DANOS POR IMPACTO DE BAIXA ENERGIA EM
COMPÓSITOS DE CARBONO/EPÓXI DE USO
AERONÁUTICO
Jane M. F. de Paiva 1, Sergio Mayer 2, Mirabel C. Rezende 1*
1
Divisão de Materiais/IAE/CTA – Centro Técnico Aeroespacial – [email protected]; [email protected]*
Pça. Marechal do Ar Eduardo Gomes, 50, São José dos Campos/SP, CEP: 12228-904
2
EMBRAER – Empresa Brasileira de Aeronáutica – S. J. dos Campos/SP
Damages by Low-Energy Impact on Carbon/Epoxy Composites Used in Aeronautical Industry
Components in advanced polymeric composites used in aeronautical field can suffer damages by low-energy impacts.
In this work were simulated low-energy impacts of 3.5, 7.3, 16 and 28 J on composites manufactured by using two
different carbon fabrics and two epoxy matrices. Stereoscopy analysis of the impacted regions showed from which
impact load initiated the crack propagation, identifying the type of damages as cracks, delamination and deformation.
Introdução
Compósitos poliméricos avançados são muito
utilizados
nas
indústrias
automobilística
de
competição, aeronáutica e espacial. Na área
aeronáutica pode-se destacar os compósitos de matriz
epóxi reforçados com tecido de fibras de carbono, que
são usados para a fabricação de várias peças de uso
externo, como flapes, carenagens, bordos de ataque,
etc., os quais estão constantemente sujeitos a danos por
impacto. Dentre os vários tipos de impacto, o de baixa
energia é preocupante porque normalmente não causa
dano identificável por inspeção visual.
Os danos por impacto de baixa energia em aeronaves
podem ser causados por atividades de manutenção e/ou
operacionais. No caso de atividades operacionais os
danos são atribuídos, principalmente, ao choque de
pedras de granizo e objetos estranhos, tais como
escombros na pista de pouso e decolagem. No caso de
de manutenção, os danos podem ser causados durante o
transporte, manuseio, estocagem e queda de
ferramentas sobre os componentes em compósitos(1), (2).
Os impactos de baixa energia são perigosos, porque
podem ocasionar pequenas trincas e delaminação subsuperficial, que com o tempo podem se propagar,
provocando a falha do componente em compósito
durante o serviço, embora seu aspecto externo não se
apresentasse comprometido(1).
Impactos de baixa energia podem ser simulados
experimentalmente através da queda de um impactador
do tipo dardo ou esfera. Desta maneira, pode-se estimar
a capacidade do material em resistir ao dano por
impacto, através da determinação da absorção de
energia, avaliação do tipo e da extensão do dano (2),
que são justamente os objetivos deste trabalho.
Os compósitos foram obtidos por laminação,
utilizando-se pré-impregnados de resinas epóxi (F155 e
F 584) com tecidos de fibras de carbono dos tipos PW
(“Plain Weave”) e 8HS (“Eight Harness Satin”). Os
pré-impregnados foram empilhados (0°,90°) sobre
placas metálicas, vedados em sacos de vácuo e levados
à cura em autoclave (0,7 MPa de pressão e 0,08 MPa
de vácuo), atingindo a temperatura máxima de 121°C
no caso da resina F155 e 177°C para a resina F584.
Após a laminação, as placas dos compósitos
processados foram inspecionadas por meio da técnica
de ultra-som por coluna d’água, não sendo detectados
defeitos de fabricação, como porosidades, trincas,
delaminações, etc. Em seguida, foram cortados corposde-prova (100 mm x 100 mm x 3 mm) dos compósitos
laminados e submetidos ao ensaio de impacto por
queda de dardo (“tup or falling dart”).
Experimental
Obtenção dos compósitos
Resultados e Discussão
Analisando-se somente os valores de absorção de
energia de impacto pelos compósitos citados na Tabela
Ensaio de impacto por queda de dardo e análise da
região submetida ao impacto
Este ensaio de impacto foi realizado baseando-se na
norma ASTM 5628 e em uma especificação técnica da
Embraer. Utilizou-se um equipamento de impacto
Instron, modelo Dynatup 930, com impactador do tipo
dardo de 5,3 kg, com penetrador esférico (12,7 mm), o
qual foi deixado cair sobre os corpos-de-prova a partir
de diversas alturas, correspondendo, respectivamente,
às energias de impacto de 3,5; 7,3; 16 e 28 J. As
energias absorvidas pelos compósitos foram registradas
em um sistema de aquisição de dados.
Posteriormente, os corpos-de-prova foram fotografados
e analisados em um estereoscópio (marca Zeiss,
modelo Stemi SV11), dando-se ênfase na região
impactada.
