Aula Compósitos 2019 2

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Compósitos 
Mossoró, janeiro 2020 
 
• Os compósitos como uma classe de materiais distinta, se deu na metade 
do século XX, como por exemplo os polímeros reforçados com fibras de 
vidro. 
 
 
• A combinação de materiais diferentes resultou na identificação dos 
compósitos, como uma nova classe distinta dos metais, cerâmicas e 
polímeros. 
 
 
 
Introdução 
• Materiais com propriedades específicas são necessárias para aplicações de 
alta tecnologia, tais como nas indústrias aeroespacial, submarina, de 
bioengenharia e de transporte. 
 
 
• Exemplo: engenheiros aeronáuticos buscam materiais estruturais que 
apresentem baixas massas especificas, sejam resistentes, rígidos, que 
tenham resistência à abrasão e ao impacto e que não sejam corroídos com 
facilidade. 
 
 
Introdução 
 
De maneira geral, um compósito pode ser considerado como qualquer 
material multifásico que exibe uma proporção significativa de propriedades 
de ambas as fases constituintes, obtendo uma melhor combinação de 
propriedades. 
 
Introdução 
• Muitos materiais compósitos são constituídos por apenas duas fases: uma 
é denominada matriz, a qual é contínua e envolve a outra fase, 
denominada de fase dispersa. 
 
• As propriedades dos compósitos são função das propriedades das fases 
constituintes, das suas quantidades relativas e da geometria da fase 
dispersa. 
 
• Geometria da fase dispersa – deve ser considerados a forma, o tamanho, a 
distribuição e a orientação das partículas. 
Introdução 
Figura 1. Representações de várias 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) orientação 
Introdução 
Figura 2. Esqui moderno. Estrutura compósita relativamente complexa. 
Introdução 
Introdução 
Classificação 
Figura 3. Classificação para os vários tipos de compósitos 
 
• A fase dispersa nos compósitos reforçados com partículas é equiaxial, ou 
seja, as dimensões das partículas são aproximadamente as mesmas em 
todas as direções. 
 
 Os compósitos reforçados com partículas são subdivido em: 
 
a) Compósitos com partículas grandes; 
 
b) Compósitos reforçados por dispersão. 
 
Compósitos reforçados com partículas 
• Para compósitos com partículas grandes - o termo grande é utilizado para 
indicar que as interações partículas-matriz não podem ser tratadas ao 
nível atômico ou molecular. Para a maioria desses compósitos, a fase 
particulada é mais dura e mais rígida que a matriz. 
 
 
• Para os compósitos reforçados por dispersão - as partículas são em geral 
muito menores com diâmetros entre 0,01 µm e 0,1 µm (10 nm e 100 nm). 
As interações partícula-matriz que levam ao aumento da resistência 
ocorrem no nível atômico ou molecular. 
 
 
Compósitos reforçados com partículas 
• Alguns materiais poliméricos são na realidade compósitos com partículas 
grandes. As cargas modificam ou melhoram as propriedades do material 
e/ou substituem parte do volume do polímero com um material mais 
barato, a carga. 
 
 
• O concreto é um exemplo de compósito composto por cimento (matriz), 
areia e brita (os particulados). As partículas podem apresentar grande 
variedade de geometria, mas devem ter aproximadamente as mesmas 
dimensões em todas as direções (equiaxiais). 
 
Compósitos com partículas grandes 
• Para que o reforço seja efetivo, as partículas devem distribuídas de forma 
homogênea em toda a matriz. 
 
• A fração volumétrica das duas fases influencia o comportamento. As 
propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor de 
partículas. 
 
