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Cap. 17 - Compósitos Definição: Material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades dos materiais que o constitui. Obs: -Na prática.

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1 Cap Compósitos Definição: Material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades dos materiais que o constitui. Obs: -Na prática os constituintes devem ser quimicamente diferentes e separados por uma interface - Muitos compósitos são constituídos por apenas duas fases; matriz e fase dispersa liga metálica (perlita): -ferrita (Feα); dúctil e mole -cementita (Fe 3 C ); frágil e dura compósitos naturais: - osso; colágeno (proteína forte mas mole) e apatita (mineral duro porém frágil) -madeira; fibras de celulose (resistentes e flexíveis) envolvidas pela lignina (rígida) Exemplos: concreto: -matriz; cimento -fase dispersa; areia (enchimento) e brita cermets (cerâmica-metal), ex.: carbetos cimentados aplicação: ferramentas de corte de aços endurecidos matriz; metal (Co, Ni) fase dispersa; (WC, TiC) Disciplina: EET – 310 Princípio de Ciência dos Materiais (PCM)

2 Fatores que influem nas propriedades dos compósitos: propriedades das fases, quantidades relativas e geometria da fase dispersa (forma, tamanho, distribuição e orientação) Obs: Fração volumétrica; parâmetro que influencia nas propriedades mecânicas dos compósitos Classificação dos compósitos: Reforçados com patículas: - grandes; as interações não são em nível atômico ou molecular, são rígidas e restringem o movim. da matriz e, suportam parte da carga aplicada - por dispersão; partículas entre 0,01 e 0,1 µm que dificultam o movim de discord., restringindo a deform. plast. e melhorando a e o LRT e a H. Reforçados com fibras; tecnologicamente são os mais importantes para alta resist. e/ou rigidez com baixo peso. Parâmetros considerados: -resistência específica (LRT / densidade relativa do material) -módulo específico (E / densidade relativa do material)

3 Obs: -As características mecânicas dos compósitos além das propr. das fibras também dependem da transferência de carga da matriz para as fibras. -É necessário um comprimento crítico da fibra (Lc) para aumentar a resistencia e rigidez do compósito. ex.: Lc = 1 mm e 20d < Lc < 150d para vários tipos de matriz com fibra de vidro ou C e L -fibras contínuas L > > Lc ( L > 15Lc). - fibras descontínuas (L < Lc); a matriz se deforma ao redor das fibras, não há transferencia de carga -as orientações, concentração e distribuição das fibras também influem nas propriedades

4 Comportamento Elástico – Carregamento Longitudinal: Ec = Em.Vm + Ef.Vf (eq a ) Ec = Em.(1-Vf) + Ef.Vf ( eq b ) ou uísqueres; monocristais (com elevada perfeição cristalina) com razão comprimento /diâmetro muito alta. São os materiais mais resistentes existentes e isentos de defeito. fibras: policristalinas ou amorfas com diâmetro relativamente pequenos. São geralmente polímeros (aramidas) ou cerâmicas (vidro, C, B, alumina) arames: tem diâmetro relativamente grandes. Incluem o aço, Mo e W Fibras: Obs: materiais frágeis na forma de são mais resistentes que os mesmos na forma de volume (< probab. de defeito crítico superficial produzir trinca) Classificação das fibras: Matriz: Pode ser metal, polímero ou cerâmico. Para aplicações que requerem ductilidade opta-se por metais ou polímeros Funções da matriz em compósitos reforçados com fibras: Meio de transmissão de carga. Proteção das fibras individuais contra danos superficiais (abrasão mecânica ou reações químicas com o meio. Separação das fibras para evitar a propagação de trincas.

