Materiais copósitos - tecidos, pré formas, compósitos sanduíche, processamento docx

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Disciplina: Materiais compósitos
4ª. LISTA DE EXERCÍCIOS (2020/02)
1) Os tecidos são amplamente utilizados no desenvolvimento de compósitos.
Explique os fatores que devem ser considerados na escolha de um tecido e de
que forma estes fatores podem afetar as propriedades finais de compósitos
estruturais.
A fração volumétrica das fibras, bem como a porosidade da estrutura e orientação
dos fios afetam a permeabilidade da matriz. Se o contato das fibras e da matriz não for
efetivo, o compósito terá seu desempenho mecânico afetado negativamente. A orientação
do entrelaçamento implica na isotropia do material, de forma que, em determinadas
direções, ele poderá possuir melhor desempenho quando solicitado do que em outras.
Devem também ser levados em consideração os limites de deformação geométricos do
projeto e a intensidade do entrelaçamento das fibras, uma vez que estes fatores estão
relacionados com a integridade estrutural e design do tecido.
2) Faça uma análise comparativa em relação à resistência e moldabilidade de
tecidos biaxiais e triaxiais.
Os tecidos triaxiais possuem maior isotropia, o que confere propriedades mais
uniformes em três direções, o que diminui, também, a propensão à falha em moldes 3D.
Além disso, essa característica faz com que a deformação seja melhor distribuída,
resultando em maior estabilidade quando submetidos a esforços de tração, em todas as
direções.
3) O que são pré-formas? Quais as vantagens da utilização das mesmas?
São estruturas de fibras multidirecionais com geometria definida, prontas para
serem impregnadas com a matriz para o desenvolvimento de compósitos, ou seja, são
basicamente tecidos com geometria 3D ou 4D pré definida. Esta estrutura elimina pontos
de começo e fim, que podem comprometer a estrutura; possui também propriedades mais
isotrópicas, dada a possibilidade de reforço multiaxial e definição da espessura durante a
própria fabricação da peça; a delaminação e propagação de trincas nas pré-formas
também é dificultada, uma vez que as fibras multidirecionais atuam como obstáculos para
tal; reduz o custo de fabricação do compósito, uma vez que é tecida ou trançada na
geometria final da peça, eliminando diversas etapas adicionais; como as fibras são
tecidas/trançadas entre si, encontram-se em maior fração volumétrica, o que colabora para
maior resistência ao impacto e à compressão.
4) Considerando os mecanismos de adesão possíveis em compósitos poliméricos,
explique os dois mais comuns e mais efetivos.
5) Explique os fatores que afetam a natureza de adesão carga/matriz em um
compósito?
Para que os carregamentos mecânicos aos quais o compósito é exposto sejam
sejam transferidos efetivamente da matriz para a fibra, é necessária que haja uma boa
adesão da interface. Esta interação depende das afinidades químicas entre os
componentes (conformação molecular e composição química, por exemplo, possibilitam
que haja formação de ligação secundária entre a matriz e a carga,interdifusão atômica e
atração eletrostática, que são três mecanismos de adesão química), difusividade da matriz
(que, por sua vez, depende da porosidade entre as cargas; esta difusão precisa ser
efetiva para que a matriz alcance toda a carga); rugosidade da superfície da carga (quanto
mais rugosa for, maior será o ancoramento mecânico entre os componentes, que auxiliará
na adesão); além disso, a viscosidade da matriz também não deve ser muito alta, caso
contrário, não ocorre molhabilidade;
6) Explique o que é a molhabilidade, como pode ser determinada e sua importância
em compósitos.
Por definição, molhabilidade é a extensão na qual um líquido se espalha na
superfície sólida, isto é, o espalhamento da matriz sobre a superfície da carga. Para saber
se um compósito terá boa molhabilidade ou não, é necessário que a tensão superficial do
reforço seja maior que a da matriz. A molhabilidade está diretamente relacionada com a
adesão interfacial, sendo assim, se a molhabilidade for ruim, a adesão interfacial está
comprometida e, consequentemente, as propriedades do compósito também, já que a
matriz não poderá transmitir os esforços para a carga de maneira efetiva.
7) Quais as principais alterações causadas nas cargas decorrente do tratamento
superficial.
8) Comparando-se compósitos com matriz polimérica contendo fibras sem
tratamento e tratados com agente silano, quais são as alterações mais comuns
observadas em termos de adesão, resistência interfacial e propriedades
mecânicas.
Os silanos são utilizados nas fibras como agentes de acoplamento, de forma que
promovem maiores níveis de tensão interfacial através do aumento do grau de
molhamento e formação de ligações primárias: o grupo sílico funcional da molécula reage
com os grupos presentes na superfície da fibra, enquanto o grupo organofuncional
interage (ou forma ligações) com o polímero, melhorando a adesão na interface. Como
atuam como “pontes” que ligam a fibra à carga, quando utilizados, aumentam a
molhabilidade, bem como adesão interfacial e, por consequência, a transferência de
tensões da matriz para a carga, o que aumenta a resistência à tração, bem como a tensão
de cisalhamento interlamelar do compósito, além de dificultar a difusão de água e outros
fluidos, que poderiam se acumular nas interfaces e comprometer ainda mais a estrutura
do compósito.