• Para um compósito bifásico, duas expressões matemáticas foram 
formuladas a fim de representar a dependência do módulo de elasticidade 
em relação a fração volumétrica das fases constituintes. 
Compósitos com partículas grandes 
Compósitos com partículas grandes 
Módulo de elasticidade superior 
Módulo de elasticidade inferior 
Onde: 
E – módulo de elasticidade; 
V – fração volumétrica 
c, m e p – representam as fases compósitos, matriz e particulada. 
Exemplos de compósitos 
 
Cermeto (compósitos cerâmica-metal) 
 
• O cermeto mais comum é o carbeto cimentado, composto por partículas 
extremamente duras de um carbeto cerâmico refratário, como o carbeto de 
tungstênio ou o carbeto de titânio dispersas em uma matriz de metal, como o 
cobalto ou o níquel. 
 
Compósitos com partículas grandes 
 
• Esses compostos são empregados como ferramentas de corte para aços 
endurecidos. As duras partículas de carbeto proporcionam a superfície do 
corte. 
 
 
• Tanto a fase matriz quanto a particulada são bastantes refratárias, para 
suportar as altas temperaturas geradas pela ação de corte sobre materiais 
extremamente duros. 
 
 
 
 
Compósitos com partículas grandes 
• Elastômeros e plásticos também são frequentemente reforçados com 
vários materiais particulados. 
 
• O emprego de muitas borrachas modernas ficaria restrito sem o reforço 
de materiais particulados, tal como o negro de fumo. 
Compósitos com partículas grandes 
Negro de fumo – consiste em partículas muito pequenas e esféricas de 
carbono. Quando adicionado à borracha vulcanizada, o negro de fumo 
melhora o limite de resistência à tração, tenacidade e resistência a ao 
rasgamento e a abrasão. 
• Os pneus de automóveis contêm cerca de 15 % v a 30 % v de negro de 
fumo. 
 
 
• Para que haja um reforço significativo, o tamanho das partículas de negro 
de fumo deve ser da ordem de diâmetros entre 20 nm e 50 nm. 
 
 
• Além disso, as partículas devem estar distribuídas de forma homogênea por 
toda a borracha. 
Compósitos com partículas grandes 
• Concreto de cimento portland - compósito comum com partículas 
grandes, em que as fases matriz e dispersa são materiais cerâmicos. 
 
 Componentes: 
 a) Cimento portland; 
 b) Agregado fino (areia); 
 c) Agregado graúdo (brita) 
 d) Água 
 
• As partículas dos agregados atuam como carga para reduzir o custo do 
concreto produzido. 
 
 
Compósitos com partículas grandes 
• Um empacotamento denso do agregado e um bom contato interfacial são 
obtidos empregando-se partículas com dois tamanhos diferentes. As 
partículas finas de areia devem preencher os espaços vazios entre as 
partículas de brita. A distribuição de tamanho dos agregados influencia na 
qualidade da pasta cimento-água. 
 
• Uma ligação completa entre o cimento e as partículas do agregado depende 
da adição da quantidade correta de água. Pouca água resulta numa ligação 
incompleta, enquanto água em excesso resulta em uma porosidade 
excessiva. Em ambos os casos a resistência final é inferior a ótima. 
 
 
Compósitos com partículas grandes 
 
• Tecnologicamente, os compósitos mais importantes são aqueles em que a 
fase dispersa esta na forma de uma fibra. Os objetivos de projetar 
compósitos reforçados com fibras incluem características como alta 
resistência e/ou rigidez em relação ao peso. Essas características são 
expressas em termos dos parâmetros resistência especifica e módulo 
especifico. 
 
 
• Compósitos reforçados com fibras com resistências e módulos específicos 
excepcionalmente elevados tem sido produzidos empregando materiais 
de baixo peso especifico tanto para a fibra quanto para a matriz. 
 
Compósitos reforçados com fibras 
 
• Os compósitos reforçados com fibras são subclassificados de acordo com o 
comprimento das fibras. 
 
 
• Para compósitos com fibras curtas, as fibras são demasiadamente curtas 
para produzir uma melhoria significativa na resistência. 
 
 
 
Compósitos reforçados com fibras 
Influência do comprimento da fibra 
 
• As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não 
dependem somente das propriedades da fibra, mas também do grau em 
que a carga é transmitidapara as fibras pela fase matriz. 
 
