Curso: Engenharia de Materiais

Disciplina: Compósitos

Exercícios sobre Compósitos

O que é um compósito?

R: É um material constituído por dois ou mais materiais quimicamente diferentes e que possuem

macroscopicamente interfaces bem definidas separando esses constituintes.

A que estão relacionadas as propriedades dos compósitos?

R: Tais propriedades estão diretamente relacionadas com as propriedades dos constituintes, bem como a

concentração volumétrica, adesão interfacial, disposição e orientação das camadas, geometria do filamento,

forma e tamanho.

Como se divide um compósito?

R: Para compósitos compostos de somente duas fases, podemos dividi-lo em matriz e fase dispersa. A matriz

é a fase contínua e que circunda a fase dispersa.

Qual a relação das propriedades do compósito com as características de ambas as fases?

R: Conforme mencionado, as propriedades dos compósitos são função das propriedades das fases, da

proporção entre elas, ou seja a quantidade relativa e a da geometria da fase dispersa, que são o tamanho de

partícula, distribuição e orientação.

Como usualmente se classificam os compósitos?

R: Compósitos reforçados por partícula, reforçados por fibra e compósitos estruturais

Qual o comportamento de compósitos reforçados por partículas aproximadamente iguais?

R: O compósito comporta-se como um material isotrópico, ou seja, as propriedades são independentes da

direção.

Com relação ao tipo de matriz, como se classificam os compósitos?

R: Classificam-se em:

Matriz polimérica;

Matriz de cimento;

Matriz de carbono;

Matriz metálica;

Matriz cerâmica.

Compósitos com matrizes Polimérica

Como se classificam os polímeros?

R: Os polímeros podem ser classificados em: temoplásticos e termofixos (ou termorrígidos).

Qual a matéria-prima de um polímero? Quais os principais constituintes químicos de um polímero?

R: O mero, que trata-se de uma molécula orgânica, logo é composta principalmente por carbono, hidrogênio,

oxigênio, nitrogênio e cloro. Os polímeros são a união de muitos meros, que formam um cadeia de

macromoléculas.

O que são materiais termoplásticos e quais são as suas vantagens e desvantagens?

R: São materiais formados por polímeros termoplásticos, ou seja, que fundem sob o efeito de temperatura e

pressão e endurecem com o resfriamento, sendo que este processo é reversível, ou seja, quando se aplicam

novamente temperatura e pressão, os termoplásticos fundem novamente. Dentre as vantagens estão:

facilidade de moldagem, possuir propriedades físicas reversíveis, moderada resistência química, elevada

tenacidade, elevado volume de produção, baixa densidade, médio investimento nos meios de produção e

reaproveitamento do material para reciclagem. Dente as desvantagens estão: baixas propriedades mecânicas,

elevado coeficiente de expansão térmica, baixa temperatura de utilização.

Qual a definição de plástico?

R: Consiste numa variedade de materiais formados principalmente por uma substância de alto peso

molecular, que é solido no estado final e que em determinado estágio de sua fabricação é mole o suficiente

para ser moldado em diversas formas, geralmente por calor e pressão.

O que diferencia um polímero termoplástico de um termorrígido?

R: Os termoplásticos são constituídos por cadeias saturadas, permitindo que sua estrutura química não seja

significativamente alterada pela mudança de fase, podendo ser aquecido e moldados diversas vezes, embora

haja uma perda progressiva das propriedades originais devido ao aumento do grau de carbonização. Já os

termorrígidos são formados por cadeias insaturadas cruzadas ou em rede, ou seja, quando se aquece o

material termorrígido, suas cadeias são quebradas e não conseguem voltar a estrutura química anterior

devido as duplas ligações desfeitas e o material não torna a amolecer e sim carboniza, ocorrendo a

degradação do material.

Quais são as fases de transformação dos termoplásticos?

R: aquecimento; amolecimento; esfriamento e endurecimento.

O que se deve fazer para minimizar o grau de carbonização que tende a aumentar cada vez que se

aquece o material termoplástico conforme recomendação de fornecedores deste tipo de matéria-

prima?

R: Deve-se misturar em torno de 75% de material virgem (plástico novo) a 25% de material reciclado

(plástico que já passou por um processo de transformação)

O que se incorpora a um termoplástico para modificar suas propriedades? E quais são os tipos mais

utilizados?

R: Com o fim de modificar as propriedade de um termoplástico incorpora-se aditivos. Os mais utilizados

são: corantes; cargas; plastificantes; lubrificantes; estabilizantes; anti-oxidantes; antibloqueios; retardante de

chama; antiestáticos, etc.

Cite algumas vantagens dos plásticos.

R:

São mais leves que os metais as cerâmicas;

Podem flutuar;

Possuem baixa temperatura de processamento, variando da temperatura ambiente a 250°C, chegando

até 400°C;

Baixa condutibilidade térmica, cerca de 100 menor que a dos metais;

Resistência a corrosão, variando de matéria prima para matéria prima;

Reciclabilidade;

Flexibilidade, o modo de elasticidade e estabilidade variam em faixas amplas.

