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
• A madeira é um
possuindo proporções
compósito natural:
significativas das
• Fibra de celulose
propriedades de cada
flexíveis e resistentes
uma das fases
• Lignina , resina mais
conseguindo-se uma
rígida que mantém as
melhor combinação
fibras unidas
de propriedades.
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. Curvas tensão- deformação
•
•
•
•
Exemplo de fibras:
De vidro
De carbono
De aramida
• 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)
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.