• A magnitude de ligação entre as fases fibra e matriz é importante para a 
extensão dessa transferência de carga. Sob a aplicação de tensão, essa 
ligação fibra-matriz cessa nas extremidades da fibra, ou seja, não existe 
nenhuma transmissão de carga pela matriz em cada uma das 
extremidades da fibra. 
 
 
Compósitos reforçados com fibras 
Compósitos reforçados com fibras 
Figura 4. Padrão de deformação na matriz ao redor de uma fibra que está 
submetida à aplicação de uma carga de tração. 
Influência do comprimento da fibra 
 
• Um certo comprimento crítico de fibra é necessário para que haja um 
aumento efetivo na resistência e na rigidez de um material compósito. 
 
 
• Esse comprimento crítico (l), depende do diâmetro da fibra (d) e da sua 
resistência máxima (ou limite de resistência a tração) ϱf, assim como da 
resistência da ligação fibra-matriz. 
Compósitos reforçados com fibras 
Influência do comprimento da fibra 
Influência da orientação e da concentração das fibras 
 
• O arranjo ou a orientação das fibras umas em relação às outras, a 
concentração das fibras e sua distribuição apresentam uma influência 
significativa sobre a resistência e outras propriedades dos compósitos 
reforçados com fibras. 
 
 
 
Compósitos reforçados com fibras 
Em relação à orientação, são possíveis dois extremos: 
 
 
 (a) Um alinhamento paralelo do eixo longitudinal das fibras em uma única 
direção; 
 
 
 (b) Um alinhamento totalmente aleatório 
 
 
• As melhores propriedades dos compósitos são obtidas quando a 
distribuição de fibras é uniforme. 
 
Compósitos reforçados com fibras 
Compósitos reforçados com fibras 
Figura 5. Representações de compósitos reforçados com fibras (a) Contínuas e 
alinhadas; (b) Descontínuas e alinhadas; (c) Descontínuas e aleatórias 
• Com base no diâmetro e na natureza, as fibras são agrupadas em três 
classificações: whiskers, fibras e arames. 
 
 
• Whiskers - monocristais muito finos com razões comprimento-diâmetro 
extremamente grandes. Como consequência de suas pequenas dimensões, eles 
apresentam alto grau de perfeição cristalina, apresentando resistências elevadas. 
Apesar de apresentar altas resistências, os whiskers não são muito utilizados 
como meio de reforço, pois são extremamente caros. 
 
A fase fibra 
• Fibras - podem ser tanto policristalinos quanto amorfos, e possuem 
diâmetros pequenos. Os materiais fibrosos são geralmente polímeros ou 
cerâmicas. 
 
• Exemplo: vidro, carbono, óxido de alumínio e carbeto de silício. 
 
 
• Arames - são utilizados como reforço de aço nos pneus de automóveis, 
nas carcaças de foguetes e em mangueiras de alta pressão. Materiais 
típicos incluem aço, molibdênio e tungstênio. 
A fase fibra 
• A fase matriz dos compósitos fibrosos pode ser metal, polímero ou 
cerâmica. Em geral, os metais e polímeros são empregados como matrizes, 
pois alguma ductilidade é desejável. Nos compósitos com matriz cerâmica, 
um componente de reforço é adicionado para melhorar a tenacidade à 
fratura. 
 
• Nos compósitos reforçados com fibras a fase matriz tem diversas funções. A 
primeira função da fase matriz é que ela liga as fibras umas as outras e atua 
como meio pelo qual uma tensão aplicada externamente é transmitida e 
distribuída para as fibras. 
 
A fase matriz 
• A segunda função da matriz é proteger as fibras individuais contra danos 
superficiais decorrentes da abrasão mecânica ou de reações químicas com 
o ambiente. Tais interações podem introduzir defeitos superficiais capazes 
de formar trincas que podem levar a falhas. 
 