Cite algumas das limitações dos plásticos?

R:

Baixa dureza superficial, ou seja, pouca resistência a abrasão;

Baixa resistência a temperatura;

Baixa resistência a U.V. e intemperismo;

Alta inflamabilidade.

Exercícios sobre matrizes termorrígidas de poliéster

O que é uma resina? E como são classificadas?

R: São polímeros de elevado peso molecular resultantes da condensação de ácidos carboxílicos. São

classificadas em resinas saturadas e insaturadas.

O que é um poliéster?

R: Trata-se de um termo que significa muitos ésteres, ou seja, seja um polímero cujo o mero é uma função

química éster, sendo que um éster é obtido através da reação de ácido + álcool = éster + água.

Como se classificam os poliésteres? E como são obtidos?

R: Poliésteres saturados e insaturados. Os poliésteres saturados são obtidos através da reação entre um

bialcool e um biácido saturado, resultando assim em um termoplástico. Já o os poliésteres insaturados sçao

obtidos através da reação entre um diálcool (glicol) e um anídrico ou ácido dibásico (diácido) e liberação de

uma molécula de água, logo este poliéster é obtido quando qualquer dos reagentes contem insaturações

(duplas ligações na cadeia molecular).

Como podem ser “curadas” as resinas de poliéster?

R: Elas podem ser curadas a temperatura ambiente na presença de um catalisador ou aditivo especial ou sem

o uso de aditivo em temperatura variando entre 70 a 150°C.

Cite alguns exemplos de fibras utilizadas para produção de compósitos de matriz polimérica de resina

poliéster.

R:

Fibras de vidro;

Fibras naturas tais como: açaí, dendê, miriti, tala de guarumã, coco, etc.

Como podem ser classificadas as fibras naturais? E como sub subdividem?

R: as fibras naturais se classificam de acordo com sua origem:

Fibras oriundas de sementes;

Fibras oriundas de folhas;

Fibras oriundas de fruto;

Fibras oriundas de raiz;

Fibras oriundas de caule.

Elas se subdividem em fibras duras e macias.

Que características influenciam nas propriedades de um fibra?

R:

Condições de umidade;

Composição química;

Dimensões;

Ângulo microfibrilar;

Razão de aspecto;

Adesão interfacial da fibra com a matriz polimérica.

Cite algumas vantagens das fibras vegetais e algumas desvantagens.

R:

Dentre as vantagens estão:

Baixa massa especifica;

Boa maciez;

Baixa abrasividade;

Biodegradabilidade;

Sem toxicidades;

Baixo custo.

Dentre as desvantagens estão:

Grande variabilidade nas propriedades mecânicas;

Baixa estabilidade dimensional;

Alta sensibilidade a efeitos tais como variações de temperatura e umidade;

Alta influência do solo de origem;

Sazonalidade;

Localização relativa do corpo da planta de origem;

Baixa temperatura de processamente (abaixo de 200°C), daí seu uso maior em resinas termorrígidas

que possuem temperatura de cura, geralmente, abaixo de 200°C;

Falta de uniformidade de propriedades, sendo que estas dependem da origem das fibras, região de

plantio, habilidade durante a colheita e a absorção de umidade.

Qual uma forma de se reduzir a umidade das fibras?

R: Através tratamentos de modificação química das fibras que podem aumentar a adesão entre as fibras e a

matriz, ou seja, adesão interfacial fibra/matriz.

Qual a norma utilizada para ensaios de tração de compósitos reforçados por fibras? O que esta norma

determina?

R: A ASTM D3039. Sendo que esta norma determina as dimensões dos corpos de provas, definindo um

comprimento, largura e espessura, bem como a área útil de tração. As unidades são em mm e a velocidade

de tração para máquinas universais de tração são de 2mm/min.

Como é realizado um ensaio de absorção de água?

R: Reserva-se um corpo de prova para este ensaio, ou seja, o copo de prova não pode ter sofrido outro

ensaio, tal como o ensaio de tração. O corpo de prova é então cortado em pequenas dimensões e pesado em

balança analítica. As massas iniciais são registradas. Após o registro das massas, mergulha-se os corpos de

prova em um Becker contendo água destilada, mantendo o conjunto Becker-corpo de prova em uma estufa a

temperatura constante de 22°C. Após o período determinado, retira-se e pesa-se os corpos de prova.

Realizando assim um cálculo de absorção de água relativa.

Exercícios sobre compósitos de matriz de cimento

O que é o cimento?

R: O cimento é um material cerâmico fino que serve como meio ligante para os compósitos de concreto.

O que é o concreto?

