamento cisalhante da matriz.
3.5 – Compósitos com Fibras Descontínuas e Aleatoriamente Orientadas
Normalmente, quando a orientação da fibra é aleatória,são usadas fibras curtas e descontínuas; o reforço deste tipo é demonstrado esquematicamente na Fig. 8c. Sob essas circunstâncias, pode ser utilizada uma expressão de "regra de misturas" para o módulo de elasticidade, semelhante à Equação (10a), com a seguinte forma:
 (20)
Nessa expressão, K é um parâmetro de eficiência de fibra, o qual depende de Vf e da razão Ef /Em. Obviamente, sua magnitude será menor do que a unidade, geralmente na faixa entre 0,1 a 0,6. Dessa forma, para um reforço com fibras aleatórias (da mesma forma como para as fibras orientadas), o módulo aumenta de acordo com uma dada proporção da fração volumétrica de fibra. A Tabela 2, que fornece algumas das propriedades mecânicas dos policarbonatos, tanto não-reforçados como aqueles reforçados com fibras de vidro descontínuas e aleatoriamente, dá uma idéia da magnitude do reforço que é possível obter.
Para resumir, então, os compósitos fibrosos alinhados são inerentemente anisotrópicos, no sentido de que a resistência e o reforço máximos são obtidos ao longo da direção do alinhamento (longitudinal). Na direção transversal, o reforço com fibras é virtualmente inexistente: a fratura ocorre normalmente em níveis de tração relativamente baixos. Para outras orientações de tensão, a resistência do compósito se encontra entre esses extremos. As eficiências dos reforços com fibras para várias situações estão apresentadas na Tabela 3; essa eficiência é tomada como sendo igual à unidade para o caso de um compósito com fibras orientadas e tensão na direção do alinhamento, e igual a zero em uma direção perpendicular a essa.
As aplicações que envolvem tensões aplicadas totalmente multidirecionais utilizam normalmente fibras descontínuas, que estão orientadas de maneira aleatória no material da matriz. A Tabela 3 mostra que a eficiência de reforço é apenas um quinto da eficiência de um compósito alinhado na direção longitudinal; contudo, as características mecânicas são isotrópicas.
A consideração em relação à orientação e comprimento de fibra para um compósito particular dependerá do nível e da natureza da tensão aplicada, bem como do custo de fabricação. As taxas de produção para compósitos com fibras curtas (tanto os alinhados como os com orientação aleatória) são rápidas, e formas complexas podem ser moldadas, as quais não são possíveis quando se utiliza um reforço com fibras contínuas. Ademais, os custos de fabricação são consideravelmente menores do que para fibras contínuas e alinhadas; as técnicas de fabricação aplicadas para materiais compósitos com fibras curtas incluem a moldagem por compressão, injeção e extrusão.
4 – Tipos de Compósitos
4.1 – A Fase Fibra
Uma característica importante da maioria dos materiais, especialmente aqueles que são frágeis, é que uma fibra com menor diâmetro é muito mais forte e resistente do que o material bruto. A probabilidade de haver presente um defeito crítico de superfície que seja capaz de levar a uma fratura diminui com uma redução do volume da amostra, e essa característica é usada com vantagem nos compósitos reforçados com fibras. Ainda, os materiais usados como fibras de reforço possuem elevados limites de resistências à tração.
Em relação ao diâmetro e a natureza, as fibras são agrupadas em três classificações diferentes: uísqueres, fibras e arames. Os uísqueres consistem em monocristais muito finos que possuem razões comprimento-diâmetro extremamente grandes. Como uma conseqüência de suas pequenas dimensões, eles possuem um elevado grau de perfeição cristalina e são virtualmente isentos de defeitos, o que é responsável pelas suas resistências excepcionalmente elevadas; eles são os materiais mais resistentes que se conhece. A pesar destas altas resistências, os uísqueres não são amplamente utilizados como meio de reforço, pois são extremamente caros. Além disso, é difícil e freqüentemente impraticável incorporar uísqueres no interior de uma matriz. Os materiais de uísquer compreendem a grafita, o carbeto de silício, nitreto de silício e óxido de alumínio; algumas características mecânicas desses materiais são dadas na Tabela 4.
Os materiais que são classificados como fibras são materiais policristalinos ou amorfos, e possuem diâmetros pequenos; os materiais fibrosos são geralmente tanto polímeros ou cerâmicas (por exemplo, as aramidas poliméricas, o vidro, o carbono, o boro, o óxido de alumínio e o carbeto de silício). A Tabela 4 também apresenta alguns dados para uns poucos materiais que são usados na forma de fibra.
