COMPÓSITOS

Não existe uma definição universal para o termo compósito, mas podemos trabalhar com a idéia de que compósito é um material composto por duas ou mais fases, insolúveis umas nas outras e que diferem nas propriedades físicas e químicas. Separadamente, os constituintes de um compósito mantém suas características, porém, quando misturados, formam um composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles.

Muitos materiais compósitos são constituídos por apenas duas fases: MATRIZ E FASE DISPERSA (OU REFORÇO)

MATRIZ: É o material responsável por conferir estrutura ao compósito, irá preencher os espaços vazios que se estabelecem entre o material reforço.

REFORÇO(OU FASE DISPERSA): Irá garantir as propriedades físicas e químicas do compósito.

As propriedades do compósito são função das propriedades das fases constituintes, de suas quantidades relativas e da geometria da fase dispersa. Por geometria da fase dispersa, entenda-se o tamanho,a distribuição e a orientação dessas partículas.

TRÊS PRINCIPAIS DIVISÕES DOS COMPÓSITOS:

Compósitos reforçados com partículas Compósitos reforçados com fibras Compósitos estruturais

COMPÓSITOS REFORÇADOS COM PARTÍCULAS: Têm duas subclassificações – compósitos reforçados com partículas grandes e reforçados por dispersão – a distinção entre eles é baseada no mecanismo de reforço ou de aumento de resistência.

Reforçados com partículas grandes: as interações partícula-matriz não podem ser tratadas a nível atômico ou molecular. Para a maioria desses compósitos, a fase particulada é mais dura e mais rígida que a fase matriz. As partículas dispersas são relativamente grandes, com pelo menos vários micrômetros de diâmetro, e estão presentes em concentrações relativamente altas (maiores que 25% vol e freqüentemente entre 60% e 90% vol). Essas partículas de reforço tendem a restringir o movimento da fase matriz na vizinhança de cada partícula. Essencialmente, a matriz transfere parte da tensão aplicada às partículas, as quais suportam uma fração da carga. O grau de reforço ou melhoria do comportamento mecânico depende de uma ligação forte na interface matriz-partícula. O concreto é um exemplo de compósito reforçado com partículas grandes. O concreto pode ser definido como um compósito cerâmico, formado por areia(agregado fino) e brita(agregado grosso) em uma matriz de cimento. Os tamanhos das partículas de areia e brita são medidos e controlados pela passagem desses materiais por peneiras-padrão. O motivo da combinação de agregados finos e grossos é que essa variedade de tamanhos de partículas promove um

preenchimento mais eficiente, onde as partículas finas preenchem os interstícios entre as partículas grandes. - Concreto armado: é quando se aumenta a resistência do concreto de cimento portland através de um reforço adicional, usando-se vergalhões,arames, barras de aço e outros, que são inseridos no concreto fresco e não curado.Dessa forma, o reforço torna a estrutura endurecida capaz de suportar maiores tensões de tração, de compressão e de cisalhamento. - Concreto protendido: a resistência à tração do concreto armado pode ainda ser melhorada por uma técnica chamada de protensão, onde cabos ou vergalhões de aço são posicionados dentro dos moldes vazios e esticados com uma grande força de tração, que é mantida constante. Após o concreto ter sido colocado no molde e endurecido, a tração é liberada, fazendo com que as barras de contraiam e coloquem o concreto sob uma tensão residual compressiva.

Reforçados por dispersão: as partículas são, em geral, muito menores, com diâmetros entre 10 e 100 nm. As interações partícula-matriz que levam ao aumento da resistência ocorrem no nível atômico ou molecular. O mecanismo do aumento da resistência é semelhante ao endurecimento por precipitação. Enquanto a matriz suporta a maior parte de uma carga aplicada, as pequenas partículas dispersas impedem ou dificultam o movimento das discordâncias. Dessa forma, a deformação plástica é restringida de moto tal que os limites de escoamento e de resistência à tração, assim como a dureza, são melhorados.

Os metais e as ligas metálicas podem ter a sua resistência aumentada e ser endurecidos pela dispersão uniforme de diversas porcentagens volumétricas de partículas finas de um material inerte e muito duro. A fase dispersa pode ser metálica ou não-metálica. O efeito do aumento da resistência por dispersão não é tão pronunciado quanto o do endurecimento por precipitação, entretanto, o aumento da resistência é mantido em temperaturas elevadas por períodos de tempo prolongados, pois as partículas dispersas são escolhidas de modo a não serem reativas com a fase matriz.

COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS: Tecnologicamente, os compósitos mais importantes são aqueles onde a fase dispersa está na forma de uma fibra. Os compósitos reforçados com fibras são subclassificados de acordo com o comprimento das fibras, para os compósitos com fibras curtas, as fibras são demasiadamente curtas para produzir uma melhoria significativa na resistência.

INFLUÊNCIA DO COMPRIMENTO DA FIBRA: As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras dependem também do grau pelo qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela fase matriz. A magnitude da ligação interfacial entre as fases fibra e matriz é importante para a extensão dessa transmissão de carga. Sob a aplicação de uma tensão, essa ligação fibra-matriz cessa nas extremidades da fibra, em outras palavras, não existe qualquer transmissão de carga a partir da matriz em cada uma das extremidades da fibra. Um certo comprimento crítico de fibra é necessário para um aumento efetivo na resistência e na rigidez

de um material compósito. Para que se desenvolva uma melhora significativa na resistência dos compósitos,as fibras devem ser contínuas.

INFLUÊNCIA DA ORIENTAÇÃO E DA CONCENTRAÇÃO DAS FIBRAS: O arranjo ou a orientação das fibras umas em ralação às outras, a concentração das fibras e sua distribuição possuem uma influência significativa sobre a resistência e outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. Em relação à orientação, são possíveis duas situações: um alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras em uma única direção e um alinhamento totalmente aleatório. Normalmente, as fibras contínuas são alinhadas, enquanto as fibras descontínuas podem estar alinhadas, orientadas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. Melhores propriedades gerais dos compósitos são obtidas quando a distribuição das fibras é uniforme.

Compósitos com fibras contínuas e alinhadas (comportamento tensão-deformação em tração – carregamento longitudinal): as propriedades de um compósito cujas fibras estão alinhadas são altamente anisotrópicas, ou seja, dependem da direção na qual elas são medidas. Vamos considerar, primeiramente, o comportamento tensão-deformação para a situação na qual a tensão é aplicada ao longo da direção do alinhamento, a direção longitudinal. ↑direção transversal → Compósitos com carregamento na direção transversal podem sofrer falhas prematuras, uma vez que a resistência na direção transveral é, em geral,extremamente baixa – algumas vezes é mais baixa do que o limite de resistência à tração da matriz. Dessa forma, na realidade, o efeito do reforço das fibras é um efeito negativo. Enquanto a resistência longitudinal é dominada pela resistência da fibra, diversos fatores irão influenciar significativamente a resistência transversal: propriedades tanto da fibra quanto da matriz, a resistência da ligação fibra-matriz e a presença de vazios. Os métodos que têm sido empregados para melhorar a resistência transversal desses compósitos envolvem geralmente a modificação das propriedades da matriz.

Compósitos com fibras descontínuas e alinhadas: a eficiência do reforço é menor, mas mesmo assim esses compósitos estão se tornando cada vez mais importantes no mercado comercial. Eles podem ser produzidos tendo módulos de elasticidade e limites de resistência à tração que se aproximam, respectivamente, a 90% e 50% de seus análogos com fibras contínuas.

Compósitos com fibras descontínuas orientadas aleatoriamente: normalmente, quando a orientação da fibra é aleatória, são usadas fibras curtas e descontínuas.

Para resumir, então, os compósitos com fibras alinhadas são inerentemente anisotrópicos, tal que a resistência e o reforço máximos são obtidos ao longo da direção de alinhamento (longitudinal). Na direção transversal, o reforço devido às fibras é virtualmente inexistente: a fratura ocorre geralmente sob níveis de tensões de tração relativamente baixos. Para outras orientações da tensão, a resistência do compósito fica entre esses dois extremos. A consideração em relação à orientação e ao comprimento da fibra para um compósito específico irá depender do nível e da natureza da tensão aplicada, assim como dos custos de fabricação. As taxas de produção para os compósitos com fibras curtas (tanto com fibras alinhadas quanto com orientação aleatória) são rápidas, e

formas complexas podem ser conformadas, as quais não são possíveis com o reforço com fibras contínuas. Além disso, os custos de fabricação são consideravelmente menores do que para as fibras contínuas e alinhadas.

