UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA
CURSO DE ENGENHARIA MECNIA
ALONSO PINHO RIBEIRO
BRUNO TURMINA GUEDES
FBIO JOS DE CAMARGO
GREGORI PICOLOTTO CONTERATO
COMPSITOS REFORADOS COM PARTCULAS E COMPSITOS
REFORADOS COM FIBRAS
TRABALHO DE PESQUISA
PATO BRANCO
2012
1
ALONSO PINHO RIBEIRO
BRUNO TURMINA GUEDES
FBIO JOS DE CAMARGO
GREGORI PICOLOTTO CONTERATO
COMPSITOS REFORADOS COM PARTCULAS E COMPSITOS
REFORADOS COM FIBRAS
Trabalho de Pesquisa apresentado ao Curso de Engenharia Mecnica da Universidade Tecnolgica Federal do Paran, Campus Pato Branco, como requisito para a obteno de nota parcial da disciplina de Cincia dos Materiais. Orientador: Msc. Valdir Celestino da Silva.
PATO BRANCO
2012
2
SUMRIO
1 RESUMO ................................................................................................................ 3
2 INTRODUO .................................................................................................... 4
3 COMPSITOS PARTICULADOS ...................................................................... 6
3.1 CONCRETO ......................................................................................................... 6
3.2 CERMETOS ......................................................................................................... 7
3.3 REFOROS POR DISPERO .......................................................................... 8
4 COMPSITOS REFORADOS POR FIBRAS .................................................. 9
4.1 INFLUNCIA DO COMPRIMENTO DA FIBRA .................................................... 9
4.2 INFLUNCIA NA ORIENTAO DAS FIBRAS .................................................. 10
4.2.1 Compsitos com fibras contnuas e alinhadas ................................................ 12
4.2.2 Compsitos com fibras descontnuas e alinhadas .......................................... 13
4.2.3 Compsitos com fibras descontnuas e orientadas aleatoriamente ................ 13
4.3 FASE FIBRA ....................................................................................................... 14
4.3.1 Wiskers ............................................................................................................ 14
4.3.2 Fibras ............................................................................................................... 14
4.3.3 Arames ............................................................................................................ 15
4.4 FASE MATRIZ .................................................................................................... 15
4.4.1 Matriz Polimrica ............................................................................................. 16
4.5 COMPSITOS COM MATRIZ POLIMRICA ..................................................... 16
4.5.1 Compsitos polimricos reforados com fibra de vidro ................................... 16
4.5.2 Compsitos polimricos reforados com fibra de carbono ............................. .17
4.5.3 Compsitos polimricos reforados com aramidas ......................................... 18
4.5.4 Outras fibras .................................................................................................... 19
4.6 COMPSITOS COM MATRIZ METLICA ......................................................... 19
4.7 COMPSITO COM MATRIZ CERMICA .......................................................... 20
4.7.1 Compsitos particulados de matriz cermica .................................................. 22
4.8 COOMPSITOS CARBONO-CARBONO .......................................................... 23
4.9 COMPSITOS HBRIDOS ................................................................................. 24
4.10 PROCESSAMENTO DE COMPSITOS REFORADOS O COM FIBRAS .... 25
4.10.1 Pultruso ....................................................................................................... 25
4.10.2 Processos de produo prepreg ................................................................... 26
4.10.3 Enrolamento filamentar................................................................................... 27
5 CONCLUSO ................................................................................................... 29
6 REFERNCIAS ................................................................................................ 30
3
1 RESUMO
Diferentemente do que muitas pessoas imaginam um material
compsito no uma inveno da atualidade. Como um compsito nada mais do
que a combinao de dois materiais em um nico material, atribuindo a esse novo
material a melhor propriedade de ambos, pode-se dizer que os compsitos j eram
utilizados pelos egpcios na construo de suas edificaes. Em um trecho da Bblia
Sagrada, mais especificamente no livro do xodo captulo cinco e versculo sete,
descrito um material que se constitui de barro e palha, que quando umedecidos com
gua e misturados, davam origem a um compsito que era empregado na confeco
de tijolos. Apesar de ser uma tcnica milenar, esse tipo de tijolo ainda utilizado em
alguns casos, denominado como tijolo adobe. No presente, os materiais compsitos
so utilizados no projeto de diversas reas, destaque para as reas aeronutica,
automobilstica, naval e esportiva.
Dentre as inmeras etapas inclusas no desenvolvimento de um projeto,
a seleo de materiais uma delas, sendo que nesse momento busca-se determinar
quais os materiais que sero utilizados para atenderem as necessidades exigidas na
concepo de determinado sistema. Assim, quando se escolhe dentre o grupo de
materiais que so classificados como ligas metlicas, cermicas ou polmeros,
certamente preciso ter em mente que se abre mo de algumas propriedades em
busca de outras. Contudo, os compsitos que so uma classe de materiais de
engenharia tm transcendido as propriedades dos materiais comuns, ou seja,
possvel adquirir um material com alta rigidez juntamente com uma boa resistncia
ao impacto, bastando apenas adequar estrutura do compsito. No contexto que se
refere a um compsito, a estrutura do material diz respeito maneira como esto
constitudas a fase matriz e a fase dispersa. A fase matriz pode ser descrita como
sendo a responsvel em envolver a fase dispersa. J a fase dispersa, garante a
rigidez do material. Essas duas fases so diferenciadas de diversas formas,
originando um considervel nmero de materiais compsitos, que so empregados
desde uma simples caixa dgua a complexas naves espaciais.
No decorrer do presente trabalho, procura-se descrever sucintamente
dois tipos de compsitos, compsitos reforados com partculas e compsitos
reforados com fibras, bem como o seu processamento e posteriormente aplicao.
4
2 INTRODUO
O primeiro requisito para a classificao dos materiais compsitos
definirmos o que faz de um material ser, ou no, considerado um material compsito.
Um compsito, segundo Callister (2008, p. 423), um material multifsico que
feito artificialmente, em contraste com um material que ocorre ou se forma
naturalmente.