Os arames finos possuem diâmetros relativamente grandes; dentre os materiais típicos que compões essa classe estão incluídos o aço, o molibdênio e o tungstênio. Os arames são utilizados como reforço radial de aço nos pneus de automóveis, nas carcaçasde motores a jato enrolados com filamentos, e em mangueiras de alta pressão enroladas com arame.
4.2 – A Fase Matriz
A fase matriz de compósitos
com fibras pode ser feita a partir de metais, polímeros e cerâmicas. Em geral, os metais e os polímeros são usados como materiais da matriz, pois é desejável alguma ductilidade; no caso com compósitos com matriz à base de cerâmica, o componente de reforço é adicionado para melhorar a tenacidade à fratura. 
No caso dos compósitos reforçados por fibras, a fase matriz serve para várias funções. Em primeiro lugar, ela liga as fibras umas às outras e atua como o meio através do qual uma tensão aplicada externamente é transmitida e distribuída para as fibras: apenas uma proporção muito pequena da carga aplicada é suportada pela fase matriz. 
Além disso, o material da matriz deve ser dúctil. E ainda, o módulo de elasticidade da fibra deve ser muito maior do que o apresentado pela matriz. A segunda função da matriz é de proteger as fibras individuais contra danos superficiais, como resultado de abrasão mecânica ou de reações químicas com o ambiente. Tais interações podem introduzir defeitos de superfície capazes de formar trincas, as quais podem levar a falhas mesmo sob baixos níveis de tensão ou tração., Finalmente, a matriz serve para as fibras umas das outras e, em virtude da sua relativa moleza e plasticidade, previne a propagação de trincas frágeis de uma fibra para outra, o que, por sua vez, poderia resultar em uma falha catastrófica; em outras palavras, a fase matriz serve como uma barreira contra a propagação de trincas. Embora alguma das fibras individuais possam eventualmente falhar, a fratura total do compósito não irá ocorrer até que um número de fibras adjacentes, uma vez tenham falhado, forme um aglomerado com dimensões críticas.
É essencial que as forças de ligação adesiva entre a fibra e a matriz sejam grandes, com o objetivo de minimizar a extração de fibras. De fato, a força de ligação é uma consideração importante na escolha de uma combinação matriz-fibra. A resistência final do compósito depende em grande parte da magnitude dessa ligação; uma ligação adequada é essencial para maximizar a transmitância da tensão de uma matriz fraca para as fibras mais fortes. 
5 – Compósitos com Matriz de Polímero
Os compósitos com matriz de polímero (PMC – Polymer-Matrix Composites) consistem em uma resina polimérica como a fase matriz e fibras como meio de reforço.
 Esses materiais são usados na mais ampla diversidade de aplicações dos compósitos, bem como nas maiores quantidades, em vista de suas propriedades, à temperatura ambiente, de sua facilidade de fabricação e de seu custo.
5.1 – Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibra de Vidro (GRFP – Glass Fiber-Reinforced Polymer)
A fibra de vidro é simplesmente um compósito que consiste em fibras de vidro, contínuas ou descontínuas, contidas no interior de uma matriz polimérica; esse tipo de compósito é produzido nas maiores quantidades. A composição do vidro que é mais comumente estirado em forma de fibras (algumas vezes chamado de vidro-E, ou E-glass) está apresentado na Tabela 1; os diâmetros da fibras variam normalmente entre 3 e 20 m. O vidro é um popular como um material de reforço com fibras por diversas razões:
1. É facilmente estirado na forma de fibras de alta resistência a partir de seu estado fundido.
2. É um material amplamente disponível e pode ser fabricado economicamente para formar um plástico reforçado com vidro, empregando-se uma ampla variedade de técnicas de fabricação de materiais compósitos.
3. Como uma fibra, é relativamente forte, e quando se encontra no interior de uma matriz de plástico, produz um compósito que possui resistência específica muito alta.
4. Quando associado com diferentes plásticos, ele possui uma inércia química que torna o compósito útil para aplicação em meio a uma variedade de ambientes de corrosivos.
As características de superfície das fibras de vidro são extremamente importantes, pois mesmo diminutos defeitos de superficie podem afetar de maneira negativa as propriedades de tração. Defeitos de superfícies são facilmente introduzidos pelo atrito ou abrasão da superfície com um outro material duro. Ainda, as superfícies de vidro que foram expostas à atmosfera normal mesmo que durante apenas curtos períodos de tempo, geralmente possuem uma camada de superfície enfraquecida que interfere na ligação com a matriz. As fibras que acabam de ser estiradas são geralmente revestidas durante a etapa de estiramento com uma “capa”, ou seja, uma fina camada de uma substância que protege a superfície da fibra contra danos e interações ambientais indesejáveis. 