A FASE FIBRAUma característica importante da maioria dos materiais, especialmente daqueles que são frágeis, é a de que uma fibra com pequeno diâmetro é muito mais resistente do que o material volumétrico. A probabilidade da presença de um defeito superficial crítico capaz e levar a uma fratura diminui com a redução do volume da amostra, e essa característica é usada de forma vantajosa nos compósitos reforçados com fibras. Além disso, os materiais usados como fibras de reforço possuem altos limites de resistência à tração. Com base no seu diâmetro e natureza, as fibras são agrupadas em três classificações diferentes: WHISKERS, FIBRAS E ARAMES.WHISKERS: são monocristais muito finos que possuem razões comprimento-diâmetro extremamente grandes. Como conseqüência de suas pequenas dimensões, eles possuem um alto grau de perfeição cristalina e são virtualmente livres de defeitos, o que lhes confere resistências excepcionalmente elevadas; eles estão entre os materiais mais resistentes conhecidos. Apesar dessas altas resistências, não são utilizados extensivamente como um meio de reforço, pois são extremamente caros e também porque é difícil e frequentemente impraticável incorporar whiskers em uma matriz. FIBRAS: os materiais classificados como fibras podem ser tanto policristalinos quanto amorfos e têm pequenos diâmetros; os materiais fibrosos são geralmente polímeros ou cerâmicas. ARAMES: possuem diâmetros relativamente grandes; materiais típicos são o aço, o molibdênio e o tungstênio.

A FASE MATRIZA fase matriz dos compósitos fibrosos pode ser um metal, um polímero ou uma cerâmica. Em geral, os metais e os polímeros são usados como os materiais de matrizes, pois alguma ductilidade é desejável; para os compósitos com matriz cerâmica, o componente de reforço é adicionado para melhorar a tenacidade à fratura. Nos compósitos reforçados com fibras, a fase matriz serve para várias funções:

Ela atua como uma “cola” e une as fibras umas às outras; Atua como meio através do qual uma tensão aplicada externamente é

transmitida e distribuída para as fibras; Proteger as fibras individuais contra danos superficiais em decorrência da

abrasão mecânica ou de reações químicas com o ambiente; A fase matriz serve como uma barreira contra a propagação de trincas

COMPÓSITOS COM MATRIZ POLIMÉRICA

Consistem em uma resina polimérica como matriz, com fibras como meio de reforço. Esses materiais são usados na maior diversidade de aplicações dos compósitos, assim como nas

maiores quantidades, como conseqüência de suas propriedades à temperatura ambiente, da facilidade de fabricação e do custo.

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE VIDRO:

A expressão fabricado em fibra identifica simplesmente um compósito que consiste em fibras de vidro, contínuas ou descontínuas, contidas em uma matriz polimérica; esse tipo de compósito é produzido nas maiores quantidades. O vidro é popular como um material de reforço na forma de uma fibra por várias razões:

Ele é estirado com facilidade na forma de fibras de alta resistência a partir do estado fundido;

É um material facilmente disponível e pode ser fabricado economicamente Como uma fibra, ele é relativamente resistente e, quando incorporado em uma matriz

de plástico, produz um compósito que possui uma resistência específica muito alta Quando associado a diferentes plásticos, ele possui uma inércia química que torna o

compósito útil em inúmeros ambientes corrosivos

Mesmo diminutos defeitos superficiais podem afetar negativamente as propriedades de resistência à tração dessas fibras, esses defeitos superficiais são introduzidos com facilidade pelo atrito ou pela abrasão da superfície com um outro material duro. Além disso, as superfícies de vidro que tenham sido expostas à atmosfera normal, mesmo que por apenas curtos períodos de tempo, possuem geralmente uma camada superficial enfraquecida que interfere na ligação com a matriz.

Existem várias limitações para esse grupo de materiais. Apesar de possuírem resistências elevadas, eles não são muito rígidos e não exibem a rigidez necessária para algumas aplicações. Como por exemplo: como elementos estruturais para aviões e pontes. A maioria dos materiais em fibra de vidro está limitada a temperaturas de serviço abaixo de 200ºC(podendo ser estendidas até aprox. 300ºC), em temperaturas mais altas, a maioria dos polímeros começa a escoar ou a se deteriorar.

