Materiais Compósitos
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20/11/2013
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Materiais Compósitos
CTMat – 2013/2
Compósito
Mistura física de dois ou mais materiais,
combinados para formar um novo material de
engenharia, com propriedades diferentes dos
componentes puros, podendo ser obtido por
combinação de metais, cerâmicas ou polímeros.
Compósito
Cerâmica
Polímero Metal
Fibra de Vidro
Pneu
Concreto Armado
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Compósitos
Muitos compósitos são constituídos por apenas duas
fases; matriz e fase dispersa
Polímero Matriz Fase dispersa + = Novo Material
Exemplos
Ligas metálicas – propriedades intermediárias entre
soluto e solvente;
Perlita – camadas alternadas de ferrita com cementita;
Madeira = fibras de celulose envolvidas em lignina;
Ossos – colágeno envolvido em apatita
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Exemplos
concreto
-matriz; cimento
-fase dispersa; areia (enchimento) e
brita
Função do polímero matriz
Distribuir e transferir tensões mecânicas para a fase
dispersa;
Proteger a superfície da fase dispersa contra corrosão e
outros ataques químicos;
Ligar uma fibra a outra.
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Função da fase dispersa
Fase Dispersa
Reforço
Melhorar o desempenho mecânico da matriz;
VANTAGENS: - Resistência à tração; Rigidez ; Tenacidade; Estabilidade térmica e dimensional.
DESVANTAGENS: - Aumenta o custo e densidade da matriz; - Pode causar
distorção na peça; - Reduz fluxo do material fundido (dificulta o
processamento)
Enchimento
Modificar as propriedades da matriz VANTAGENS: - Rigidez ; Módulo de Flexão e tração ; Estabilidade térmica e dimensional; Aumentar a condutividade elétrica e térmica . Diminui custo.
DESVANTAGENS - Aumenta a densidade da matriz; - Reduz fluxo do material fundido (dificulta o
processamento); - Diminui tenacidade.
Arranjo da fase dispersa
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Função da interfase
Região altamente especializada, que garante a boa
distribuição da cargas pela matriz e é fundamental para o
alto desempenho do compósito.
Exige alguns requisitos:
Requisitos para a adesão matriz - fibra
Atração Eletrostática – Escolha da matriz – polaridade;
Ligações químicas primárias – Agentes de acoplagem ou
UV
Os espaços vazios, trincas, defeitos: atrapalham as
interações
químicas secundárias e as ligações primárias e ainda atuam
como concentradores de tensão. Impurezas.
Molhabilidade: tensões superficiais muito diferentes,
permitem que haja espaços vazios e limitam as interações
químicas. Processos.
Interdifusão: Moléculas da matriz e fibra migram, transição
vítrea.
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Interação fibra-matriz
Classificação
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Materiais Compósitos
Reforçado com partículas • Partículas grandes: Interação
entre matriz-partícula ocorre em nível não-atômico: O material reage internamente ao ser solicitado por uma força, dividindo-a entre fase matriz e dispersa.
• Dispersão: Reforço ocorre devido à interação em nível atômico ou molecular: A matriz absorve quase totalmente a solicitação imposta por uma força, restando as partículas dispersas para impedir/dificultar a dissipação das discordâncias no material
Um exemplo clássico de compósito reforçado com partículas grandes é o concreto simples.
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A resistência mecânica do concreto pode ser melhorada
com a inclusão de barras de aço (concreto armado), ou
também com a imposição de tensões usando a técnica de
protensão.
(a) Cabos de protensão (b) Concreto Armado
Reforçado com Fibras
• Esse tipo de compósito tem por objetivo aliar resistência e/ou
rigidez elevadas. Os principais diferenciais entre os tipos de
compósitos reforçados com fibras estão nos comprimentos e nas
orientações das mesmas.
(a) Material com fibras contínuas
e Alinhadas;
(b) Material com fibras
descontínuas e Alinhadas;
(c) Material com fibras
descontínuas e orientado
aleatoriamente.