Anais do 7o Congresso Brasileiro de Polímeros
123
1 (3,5 J), observa-se que o compósito de matriz epóxi
F155 reforçado com tecido do tipo PW apresentou um
maior valor de energia absorvida. No entanto, quando
se avalia o dano causado no material, com o auxílio de
estereoscópio, observa-se que a absorção da energia de
impacto ocasionou trincas neste tipo de compósito, as
quais foram observadas na região impactada (Figura
1a) e no lado oposto ao impacto (Figura 1b). Quando
isto acontece, a maior energia absorvida pelo
compósito é também conseqüência do maior dano
causado ao material(1).
marca de deformação no centro da amostra, ocasionada
pelo penetrador de ponta esférica, revelando um
material de maior ductilidade, capaz de se deformar
plasticamente sem sofrer dano. O lado oposto ao
impacto não apresentou nenhuma alteração ou
deformação (Figura 3b), demonstrando a maior
capacidade deste laminado em resistir ao início da
delaminação.
Tabela 1 – Absorção de energia de impacto pelos compósitos
submetidos à queda de dardo (3,5 J). Avaliação do dano por impacto
observado por estereoscopia.
Compósito
F155/PW
F155/8HS
F584/8HS
(a)
Energia
absorvida (J)
2,42 ± 0,03
2,24 ± 0,02
2,16 ± 0,05
Dano
trincas
início de trinca
sem danos
(b)
Figura 1 – Imagens obtidas por estereoscopia, (a) da região
impactada do compósito de matriz epóxi F155 reforçada com o
tecido PW; (b) Lado oposto ao impacto (mesma amostra). Aumento
de 12 X.
Para comparação, na Figura 2 estão apresentadas as
imagens referentes à região impactada do compósito
F155/8HS, no qual pode-se verificar o início de trinca
(Figura 2a) e o lado oposto ao impacto (Figura 2b), o
qual não sofreu dano, revelando que o arranjo 8HS das
fibras de carbono dificultou a propagação de danos por
impacto nestes compósitos de matriz epóxi.
(a)
(b)
Figura 2 – Imagens obtidas por estereoscopia, (a) da região
impactada do compósito de matriz epóxi F155 reforçada com o
tecido 8HS; (b) Lado oposto ao impacto (mesma amostra). Aumento
de 12 X.
Na Figura 3 estão apresentadas fotografias do
compósito de matriz F584/8HS, revelando que não
ocorreram trincas no material, após este ser submetido
ao impacto de 3,5 J; fato que já era esperado por se
tratar de uma matriz epóxi modificada pelo fabricante
(código: F584 – Hexcel Composites), visando melhorar
a tenacidade da resina. Na Figura 3a, que mostra a
região impactada, observa-se apenas uma pequena
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(a)
(b)
Figura 3 – Fotografias do compósito F584/8HS, onde: (a) frente da
amostra na região do impacto; (b) lado oposto ao impacto (mesma
amostra).
Em relação à energia de impacto de 7,3 J, observou-se
que esta ocasionou início de delaminação no compósito
F155/PW e muitas trincas no compósito F155/8HS,
tanto na região de impacto, quanto no lado oposto ao
impacto. A energia de impacto de 7,3 J provocou
trincas na região impactada do compósito F584/8HS.
Quando se utilizou a energia de impacto de 16 J o
compósito F584/8HS apresentou muitas trincas no lado
oposto ao impacto e início de delaminação; e os
compósitos
F155/PW
apresentaram
extensa
delaminação. Para concluir o estudo, a utilização da
energia de 28 J ocasionou fratura completa em todos
estes compósitos laminados com orientação a 0, 90o.
Conclusões
Para cada combinação de matriz e arranjo do tecido de
fibras de carbono observou-se a partir de qual carga de
impacto de baixa energia ocorreu o início do dano, e
identificou-se o tipo de dano causado aos compósitos,
como deformações, trincas e delaminação.
Com este estudo preliminar foi possível a
caracterização destes danos, verificando-se que a
matriz epóxi modificada (F584) e reforçada com tecido
do tipo 8HS apresentou melhor capacidade de resistir
aos danos por impacto de baixa energia. Este trabalho é
parte de um extenso projeto de pesquisa que visa a
análise de propriedades mecânicas após impacto de
compósitos poliméricos utilizados em aeronaves.
Agradecimentos
À FAPESP (02/02057-5), ao CNPq (300599/96). À
EMBRAER pelo fornecimento dos pré-impregnados. À
Polibrasil pela realização dos ensaios de impacto.
Referências Bibliográficas
1. S.-L. Gao; J.-K. Kim. Composites Part A, 2001,
32, 775.
2. G. A. Schoeppner; S. Abrate. Composites Part A,
2000, 31, 903.
Anais do 7o Congresso Brasileiro de Polímeros