Materiais compósitos

Tecnologias modernas exigem materiais com combinações incomuns de propriedades que não podem ser atendidas pelas ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos convencionais. Exemplo: Materiais com baixa densidade mas fortes e rígidos, resistentes à abrasão e ao impacto e que não corroam.

Material multifásico possuindo proporções significativas das propriedades de cada uma das fases conseguindo-se uma melhor combinação de propriedades. A madeira é um compósito natural: Fibra de celulose flexíveis e resistentes Lignina , resina mais rígida que mantém as fibras unidas

Características gerais de um compósito Um compósito industrial consiste em um material artificialmente multifásico onde as fases devem ser quimicamente diferentes, separadas por uma interface Logo todo material compósito apresenta duas fases: FASE MATRIZ: É contínua e envolve a fase dispersa FASE DISPERSA:

Propriedades de um compósito dependem: Propriedades das fases constituintes Das quantidades relativas das fases constituintes Da geometria da fase dispersa

Tipos de compósitos 3 tipos de compósitos Reforçados com partículas Reforçados com fibras Estrutural

Compósitos reforçados com partículas Características gerais: Em geral a fase particulada é mais dura e mais rígida que a matriz. A matriz transfere parte da tensão aplicada às partículas que suportam uma fração da carga Diâmetro das partículas de o,o1 μm até 0,1μm para dispersões com partículas pequenas.

Compósitos com partículas Concreto: Cimento-matriz Areia e brita- particulados Cermetos (metais + cerâmicas): WC + Co (micrografia ao lado) ou Ni TiC + Co ou Ni Dureza(cerâmico) + tenacidade(metal)

Compósito concreto: Cimento matriz, areia e brita particulados.

Compósitos com partículas Elastômeros e plásticos: São reforçados com partículas de NEGRO DE FUMO. NEGRO DE FUMO: Queima do gás natural ou óleo gera partículas de carbono que melhora a resistência, tenacidade e dureza dos polímeros Ex: Pneus

Compósitos reforçados com fibras Em geral deseja-se nesses materiais alta resistência, tenacidade e rigidez em relação ao seu peso.

Tipos de compósitos reforçados com fibras. Compósito reforçado com fibras: Continuo e alinhado (Fig. (a) ao lado) boa melhora na resistencia Descontínuo (curto) : Fibra curta pouca melhora na resistência. Alinhado (Fig. (b) ao lado) Orientado aleatoriamente (Fig. (c) ao lado)

Comportamento mecânico de um compósito reforçado com fibras Comportamento mecânico de um compósito reforçado com fibras. Curvas tensão- deformação

Exemplos de matrizes: Em geral metais ou polímeros, pois se deseja alguma dutilidade da matriz, e as fibras já são frágeis, mas pode ser cerâmicas também (matriz frágil e fibras frágeis) Exemplo de fibras: De vidro De carbono De aramida

Resistências à tração na direção longitudinal e transversal às fibras

Compósitos com matriz de polímero Com fibra de vidro: Diâmetro da fibra de 3 a 20 μm (pisos industriais recipientes para armazenamento tubulações) Com fibra de carbono: (equipamentos esportivos, componentes estruturais de aeronaves, Hélice de helicóptero) Com fibra de aramida: Nomes comerciais Kevlar e Nomex + epoxi ou poliester. (Cordas,coletes a prova de bala, carcaça de mísseis, substituição do amianto em freios, embreagem gaxetas etc)

Comparação entre as propriedades de um polímero sem e com o reforço de fibras de vidro

Comparação entre as propriedades de um polímero reforçado com 3 tipos de fibras: vidro, carbono e aramida

Compósitos de matriz metálica Resiste à temperaturas mais altas que com matriz polimérica. MATRIZ: Superligas: (a base de Niquel, Cobalto, Molibdênio. Ligas de alumínio Ligas de magnésio Ligas de titânio Ligas de cobre FIBRAS: (entre 10 e 60% em volume) DE CARBONO DE CARBETO DE SILÍCIO SiC. DE ALUMINA (PARTICULADOS EM GERAL)

Comparação entre as propriedades de vários compósitos metal- reforço de fibra

Compósitos carbono - carbono Um dos materiais mais avançados e promissores em engenharia é o compósito de MATRIZ DE CARBONO com reforço de FIBRA DE CARBONO. Grande resistência mecânica e a fluência alta tenacidade baixa expansão térmica e ótima condutividade térmica.

Processamento dos compósitos reforçados com fibras Pultrusão: Para produção de formatos de seção reta constante (barras tubos vigas). Mechas ou cabos de fibras são impregnados com uma resina termofixa, sendo então estirados através de um molde de aço aquecido. Passa na seqüência em um molde de cura aquecido que confere a peça sua forma final. Matrizes usuais: Poliésteres, ésteres vinílicos, resinas epoxi. Fibras usuais: De vidro , carbono, aramida

Processamento dos compósitos reforçados com fibras Prepreg: Processo mais utilizado para estruturas. Fibras contínuas pré-impregnadas com resina polimérica parcialmente curadas em espessuras de 0,08mm a 0,25 mm e larguras de 2,5 mm a 1525 mm. Esse material é enviado ao fabricante em forma de fita. Essa fita molda e cura por completo o produto sem a necessidade de adicionar qualquer resina adicional apenas com calor e pressão. Teor de resina: 35 a 45 % em vol. termofixa ou termoplástica. O prepreg deve ser mantido a 0 C pois a cura prosseguiria à temperatura ambiente Após a remoção do papel de suporte várias camadas são colocadas, em geral com as fibras cruzadas para se ter mesma resistência nos dois sentidos

Prepreg em fase final de fabricação

Processamento dos compósitos reforçados com fibras Enrolamento de filamento: Processo no qual as fibras de reforço contínuas são posicionadas segundo um padrão pré-determinado para compor uma forma oca geralmente cilíndrica Fios individuais ou em mechas são alimentados através de um banho de resinas e em seguida enroladas continuamente ao redor de um mandril (processo automático). Após um número apropriado de camadas a cura é executada em m forno ou a temperatura ambiente após a retirada do mandril. Como alternativa pode-se enrolar prepregs estreitos e delgados (até 10 mm) ao redor do mandril.

Compósitos estruturais Compósitos laminares: Folhas ou painéis bidimensionais são cimentados umas as outras invertendo a direção do alinhamento das fibras de cada placa Ex: Esqui moderno

Compósitos estruturais Painéis em forma de sanduíches: Duas folhas externas mais resistentes separadas por uma camada de metal menos denso. Folhas externas: madeira compensada, alumínio e ligas, plásticos + fibras, titânio aço. Recheio interno: Polímeros com espuma, borrachas sintéticas, colmeias. Ex: Asas e fuselagem de aeronaves telhados, pisos, paredes.