Essa “capa” é normalmente removida antes da fabricação do compósito, sendo substituída por um “agente de acoplamento” ou acabamento, que promove melhor ligação entre a fibra e a matriz.
Existem várias limitações a esse grupo de materiais. Apesar de possuírem resistências elevadas, eles não são muito rígidos e não exibem a rigidez necessária para algumas aplicações (por exemplo, como membros estruturais para aviões e pontes). A maioria dos materiais em fibra de vidro está limitada para aplicações com temperaturas de serviço abaixo de 200ºC (400ºF); a temperaturas mais altas, a maioria dos polímeros começa a escoar ou a se deteriorar. As temperaturas de serviço podem ser estendidas até aproximadamente 300ºC (575ºF) pelo uso de sílica fundida de alta pureza para as fibras, e de polímeros de alta temperatura tais como as resinas poli-imidas.
Muitas aplicações das fibras de vidro são familiares: carcaças de meios de transporte automotivos e marítimos, tubulações de plásticos, recipientes para armazenamento e pisos industriais. As indústrias de transporte estão utilizando quantidades cada vez maiores de plásticos reforçados com fibras de vidro em um esforço para reduzir o peso dos veículos e aumentar eficiências dos combustíveis. Muitas novas aplicações ocorrendo ou se encontram atualmente sob investigação pela indústria automotiva.
5.2 – Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibra de Carbono (CRFP – Carbon Fiber-Reinforced Polymer)
O carbono pé um material de fibra de alto desempenho e o reforço mais comumente utilizado em compósitos avançados com matriz polimérica (isto é, que não contêm fibra de vidro). As razões para tal qual são as seguintes:
1. As fibras de carbono possuem maiores módulos específicos e as maiores resistências específicas dentre todos os materiais fibrosos de reforço.
2. Elas retêm seus elevados módulos de tração e suas grandes resistências mesmo a temperaturas elevadas, no entanto, pode ser um problema.
3. Á temperatura ambiente, as fibras de carbono não são afetadas pela umidade ou pela ampla variedade de solventes, ácidos e bases.
4. Essas fibras exibem múltiplas características físicas e mecânicas, permitindo que os compósitos que incorporam essas fibras possuam propriedades especificamente engenheiradas.
5. Foram desenvolvidos processos de fabricação para as fibras e os compósitos que são relativamente baratos e de boa relação custo-benefício.
O uso do termo “fibra de carbono” pode parecer surpreendente, uma vez que o carbono é um elemento e, a forma estável do carbono cristalino nas condições ambientes é a grafita. 
As fibras de carbono não são totalmente cristalina, mas são compostas por regiões grafíticas e regiões não-cristalinas; essas áreas de não-cristalinidade estão desprovidas do arranjo ordenado tridimensional de redes hexagonais de carbono que é característico da grafita.
As técnicas fabricação para produção de fibras de carbono são relativamente complexas e não serão discutidas. Contudo, três materiais precursores orgânicos diferentes são utilizados; eles são o raiom, poliacrilonitrila (PAN) e o piche. A técnica de processamento varia de acordo com o precursor, da mesma forma como irão variar as características da fibra resultante.
Um esquema de classificação para as fibras de carbono é feito de acordo com o módulo de tração; com base nisto, as quatro classes são as de módulo padrão, intermediário, alto e ultra-alto. Ainda, os diâmetros das fibras variam normalmente entre 4 e 10 m; as formas contínua e picada estão disponíveis.
Além disso, as fibras de carbono são revestidas normalmente com uma “capa” protetora de epóxi, que também melhora a adesão com a matriz de polímero.
Atualmente, os compósitos poliméricos reforçados com carbono estão sendo largamente empregados em equipamentos esportivos e de recreação (varas de pescar, tacos de golfe), em carcaças de motores a jato enroladas com filamento, em vasos de pressão e em componentes estruturais de aeronaves, tanto militares como comerciais, com asas fixas e em helicópteros (por exemplo, como componente da asa,da fuselagem, do estabilizador e da pá do leme).
5.3 – Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras Aramidas
As fibras aramidas são materiais de alta resistência e com alto módulo que foram introduzidas no final da década de 1970. Eles são especialmente desejáveis devido as suas excepcionais relações resistência-peso, que são superiores aquelas apresentadas pelos metais. Quimicamente, esse grupo de materiais é conhecido como poli-parafenileno-tereftalamida. Existe uma variedade de materiais aramidas; os nomes comerciais para dois dos mais comuns desses materiais são Kevlar e Nomex. Para o primeiro existem várias classes (quais sejam kevlar 29, 49 e 149), que apresentam diferentes comportamentos mecânicos. 
