Baixe Materiais Compósitos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Produção, somente na Docsity!
Materiais Compósitos
Material composto ou compósito é aquele que é resultado da combinação de dois ou mais materiais distintos no que diz respeito suas propriedades físicas. O objetivo desse tipo de combinação heterogênea é a obtenção das características de seus componentes, para que apresente melhor desempenho estrutural em condições específicas de uso.
Em relação a estrutura dos compósitos, os materiais que podem compor esse tipo de material, podem ser classificados em dois tipos: matriz e reforço.
- Matriz: esse tipo, é o que confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas.
- Reforço: os materiais reforços, também chamados de fase dispersa, são os que realçam propriedades mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo.
Pode ainda surgir uma sinergia entre materiais matriz e materiais reforços que resulte, no material compósito final, em propriedades não existentes nos materiais originais.
Exemplos de materiais reforços e matriz
- Materiais Reforços: fibras orgânicas (nylon, poliéster); fibra de vidro; de carbono; de boro; de titânio; fibras cerâmicas; de carbeto de silício; alumina; de quartzo; metálicas; fibra de madeira (serradura); de aramida; grafite e fibra de basalto.
- Materiais Matriz: matriz polimérica; metálica e cerâmica.
Classificação dos compósitos
Os compósitos classificam-se em três grupos, os quais são:
- Compósitos Fibrosos;
- Compósitos Laminados;
- Compósitos Particulados.
Compósitos Fibrosos
A história da utilização de compósitos reforçados com fibras como materiais de construção tem mais de 3.000 anos. Há exemplos do uso de palhas em tijolos de argila, mencionados no Êxodo, e crina de cavalo reforçando materiais cimentados. Outras
fibras naturais têm sido utilizadas para conferir ductilidade aos materiais de construção essencialmente frágeis (Illston,1994).
Contrastando com esses antigos materiais naturais, o desenvolvimento de polímeros nos últimos cem anos foi impulsionado pelo crescimento da indústria do petróleo. Desde 1930 o petróleo tem sido a principal fonte de matéria-prima para a fabricação de produtos químicos orgânicos, a partir dos quais são fabricados plásticos, fibras, borrachas e adesivos (Illston,1994).
Uma grande quantidade de polímeros, com variadas propriedades e formas, têm sido desenvolvidos desde 1955. Para Taylor (1994), os materiais baseados em cimento Portland são uma opção natural para a aplicação de materiais fibrosos à base de fibras poliméricas, uma vez que são baratos, mas apresentam problemas relativos a ductilidade, resistência ao impacto e capacidade de absorção de energia de deformação.
Segundo Johnston (1994), as fibras em uma matriz cimentada podem, em geral, ter dois efeitos importantes. Primeiro, elas tendem a reforçar o compósito sobre todos os modos de carregamento que induzem tensões de tração, isto é, retração restringida, tração direta ou na flexão e cisalhamento, e, secundariamente, elas melhoram a ductilidade e a tenacidade de uma matriz frágil. O desempenho dos compósitos reforçados com fibras é controlado principalmente pelo teor e pelo comprimento da fibra, pelas propriedades físicas da fibra e da matriz e pela aderência entre as duas fases (Hannant, 1994). Johnston (1994) acrescenta o efeito da orientação e distribuição da fibra na matriz. A orientação de uma fibra relativa ao plano de ruptura, ou fissura, influencia fortemente a sua habilidade em transmitir cargas. Uma fibra que se posiciona paralela ao plano de ruptura não tem efeito, enquanto que uma perpendicular tem efeito máximo. Taylor (1994) apresenta os principais parâmetros relacionados com o desempenho dos materiais compósitos cimentados, assumindo que as variações das propriedades descritas abaixo são atingidas independentemente :
- Teor de fibra: Um alto teor de fibras confere maior resistência pós-fissuração e menor dimensão das fissuras, desde que as fibras possam absorver as cargas adicionais causadas pela fissura;
- Módulo de elasticidade da fibra: Um alto valor do módulo de elasticidade causaria um efeito similar ao teor de fibra, mas, na prática, quanto maior o módulo maior a probabilidade de haver o arrancamento das fibras;
- Aderência entre a fibra e a matriz: As características de resistência, deformação e padrões de ruptura de uma grande variedade de compósitos cimentados reforçados com fibras dependem fundamentalmente da aderência fibra/matriz. Uma alta aderência entre a fibra e a matriz reduz o tamanho das fissuras e amplia sua distribuição pelo compósito;
- Resistência da fibra: Aumentando a resistência das fibras aumenta também a ductilidade do compósito, assumindo que não ocorre o rompimento das ligações de aderência. A resistência da fibra dependerá, na prática, das características pós-fissuração desejadas, bem como do teor de fibra e das propriedades de aderência fibra-matriz;
- Deformabilidade da fibra: A ductilidade pode ser aumentada com a utilização de fibras que apresentem alta deformação de ruptura. Isto se deve ao fato de
viscosidades dos produtos de elevado peso molecular. Os termoplásticos semicristalinos apresentam melhor resistência aos solventes, mas são geralmente frágeis e mais dificilmente processáveis. As resinas termoendurecíveis são muito mais utilizadas como matrizes de laminados compósitos, sobretudo as resinas de poliéster e de epóxido, estas últimas de melhores características. As propriedades mecânicas das resinas variam consideravelmente com a formulação e com os aditivos. A resistência à compressão é mais elevada que à tração.