Como em grande parte os matrias compsitos esto ligados ao
desenvolvimento de tecnologias de alto nvel cientfico, vale a pena salientar a
importncia da Cincia dos Materiais. Morris Cohen define Cincia e Engenharia dos
Materiais com a rea da atividade humana associada gerao e aplicao de
conhecimentos que relacionem composio, estrutura e processamento s suas
propriedades de uso.
Com base na definio acima, quando analisado os materiais
compsitos, no diferente, sendo que podemos notar que quanto s propriedades,
esses materiais so excepcionalmente superiores aos seus materiais primitivos
(metais, polmeros e cermicas), devido ao princpio da ao combinada a qual
determinada pela juno das propriedades de dois ou mais materiais em um nico. A
estrutura dos materiais compsitos dividida em trs grandes grupos: compsitos
reforados com partculas, reforados com fibras e compsitos estruturais.
Estruturalmente, as caractersticas geomtricas e espaciais das partculas dispersas
(Figura 1), variam em (a) concentrao, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuio e (e)
orientao.
Figura 1 Caractersticas geomtricas e espacias das partculas dispersas
Fonte Adaptado de Callister (2008 p. 424)
5
Em virtude da grande abrangncia do tema referente aos compsitos,
iremos nos restringir a explanao dos dois primeiros grupos, que ainda podem ser
subdivididos em outros grupos ainda mais especficos, com apresentado
esquematicamente na Figura 2.
Figura 2 Principais tipos de Compsitos. Fonte Finkler (2005)
Como j foi introduzido um breve conceito de fase matriz e fase
dispersa em um primeiro momento, deixaremos para aprofundar a definio em
tpicos posteriores.
A composio dos materiais compsitos podem variar entre Epxis,
Silicones, Polisteres, Carbetos, xidos e dentre outros dependendo claro, da sua
aplicao. Por ltimo (nem por isso menos importante), o processo dos compsitos
ocorre via tcnicas especiais j bem dominadas, bem como, atravs de tcnicas
convencionais de processamento de ps (sinterizao).
6
3 COMPSITOS PARTICULADOS
Quando analisados, os compsitos particulados podem subdividir-se
em compsitos com partculas grandes e reforados por disperso, salientando que
nos dois tipos de compsitos particulados, as partculas possuem dimenses iguais
em todas as direes (so equiaxiais). A diferena esta na maneira como
alcanado o aumento da resistncia do material. No caso dos compsitos reforados
com partculas grandes, a interao existente entre matriz-partcula, no em nvel
atmico ou molecular, devido a proporo do tamanho existente entre os
constituintes, alm disso, ao ser solicitado por uma fora externa o material reage
internamente com a fora sendo dividida entre fase matriz e dispersa. Em contra
partida, o reforo por meio da disperso ocorre devido a existncia de uma interao
a nvel atmico ou molecular, uma vez que nesse caso as dimenses das partculas
esto em torno de 10 a 10 nm. Diferentemente dos compsitos reforados com
partculas grandes, os reforos por disperso quando recebe a aplicao de uma
fora a fase matriz absorve quase totalmente a energia adicional, restando s
partculas dispersas impedir/dificultar a dissipao das discordncias no material,
aumentando a resistncia do material.
3.1 CONCRETO
O concreto, um mistura de um aluminossilicato de clcio (cimento),
juntamente com areia e brita, um dos compsitos com partculas grandes mais
utilizados diariamente. A fase matriz nesse caso assumida pelo cimento e a fase
dispersa pela areia e a brita, sendo que os agregados (areia e brita) contribuem em
cerca de 60 a75% do volume total do concreto.
Para que a matriz do compsito tenha um bom desempenho, um tipo
especial de aluminossilicato de clcio empregado na fabricao do concreto,
denominado de Cimento Portland, devido a semelhana que possui com uma rocha
encontrada na Ilha de Portland, Inglaterra. As partculas agregadas apresentam uma
grande variao entre seus tamanhos contribuindo para a maximizao do volume
preenchido pela fase partcula. So adicionadas mais algumas misturas, que tem
com objetivo auxiliar durante o processo de cura do concreto, alguns exemplos so
os Aceleradores, Ligantes, Retardadores, dentre outros.
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Outro artifcio empregado na obteno do concreto (armado) uma
tcnica denominada de concreto protendido, a qual consiste em adicionar barras de
ao que so tensionadas, ento, posteriormente a cura do concreto so cessadas as
foras de tenso impostas sobre as mesmas. Com isso a tenso inicialmente
concentrada nas barras de ao e transferida para o concreto atravs de uma fora
compreensiva, aumentando as propriedades do material final, pois segundo Callister
(2008, p. 427) o concreto de cimento portland relativamente pouco resistente e
extremamente frgil; o seu limite de resistncia aproximadamente 10 a 15 vezes
menor do que sua resistncia compresso.
3.2 CERMETOS
Dentre os compsitos particulados, os cermetos talvez sejam os
compsitos que merecem uma maior ateno no que diz respeito a rea da
Engenharia Mecnica. Em geral, as propriedades mais importantes dos cermetos
destacam-se a baixa densidade (opcional), alta resistncia a temperaturas elevadas
(superiores a 1100C), alta dureza, alta resistncia a oxidao e ao choque trmico,
alta resistncia a abraso e a corroso. Tendo compreendido a tamanha importncia
dos cermetos, iremos definimos melhor a razo para que esses materiais tenham
tais propriedades.
Basicamente, os cermetos so compsitos gerados da combinao de
uma cermica e um metal, ou seja, uma cermica que foi adicionada um
complemento. Em uma definio mais rica em detalhes, COUTINHO diz que:
Na dcada de 80 houve um rpido desenvolvimento dos materiais cermicos a base de nitreto de silcio visando seu uso em aplicaes estruturais. [...] A introduo de uma segunda fase, formando um compsito, se mostrou promissora para o desenvolvimento de materiais para aplicaes estruturais. Um exemplo desse tipo de material o compsito Si3N4 + TiC + Co, onde o TiC permanece como uma fase dispersa que proporciona aumento de tenacidade e o Co aumenta a resistncia ao impacto.