Durante a síntese, as moléculas rígidas são alinhadas na direção do eixo das fibras, como domínios de cristal líquido; a química do mero e modo de alinhamento da cadeia estão representados na Fig. 10.
Fig. 10 - Representações esquemáticas das estruturas do mero e da cadeia para as fibras de aramidas (kevlar). O alinhamento das cadeias com a direção das fibras e as ligações de hidrogênio que se formam entre as cadeias adjacentes também são mostradas.
Mecanicamente, essas fibras possuem módulos de tração e limites de resistência à tração longitudinal (Tabela 4) que são maiores do que os de outros materiais fibrosos poliméricos;entretanto, eles são relativamente fracos quando submetidos a compressão. Além disso, esse material é conhecido pela sua tenacidade, resistência ao impacto e resistência a fluência e a falha por fadiga. Embora as aramidas sejam termoplásticos, elas são, todavia, resistentes a combustão e estáveis até temperaturas relativamente elevadas; a faixa de temperatura ao longo da qual eles se mantêm as suas elevadas propriedades mecânicas se situa entre -200 e 200ºC (-330 e 390ºF). Quimicamente, eles são suscetíveis a degradação por ácidos e bases fortes, mas são relativamente inertes frente a outros solventes e produtos químicos.
As fibras de aramidas são utilizadas mais freqüentemente em compósitos que possuem matrizes poliméricas; materiais comuns para matrizes são os epóxis e o poliésteres. Uma vez que as fibras são relativamente flexíveis e de certa forma dúcteis, esses materiais podem ser processados de acordo com as operações têxteis mais comuns. As aplicações típicas desses compósitos aramidas incluem produtos balísticos (coletas à prova de balas), artigos esportivos, pneus, cordas, carcaças de mísseis, vasos de pressão, como substituto para o amianto em freios automotivos e em revestimentos de embreagens, e gaxetas.
As propriedades dos compósitos com matriz epóxi, reforçados com fibras contínuas e alinhadas de vidro, carbono e aramidas estão incluídas na Tabela 5. Dessa forma pode ser feita uma comparação entre as características mecânicas desses três materiais, tanto para a direção longitudinal como para a direção transversal.
5.4 – Outros Materiais para Reforço com Fibras
O vidro, o carbono e as aramidas são reforços com fibras mais comuns incorporados em matrizes poliméricas. No entanto, outros materiais fibrosos usados em menor intensidade são o boro, o carbeto de silício e o óxido de alumínio; os módulos de tração, limites de resistência à tração, resistências específicas, e módulos específicos desses materiais quando na forma de fibras estão incluídas na Tabela 4. Os compósitos poliméricos reforçados com fibras de boro, tem sido utilizadas em componentes de aeronaves militares, em lâminas de rotores de helicópteros e em alguns artigos esportivos. As fibras em carbeto de silício e de alumina são utilizadas em raquetes de tênis, em placas de circuitos, e nos cones das extremidades dos foguetes.
5.5 – Materiais de Matrizes Poliméricas
Freqüentemente a matriz determina a máxima temperatura de serviço, uma vez que ela normalmente amolece, se funde ou se degrada a uma temperatura muito mais baixa do que a fibra de reforço.
As resinas poliméricas mais amplamente utilizadas e mais barata são os poliésteres e os vinis estéreis; esses materiais de matrizes são usados principalmente para compor os compósitos reforçados com fibras de vidro. Um grande número de formulações de resinas proporcionam uma ampla variedade de propriedades para esses polímeros. Os epóxi são mais caros e, além das aplicações comerciais, também são muitos utilizados em PMC para aplicações aeroespaciais; eles possuem melhores propriedades mecânicas e melhor resistência a umidade do que os poliésteres e as resinas vinílicas. Para aplicações a altas temperaturas, são empregadas as resinas poli-imidas; seu limite superior de temperatura para utilização em regime contínuo é de aproximadamente 230ºC (450ºF). Finalmente, as resinas termoplásticas para altas temperaturas oferecem o potencial para serem usadas em futuras aplicações aeroespaciais; tais materiais incluem a poliéter-éter-cetona (PEEK – Polyetheretherketone), o sulfeto de polifenileno (PPS – Polyphenylene Sulfide), e a polieterimida (PEI – Polyetherimide).