9) O que são estruturas sanduíches? Cite exemplos de materiais que podem ser
utilizados como núcleo e face.
Os compósitos sanduíche são materiais estruturais, projetados com o intuito de
obter rigidez e resistência elevadas combinados com baixa densidade. Para isso, são
utilizadas duas lâminas externas, separadas por um núcleo mais espesso. As lâminas
geralmente são produzidas por ligas de alumínio, titânio, aço, polímeros reforçados com
fibras ou madeira compensada, enquanto o núcleo pode ser produzido de espumas
poliméricas rígidas (PU, PVC), madeira balsa ou estruturas do tipo colméia ou corrugado,
produzidas normalmente por ligas de alumínio, carbono ou aramida.
10)Explique o comportamento de uma estrutura sanduíche quando esta for submetida
à flexão.
Quando exposto à flexão, um componente deforma-se devido à tração e à
compressão simultaneamente. Por conta disso, para que um compósito sanduíche tenha
bom desempenho quando submetido à flexão, a face onde o carregamento está sendo
aplicado deve ser resistente à compressão e a outra face resistente à tração. A parte
central do núcleo é a que sofrerá maior nível de deformação.
11)Quais são as características das estruturas com núcleo colmeia? Quais os
principais materiais utilizados como núcleo?
O núcleo colméia consiste em folhas moldadas no formato de células hexagonais
interligadas, com eixo perpendicular ao plano das faces do painel. Estas estruturas são
utilizadas em aplicações estruturais por razões como redução de peso, maior resistência à
fadiga e resistência à propagação de som. Este núcleo geralmente é constituído por ligas
de alumínio, carbono ou aramida.
12)Quais as vantagens, desvantagens e principais aplicações das estruturas
sanduíche com núcleo colmeia?
13)Qual o principal objetivo do desenvolvimento de compósitos híbridos?
Os compósitos híbridos apresentam melhor combinação de propriedades do que os
compósitos com apenas uma carga, isto é, apresentam vantagens combinadas dos
componentes individuais e simultaneamente, são atenuadas suas qualidades menos
desejadas.
14)Explique quais os principais fatores que devem ser considerados na etapa de
projeto para desenvolvimento de um compósito.
Os principais fatores que devem ser considerados na etapa de projeto para o
desenvolvimento de um compósito são: avaliação do design da peça (pode ser que esteja
submetido a algum processo restrito, ou ainda que haja restrições quanto à geometria de
cargas), a precisão (em alguns processos, este controle dimensional é difícil, e, por isso,
deve-se escolher corretamente o método a ser utilizado), tamanho da peça (importante
para a decisão de processamento, pois, por exemplo, para peças grandes, não é
economicamente viávelutilizar moldes fechados), recobrimento de superfícies e qualidade
superficial.
A seleção de materiais é a etapa mais importante é na escolha deles que vão definir
muitas as propriedades finais do componente, características como uma boa interação na
interface é de grande importância. Quando se observa a matriz, devem ser levados em
consideração, também, o custo agregado e os tipos de processamento necessários.
Também é possível realizar uma análise da geometria e proporção das fases. Há diversas
de geometria de cargas, porém cada uma possui uma característica distinta, e com isso
propriedades. A fração destas, por sua vez, modifica sistematicamente as propriedades
finais do compósito. É importante avaliar corretamente para que não haja desperdício de
custos com estas cargas, que costumam ser mais caras que a matriz.
Por fim é decidido a forma de produção, como se dará o processo de manufatura do
compósito, sendo que há opções de processos para alta produção, e outro para baixa
produção. Já uma seleção inapropriada, o material resultante pode não apresentar as
propriedades previstas em projeto e pode requerer reparo frequente ou reposição, e em
casos extremos falhar, causando danos.
15)Deseja-se fabricar um banco para carro a partir de um compósito polimérico o qual
deverá conter fibras de vidro descontínuas. Considerando que deverão ser
fabricadas apenas 5 unidades deste componente, sugira qual o tipo de matriz
polimérica e o tipo de processo mais adequado a ser utilizada no desenvolvimento
deste componente? Justifique sua resposta.
Não é necessária uma estrutura de alta produção, sabendo que serão fabricadas
apenas 5 unidades do componente, por isso a melhor escolha é utilizar uma matriz
polimérica termofixa de resina epóxi ou poliéster, em que a cura acontece em temperatura
ambiente, não necessitando de elevadas temperatura e pressão, por isso o processo
empregado é o de moldagem manual. Outra vantagem é a boa adesão com a fibra
escolhida, assim esses fatores atendem as exigências da peça, tornando o processo mais
adequado e de baixo custo.
16)Para o desenvolvimento de compósitos com matrizes poliméricas termoplásticas a
partir da moldagem por extrusão, cargas com qualquer geometria podem ser
utilizadas? Justifique sua resposta.