O compsito citado por COUTINHO utilizado como ferramenta de
corte de materiais como ligas metlicas a base de Ni, porm, esse no o nico
cermeto empregado para esse fim, outros exemplos so os cermetos como carbeto
de tungstnio (WC) ou carbeto de titnio (TiC), ambos dispersos em uma matriz de
8
metal. As fraes volumtricas em que so adicionados as fases dispersas, podem
atingir cerca de 90% do volume total.
3.3 REFOROS POR DISPERO
A principal diferena entre esse tipo de compsito reforado por
disperso quando comparado aos cermetos, est no fato de eles terem como
constituintes no somente metais em disperso, podendo ocorrer tambm a
aplicao de partculas no ferrosas com xidos, alm da proporo da fase
dispersa no ultrapassar 15% do volume. Os xidos contribuem para o aumento das
propriedades do material, pois eles impedem a propagao das trincas j que
apresentam elevada dureza. Um exemplo de xido a Alumina ou xido de Alumnio
(Al2O3), que pode ser vista na Figura 1, obtidas por MEV.
Figura 3 Partculas de Al2O3 observadas por MEV; partculas pequenas (a) e partculas grandes (b). Fonte Cazotti; Oliveira; Fogagnolo (2006)
9
4 COMPSITOS REFORADOS POR FIBRAS
4.1 - INFLUNCIA DO COMPRIMENTO DA FIBRA
A principal influncia do comprimento da fibra em materiais compsitos
so as caractersticas mecnicas. Entretanto, uma alta resistncia mecnica no
depende somente das propriedades da fibra, mas tambm do grau pelo qual a carga
aplicada transmitida para as fibras atravs fase matriz.
A dimenso da ligao, ou adeso, entre as fases fibra e matriz
importante para a extenso dessa transmisso de carga. Sob a aplicao de uma
tenso, essa ligao fibra-matriz cessa nas extremidades da fibra, produzindo um
padro de deformao.
importante salientar que uma alta adeso entre as duas fases
confere boa resistncia mecnica atravs da transferncia eficiente de carga da
matriz para as fibras, porm o material torna-se frgil.
Inversamente, se existe uma baixa adeso entre a fibra e a matriz isso
resultar em baixa resistncia mecnica, mas a energia absorvida na fratura
aumenta por dissipao de energia durante o processo de descolamento da fibra
(puxamento da fibra, ou fiber pullout).
Figura 4: Relao de baixa e alta adeso entre fibra e matriz. Na figura esquerda
um compsito com alta adeso, na figura direita um compsito com baixa adeso.
Fonte Produzido pelo autor (Guedes)
Um determinado comprimento crtico de fibra necessrio para um
aumento na resistncia e na rigidez de um material compsito. A exemplo, para
inmeras combinaes de matriz-fibra de vidro e matriz-fibra de carbono, esse
comprimento crtico da ordem de um milmetro, o que se situa entre 20 e 150
10
vezes o dimetro da fibra.
O comprimento crtico (lc) de fibra dividido em trs possveis
situaes quando uma tenso aplicada a uma fibra, e esto descritas a seguir:
(a) Quando o comprimento de fibra (l) igual ao comprimento crtico (lc);
(b) Quando o comprimento de fibra (l) maior que o comprimento crtico (lc);
(c) Quando o comprimento de fibra (l) menor que o comprimento crtico (lc).
Figura 5: Em (a) a representao da tenso de trao ao longo de uma fibra
curta. Em (b) um grfico semelhante para o caso de uma fibra longa no qual
a tenso no meio da fibra atinge valor crtico.
Fonte Acrescentar
Quando uma tenso aplicada a uma fibra que possui exatamente o
comprimento crtico (a), tem-se que a carga mxima na fibra somente no centro da
fibra. J para fibras que possuem comprimentos menores que o comprimento crtico
da matriz (c), ou fibras descontnuas, a deformao ocorre ao redor da fibra tal que
no existe qualquer transferncia de tenso e h apenas um pequeno reforo devido
fibra. As fibras onde o comprimento de fibra maior que o comprimento crtico (b)
(geralmente maior na ordem de 15 vezes), so denominadas fibras contnuas.
4.2 - INFLUNCIA NA ORIENTAO DAS FIBRAS
De maneira geral, a principal caracterstica que a orientao das fibras
em materiais compsitos pode nos trazer o fato de que se as fibras estiverem
orientadas formando um ngulo raso com o sentido do esforo a resistncia ser
mxima.
Nessa mesma perspectiva, quando o ngulo entre as fibras e a direo
do esforo for tornando-se obtuso, a resistncia cai, e, ao formar um ngulo reto, a
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resistncia mnima.
Figura 6: Grfico mostra a relao das propriedades
com relao orientao das fibras em uma liga de
Titnio reforadas com fibras de Boro.
Fonte Acrescentar
Visto esta relao entre orientao da fibra e a resistncia mecnica,
nos relevante dividir os compsitos fibrosos em duas categoriais: com fibras
contnuas e com fibras descontnuas.
J os materiais que possuem fibras descontnuas podem ainda serem
reclassificados em outras duas subcategorias: com fibras descontnuas alinhadas e
com fibras descontnuas desalinhadas (ou convenientemente chamados de
descontnuos aleatrios).
Figura 7: Em (a) fibras contnuas e alinhadas,
em (b) fibras descontnuas e alinhadas e em
(c) fibras descontnuas e desalinhadas.
Fonte Adaptao de Callister (2008 p. 587)
12
4.2.1 - Compsitos com fibras contnuas e alinhadas
As respostas mecnicas desse tipo de compsito dependem de
diversos fatores, que vo desde o comportamento tenso-deformao das fases
fibra e matriz, fraes volumtricas das fases at a direo a qual a carga aplicada.