6 – Compósitos com Matriz Metálica
Como o próprio nome indica, nos compósitos com matriz metálica (MMC – Metal-Matrix Composite), a matriz é um metal dúctil. Esses materiais podem ser utilizados a temperaturas de serviço mais elevadas do que seus metais-bases análogos. Além do mais, o reforço pode melhorar a rigidez específica, a resistência específica, a resistência a abrasão, a resistência a fluência, a condutividade térmica e a estabilidade dimensional. 
Algumas das vantagens desses materiais em relação aos compósitos com matriz a base de polímeros são maiores temperaturas operacionais, a sua não-inflamabilidade e a maior resistência contra a degradação por fluídos orgânicos. Os compósitos com matriz metálicas são muitos mais caros do que os PMC e, portanto, o uso dos MMC é um tanto restrito.
As superligas, bem como as ligas de alumínio, magnésio, titânio e cobre, são empregadas como materiais de matriz. O reforço pode ser na forma de particulado, de fibras tanto contínuas como descontínuas e de uísqueres; as concentrações variam normalmente entre 10 e 60% vol. Os materiais das fibras contínuas incluem o carbono, o carbeto de silício, o boro, a alumina e os metais refratários. Por outro lado, os reforços descontínuos consistem principalmente em uísqueres de carbeto de silício, fibras picadas de alumina e de carbono, e particulados de carbeto de silício e alumina. Em certo sentido, os cermetos se enquadram dentro dessa classificação de MMC. Na Tabela 6 estão apresentadas as propriedades de diversos compósitos com matrizes metálicas e reforçados com fibras contínuas e alinhadas mais comumente utilizados.
Algumas combinações de reforço de matriz são altamente reativas a temperaturas elevada. Conseqüentemente, a degradação do compósito pode ser causada pelo processamento a altas temperaturas ou ao se sujeitar o MMC a temperaturas elevadas durante seu regime de serviço. Esse problema é resolvido comumente ou pela aplicação de um revestimento superficial de proteção ao reforço ou pela modificação da composição da liga da matriz.
Normalmente, o processamento MMC envolve pelo menos duas etapas: consolidação ou síntese (isto é, introdução do reforço no interior da matriz), seguida por uma operação de modelagem. Uma gama de técnicas de consolidação está disponível, algumas das quais relativamente sofisticadas; os MMC com fibras descontínuas são suscetíveis a modelagem através de operações padrões de conformação de metais (por exemplo, forjamento, extrusão e
laminação).
Recentemente, alguns dos fabricantes de automóveis introduziram componentes de motores que consistem em uma matriz em liga de alumínio reforçada com fibras de alumina e de carbono; esse MMC é leve em peso e resiste ao desgaste e a distorção térmica. As aplicações estruturais aeroespaciais incluem compósitos avançados com matriz metálica em liga de alumínio; fibras de boro são usadas como reforços para ônibus espaciais (Space Shuttle), e fibras contínuas de grafita são usadas para o telescópio espacial Hubble.
As propriedades de fluência e ruptura a altas temperaturas apresentadas por alguma superligas (ligas a base de Ni e Co) podem ser melhoradas através de um reforço com fibras, usando metais refratários tais como o tungstênio. 
Também são mantidas uma excelente resistência a oxidação a altas temperaturas e um excelente resistência ao impacto. Os projetos que incorporam esses compósitos permitem maiores temperaturas de operação e melhores eficiências para motores a turbina.
7 – Compósitos com Matriz Cerâmica
Os materiais cerâmicos são inerentemente resilientes a oxidação e a deteriorização a temperaturas elevadas. Não fosse pela predisposição desses materiais a fratura frágil, alguns seriam candidatos ideais para usos em aplicações a altas temperaturas e sob severas condições de tensão, especialmente para componentes em motores de turbina a gás para automóveis e aeronaves. Os valores da tenacidade a fratura para os materiais cerâmicos são baixos, e ficam em geral entre 1 e 5 Mpa m (0,9 e 4,5 ksi pol.). Em contraste, os valores de klc para a maioria dos metais são muito mais altos (entre 15 e mais do que 150 MPa m [entre 14 e > 140 ksi pol.]).
A tenacidade a fratura das cerâmicas tem sido melhoradas significativamente pelo desenvolvimento de uma nova geração de compósitos com matriz cerâmica (CMC – Ceramic-Matrix Composites) – particulados, fibras ou uísqueres de um material cerâmico que se encontram embutidos no interior de uma matriz de outro material cerâmico. Os materiais compósitos com matriz cerâmica possuem maiores tenacidade a fratura aproximadamente 6 e 20 MPa m (5,5 e 18 ksi pol.).