R: Trata-se de um compósito com reforço de partículas grandes, na qual tanto a fase matriz quanto a fase

dispersa são materiais cerâmicos. No concreto as partículas agregadas finas (areia) e partículas agregadas

grossas (cascalho, saibro ou seixo) são interligadas num corpo sólido por um meio ligante denominado de

cimento mais água. Pode se reforçar o concreto com aços, obtendo assim o concreto armado.

Onde se utiliza o concreto?

R: Utiliza-se em estruturas da construção civil; casas pré-fabricadas; cobertura de aterros sanitários; para

isolamento térmico e acústico, etc.

O que são Compósitos de Matriz de carbono?

R:

Por que são importantes os compósitos de matriz de carbono e onde são aplicados?

R: São importantes devido manterem sua resistência inalterada, poderem aumentar o limite de resistência de

componentes produzidos juntamente com ele a temperaturas acima de 1500°C em atmosferas não oxidantes.

São aplicados em estruturas leves tais como indústria espacial e em componentes de estruturas da indústria

aérea que precisam resistir a elevadas temperaturas.

Quais são os métodos pelos quais são processadas as matrizes metálica para a produção de

compósitos?

R: Elas são processadas por dois métodos que são através da fusão do metal na forma de lâminas finas ou

pela mistura do metal, geralmente na forma de pó, com o reforço na forma de partícula.

Qual o objetivo do processamento no estado sólido no processamento de CMM?

R: Possibilitar a formação de fases na matriz metálica, tais fases atuam como reforço.

Cite exemplos de fases formadas em matrizes metálicas.

R: Algumas fases que se formam e atuam como reforço são de Al2O3, SiO2 ou BeO. Tais fases possuem

maior dureza que o metal base, resultando assim em reforço para o compósito.

Quais são alguns métodos de obtenção de CMM no estado sólido?

R: Um meio é através de tratamento térmico na presença de oxigênio, que em metais bases de Cu e Ag, com

soluções sólidas diluídas tendo como soluto o Al, Si ou Be, resultam na formação de Al2O3, SiO2 ou BeO.

Outro método é através da compactação e sinterização de pós com uma determinada fração em volume de

partículas, ou fibras (longas ou curtas).

Cite alguns exemplos de matriz e reforço.

R: Al(matriz) com reforço de partícula de Al2O3; Al(matriz) com reforço de fibras de SiC e Co (matriz) e

reforço de partícula de WC.

Como funciona a obtenção de CMM no estado líquido?

R: O CMM no estado líquido pode ser obtido através de reforço nas formas de partículas ou fibras (picadas

ou contínuas) incorporadas a uma liga metálica fundida. No caso de reforço de fibras continuas o metal

líquido é infiltrado nos interstícios do tecido ou preforma acondicionado em molde fechado. Outra forma é a

deposição na forma de filmes da liga fundida sobre o reforço originando um material similar a um pré-

impregnado que posteriormente pode ser submetido a uma prensagem à quente.

Cite algumas matrizes de compósitos de matriz cerâmica (CMC)?

R: Carbeto de Silício, Nitreto de Silício, alumina, mulita, vidros e outros.

Qual a características que diferencia CMC de outros compósitos?

R: CMCs apresentam elevadas propriedades mecânicas em temperaturas elevadas na ordem de 400 a

3000°C e ambientes agressivo.

Como podem ser divididos os CMCs de acordo com a falha e a facilidade de processamento?

R: Compósitos reforçados por “whiskers”, sujeitos a falha catastrófica (comportamento determinado pela

matriz) e processamento relativamente fácil, e compósito reforçado por fibras constínuas, que não falham de

forma catastrófica (determinado pela fibra) e processamento especial.

Quais são as principais fibras contínuas usadas em CMCs?

R: Fibras de Carbeto de Silício e óxido de alumínio.

O que é “whiskers”?

R: São partículas ou fibras picadas em tamanhos de algumas dezenas de microns e diâmetro na ordem de 1

micron.

Em CMCs quais as principais propriedades que as fibras aumentam?

R: A tenacidade, resistência a tração e a flexão, condutividade térmica (no caso de reforço de fibras de

carbono).

O que é importante para que haja o reforço de forma eficaz em CMCs?

R: A ligação entres as fibras e a matriz deve ser suficientemente forte.

Quais são os mecanismos pelos quais se pode aumentar a tenacidade a fratura dos CMCs?

R: Os mecanismos são a deflexão de fenda, formação de pontes no interior da fenda e a extração da fibra.

Que propriedade a fibra de carbono aumenta além da tenacidade a fratura?

R: A condutividade térmica.

Que propriedade a as fibras diminuem?

R: A retração de secagem nos casos de CMCs preparados usando suspensões ou enxertos.

Quais são os principais processos de produção de fibras cerêmicas?

R: Processo de pasta semi fluida (slurry), processo sol-gel, processo por deposição química em fase vapor

(CVD) e Processo por polímeros precursores.s