Materiais compósitos
EMI – Engenharia Mecânica 1º. Sem/2011
Luis Carlos Resnauer
2011/1
Introdução

Tecnologias modernas exigem materiais com
combinações incomuns de propriedades que
não podem ser atendidas pelos materiais
convencionais isoladamente.
Exemplo: Materiais com baixa densidade mas
fortes e rígidos, resistentes à abrasão e ao
impacto e que não corroam.
Luis Carlos Resnauer
2011/1
Introdução

Compósito: Material multifásico, obtido da
combinação de materiais diferentes a fim de
atingir propriedades que os componentes
individuais não atingem.

A principal característica dos compósitos é que
as duas fases presentes são completamente
distintas, formando uma interface entre elas.
Luis Carlos Resnauer
2011/1
Compósitos – Fases
Os materiais compósitos apresentam duas fases:

Matriz: É a fase contínua, envolve a fase
dispersa e a mantém na sua posição relativa.
Pode ser constituída por polímeros, metais ou
cerâmicas

Dispersa: é constituída pelo material de
reforço, que confere grande parte das
propriedades características dos compósitos.
Podem ser particulados, fibras descontínuas ou
fibras contínuas.
Luis Carlos Resnauer
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Propriedades de um compósito
Dependem
 Propriedades
 Das
 Da
das fases constituintes
quantidades relativas das fases constituintes
geometria da fase dispersa
Luis Carlos Resnauer
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Compósitos – Matriz

Constituída por metais, polímeros ou cerâmicas
 Metais e polímeros – ductilidade desejável
 Cerâmicas – aumentar a resistência à fratura

mantém a fase dispersa unida
transmite e distribui a força externa aplicada para a
fase dispersa


Energia de interação entre a matriz e o reforço
deve ser elevada para minimizar o “pull-out”
(arrancamento da fibra)
Luis Carlos Resnauer
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Compósitos – Fases dispersas
Luis Carlos Resnauer
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Compósitos – Fases dispersas
Luis Carlos Resnauer
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Tipos de compósitos
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Tipos de compósitos (cont.)
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
m)
n)
o)
p)
Partículas em um polímero
Compósito com carga de disco
Esferas em um polímero
Compósito na forma de dado
Cilindros em um polímero
Compósito sanduiche
Compósito vitro-cerâmica
Compósito com reforço transversal
Compósito colméia (“honeycomb”) transversal
Compósito colméia (“honeycomb”) horizontal
Compósito com um único lado perfurado
Compósito com dois lados perfurados
Compósito “replamine”
Compósito “burps”
Compósito sanduiche entrecruzado
Compósito escada estruturado
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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.
Luis Carlos Resnauer
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Compósitos reforçados com fibras

Em geral deseja-se nesses materiais alta
resistência, tenacidade e rigidez em
relação ao seu peso.
Luis Carlos Resnauer
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Tipos de compósitos reforçados com
fibras.
Compósito reforçado com
fibras:
 Contínuo e alinhado (Fig.
(a) ao lado) melhora a
resistência

Descontínuo (curto): Fibra
curta pouca alteração na
resistência.
 Alinhado (Fig. (b) ao
lado)
 Orientado
aleatoriamente (Fig. (c)
ao lado)
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Comportamento mecânico de compósito
reforçado com fibras.
Curvas tensão- deformação
Compósito
Materiais individuais
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Compósitos reforçados com fibras
Exemplos de fibras:
 De vidro
 De carbono
 De aramida
Exemplos de matrizes:
 Em geral metais ou
polímeros, pois se
deseja alguma
ductilidade da matriz,
e as fibras já são
frágeis, mas pode ser
cerâmicas também
(matriz frágil e fibras
frágeis)
Luis Carlos Resnauer
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Resistências à tração na direção
longitudinal e transversal às fibras
Luis Carlos Resnauer
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Compósitos com matriz polimérica

Com fibra de vidro: diâmetro da fibra de 3 a 20
μm (pisos industriais, recipientes para
armazenamento, tubulações)
Processo
Embobinamento
(“Winding”)
Processo
Hand Lay-up
Luis Carlos Resnauer
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Compósitos com matriz polimérica

Com fibra de carbono: (equipamentos
esportivos, componentes estruturais de
aeronaves, hélice de helicóptero)
Tecido de fibra de carbono
Roda em fibra de carbono
apresentada no Detroit Auto
Show 2009
Hélice em fibra de carbono
Luis Carlos Resnauer
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Compósitos com matriz polimérica

Com fibra de aramida: Nomes comerciais
Kevlar e Nomex + epóxi ou poliéster. (Cordas,
coletes a prova de bala, carcaça de mísseis,
substituição do amianto em freios, embreagem
gaxetas etc.)
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Comparação entre as propriedades de um
polímero sem e com o reforço de fibras de vidro
Sem
reforço
Com reforço
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Compósitos de matriz metálica
Resiste à temperaturas mais altas que compósitos
com matriz polimérica.
MATRIZ:
 Superligas: (a base de
níquel, cobalto,
molibdênio.
 Ligas de alumínio
 Ligas de magnésio
 Ligas de titânio
 Ligas de cobre
FIBRAS: (10 a 60% vol.)
 de carbono
 de carbeto de silício SiC.
 de alumina (particulados
em geral)
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Comparação entre as propriedades de
vários compósitos metal – reforço de fibra
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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.

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Processamento dos compósitos
reforçados com fibras
Pultrusão: formatos de seção reta constante
 Mechas ou cabos de fibras são impregnados com uma
resina termofixa, sendo então estirados através de um
molde de aço aquecido.
 Passa na sequencia em um molde de cura aquecido que
confere a peça sua forma final.
 Matrizes usuais: Poliésteres, resinas epóxi.
 Fibras usuais: vidro, carbono, aramida
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Processamento dos compósitos
reforçados com fibras
Prepreg: Processo mais utilizado para estruturas.
 Fibras contínuas pré-impregnadas com resina
polimérica parcialmente curadas.
 Esse material é enviado ao fabricante em forma
de fita. Essa fita molda e cura por completo com
calor e pressão.
 Teor de resina: 35 a 45 % em vol. termofixa ou
termoplástica.
 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
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Processamento dos compósitos
reforçados com fibras
Luis Carlos Resnauer
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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).
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Processamento dos compósitos
reforçados com fibras
Após um número
apropriado de camadas a
cura é executada em 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.

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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
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Compósitos estruturais
Painéis em forma de
sanduíches: Duas folhas
externas mais
resistentes separadas
por uma camada de
material menos denso.
 Folhas externas
 Recheio interno:
Polímeros com espuma,
colmeias.
 Ex: Asas e fuselagem de
aeronaves telhados,
pisos, paredes.
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Nanocompósitos
A fase dispersa apresenta dimensões na
escala de nanômetros (10-9 m)
 Pequenos teores (2 -5%) apresentam
propriedades superiores a materiais
carregados com cargas convencionais (2040%)
 Principais nanocompósitos: polímeros
reforçados com nano-argilas

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Nanocompósitos
Nanocompósitos poliméricos apresentam três
possibilidades de interação com as nano-argilas:
 Compósito convencional
 Compósito intercalado
 Compósito exfoliado

Quanto maior o grau de exfoliação mais efetiva é
a interação entre a matriz e a carga, ou seja,
melhores as propriedades.
Luis Carlos Resnauer
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Nanocompósitos
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