Essencialmente, essa melhoria nas propriedades de fratura resulta das interações entre as trincas que avançam e as partículas da fase dispersa. A iniciação das trincas ocorre normalmente com a fase matriz, enquanto a sua propagação é obstruída ou retardada pelas partículas, fibras ou uísqueres. Diversas técnicas são utilizadas para retardar a propagação das trincas.
Uma técnica do aumento de tenacidade particularmente interessante e promissora emprega uma transformação de fases para obstruir a propagação de trincas e é apropriadamente chamada de aumento de tenacidade por transformação. Pequenas partículas de zircônia parcialmente estabilizadas são dispersas no interior do material da matriz, freqüentemente Al2O3 ou a própria ZrO2. Tipicamente CaO, MgO, Y2O3 e CeO são usados como estabilizadores. A estabilização parcial permite a manutenção da fase tetragonal metaestável em condições ambientes, em vez da fase monoclínica estável; estas duas fases estão destacadas no diagrama de fases ZrO2-ZrCaO3.
O campo de tensões em frente de uma trinca que se propaga faz com que essas partículas tetragonais mantidas metaestavelmente sofram transformações para a fase monoclínica estável. Acompanhando essa transformação há um ligeiro aumento no volume da partícula, e o resultado global é que são estabelecidas tensões compressivas sobre as superfícies da trinca nas regiões próximas a sua extremidade, as quais tendem a estrangular e a fechar a trinca, dessa forma obstruindo o seu crescimento. 
Demonstração esquemática do aumento da tenacidade por transformação. (a) Uma trinca antes da indução da transformação das fases das partículas de ZrO2, (b) Obstrução da trinca devido a transformação de fases induzidas pela tensão.
Outras técnicas de aumento de sua tenacidade desenvolvidas recentemente envolvem a utilização de uísqueres cerâmicos, com freqüência SiC ou Si3N4. Esses uísqueres podem inibir a propagação de trinca pela (1) deflexão das pontas das trincas, (2) formação de pontes através das faces das trincas, (3) absorção de energia durante a extração a medida que os uísqueres se desligam e se separam da matriz, e/ou (4) indução de uma redistribuição das tensões em regiões adjacentes as pontas das trincas.
Em geral, o aumento do teor de fibras melhora a resistência e a tenacidade a fratura; isso está demonstrado na Tabela 7 para a alumina reforçada com uísquer. Há, ainda, uma redução considerável na dispersão das resistências a fratura das cerâmicas reforçadas com uísquer em comparação aos seus análogos sem reforço. Além disso, esses CMC exibem melhor comportamento em fluência a altas temperaturas e maior resistência a choques térmicos (isto é, falhas resultantes de mudanças repentinas de temperatura).
	Os compósitos com matriz cerâmica podem ser fabricados utilizando-se estampagem a quente, estampagem isostática a quente e técnicas de sinterização na fase líquida. Em relação as aplicações, as aluminas reforçadas com uísqueres de SiC estão sendo utilizadas como enxertos em ferramentas de corte para a usinagem de ligas metálicas duras. A vida útil das ferramentas feita com esses materiais é maior do que a das ferramentas feitas com carbetos cimentados.
	
8 – Compósitos Carbono-Carbono
Um dos materiais mais avançados e promissores em engenharia é o compósito feito a partir de uma matriz de carbono e um reforço com fibras de carbono, conhecido freqüentemente por compósito carbono-carbono; como o próprio nome indica, tanto o reforço como a matriz, são feitos em carbono. Esses materiais são relativamente novos e caros e, portanto, não são muitos utilizados no momento. Suas melhores propriedades são altos módulos de tração, limites de resistência a tração que são mantidos até temperaturas superiores a 2000ºC (3630ºF), resistência a fluência e valores de tenacidade a fratura relativamente alto. Acrescente-se que os compósitos carbono-carbono possuem baixos coeficientes de expansão térmica, além de condutividades térmicas relativamente altas; essas características, somadas a altas resistências, dão origem a uma suscetibilidade relativamente baixa ao choque térmico. A sua principal desvantagem é uma propensão a oxidação quando são submetidas a altas temperaturas.
Os compósitos carbono-carbono são empregado em motores de foguetes, como materiais de atrito em aeronaves e automóveis de alto desempenho para moldes em estampagem a quente, em comportamentos para motores de turbina avançados e como escudos térmicos em veículos espaciais de reentrada na atmosfera.
