Caracterização experimental da rigidez à flexão em material ...

1ª Semana de Composites Avançados

São José dos Campos - SP

III CONGRESSO SAMPE BRASIL

CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ À

FLEXÃO EM MATERIAL COMPÓSITO CARBONO-EPÓXI

CENTRO UNIVERSITÁRIO DA FEI

Aluno: Gabriel Prosofsky de Araujo(2) – [email protected]

Orientadora: Profa. Dra. Gigliola Salerno(1) – [email protected]

Departamento de Engenharia de Materiais(1)

Departamento de Engenharia Mecânica(2)

SUMÁRIO

Introdução

Objetivos

Fundamentação teórica

Comprimento crítico

Regra da mistura

Propagação de trincas

Materiais e métodos

Resultados experimentais e discussão

Porcentagem em massa de fibras

Corte a jato d’água e montagem

Ensaios

Fractografia – Microscopia Eletrônica por Varredura

Conclusões

INTRODUÇÃO

Materiais compósitos

Aplicações

Indústrias automobilística, artigos esportivos, aeronáutica e naval;

Resistência e rigidez específicas altas, reduzindo a quantidade de

material empregado;

Fragilidade quanto ao carregamento flexão

OBJETIVO

Estudar a influência das orientações dos tecidos nas propriedades mecânicas

de um material compósito laminado carbono-epóxi frente ao carregamento flexão, em

duas configurações distintas, em micro, meso e macro-escalas.

Lâminas 0˚/90˚ Lâminas 0˚/90˚/45˚/-45˚

OBJETIVO

Macro-escala Meso-escala Micro-escala

Estudar a influência das orientações dos tecidos nas propriedades mecânicas

de um material compósito laminado carbono-epóxi frente ao carregamento flexão, em

duas configurações distintas, em micro, meso e macro-escalas.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Fonte: CALLISTER, 2012

Tipos de materiais compósitos


Influência do comprimento e orientação da fibra

Fonte: ROESLER, 2007


Regra da mistura

Determinação do módulo de elasticidade



Regra da mistura

Determinação do módulo de elasticidade – compósitos tracionados

longitudinalmente

Fonte: BAKER, 2004


Regra da mistura

Determinação do módulo de elasticidade – compósitos tracionados

transversalmente



Regra da mistura

Determinação do módulo de elasticidade

Fonte: BAKER, 2004

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

hand layup vacuum bag resin infusion autoclave

% Volume de fibras x Processamento

Fonte: NASSEH (SAMPE Bridge Contest), 2015.


Propagação das trincas

Descolamento da resina ao longo da fibra


PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Processamento de três tipos de corpos de prova, de características distintas

Corpos de prova Configuração Cura

A 0°/90° 24h temp. ambiente

B 0°/90° 1h 120°C

C 0°/90°/45°/-45° 1h 120°C

Corpos de prova Dimensões [mm] Quantidade No de lâminas Relação span -espessura

A 210 x 60 x 12 6 39 16

B 240 x 50 x 10 7 36 20

C 240 x 50 x 10 7 36 20

*Corpos A apresentaram defeito de laminação.

Corte dos tecidos

Montagem e cura

Corte a jato d`água

Ensaios

Microscopia Eletrônica de

Varredura

% massa de fibras e resina

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Macro-escala dos corpos de prova

Corpos de prova A

Corpos de prova C

Corpos de prova B


Ensaios de flexão – Comparativo dos resultados

Corpos de prova A (0°/90°) Corpos de prova B (0°/90°)

Corpos de prova C (0°/90°/45°/-45°)


Tensão-deformação – degraus dos corpos 0°/90°/45°/-45°. Grupo C

Corpos de prova

A E [GPa]

Média 33,6 260 0,78 302 1,06 278 1,29

Desvio padrão ± 0,7 ± 10 ± 0,03 ± 25 ± 0,11 ± 47 ± 0,09

Corpos de prova

B E [GPa]

Média 34,2 180 0,53 266 1,20 260 1,32

Desvio padrão ± 3,6 ± 36 ± 0,07 ± 57 ± 0,17 ± 61 ± 0,24

Corpos de prova

C E [GPa]

Média 24,0 206 0,85 275 1,26 264 1,46

Desvio padrão ± 1,0 ± 17 ± 0,05 ± 14 ± 0,08 ± 11 ± 0,18

Regime elástico Regime plástico







Corpos de prova

A

Média 302 9,4

Desvio padrão ± 25 ± 0,8

[MPa] [MPa]

Corpos de prova

B

Média 266 6,7


[MPa] [MPa]

Corpos de prova

C

Média 275 6,9


[MPa] [MPa]


Macro-escala dos corpos de prova

Densidade, %mássica e volumétrica de fibras.

1,23 g/cm³ 1,30 g/cm³ 1,29 g/cm³

51,15 %M 59,46 %M 58,27 %M

39,99 %V 47,27 %V 46,04 %V

Módulo de elasticidade médio 33,6 GPa 34,2 GPa 24,0 GPa

% mássica de fibras

% volumétrica de fibras

A B C

Densidade

Fonte: BAKER, 2004


Modos de falha dos compósitos

CP-2

CP-8

CP-20

Todos os corpos de prova C

apresentaram o mesmo modo de falha


MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura


MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo A.

Análise por MEV,

entrelaçamento e ruptura

por tração do CP-1



Análise por MEV, pull-out e

presença de volume de vazio

interno no CP-1



Análise por MEV, pull-out,

presença de bolha e

delaminação no CP-1




Análise por MEV, ruptura

por tração, delaminação e

bolhas no CP-1.


MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo B.

Análise por MEV, pull-out e

propagação de trinca na

resina no CP-8


MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo B.

Análise por MEV,

propagação de trinca

no CP-8



MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo C.

Análise por MEV,

bolhas, delaminação e

trinca no CP-17



MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura. Grupo C.

Análise por MEV, lâmina

45°/-45° não rompida por

tração CP-17.

CONCLUSÕES

Foi possível verificar o ensaio de flexão de três pontos:

Corte à jato d’água apresentou ótimo acabamento superficial

apesar da espessura ser considerável. Após o corte, não foram encontradas

fibras soltas nas superfícies dos corpos de prova.

Os corpos de prova A, B e C falharam predominantemente devido

à tração por apresentarem valores altos de relação span-espessura e,

consequentemente, apresentaram valores baixos de tensão cisalhante inter-

laminar.

A rigidez dos corpos de prova de orientação 0°/90° é cerca de

42,5% maior, em média, que a rigidez de corpos de prova de orientação

0°/90°/±45° enquanto que a resistência permanece a mesma.

CONCLUSÕES

Corpos de prova C (0°/90°/±45°) apresentaram falha em

“degraus”.

O processamento manual é deficiente e deve ser tratado com

muito cuidado ao ser aplicado à construção de estruturas de elevada

responsabilidade, pois durante as etapas do processo, como preparação da

e mistura da resina com o endurecedor e laminação há o surgimento ou

aprisionamento de pequenas bolhas de ar, bolhas estas que caso não sejam

retiradas com o processo de cura sob vácuo, podem formar trincas e

fragilizar o material.

AGRADECIMENTOS

À Professora Dra. Gigliola Salerno.

Ao Centro Universitário da FEI e aos técnicos do laboratório de

materiais da FEI.

À minha família e à Flávia Fagundes pelo apoio.

À Deus pela oportunidade.

OBRIGADO!

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