Os compsitos que possuem fibras alinhadas possuem uma alta
anisotropia, ou seja, conforme a direo que em que o material solicitado ele
responde de uma maneira.
Para analisarmos o comportamento tenso-deformao consideramos
a tenso aplicada na direo longitudinal, que a direo do alinhamento das fibras.
Nesta anlise, notamos que a fibra totalmente frgil e que a fase matriz
razoavelmente dctil, o que visvel no grfico tenso versus deformao.
Grfico 1 : Mostrando a relao tenso versus deformao. Em (a) as curvas x versus
deformao da fibra e matriz, j em (b) adicionalmente mostrando a curva tenso x deformao
do compsito.
Fonte Adaptao de Callister (2008 p. 587)
O grfico (tenso versus deformao) pode ser dividido em dois
estgios. No primeiro estgio, na fase inicial do ensaio, percebe-se que tanto a
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matriz quanto a fibra deformam-se elasticamente, onde as curvas normalmente
ainda so lineares.
O segundo estgio a parte interessante que nos trs diversas
propriedades mecnicas dos compsitos, nesta regio do grfico a matriz escoa e
se deforma plasticamente, ou seja, entra em regime plstico, enquanto as fibras
continuam a se alongar elasticamente visto que o seu limite de resistncia a trao
significativamente maior do que o limite de escoamento da matriz.
Outro aspecto importante neste segundo estgio que a proporo de
carga aplicada que suportada pelas fibras aumenta consideravelmente. Nota-se
tambm que a fratura no catastrfica, visto que quando as fibras se rompem a
matriz ainda continua a deformar-se em regime plstico.
4.2.2 - Compsitos com fibras descontnuas e alinhadas
Estes compsitos possuem uma eficincia menor que os compsitos
com fibras descontnuas e desalinhadas, entretanto esto tendo cada vez mais
importncia no mercado. Todavia, os compsitos com fibras descontnuas e
alinhadas podem ser produzidos tendo mdulos de elasticidade e limites de
resistncia trao que se aproximam parcialmente aos seus anlogos com fibras
contnuas.
4.2.3 - Compsitos com fibras descontnuas orientadas aleatoriamente
Estes materiais so principalmente anisotrpicos, mas importante
salientar que a resistncia e o reforo mximos so obtidos ao longo da direo de
alinhamento (longitudinal). Estes compsitos tambm so chamados de compsitos
laminados.
Materiais com fibras curtas (tanto as alinhadas quanto as orientadas
aleatoriamente) tm custos de produo mais baixos que materiais com fibras
contnuas, ou longas. E mais, a produo tem destes primeiros tem um tempo bem
menor tambm. E as tcnicas de produo incluem moldagens por compresso,
injeo e extruso.
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4.3 FASE FIBRA
Os materiais usados com fibra possuem altos limites de resistncia a trao,
alm disso, possuem a vantagem de ser mais resistentes por possurem um
pequeno dimetro, a probabilidade de existir um defeito superficial que leve a fratura
e menor em relao ao mesmo material com um volume maior. As fibras so
classificadas em whiskers, fibras e arames.
4.3.1 Whiskers
So monocristais muito finos, com razes comprimento- dimetro muito
grande. Possuem alto grau de perfeio cristalina que lhe confere resistncia muito
elevada, esto entre os mais resistentes conhecidos, mas no so muito utilizados
por serem caros. Alguns materiais whiskers com suas propriedades so ilustrados na
Tabela 1.
Tabela 1: Caractersticas de alguns materiais fibrosos. (Whiskers)
Material Densidade
relativa
Limite de resistncia
a trao [GPa]
Resistncia especfica
[GPa]
Mdulo de elasticidade
[GPa]
Mdulo especfico
[GPa]
Grafite 2,2 20 9,1 700 318
Nitrato de alumnio 3,2 5 - 7 1,5 - 2,2 350 - 380 109 - 118
xido de alumnio 4,0 10 - 20 2,5 - 5,0 700 - 1500 175 - 375
Carbeto de silcio 3,2 20 6,2 480 150 Fonte: Callister, Jr.Willian D.( 2008 p.437)
4.3.2 Fibras
Possuem pequenos dimetros e podem ser formados por materiais
policristalinos ou amorfos, geralmente polmeros ou cermicos, a Tabela 2 traz
algumas propriedades de materiais classificados como fibras.
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Tabela 2: Caractersticas de alguns materiais fibrosos. (Fibras)
Material Densidade
relativa
Limite de resistncia
a trao [GPa]
Resistncia especfica
[GPa]
Mdulo de elasticidade
[GPa]
Mdulo especfico
[GPa]
xido de alumnio 3,95 1,38 0,35 379,00 96,00
Aramida (Kevlar 49) 1,44 3,60 - 4,10 2,50 - 2,85 131,00 91,00
Carbono 1,78 - 2,15 1,50 - 4,80 0,70 - 2,70 228 - 724 106 - 407
Vidro E 2,58 3,45 1,34 72,50 28,10
Boro 2,57 3,60 1,40 400,00 156,00
Carbeto de Silcio 3,00 3,90 1,30 400,00 133,00
Spectra 900 0,97 2,60 2,68 117,00 121,00 Fonte: Callister, Jr.Willian D.( 2008 p.437)
4.3.3 Arames
As fibras classificadas como arames so as que possuem maiores dimetros,
os materiais incluem aos, molibdnio e tungstnio, geralmente utilizados como
reforo em pneus, mangueiras de alta presso. A Tabela 3 traz algumas
propriedades dos arames.
Tabela 3: Caractersticas de alguns materiais fibrosos. (Arames)
Material Densidade
relativa
Limite de resistncia
a trao [GPa]
Resistncia especfica
[GPa]
Mdulo de elasticidade
[GPa]
Mdulo especfico
[GPa]
Ao de alta resistncia
7,9 2,39 0,30 210 26,6
Molibdnio 10,2 2,20 0,22 324 31,8
Tungstnio 19,3 2,89 0,15 407 21,1
Fonte: Callister, Jr.Willian D.( 2008 p.437)
4.4 FASE MATRIZ
A fase matriz nos compsitos fibrosos podem ser um metal, um polmero ou
uma cermica, sendo o metal e o polmero os mais utilizados por serem mais dcteis.