A razão principal, para esses materiais compósitos, sejam tão caros são as técnicas de processamento relativamente complexas empregadas para a sua fabricação. Os procedimentos preliminares são semelhantes aos usados para os compósitos com matriz polimérica e fibra de carbono. Isto é, as fibras contínuas de carbono são produzidas de acordo com o padrão bidimensional ou tridimensional desejado; essas fibras são então impregnadas com uma resina polimérica líquida, freqüentemente uma resina fenólica; a peça de trabalho é em seguida conformada de acordo com o seu formato final desejado, e a resina é deixada em repouso para curar. 
Neste instante, a reina da matriz é pirolisada, isto é, convertida em carbono através do aquecimento em meio a uma atmosfera inerte. Durante a pirólise, os componentes moleculares que consistiam em oxigênio, hidrogênio e nitrogênio são eliminados, deixando para traz grandes cadeias de moléculas de carbono. Tratamentos térmicos subseqüentes a temperaturas mais altas fazem com que essa matriz de carbono fique mais densa, assim aumentando em resistência. O compósito resultante, então, consiste nas fibras originais de carbono, que se mantiveram essencialmente inalteradas e se encontram encerradas no interior dessa matriz de carbono pirolisado.
9 – Compósitos Híbridos
Um compósito reforçado com fibra relativamente novo é o do tipo híbrido,
obtido pelo uso de dois ou mais tipos de fibras diferentes no interior de uma única matriz. Os híbridos possuem uma melhor combinação global de propriedades do que os compósitos que contém somente um único tipo de fibra. São utilizadas varias combinações de fibras e de materiais para a matriz, mas no sistema mais comum tanto fibras de carbono como fibras de vidro são incorporadas no interior de uma resina polimérica. As fibras de carbono são fortes e relativamente rígidas e proporcionam um reforço de baixa densidade; contudo, elas são caras. As fibras de vidro são baratas, mas carecem da rigidez do carbono. O híbrido vidro-carbono é mais forte e mais resistente, possui maior resistência ao impacto e pode ser produzido, a um custo menor do que os plásticos comparáveis feitos totalmente a partir de reforço com fibras de carbono ou totalmente a partir de reforço com fibras de vidro.
Existem várias maneiras segundo as quais as duas fibras podem ser combinadas e que, ao final, afetam as propriedades globais do material. Por exemplo, as fibras podem estar todas alinhadas e intimamente misturadas umas as outras; ou podem ser construídas laminados que consistam em camadas superpostas, sendo cada uma composta por um único tipo de fibra, onde as fibras de um tipo se alternam com as fibras de outro tipo. Em virtualmente todos os híbridos, as propriedades são anisotrópicas.
Quando compósitos híbridos são tensionados em tração, a falha é geralmente não-catastrófica (isto é, não ocorrem repentinamente). As fibras de carbono são as primeiras a falhar, no momento em que a carga é transferida para as fibras de vidro. Com a falha das fibras de vidro, a fase matriz deve suportar a carga aplicada. Falha final do compósito coincide com a fase da matriz.
As principais aplicações para compósitos híbridos são a fabricação dos componentes estruturais de transporte terrestres, aquáticos e aéreos, artigos esportivos, e componentes ortopédicos leves.
10- Processamento de Compósitos Reforçados com Fibra
Para fabricar os plásticos reforçados com fibras contínuas que atendam a determinadas especificações de projeto, as fibras devem estar distribuídas uniformemente no interior da matriz plástica e, na maioria dos casos, também devem estar orientadas virtualmente na mesma direção.
10.1 – Pultrusão
A pultrusão é usada para a fabricação de componentes que possuem comprimentos contínuos e um formato de seção reta constante (isto é, barras, tubos, vigas, etc.). Com essa técnica, que está ilustrada esquematicamente na Fig. 12, as mechas, ou cabos,de fibras são em primeiro impregnados com uma resina termofixa; estas são a então estiradas através de um molde de aço que pré-conforma a peça de acordo com a forma desejada, além de estabelecer a razão resina/fibra. O material passa então através de um molde de cura que é usado com precisão, de modo a conferir sua forma final; esse molde também é aquecido com o objetivo de dar inicio ao processo de cura da matriz de resina. Um dispositivo de puxar estira o material através dos moldes e também determina a velocidade de produção. Seções tubulares e ocas se tornam possíveis pelo uso de mandris centrais ou pela inserção de núcleos ocos. 
Os principais reforços são as fibras de vidro, carbono e aramidas, que são adicionados normalmente em concentrações entre 40 e 70% vol. Os materiais comumente utilizados como matrizes incluem os poliésteres, os ésteres vinílicos e resinas epoxi.