Fabrico de laminados
O fabrico de laminados compósitos comporta geralmente 3 fases: A primeira consiste na obtenção do chamado pré impregnado, que é uma banda formada por feixes paralelos de fibras embebidos por alguma resina. Esta, sendo geralmente termoendurecível pelas razões acima expostas, está parcialmente curada, o suficiente para garantir a consistência e manuseabilidade necessárias, mas sem prejudicar a posterior consolidação. O tempo de vida útil para efeitos de armazenagem é assegurado por inibidores da cura. Numa segunda fase cortam-se do pré-impregnado as camadas que vão constituir o laminado, sendo para tal empilhadas num molde adequado. Finalmente há que proceder à conformação e consolidação. A moldação por autoclave é o processo que garante a melhor qualidade, possibilitando o fabrico de peças de grandes dimensões e de forma complexa. O autoclave é basicamente um reservatório cilíndrico no qual se podem gerar pressões até várias atmosferas. A circulação de gás interior proporciona o aquecimento da peça. Aplica-se também vácuo à peça, envolvida para tal por membranas estanques. Um conjunto de materiais auxiliares permite a remoção de voláteis e vazios, bem como a obtenção do teor de resina desejado. O empilhamento é colocado no molde, separado deste por um filme desmoldante não poroso. Em cima colocam-se sucessivamente um filme desmoldante poroso, uma camada para absorção de resina e um tecido homogeneizador de vácuo. Ao redor dos bordos colocam-se barreiras para impedir o fluxo lateral de resina. O conjunto é envolvido por uma membrana, dentro da qual é aplicado o vácuo. Os ciclos de vácuo, temperatura e pressão são escolhidos e controlados de maneira a proporcionar a qualidade desejada em termos de níveis de porosidade, teor de resina, espessura, entre outro. Um ciclo típico para pré impregnados de resinas termoendurecíveis tem as seguintes fases:
- Aplicação de vácuo e aumento da temperatura;
- Estágio a uma temperatura intermédia para permitir o fluxo de resina, ainda muito pouco curada;
- Aplicação de pressão e aumento da temperatura até valores finais máximos, que são mantidos durante 2 a 3 horas;
- Arrefecimento até à temperatura ambiente sendo mantida alguma pressão.
Características dos laminados
Obtém-se assim um laminado de excelentes propriedades mecânicas, sobretudo em relação à baixa densidade. A resistência e a rigidez na direção longitudinal (direção das fibras) são extremamente elevadas. As propriedades transversais e de corte são todavia bastante modestas, pois são em grande medida determinadas pela matriz. De
forma a evitar esta forte anisotropia, os laminados contêm quase sempre camadas de diferentes orientações. De fato, são inúmeras as possibilidades de fabrico de laminados, uma vez que é possível variar o número, o conjunto de orientações e a sequência de empilhamento das camadas que os constituem. Podem ainda fazer-se os chamados laminados híbridos, que contêm camadas de diferentes fibras. Há portanto um grande número de variáveis de projeto que permitem adaptar os laminados às solicitações a que estarão submetidos. Trata-se de uma importante vantagem dos laminados compósitos em relação aos tradicionais materiais isotrópicos.