5 Compósitos com Matriz Polimérica(PMC) reforçadas com: fibras de vidro, vantagens: (3µm < diâm. < 20µm) - alta resistência e facilm. estiradas do estado fundido -proporciona alta resist. específica no interior da matriz de plastico -inerte quimicamente junto com plástico( pode ser usada em ambientes corrosivos) - aplicações, ex: indústria de transporte para eficiência dos combustíveis fibras de C, vantagens: -maiores resist. espec. e mód. espec. dentre todos os mat. fibrosos -mantêm estas propr. em temperaturas elevadas (mas; problema de oxidação) - não são afetadas por umidade, vários solventes, ácidos e bases -custo relativam baixo dos seus compósitos - aplicações, ex: equipam. esportivos (tacos de golfe), componentes estruturais de aeronaves

6 Compósitos com Matriz Metálica (MMC): -utilizadas em > temperaturas que seus metal-base -tipos de reforços; partículas, fibras contínuas (C, SiC, alumina e metais refratários. - funções do reforço, melhorar: sua resist. espec., rigidez espec., resist à abrasão, resist. à fluência, condut. térm. e estabilidade dimensional. Vantagens dos MMC em relação aos PMC: -tem > resist. à degradação por fluidos orgânicos - podem ser usados em > temperaturas - não são inflamáveis fibras aramidas, vantagens: (nomes comerciais: Kevlar e nomex) -materiais com cuja realação resistência – peso superam às dos metais -seu LRT é > aos demais materiais poliméricos fibrosos - tem alta tenacidade, resist. ao impacto, à fluência e à fadiga ( mas fracas sob compressão - resistentes à combustão (embora termoplásticas) - embora susceptíveis à degradação por ácidos e bases fortes, são inertes a outros solventes e produtos químicos -aplicações; normalmente usadas com matriz de epóxi ou poliésteres, ex: produtos balísticos ( coletes à prova de balas

7 Algumas aplicações de MMC: - recente: componentes de motores de automóveis com matriz Al reforçada com fibras de alumina ( compósitos leves, resist. ao desgaste e à distorções térmicas - estruturais; matriz de Al reforçada com fibras de B para ônibus espaciais -espaciais; matriz de Al com fibras de grafita para o telescópio Hubble. Compósitos com Matriz Cerâmica (CMC): Obs: -Os materiais cerâmicos são mais resistentes à oxidação e deterioração em temperaturas elevadas, não fosse a sua fragilidade seriam ideais para aplicações nestas temperaturas e severas condições de Tensão como em motores de turbina a gás. Tem tenacidade a fratura (KIC) muito inferior à dos metais. -A KIC dos cerâmicos tem melhorado com a geração de CMC com partículas, fibras ou uísqueres de outro Cerâmico (a trinca iniciada na matriz é barrada ou retardada pela fase dispersa) Algumas vantagens dos CMC : -boa resist. à fluência à temperaturas elevadas - tem > resist. à choques térmicos Algumas aplicações de CMC: alumina reforçada com uísqueres de SiC usadas como enxerto em ferramentas de corte para usinagem de ligas metálicas duras (vida útil > do que ferramentas com carbetos cimentados ).

8 Compósitos estruturais: São compostos tanto por materiais homogêneos quanto por materiais cujas propriedades dependem da geometria dos seus constituintes (além das suas características individuais). -Tipos: Compósitos laminares : Folhas ou painéis bidimensionais empilhados e cimentados e, com uma direção preferencial de alta resistência.Ex.: madeira, plásticos reforçados com fibras contínuas e alinhadas. Painéis em sanduíche : Duas folhas externas (faces) mais resistentes separadas por material menos denso e menos rígido (recheio). -materiais típicos para as faces: ligas de Al, plásticos reforçados com fibras, Ti, aço e madeira compensada. -recheio: polímero em espuma, borracha sintética Obs: Outro recheio popular: estrutura em colméia (finas folhas intertravadas em formato hexagonal com eixos perpendiculares às faces. Aplicações: pisos, telhados, paredes de prédios, aeronaves ( asas, fuselagem e revestimento do leme horizontal)

9 Métodos de Processamento de Compósitos (reforçados com fibras) : Prepeg: mais utilizada para aplicações estruturais. As fibras contínuas são pré-impregnadas com resina polimérica parcialmente curada. Pultrusão: para componentes com comprimento contínuo e secção reta constante (barras, tubos, vigas) - matriz; poliéster, éster vinílico, resina epóxi -reforço: fibras de vidro, fibras de C e fibras aramidas

10 Enrolamento de filamento: As fibras são posicionadas em um padrão pré-determinado para obtenção de uma forma oca (em geral cilíndrica). Obs: - Esta técnica permite um elevado controle sobre a uniformidade e orientação dos enrolamentos -Vários padrões de enrolamento são possíveis; circunferencial, helicoidal e polar -São obtidas peças com altas razões entre resistência e peso.


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