A funo da fase matriz unir as fibras umas as outras e o meio pelo qual a
tenso aplicada ao compsito transmitida para a fibra. A maior parte de uma
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tenso aplicada a um compsito suportada pela fibra, somente uma pequena parte
suportada pela matriz. Sendo assim o mdulo de elasticidade da fibra deve ser
muito maior do que o da matriz.
Outra funo da matriz proteger as fibras contra danos superficiais em
decorrncia de abraso mecnica ou mesmo de reaes qumicas com o ambiente.
Por ser mais dctil a matriz separa as fibras e previne a propagao de trincas de
uma fibra para outra.
imprescindvel que as foras de ligao entre a fibra e a matriz sejam
grandes, sendo este fator muito importante na seleo de uma combinao matriz-
fibra.
4.4.1 Matriz Polimrica
As resinas polimricas mais utilizadas e mais baratas so polisteres e os
steres vinlicos, geralmente usados em compsitos reforados com fibra de vidro.
Uma ampla variedade nas propriedades possvel a partir de formulaes destas
resinas.
Outro polmero utilizado o expxi, que possui maior resistncia umidade e
melhores propriedades mecnicas, porm so mais caros, geralmente utilizados em
aplicaes aeroespaciais.
Para aplicaes em elevadas temperaturas so empregadas resinas
poliamidas que suportam em regime contnuo 230 C.
4.5 COMPSITOS COM MATRIZ POLIMRICA
Os compsitos com matriz polimrica ( PMC Polymer Matrix Composites)
so compsitos com matriz em uma resina polimrica e fibras como meio de reforo,
muito utilizada por possurem boas propriedades a temperatura ambiente, facilidade
na fabricao e baixo custo. So classificados pelo tipo de reforo, vidro, carbono, e
aramida.
4.5.1 Compsitos polimricos reforados com fibra de vidro
Tambm chamados de GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer, as fibras de
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vidro podem ser contnuas ou descontnuas, seus dimetros variam entre 3 e 20
micrmetros.
Suas maiores vantagens so: o vidro estirado com facilidade na forma de
fibras de alta resistncia a partir do estado fundido, um material facilmente
disponvel, o compsito pode ser fabricado economicamente e com uma ampla
variedade de tcnicas de fabricao, o compsito formado possui uma resistncia
especfica muito alta e resistente a ambientes corrosivos.
Um cuidado especial deve ser tomado quanto superfcie da fibra de vidro,
pequenos defeitos superficiais afetam negativamente comprometendo a fibra. Estes
defeitos podem ocorrer pelo atrito ou abraso ou mesmo pelo contato com a
atmosfera normal. Geralmente ao serem fabricadas, as fibras de vidro so
recobertas com uma substncia que as protege, no processo de fabricao do
compsito esta substncia retirada e substituda por um agente acoplador o qual
promove uma forte ligao entre a fibra e a matriz.
Algumas das limitaes deste compsito o fato de no serem muito rgidos ,
sua resistncia alta mas a rigidez no, por exemplo no serve como elemento
estrutural em um avio. Sua temperatura de servio est abaixo de 200C, salvo
pelo uso de slica fundida de alta pureza para as fibras e polmero de alta
temperatura como as resinas poliamidas, podendo assim chegar a uma temperatura
de servio de 300C.
Algumas aplicaes para a fibra de vidro so: carcaas de automveis e
barcos, tubulaes de plsticos, recipientes para armazenamento, pisos industriais,
etc. Na tentativa de diminuir o peso dos veculos e aumentar a eficincia dos
combustveis, as indstrias de transportes veem utilizando cada vez mais os
compsitos polimricos reforados com fibra de vidro.
4.5.2 Compsitos polimricos reforados com fibra de carbono
Tambm chamado de CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer, so
compsitos avanados que utilizam o carbono que um material fibroso de alto
desempenho.
Algumas caractersticas que levam a sua utilizao so: dentre todas as fibras
de reforo o carbono o que possui maior mdulo especfico e maior resistncia
especfica, suas propriedades mecnicas permanecem a altas temperaturas, a
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temperatura ambiente resistente a meios corrosivos como umidade, solventes,
cidos e bases, foram desenvolvidos processos de fabricao que so
economicamente viveis com boa relao custo benefcio.
A produo de fibra de carbono feita a partir de trs materiais orgnicos
precursores, o raion, a poliacrilonitrila e o piche, as caractersticas da fibra varia de
precursor para precursor.
As fibras de carbono so classificadas de acordo com o mdulo em trao e
so mdulo padro, mdulo intermedirio, mdulo alto e mdulo ultra-alto. Os seus
dimetros variam entre 4 e 10 micrometros e podem ser contnuas ou descontnuas.
So amplamente utilizados em equipamentos esportivos, em carcaas de
motores a jato, em vasos de presso, em componentes estruturais de aeronaves,
etc.
4.5.3 Compsitos polimricos reforados com fibra de aramidas
A grande vantagem desse tipo de compsito a relao resistncia peso,
os nomes comerciais para as duas mais comuns so Kevler e Nomex, elas ainda
so classificadas em vrios tipos de acordo com os comportamentos mecnicos.
Essas fibras possuem mdulo e limite de resistncia a trao longitudinais
maiores que os outros materiais polimricos fibrosos, mas no so resistentes a
compresso. Possuem boa tenacidade, resistncia ao impacto e so resistentes a
fluncia e a fadiga. Sua temperatura de servio varia entre -200C e 200C, no so
resistentes a ao de cidos e bases fortes, mas inertes a outros solventes e
produtos qumicos.
Esse tipo de fibra pode ser processada por operaes txteis uma vez que
so flexveis. As maiores aplicaes para compsitos polimricos reforados com
fibra de aramidas so: produtos balsticos (coletes e blindagens a prova de bala),
artigos esportivos, pneus, cordas, carcaas de msseis, vasos de presso, freios e
embreagens.