Não, as cargas que podem ser utilizadas são fibras curtas ou partículas. Essa
limitação é devido à dificuldade de impregnação das cargas em matrizes termoplásticas.
Também a viscosidade de termoplástico é alta e isso dificulta a homogeneização da fase
dispersa. Além disso, durante o processo de extrusão, pode ser que as fibras contínuas se
rompam, e, com isso, comprometam as propriedades finais desejadas para o compósito.
17)Explique qual o tipo de rosca mais apropriado para ser utilizado no processamento
de compósitos por extrusão.
O mais indicado é se utilizar uma extrusora de dupla rosca, pois aumenta a
dispersão da carga, devido a maior taxa de cisalhamento, assim obtendo uma melhor
plastificação e homogeneização. Não são necessárias altas temperaturas de processo,
tem-se uma melhor precisão dimensional do produto, assim como uma maior
produtividade. No caso de rosca simples, a de dois estágios são mais eficientes, uma vez
que há a possibilidade de retirar voláteis e adicionar a segunda fase com a matriz já
fundida.
18)Na moldagem por injeção, como pode ocorrer o alinhamento das cargas fibrosas
durante o fluxo? Destaque a influência da taxa de cisalhamento.
O alinhamento das cargas fibrosas ocorre com mais eficiência através da mistura
prévia das fases. A rosca que atua como pistão é um agente cisalhante e durante o
cisalhamento é normal que haja uma orientação das cargas que possuem uma razão de
aspecto maior nas extremidades do canhão de extrusão, pois na extremidade a
viscosidade é menor e a as forças de cisalhamento maior, já no centro é observado cargas
menos orientadas ou aleatórias, com a viscosidade maior e menor taxa de cisalhamento.
19)Quais as etapas de processamento de um compósito via mistura por solução.
Explique a importância da dispersão da carga na solução polimérica.
Na 1º etapa é realizada a dispersão do polímero/carga em um solvente, em seguida
obtém-se gel inchado caso as moléculas do solvente interajam com as do polímero e então
é moldado em uma placa Petri e espera-se a evaporação do solvente.
É importante que haja uma semelhança química entre o polímero e o solvente. É
necessária a dispersão suficiente das cargas para que não formem aglomerados no
compósito final.
20)Cite as principais diferenças da moldagem manual e por aspersão.
O método consiste em um molde aberto, utilizado para resinas termofixas com
cargas, mantas, tecidos e pré-formas, sendo que fibras curtas ou partículas também podem
ser utilizadas. Suas características positivas do processo é ter flexibilidade de design,
permitindo a fabricação de peças com tamanhos grandes e geometrias complexas,
simplicidade de procedimento, sendo que o operador é facilmente treinado e envolve
pequeno investimento em equipamentos, sendo necessário um molde (macho ou fêmea)
com superfície lisa, que pode ser feito de madeira, metal, polímero, e produtos auxiliares
como pincéis, roletes, espátulas, bastões, etc.
Já a moldagem por aspersão traz algumas vantagens em relação a moldagem
manual, como por exemplo, o ciclo de produção foi reduzido, necessita de menos mão de
obra e possibilita a laminação de estruturas no campo de trabalho.
21)Explique os fatores que afetam a etapa de preenchimento do molde na moldagem
por transferência de resina.
A etapa de preenchimento é muito importante, pois falhas nesse processo pode
resultar em defeitos na peça ao ponto de descartar.
- A viscosidade é muito importante, pois define o quão “fácil” a resina vai se
espalhar pelo pré forma, recomenda-se de 0,1 a 0,5 Pa.s
- Molhabilidade ou permeabilidade da pré-forma.
- A geração de voláteis resulta em bolhas, vazios e porosidade.
- Tempo gel suficiente e tempo de cura altos, uma vez que a resina não pode
aumentar a viscosidade no meio do processo.
- Pressão de injeção, quando não é alta o suficiente o molde não fica
totalmente preenchido.
- O número de pontos injetores, assim como a localização deles, esse ponto é
importante, pois quanto mais pontos, menor a chance de defeitos.
22)O processo de enrolamento filamentar é mais adequado para obtenção de que tipo
de componentes?
O enrolamento filamentar ou bobinagem contínua é um processo pelo qual fibras
contínuas são posicionadas de uma maneira precisa, em um padrão predeterminado, para
gerar uma peça oca, geralmente cilíndrica e esférica, como por exemplo, reservatórios,
tanques de armazenamento, tubulações de alta pressão.
23)Explique o que é um pré-impregnado e como ele pode ser utilizado na fabricação
de um componente.
O pré-impregnado é um produto pronto para moldagem, formado por fibras
pré-impregnadas com resina polimérica termofixa parcialmente curada. Para fabricação de
um componente é inserido agente desmoldante no molde que será utilizado, então O
PREPEG é aplicado no molde, colocasse o número de camadas necessárias para atingir a
espessura desejada, em seguida é aplicada pressão para retirada do ar, depois calor para
efetuar a cura completa e por fim retira-se a peça.