A pultrusão é um processo contínuo que pode ser facilmente automatizado; as taxas de produção são relativamente altas, o que torna esse processo muito eficaz em termos de custo. Ainda mais, é possível uma ampla variedade de formas, e não existe realmente qualquer limite prático ao comprimento do material que pode ser fabricado.
10.2 – Processos de Produção Prepreg
Prepreg é o termo utilizado pela indústria dos compósitos para representar reforços com fibras contínuas pré-impregnadas com uma resina polimérica apenas parcialmente curada. Este material é enviado para o fabricante na forma de uma fita, que molda diretamente e cura por completo o produto sem haver a necessidade de adicionar qualquer resina. Esta é provavelmente a forma de material compósito mais amplamente utilizado para aplicações estruturais.
O processo prepreg, que está representado esquematicamente para polímeros termofixos na Fig. 13, começa pela colimação de uma série de mechas de fibras contínuas enroladas em uma bobina. Essas mechas são então laminadas em sanduiches e prensadas entre folhas de papel de liberação de suporte utilizando rolos aquecidos, em um processo conhecido por calandragem. A folha de papel de liberação é revestida com uma fina película de solução de resina aquecida, com viscosidade relativamente baixa, de modo tal a proporcionar a completa impregnação das fibras. Uma lâmina cirúrgica (bisturi) espalha a resina para formar uma película com espessura e largura uniforme. O produto final prepreg (a fita delgada que consiste em fibras contínuas e alinhadas que se encontram inseridas em uma resina parcialmente curada) é preparado para embalagem sendo enrolado em uma bobina de papelão.Como está mostrado na Fig. 13, a folha de papel de liberação é removida na medida em que a fita impregnada é enrolada na bobina. 
As espessuras típicas para fita variam entre 0,08 e 0,25 mm (entre 3 x 10-3 e 10-2 pol.), as larguras das fitas variam entre 25 e 1525 mm (1 e 60 pol.), enquanto o teor de resina fica geralmente entre aproximadamente 35 e 45% em volume.
À temperatura ambiente, a matriz termofixa desenvolve as reações de cura; portanto, o prepreg é armazenado a uma temperatura 0ºC (32ºF) inferior. Ainda, o tempo em uso à temperatura ambiente (ou "out-time") deve ser minimizado. Se manuseadas da maneira apropriada, os prepreg de resina termofixa possuem um tempo de vida útil de pelo menos seis meses e geralmente um pouco mais do que isto.
Tanto resinas termoplásticas quanto resinas termofixas são utilizadas; fibras de carbono, vidro e aramidas são os reforços comumente utilizados.
O processo efetivo de fabricação começa com o descarregamento, ou seja, a colocação da fita prepreg sobre uma superfície trabalhada. Normalmente, várias de camadas são colocadas (após a remoção do papel de suporte) para proporcionar a espessura desejada. O arranjo da colocação das camadas pode ser unidirecional, porém com maior freqüência a orientação das fibras é alternada, de modo a produzir um laminado com camadas cruzadas ou com camadas em ângulo. A cura final é obtida pela aplicação simultânea de calor e de pressão.
O procedimento de descarregamento pode ser executado de forma totalmente manual (descarregamento manual), onde o operador tanto corta os comprimentos das fitas como também as posiciona sobre a superfície trabalhada de acordo com a orientação desejada. Alternativamente, os padrões da fita podem ser cortados à máquina, e então, colocados manualmente na posição. 
Os custos de fabricação podem ser reduzidos ainda mais pela automação da colocação e do posicionamento dos prepreg, além de outros procedimentos de fabricação (por exemplo, enrolamento de filamentos), o que elimina virtualmente a necessidade mão-de-obra. Esses métodos automatizados são essenciais para que muitas aplicações dos materiais compósitos sejam eficazes em termos de custo.
10.3 – Enrolamento de Filamento
Enrolamento de Filamento é um processo segundo o qual as fibras de reforço contínuas são posicionadas de maneira precisa e de acordo com num padrão prédeterminado para compor uma forma oca (geralmente cilíndrica). As fibras, na forma de fios individuais ou de mechas, são primeiramente alimentadas através de um banho de resina e em seguida enroladas continuamente ao redor de um mandril, em geral utilizando equipamentos de enrolamento automático (Fig. 14). 
Após ter sido aplicado o número apropriado de camadas, a cura é executada ou em um forno ou à temperatura ambiente, quando então o mandril é removido. Como uma alternativa, prepregs estreitos e delgados (isto é, impregnadas), com 10