Uma comparao entre as caractersticas mecnicas de trs materiais compsitos
na direo longitudinal e transversal pode ser feita a partir da Tabela 4.
19
Tabela 4 : Propriedades de compsitos com matriz expxi reforados com fibra contnuas e
alinhadas de vidro, carbono e aramidas. Frao volumtrica da fibra de 0,6.
Propriedade Vidro E Carbono
(Alta Resistncia) Aramida
(Kevler 49)
Densidade Relativa 2,1 1,6 1,4
Mdulo de Trao Longitudinal [GPa] 45 145 76
Mdulo de Trao Transversal [GPa] 12 10 5,5
Limite de Resistncia Trao Longitudinal [MPa] 1020 1240 1380
Limite de Resistncia Trao Transversal [MPa] 40 41 30
Deformao no LRT Longitudinal 2,3 0,9 1,8
Deformao no LRT Transversal 0,4 0,4 0,5
Fonte: Callister, Jr.Willian D.( 2008 p.440)
4.5.4 Outras fibras
Boro, carbeto de silcio e o xido de alumnio so utilizados em componentes
de aeronaves militares, ps de rotores de helicpteros, artigos esportivos,
extremidades de foguetes , etc.
4.6 COMPSITOS COM MATRIZ METLICA
Visto que a grande maioria dos metais so dcteis, podem tambm ser usados
como fase matriz em compsitos reforados por fibra. Um nmero de compsitos de
fibra contnua nos quais ligas de alumnio, magnsio, cobre e titnio tem sido mais
utilizadas, eventualmente, como a fase matriz, que pode ser reforada com fibras de
outros materiais.
Estes metais reforados com fibra podem ser utilizados em temperaturas mai-
ores do que os compsitos polimricos. Alm disso, alta resistncia mecnica espe-
cfica e alto mdulo especfico so possveis uma vez que as densidades destes me-
tais bsicos so relativamente baixas, como podemos ver na tabela abaixo.
20
Tabela 5: Propriedades de Diversos Compsitos com Matriz Metlica Reforados com Fibras
Contnuas e Alinhadas.
Fibra Matriz Teor de Fibra
(Vol %) Densidade
[g/cm3] Resistncia a Trao Longitudinal [GPa]
Mdulo de Elasticidade Longitudinal
[MPa]
Carbono 6061 Al 41 2.44 320 620
Boro 6061 Al 48 - 207 1515
SiC 6061 Al 50 2.93 230 1480
Alumina 380.0 Al 24 - 120 340
Carbono AZ31 Mg 38 1.83 300 510
Borsic Ti 45 3.68 220 1270 Fonte: Adaptao de Callister (2008 p. 443)
Algumas combinaes de reforo-matriz so altamente reativas em tempera-
turas elevadas. Consequentemente, a degradao do compsito pode ser causada
pelo processamento a altas temperaturas ou ao se submeter o compsito com Ma-
triz Metlica a temperaturas elevadas durante o servio. Esse problema resolvido,
e geral, ou pela a aplicao de um revestimento superficial protetor no reforo ou
pela modificao da composio da liga que forma a matriz.
Esta combinao de propriedades torna estes materiais especialmente atrati-
vos para uso em algumas aplicaes aeroespaciais e aplicaes em novos motores.
As propriedades de fluncia e de ruptura em altas temperaturas de algumas superli-
gas (ligas base de Ni e Co) podem ser melhoradas pelo reforo com fibra usando
metais refratrios tais como tungstnio. tima resistncia oxidao sob altas tem-
peraturas e resistncia ao impacto tambm esto presentes. Projetos incorporando
estes compsitos permitem maiores temperaturas de operao e melhores eficin-
cias para motores a turbina.
4.7 COMPOSITOS COM MATRIZ CERMICA
Desde os primrdios da humanidade os materiais cermicos sos alguns dos
mais utilizados, no entanto o desenvolvimento dos compsitos de matriz cermica
vem sendo menos utilizado do que os demais tipos de matrizes, dentre outros
motivos, devido sua dificuldade de fabricao, que envolve altas temperaturas em
suas etapas, sendo assim, necessria a utilizao de reforos que suportem altas
21
temperaturas. Outro motivo o aparecimento de tenses trmicas, devido
diferena de coeficientes de expanso trmica entre matriz e reforo durante o
resfriamento.
Segundo Callister (2008), os compsitos com matriz cermica (CMC) so
inerentemente resilientes oxidao e deteriorao a temperaturas elevadas. So
fortemente suscetveis a fratura frgil e podem ser fabricados utilizando-se
estampagem a quente, estampagem isosttica a quente e tcnicas de sinterizao
na fase lquida.
Os compsitos cermicos possuem maiores tenacidades fratura. Dentre os
compsitos de matriz cermica destacam-se os compsitos de matriz cimentcia,
que podem ser considerados com uma subcategoria, que engloba as argamassas e
os concretos.
A matriz cimentcia a principal matriz cermica empregada na engenharia
civil, sendo ela formada pela hidratao e que se caracteriza pela boa resistncia e
compresso, reduzida resistncia a trao, modesto modulo de elasticidade e
comprimento frgil (SILVA; GARCEZ, 2010).
Essencialmente, essa melhoria nas propriedades de fratura resulta das
interaes entre as trincas que avanam e as partculas da fase dispersa, onde a
iniciao da trinca ocorre normalmente na fase matriz, enquanto a propagao da
trinca impedida ou retardada pelas partculas, fibras ou whiskers, como
esquematizado na Figura 8.
Figura 8 Demonstrao esquemtica do aumento da tenacidade por transformao. (a)
Uma trinca antes da induo da transformao de fases da partcula ZrO2. (b) Parada da
trinca devido transformao de fases induzida pela tenso.