 
• A terceira função é que a matriz separa as fibras umas das outras, 
prevenindo a propagação de trincas de uma fibra para outra. A fase matriz 
serve como uma barreira a propagação de trincas. 
A fase matriz 
• Os compósitos com matriz polimérica consistem em uma resina 
polimérica como a fase matriz, com fibras como o meio de reforço. Esses 
materiais são usados em diversas aplicações dos compósitos, devido a sua 
facilidade de fabricação e do seu custo. 
 
 
Exemplos: Compósitos poliméricos reforçados com fibra de vidro 
• Consistem em fibras de vidro, contínua ou descontínuas, contidas em uma 
matriz polimérica. O vidro é um material popular utilizado como reforço 
na forma de fibra. 
 
 
Compósitos com matriz polimérica 
Razões para utilização do vidro: 
 
a) O vidro é estirado com facilidade em fibras de alta resistência a partir do 
seu estado fundido; 
 
b) Material facilmente disponível e pode ser utilizado economicamente em 
um plástico reforçado com vidro; 
 
c) Como uma fibra ele é resistente e, quando incorporado em uma matriz de 
plástico, produz um compósito com resistência muito alta. 
 
Compósitos com matriz polimérica 
Compósitos poliméricos reforçados com fibra de vidro 
 
• Existem algumas limitações para esse grupo. Apesar de apresentarem 
resistências elevadas, eles não exibem a rigidez necessária para algumas 
aplicações. Exemplo: como elementos estruturais para aviões e pontes. 
 
• A maioria dos materiais em fibra de vidro esta limitada a temperatura de 
serviços abaixo de 200 °C. Em temperaturas mais altas a maioria dos 
polímeros começa a escoar ou deteriorar. 
 
 
Compósitos com matriz polimérica 
Aplicações das fibras de vidros 
 
• Carrocerias de automóveis; 
 
• Cascos de barcos; 
 
• Tubulações de plástico; 
 
• As industrias de transporte estão usando quantidades cada vez maiores de 
plástico reforçado com fibras de vidro, com o objetivo de reduzir o peso 
dos veículos e aumentar a eficiência dos combustíveis. 
 
 
 
 
Compósitos com matriz polimérica 
 
• Os materiais cerâmicos são resistentes à oxidação e à deterioração em 
temperaturas elevadas; 
 
 
• Não fosse a predisposição desses materiais à fratura frágil, alguns seriam 
candidatos ideais para uso em aplicações a altas temperaturas e sob 
tensões severas, especificamente em componentes de motores de 
automóveis e de turbinas aeronáuticas a gás. 
 
Compósitos com matriz cerâmica 
• Os valores de tenacidade à fratura dos materiais cerâmicos são baixo. A 
tenacidade à fratura das cerâmicas tem sido melhoradas pelo 
desenvolvimento de uma nova geração de compósitos com matriz 
cerâmica. Em geral, o aumento do teor de fibras melhora a resistência e 
tenacidade à fratura. 
 
 
• Os compósitos com matriz cerâmica exibem melhor comportamento à 
fluência em temperatura elevadas e maior resistência a choques térmicos 
(falhas resultantes da mudança repentina de temperatura). 
Compósitos com matriz cerâmica 
• São obtidos utilizando-se dois ou mais tipos de fibras diferentes em uma 
única matriz. Os compósitos híbridos apresentam uma melhor 
combinação geral de propriedades que os compósitos que contêm apenas 
um único tipo de fibra. 
 
• Uma das combinações mais comuns são as fibras de carbono e de vidro 
que são incorporadas em uma resina polimérica. 
 
• As fibras de carbono são resistentes e rígidas e proporcionam um reforço 
de baixa massa específica, no entanto elas são caras. 
Compósitos híbridos 
• O híbrido vidro-carbono é mais resistente e tenaz, tem maior resistência 
ao impacto e pode ser produzido a um custo menor. 
 
Principais aplicações dos compósitos híbridos 
 
• Fabricação de componentes estruturais de baixo peso para transporte 
terrestres, aquáticos e aéreos, artigos esportivos e componentes 
ortopédicos de baixo peso. 
 
 
Compósitos híbridos