Compósitos particulados
Compósitos com partículas grandes e compósitos reforçados por dispersão são duas subclassificações de compósitos reforçados com partículas. A distinção entre essas classificações se baseia no mecanismo de reforço e aumento de resistência mecânica. O termo "grande" é usado para indicar que as interações partícula-matriz não podem ser tratadas em níveis atômicos ou moleculares; em vez disso, a mecânica do contínuo deve ser empregada. Para muitos destes compósitos, a fase particulada é mais dura e rígida do que a matriz. Estas partículas de reforço tendem a restringir o movimento da fase matriz na vizinhança de cada partícula. Em essência, a matriz transfere alguma tensão aplicada às partículas, que suportam uma fração da carga. O grau de reforço ou melhoria do comportamento mecânico depende da forte ligação na interface matriz-partícula. Tipos comuns de compósitos de partículas grandes são materiais poliméricos aos quais enchedores foram adicionados e o concreto, composto de cimento (a matriz) e areia e cascalho (os particulados). Tipos comuns de compósitos de partículas grandes são materiais poliméricos aos quais enchedores foram adicionados e o concreto, composto de cimento (a matriz) e areia e cascalho (os particulados). Partículas podem ter uma boa variedade de geometrias, mas elas devem possuir aproximadamente a mesma dimensão em todas as direções e ser pequenas e igualmente distribuídas através de toda a matriz. Além disso, a fração de volume das duas fases influencia o comportamento, as propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor de particulados. Duas expressões matemáticas têm sido formuladas para a dependência do módulo elástico sobre a fração de volume das fases constituintes para um compósito bifásico. Estas equações de regra de mistura preveem que o módulo elástico deveria cair entre um limite superior representado por Ec = EmV (^) m + EpV (^) p e um limite inferior E (^) c = (EmE (^) p) / (V (^) mEp + VpE (^) m). Nestas expressões, E e V denotam o módulo elástico e a fração volumétrica, respectivamente, enquanto que os subscritos c, m e p representam as fases compósito, matriz e particulado. Compósitos de partícula grande são utilizados com todos os três tipos de materiais – metais, polímeros e cerâmicas. Segue alguns exemplos com suas respectivas características:
- Os cermetos são exemplos de compósitos cerâmica-metal. Estes compósitos são utilizados extensivamente como ferramentas de corte de aços duros. A tenacidade é melhorada pela sua inclusão na matriz do metal dúctil, que isola as partículas de cerâmica entre si e previne a propagação de trincas. As fases tanto matriz quanto particulada são bastante refratárias, para suportar as altas temperaturas geradas pela ação de corte sobre materiais que são extremamente duros.
Fibra de Carbono
A fibra de carbono é um compósito filamentoso, obtido a partir de vários tipos de materiais compostos de carbono através da decomposição térmica sem oxigenação, também conhecida como pirólise, contendo pequenas quantidades de materiais inseridos em sua estrutura, como resinas por exemplo. Em virtude de sua resistência e baixa densidade é utilizada na fabricação naves espaciais, na indústria, de automóveis, e em equipamentos empregados em técnicas eletro analíticas. Confere resistência a plásticos, e estruturas na construção civil. Uma característica importante na utilização dessa fibra é fundamental: ela não sofre corrosão, talvez seja esse a maior vantagem desta sobre os metais, que por vez ou outra sofrem oxidação. Relatos de pesquisadores afirmam ser Thomas Edison, o inventor da lâmpada, quem obteve em primeira mão esse material, pela decomposição térmica de algodão, no ano de 1878, para obter filamentos para suas lâmpadas incandescentes. A exploração comercial da fibra de carbono iniciou-se no ano de 1950, quando se utilizou primeiramente “rayon”, porém concluiu-se que este material produzia pouco carbono, estendendo assim o campo de pesquisa ao redor de materiais, chegando ao poliacrilonitrila e piche de petróleo, sendo atualmente utilizados como material primordial na obtenção dos filamentos, em função de sua alta taxa de carbono. O aperfeiçoamento deste material ocorreu no decorrer da década de 60, quando Japão e Inglaterra empregaram o poliacrilonitrila (PAN), na produção desta fibra. Hoje a fibra de