Fonte: Callister (2008 p. 444)
22
Uma tcnica de aumento da tenacidade interessante nesses casos, utiliza
uma transformao de fases para bloquear a propagao das trincas e
denominada como aumento da tenacidade por transformao, onde pequenas
partculas de zircnia parcialmente estabilizada so dispersas no interior do material
da matriz, sendo este frequentemente Al2O3, ou a prpria ZrO2. Geralmente Cao,
MgO, Y2O3 e CeO so usados como estabilizadores.
Outras tcnicas de aumento da tenacidade vem sendo desenvolvidas
recentemente e envolvem a utilizao de whiskers cermicos, com frequncia SiC
ou Si3N4. Esses whiskers podem inibir a propagao de trincas defletindo as
extremidades das trincas, formando ligaes atravs das faces das trincas,
absorvendo energia durante o arranchamento conforme os whiskers se deslocam da
matriz e/ou causando uma redistribuio das tenses nas regies adjacentes.
4.7.1 Compsitos particulados de matriz cermica
Em nvel microscpico, consequentemente, o concreto pode ser considerado como
um material compsito particulado, consistindo de partculas de agregado dispersa
em uma matriz de cimento.
Figura 9 - Concreto com fibras metlicas. Fonte: Disponvel em
Ao se analisar de uma seo transversal do concreto (Figura 8) podemos
diferenciar rapidamente os dois micro constituintes, so partculas de agregado de
23
tamanho e formas variadas, e o meio ligante, composto de uma massa contnua da
pasta endurecida.
4.8 COMPSITOS CARBONO-CARBONO
Certamente um dos mais avanados materiais de engenharia, os compsitos
Carbono Reforados com Fibras de Carbono (CRFC) ou Compsitos Carbono-
Carbono so obtidos por meio de uma combinao adequada de fibras de carbono e
matriz de carbono. Sendo relativamente caros e, por causa disso ainda no so
usados extensivamente.
Estes materiais apresentam excelentes propriedades termomecnicas aliadas
baixa massa especfica (menor que 2g/cm3), como podemos ver na Tabela 6.
Tabela 6 Resistncia Fratura na Temperatura Ambiente para Vrios Teores de Whiskers de
SiC em Al2O3.
Teor de Wisker (Volume) Resistncia Fratura [Mpa] Tenacidade Fratura [Mpa.m1/2]
0 - 4.5
10 455 +/- 55 7.1
20 655 +/- 135 7.5 9.0
40 850 +/- 130 6.0 Fonte: Adaptado de Callister (2008 p. 445)
Estas caractersticas fazem com que possam ser utilizados em componentes
estruturais submetidos a altas temperaturas (Temperaturas maiores do que 1273K),
como por exemplo, componentes de turbinas e componentes para aplicao em
reas de processo a altas temperaturas. Estas aplicaes ocorrem em ambientes
oxidantes, porm a principal desvantagem uma propenso a oxidao em altas
temperaturas.
Embora os compsitos CRFC exibam estas boas caractersticas, seu ponto
fraco a baixa resistncia oxidao para temperaturas maiores que 673 K e,
portanto, para que estas aplicaes sejam possveis necessrio a incorporao de
um material refratrio na forma de um inibidor interno, como modificador da matriz,
e/ou recobrimento externo, para isolar o material do contato com oxignio.
O material refratrio mais utilizado para incorporao e/ou recobrimento de
24
compsitos CRFC, para temperaturas at 1773 K, o carbeto de silcio (SiC).
Os CRFC so utilizados em motores de foguetes, como materiais de atrito
em aeronaves e em automveis de alto desempenho, para moldes em processo de
prensagem a quente, em componentes para turbinas de motores avanados e como
escudos trmicos para reentrada na atmosfera de veculos espaciais.
A principal razo pela qual este tipo de material ser to caro so as tcnicas
de processamento relativamente complexas empregadas. Os procedimentos so
similares aos usados para os compsitos com Matriz Polimrica e fibra de carbono,
ou seja, as fibras as fibras contnuas de carbono so posicionadas de acordo com o
padro bidimensional ou tridimensional desejado, onde essas fibras so
impregnadas com uma resina polimrica lquida, frequentemente uma resina fenlica
e na sequncia, a pea conformada ao seu formato final e feita a cura da resina.
Nesse momento, a resina matriz pirolisada, ou seja, convertida em carbono
pelo seu aquecimento em uma atmosfera inerte, onde aps esta etapa, a pea sofre
tratamentos trmicos conduzidos em temperaturas mais altas, que faze com que
essa matriz de carbono fique mais densa e aumente sua resistncia.
Assim, o compsito resultante consiste nas fibras de carbono originais, as
quais permaneceram essencialmente inalteradas, que esto contidas nessa matriz
de carbono pirolisado.
4.9 COMPSITOS HBRIDOS
Compsitos reforados com fibras hbridos so obtidos utilizando-se dois ou
mais diferentes tipos de fibras numa nica matriz. Estes materiais tm uma melhor
combinao geral de propriedades do que compsitos contendo apenas um nico
tipo de fibra. Uma variedade de combinaes de fibras e materiais de matriz usa-
da.
Compsitos hbridos comuns so aqueles contendo fibras de vidro e carbono.
As fibras de carbono so fortes e relativamente rgidas e fornecem um reforo de
baixa densidade; entretanto, elas so caras. Fibras de vidro so baratas e lhes falta
a rigidez do carbono. O hbrido vidro-carbono forte e tenaz, tem maior resistncia
25
ao impacto e pode ser produzido num custo menor do que qualquer um dos plsti-
cos reforados com carbono ou com vidro.
Neste tipo de compsito hbrido, quando submetido tenso ou trao produz
falhas usualmente no catastrficas. As fibras de carbono so as primeiras a falha-
rem, quando ento a carga transferida s fibras de vidro. Na falha das fibras de
vidro, a fase matriz deve suportar a carga aplicada.
Aplicaes principais para compsitos hbridos so componentes estruturais
de transporte leve rodovirio, aqutico e areo, equipamentos esportivos, e compo-
nentes ortopdicos leves.