Muitas das aplicações das fibras de vidro são familiares: carcaças de automóveis e barcos, tubulações de plástico, recipientes para armazenamento e pisos industriais.

Os materiais compósitos de matriz plástica reforçados por fibra de vidro apresentam as seguintes características: facilidade de fabricação e custo relativamente baixo, resistência à corrosão, boas propriedades de isolamento elétrico, elevada razão resistência-peso, etc.

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE CARBONO:

É o reforço mais comumente utilizado em compósitos avançados. As razões para tal são as seguintes:

As fibras de carbono possuem o maior módulo específico e a maior resistência específica dentre todas as fibras de reforço;

Na temperatura ambiente, as fibras de carbono não são afetadas pela umidade ou por uma grande variedade de solventes, ácidos e bases;

Foram desenvolvidos processos de fabricação para as fibras e para os compósitos que são relativamente baratos e de boa relação custo-benefício.

As fibras de carbono não são totalmente cristalinas, mas são compostas tanto por regiões grafíticas quanto por regiões não-cristalinas. Um sistema de classificação para as fibras de carbono é feito de acordo com o seu módulo em tração: com base nesse critério, as quatro classes são as de módulo padrão, intermediário, alto e ultra-alto. Além disso, os diâmetros das fibras variam normalmente entre 4 e 10 micômetros e estão disponíveis tanto em formas contínuas quanto picadas. As fibras de carbono são normalmente revestidas com uma cobertura protetora de epóxi, a qual também melhora a adesão à matriz polimérica.

Atualmente, os compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono estão sendo empregados extensivamente em equipamentos esportivos (tacos de golfe, varas de pescar), em carcaças de motores a jato enroladas com filamentos, em vasos de pressão e em componentes estruturais de aeronaves, tanto militares quanto comerciais, asas fixas e de helicópteros.

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE ARAMIDA:

As fibras aramidas são materiais de alta resistência e alto módulo. Elas são desejáveis devido às suas excepcionais relações resistência-peso, que são superiores às dos metais. Existe uma variedade de fibras de aramidas, os nomes comerciais para duas das mais comuns são kevlar e nomex.

Mecanicamente, essas fibras possuem módulos e limites de resistência à tração longitudinais que são maiores do que os outros materiais poliméricos fibrosos, entretanto, elas são relativamente pouco resistentes sob compressão. Adicionalmente, esse material é conhecido pela sua tenacidade, resistência ao impacto e resistências à fluência e à falha por fadiga. Embora as aramidas sejam termoplásticos, elas são resistentes à combustão e estáveis até temperaturas relativamente elevadas; a faixa de temp. na qual elas mantêm as suas elevadas propriedades mecânicas está entre -200 e 200 graus C.

Quimicamente, elas são suscetíveis à degradação pela ação de ácidos e de bases fortes, mas são relativamente inertes frente a outros solventes e produtos químicos.

As fibras aramidas são utilizadas mais freqüentemente em compósitos que possuem matrizes poliméricas; materiais comuns para as matrizes são os epóxis e os poliésteres. Uma vez que as fibras são relativamente flexíveis e um tanto dúcteis, elas podem ser processadas pelas operações têxteis mais comuns. As aplicações típicas desses compósitos com aramidas incluem produtos balísticos (coletes e blindagens à prova de balas), artigos esportivos, pneus, cordas, carcaças de mísseis, vasos de pressão, assim como um substituto para o amianto em freios automotivos e em revestimentos de embreagens e gaxetas.

COMPÓSITOS COM MATRIZ METÁLICA

Nesses compósitos, a matriz é um metal dúctil. Esses materiais podem ser utilizados em temperaturas de serviço mais elevadas, além disso, o reforço pode melhorar sua rigidez específica, a resistência específica, a resistência à abrasão, à resistência à fluência, a

condutividade térmica e a estabilidade dimensional. Algumas das vantagens desses materiais em relação aos compósitos com matriz polimérica incluem temperaturas de operação mais elevadas, não ser inflamáveis e maior resistência à degradação por fluidos orgânicos . Os compósitos com matriz metálica são muito mais caros que os compósitos com matriz polimérica, e por isso seu uso é mais restrito. * Em um certo sentido, os cermets se enquadram na classificação de compósitos com matriz metálica.