carbono detém uma abrangência sobre bens de consumo, sendo utilizados em celulares, sapatos, móveis, eletrodomésticos, artefato de uso médico, esportivo e odontológico, está presente em praticamente todos os bens de consumo em todo mundo, o que fatalmente aumenta a demanda pelo material, aumentado sua produção e exigindo de pesquisadores novas técnicas na fabricação e é lógico, diminuindo o custo. O algodão é uma excelente fonte de carbono em virtude de sua composição ser basicamente celulose, apresenta uma razoável quantidade de carbono, visto que as fibras de carbono contêm cerca de 90 a 91%, do elemento. Porém existem materiais sintéticos e naturais mais viáveis e de custo mais baixo. O processo de Fabricação em função do material pode variar:
- oxidação do material em torno de 200ºC;
- carbonização do material a 1000ºC a 2000ºC em atmosfera inerte; Obviamente este é um rápido exemplo de um processo, mas existem outros que foram desenvolvidos de acordo com o material a ser utilizado, como estiramento das fibras diante do calor em meio oxidante ou ainda onde o material é submetido à deposição e eletrodeposição de outros elementos, com objetivo de aumentar sua resistência. As estruturas dessa fibra sofrem diversas variações desde a sua descoberta, muitos pesquisadores vem tentando determinar uma estrutura conveniente. Para descrevê-la, porém, a maioria desses grupos de cientistas tem concluído que a estrutura depende do material utilizado para a carbonização. Existem duas teorias a esse respeito formuladas, sendo a primeira enunciando uma fibra formada pelo empilhamento de fitas carbônicas e uma segunda enuncia a formação por meio de microfibras que são a união de diversos conjuntos de fitas de carbono, sendo este modelo mais aceito e adequado para explicação das fibras em função de sua resistência mecânica, térmica e a tensão. As fibras carbono apresentam grupos funcionais em sua superfície, possibilitando seu uso como condutor eletrolítico; os grupos vão desde ácidos carboxílicos a aromáticos.
A classificação das fibras de carbono é bastante peculiar ao material, a partir do qual são obtidas. Sendo elas os tipos I - Alto módulo II – Médio Módulo e III - Baixo Módulo. Os tipos são convenientemente explicados através da tabela abaixo.
Tipo Propriedades e Características I-Alto módulo Obtidas a partir do PAN e do piche mesofase, apresentam resistência mecânica e a tensão, usada principalmente na indústria de autos, e na pesquisa eletroanalítica. II- Médio Módulo Obtidas principalmente a partir do PAN, resistência a tensão, baixa Massa específica, utilizada comumente na indústria aeroespacial, carros de corrida e na construção civil. III- Baixo Módulo Obtenção a partir do rayon e piche isotrópico apresentam resistência mais baixa principalmente à mecânica, densidade um pouco mais elevada, é utilizada como enchimento de plásticos e como aditivo de concreto, custo baixo.
Recentemente na Alemanha cientistas têm empregado o laser infravermelho na fabricação de fibras de carbono ao invés de submeter as ligas a fornos com alto gasto de energia. Este promissor instrumento permitirá a rápida e barata obtenção do material, sem que haja inconvenientes como a formação de deformidades decorrente de bolhas ocasionadas pelo manuseio do material em presença de ar, que terminam por reduzir a resistência. Esta nova tecnologia promete fabricar fibras até 100 vezes mais resistentes do que o aço, evidentemente bem mais leves. Entre as principais propriedades das fibras de carbono estão: elevada resistência à tração, módulo de elasticidade extremamente elevado, baixa massa específica, boa resistência elétrica e térmica, além de inércia química, exceto quanto à oxidação.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO DO SUL
http://scholar.google.com.br/scholar?hl=pt-BR&q=materiais+compósitos&btnG=&lr=
http://www.periodicos.capes.gov.br/?
option=com_pmetabusca&mn=88&smn=88&type=m&metalib=aHR0cDovL2NhcGVz
LW1ldGFsaWJwbHVzLmhvc3RlZC5leGxpYnJpc2dyb3VwLmNvbS9wcmltb19saWJy
YXJ5L2xpYndlYi9hY3Rpb24vc2VhcmNoLmRvP2RzY250PTAmZnJiZz0mc2NwLnN
jcHM9cHJpbW9fY2VudHJhbF9tdWx0aXBsZV9mZSZ0YWI9ZGVmYXVsdF90YWI
mY3Q9c2VhcmNoJm1vZGU9QmFzaWMmZHVtPXRydWUmaW5keD0xJmZuPXNl
YXJjaCZ2aWQ9Q0FQRVM%3D&buscaRapidaTermo=materiais+comp%C3%B3sitos
&x=-596&y=-
http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40421999000400018&script=sci_arttext.