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Reforço de materiais compósitos
Tensão x Deformação
Fibra (frágil) Matriz (Dúctil) Compósito
Fibra
Matriz
Compósito
Deformação Deformação
Matriz
Fibra
Tensã
o
Tensã
o
Ruptura
Estágio
Estágio
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Este um exemplo de
compósito reforçado com
fibras descontínuas e
orientado aleatoriamente.
Telhas de fibra de
vidro que têm
polímeros como
matriz.
Concreto reforçado com fibras contínuas e alinhadas.
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Compósitos Estruturais
• Laminados: Composto por lâminas que são postas umas sobre as outras, com orientações alternadas em relação às fibras.
• Painéis-sanduíche: Projetados para serem vigas ou painéis de baixo peso com rigidez e alta resistência. Composto por duas lâminas externas e um núcleo espesso.
(a) (b)
(a) Esquema de um painel-sanduíche;
(b) Empilhamento de camadas sucessivas formando um
compósito laminado.
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Esquema de montagem de compósito estrutural / painel - sanduíche
Compósitos estruturais
processo de produção
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Processos de
Fabricação
Moldes fechados
Moldes Abertos
Câmara de pressão
Autoclave
Pultrusão
Injeção Laminação
Pistola
Centrifugação
Enrolamento de filamento
Manual ou contato
Manual ou contato
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Moldes abertos e fechados
(a) Moldagem sem pressão; (b) Moldagem a vácuo e (c) Moldagem por compressão a frio
Pistola
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Moldagem por prensagem à quente
Laminação
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Enrolamento de filamento
Esquema do processo de enrolamento de filamento (a) visão geral e (b) alguns detalhes
Pultrusão
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Centrifugação
Utilizado na produção de peças de revolução.
Dentro do molde em movimento de rotação é injetado as fibras cortadas
juntamente com a resina.
A impregnação da resina nas fibras e a compactação é feita pelo efeito de
centrifugação.
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Fibra de carbono
A fibra de carbono é considerado como um material
cerâmico, embora tenha como fibras precursoras algumas
fibras poliméricas:
Celulose regenerada-Rayon
Fibras de Poliacrilonitrila
Piche
Após vários tratamentos a altas temperaturas e com
atmosfera controlada, perdem hidrogênio e os outros
grupos funcionais dos polímeros formando uma
estrutura unicamente com carbono.
Compósitos com fibras poliméricas
Matrizes Poliméricas:
Resina de Poliéster
Resina Epóxi
Resina Ester Vinílicas
Resina Fenólica
Fase Dispersa:
Fibras de Polietileno e Fibras de UHMWPE
Fibras de Poliester
Fibras de Acrilonitrila
Fibras de Algodão (Celeron)
Fibras de Poliamida – Nylon e Kevlar
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Compósitos com Matriz Polimérica(PMC)
Fibra de vidro
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Compósitos com Matriz Metálica (MMC):
A matriz é constituída por um metal;
Estes compósitos oferecem vantagens relativamente aos
materiais convencionais combinando as propriedades do metal
que serve de matriz com as propriedades do material que
serve de reforço , esta combinação de vantagens é superior
que a conseguida com os compósitos poliméricos
utilizadas em temperaturas maiores que seu metal-base
tipos de reforços: partículas, fibras contínuas (C, SiC, alumina e
metais refratários.
funções do reforço: melhorar sua resistência específica, rigidez
,resistência à abrasão, resistência à fluência, condutividade
térmica e estabilidade dimensional.
Compósitos com Matriz Metálica (MMC):
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Aplicações
Cabine à prova de tornado
Aplicações
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Drenagem de lama de dragagem do Canal
do Fundão – Rio de Janeiro/RJ
Fachada com painéis-sanduíche
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• Laje Escorada devido a
fraturas
• Detalhe das lâminas de
fibra de carbono
aplicadas para reforçar a
estrutura.