4.10 PROCESSAMENTO DE COMPSITOS REFORADOS COM FIBRAS
4.10.1 Pultruso
Esta tcnica usada para a fabricao de componentes que possuem com-
primentos contnuos e uma forma com seo reta constante (hastes, tubos, feixes).
Impregna-se uma resina termorrgida nas fibras; estas so a seguir puxadas atravs
de uma matriz de ao da a forma desejada e tambm estabelece a razo resina-
fibra. O material passa, ento, atravs de uma matriz de cura que usada com pre-
ciso de maneira a conferir a forma final. Esta matriz tambm aquecida a fim de
iniciar a cura da matriz de resina. Um dispositivo de puxamento estira o material
atravs da matriz e tambm determina a velocidade de produo.
As principais fibras empregadas so fibras de vidro, carbono e de aramida e
os materiais de matriz incluem polisteres, steres vinlicos e resinas epoxis. Obser-
va-se o esquema abaixo.
26
Figura 10 Diagrama esquemtico mostrando o processo de pultruso.
Fonte: Adaptado de Callister (2008 p. 446)
4.10.2 Processos de produo de prepreg
Prepreg o termo industrial de compsito para reforo com fibra contnua im-
pregnada com uma resina polimrica que apenas parcialmente curada. Este mate-
rial entregue na forma de uma fita para o fabricante, que a seguir molda diretamen-
te e cura completamente o produto sem ter que adicionar nenhuma resina. Este
provavelmente ao material compsito mais largamente usado para aplicaes estru-
turais.
O processo "prepreg" comea pela colimao de uma srie de mechas de fi-
bras contnuas enroladas numa bobina. Essas mechas so ento sanduichadas e
prensados entre chapas de papel de liberao e conduo usando rolos aquecidos,
um processo denominado "calandragem". Estas folhas de papel de descarga so
recobertas com um filme fino de soluo de resina aquecida de relativamente baixa
viscosidade de maneira a fornecer a completa impregnao das fibras. Uma lmina
de metal (esptula) espalha a resina num filme de espessura e largura uniforme. O
produto final consiste na fita fina de fibras contnuas e alinhadas embutidas numa
resina parcialmente curada. Apresenta este processo no esquema abaixo.
27
Figura 11 Diagrama esquemtico ilustrando a produo de fitas de
prepreg usando um polmero termofixo.
Fonte: Callister (2008 p. 447)
4.10.3 Enrolamento filamentar
Consiste num processo pelo qual fibras de reforo contnuas so precisamen-
te posicionadas num molde para formar uma forma vazada, usualmente cilndrica.
As fibras so primeiramente alimentadas atravs de um banho de resina e a seguir
continuamente enroladas sobre um mandril, usualmente empregando um equipa-
mento automatizado de enrolamento. Aps o apropriado nmero de camadas terem
sido aplicadas, cura realizada quer numa estufa quer temperatura ambiente,
aps o que o mandril removido.
Estes compsitos tem alta resistncia mecnica. Alm disso, possuem um
alto grau de controle sobre a uniformidade e orientao do enrolamento das fibras.
Quando automatizado, o processo muito atraente economicamente.
Estruturas comuns de enrolamento de filamento incluem carcaas de motor
de foguete, tanques de armazenamento e tubos, e vasos de presso. Observa-se no
esquema abaixo os tipos de enrolamento das fibras.
28
Figura 12 Representao esquemtica das tcnicas de
enrolamento filamentar helicoidal, circunferencial e polar.
Fonte: Callister (2008 p. 447)
Sendo que as principais vantagens do processo de enrolamento
filamentar o fato de no existirem limitaes relativas s dimenses das peas a
fabricar, aliada a possibilidade de realizar a produo de uma forma contnua e ainda
obter uma produo muito fivel e repetitiva com pouca necessidade de mo de
obra. Como limitaes pode salientar-se que necessita de um nmero de afinaes
relativamente elevado e mo-de-obra qualificada.
29
5 CONCLUSO
Este campo ainda ser complementado aps todos os integrantes do
grupo tiverem cincia de cada segmento apresentado no decorrer do trabalho, para
ento, tirar as concluses em torno do mesmo.
30
REFERNCIAS
BAZZO, Antonio Walter, PEREIRA, Luiz Teixeira do Vale. Introduo Engenharia; 5.ed. Florianpolis: Editora da UFSC, 1997.
PEREIRA, Jos Carlos. Curso de Projeto Estrutural Com Materiais Compsitos. Florianpolis, 2003. 126 p.
SHACKELFORD, James F.. Cincia dos Materiais. 6. ed. So Paulo: Pearson Prentic Hall, 2008
CALLISTER, Jr. William D.. Cincia e Engenharia de Materiais : uma introduo, 7 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008
FINKLER, Maira. Desenvolvimento de Compsitos com Base em Rejeito de Tecidos de Algodo e Acrlico em Matriz de Polietileno de Alta Densidade. Disponvel em: . Acesso em: mai. 2012.
COUTINHO, Ana Carolina de Souza. Influncia da Adio de Carbetos (NbC, TaC, SiC e TiC) na Sinterizao de Cermicas a Base de Si3N4. Disponvel em < http://www.ipen.br/biblioteca/teses/23162.pdf>. Acesso em: mai. 2012.
SP SYSTEMS. Guide to Composites. England, 2008. 69 p. Disponvel em < http://www.bolton.ac.uk/codate/spguidetocomposites.pdf >. Acesso em: mai. 2012.
SILVA, L. C. T.; GARCEZ, M. R. Compsitos de Engenharia de Matriz Polimrica. In: Isaia, G. C. (edio). Materiais de construo Civil: e princpios de cincias e engenharia de materiais. 2 ed. So Paulo: Ibracon, 2010
CAZOTTI, C.; OLIVEIRA, J.L.A.; FOGAGNOLO, J.B. Efeito da Adio de Partculas de Al2O3 Sobre a compressibilidade de ps de liga de alumnio. In: 17 Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais. Anais... Foz do Igua, 2006
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