Algumas combinações de reforço-matriz são altamente reativas em temperaturas elevadas. Conseqüentemente, a degradação do compósito pode ser causada pelo processamento a altas temperaturas ou ao se submeter o CMM a temperaturas elevadas durante o serviço. Esse problema é resolvido, em geral, ou pela aplicação de um revestimento superficial protetor no reforço ou pela modificação da composição da liga que forma a matriz.

Aplicações dos CMM’s: esses compósitos podem ser usados como reforços em ônibus espaciais, na indústria de automóveis são usados como componentes de motores, eixos propulsores e etc.

COMPÓSITOS COM MATRIZ CERÂMICA

Os materiais cerâmicos são inerentemente resistentes à oxidação e à deterioração em temperaturas elevadas; não fosse pela predisposição desses materiais à fratura frágil, alguns deles seriam candidatos ideais para o uso em aplicações a temperaturas elevadas e tensões severas.

A tenacidade à fratura das cerâmicas tem sido melhorada de forma significativa pelo desenvolvimento de uma nova geração de compósitos com matriz cerâmica, que consistem em particulados, fibras ou whiskers de um material cerâmico incorporados a uma matriz de um outro material cerâmico. Os materiais compósitos com matriz cerâmica elevaram as tenacidades à fratura até entre aprox. 6 e 20 MPa. Essencialmente, essa melhoria nas propriedades de fratura resulta das interações entre as trincas que avançam e as partículas da fase dispersa. A iniciação da trinca ocorre normalmente na fase matriz, enquanto a propagação da trinca é impedida ou retardada pelas partículas, fibras ou whiskers. Diversas técnicas são utilizadas para retardar a propagação das trincas, as quais serão discutidas a seguir.

Uma técnica de aumento de tenacidade particularmente interessante e promissora emprega uma transformação de fases para bloquear a propagação das trincas e é apropriadamente denominada aumento da tenacidade por transformação.

Exemplo de aplicações de CMC’s: ferramentas de corte para usinagem de ligas metálicas duras, componentes de turbinas a gás.

COMPÓSITOS CARBONO-CARBONO

Um dos materiais de engenharia mais avançados e promissores é o compósito com matriz de carbono reforçada com fibras de carbono, denominado com freqüência de compósito carbono-carbono. Esses materiais são relativamente novos e caros e, assim, no momento ainda não são utilizados extensivamente.

Suas melhores propriedades incluem:

Altos módulos e limites de resistência à tração, que são mantidos em temp. acima de 2000º C

Resistência à fluência e valores relativamente altos de tenacidade à fratura. Possuem baixos coeficientes de expansão térmica e condutividade térmica

relativamente alta

Principal desvantagem: propensão à oxidação em altas temperaturas.

Principais aplicações: motores de foguetes, moldes de prensagem a quente, componentes para turbinas de motores avançados e como escudos térmicos para reentrada na atmosfera de veículos espaciais.

A razão principal para que esses materiais compósitos sejam tão caros são as técnicas de processamento relativamente complexas que são empregadas.

COMPÓSITOS HÍBRIDOS

Obtem-se esse tipo de compósito utilizando-se dois ou mais tipos de fibras diferentes em uma única matriz. Os híbridos possuem uma melhor combinação global de propriedades do que os compósitos que contêm apenas um único tipo de fibra. É utilizada uma variedade de combinações de fibras e de materiais para a matriz, mas, no sistema mais comum, tanto fibras de carbono quanto fibras de vidro são incorporadas em uma resina polimérica. As fibras de carbono são resistentes e relativamente rígidas e proporcionam um reforço de baixa massa específica, no entanto, elas são caras. As fibras de vidro são baratas, mas carecem da rigidez do carbono. O híbrido vidro-carbono é mais resistente e mais tenaz, possui maior resistência ao impacto e pode ser produzido a um custo menor do que os respectivos compósitos totalmente reforçados com fibras de carbono ou com fibras de vidro. Quando os compósitos híbridos são tensionados em tração, geralmente a falha não é catastrófica (ou seja, não ocorre repentinamente). As fibras de carbono são as primeiras a falhar, em cujo instante a carga é transferida para as fibras de vidro. Com as falhas das fibras de vidro, a fase matriz deve suportar a carga aplicada. A falha eventual do compósito coincide com aquela da fase matriz.

Principais aplicações: componentes estruturais de baixo peso para transportes terrestres, aquáticos e aéreos, artigos esportivos e componentes ortopédicos de baixo peso.