UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMPÓSITOS POLIMÉRICOS A BASE DE TECIDO
HÍBRIDO CARBONO/VIDRO: TRAÇÃO E
COMPRESSÃO UNIAXAIS
JOÃO PAULO DE FREITAS GAMA
NATAL - JULHO/2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMPÓSITOS POLIMÉRICOS A BASE DE TECIDO
HÍBRIDO CARBONO/VIDRO: TRAÇÃO E
COMPRESSÃO UNIAXAIS
JOÃO PAULO DE FREITAS GAMA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao curso de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal do Rio
Grande do Norte como parte dos requisitos
para a obtenção do título de Engenheiro
Mecânico, orientado pela Prof. Dra. Eve
Maria Freire de Aquino.
NATAL - JULHO/2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMPÓSITOS POLIMÉRICOS A BASE DE TECIDO
HÍBRIDO CARBONO/VIDRO: TRAÇÃO E
COMPRESSÃO UNIAXAIS
JOÃO PAULO DE FREITAS GAMA
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Dra. Eve Maria Freire de Aquino ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientadora
Prof. Dr. Avelino Manuel da Silva Dias ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Prof. Dr. Raimundo Carlos Silvério Freire Junior ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
NATAL - JULHO/2018
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, que sempre esteve ao meu lado e me deu força para que
eu chegasse até aqui.
Aos meus pais, Ana de Freitas Gama e José Inaldo Gama, que não mediram
esforços, pelos ensinamentos em todos os momentos da minha vida.
À professora Dra. Eve Maria Freire de Aquino, a quem tenho muito respeito e
admiração, por sua compreensão e ensinamentos, mostrando o que é ser uma verdadeira
orientadora.
Aos meus irmãos, José de Freitas Gama Neto e Joseany Kelly de Freitas Gama,
pelo apoio e proteção nos vários momentos da minha vida.
Aos meus amigos, em especial a Augusto, Ezakêl, Franklin, Ênio, Rafael e
Layon que sonharam comigo e sempre torceram para que esse momento chegasse.
Aos meus colegas, Talita, Aninha e Raphael que em nenhum momento
negaram ajuda, mesmo tendo suas obrigações do dia-a-dia. .
Aos Chayk’s, Artur, Michael e Raquel, que estiveram ao meu lado durante toda
essa jornada.
Ao senhor Uirajara Costa Nóbrega, que me abriu as portas de sua empresa e,
assim, permitiu que eu aplicasse os conteúdos adquiridos durante a graduação.
À professora Dra. Fabiana Tristão de Santana, a quem tenho muita gratidão,
pelos diversos ensinamentos e exemplos durante toda a jornada.
Gama, J. P. F. COMPÓSITOS POLIMÉRICOS HÍBRIDOS A BASE DE FIBRAS
DE CARBONO/VIDRO: TRAÇÃO E COMPRESSÃO UNIAXAIS. 50 p. 2018.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2017.
RESUMO
Nos últimos anos tem-se buscado desenvolver materiais que sejam economicamente
viáveis e ao mesmo tempo correspondam às novas exigências tecnológicas. Neste
sentido, os materiais compósitos despontam como uma alternativa para serem utilizados
em diversas aplicações. Dentre essa classe de materiais destacam-se os plásticos
reforçados com fibras sintéticas. Atualmente, em função do aumento da aplicabilidade
desse tipo de material, torna-se imprescindível a necessidade de aperfeiçoamento do
mesmo. Sendo assim, novos estudos são realizados a fim de melhorar cada vez mais
suas propriedades mecânica, otimizando, assim, a relação custo/benefício. Desta forma,
o principal objetivo deste trabalho é desenvolver e analisar as propriedades mecânicas e
características de fratura mecânica sob efeitos da anisotropia, frente aos carregamentos
uniaxiais de tração e compressão. O material desenvolvido trata-se de um laminado
compósito reforçado com tecidos híbridos de fibras carbono T300/vidro-E, utilizando
como resina a do tipo Epóxi Éster Vinílica Derakane Momentum™ 411-350. Para realizar
o estudo da anisotropia, foram utilizados 3 (três) conjuntos de corpos de prova (cp’s),
levando em consideração o sentido da orientação das fibras com relação a direção da
carga aplicada. Os resultados mostram que tanto a anisotropia quanto o tipo de
carregamento influenciam nas perdas e/ou ganho das propriedades mecânicas.
Palavras-chaves: Compósito Polimérico, Tecidos híbridos, Fibras de vidro-E, Fibras de
carbono- T300, Anisotropia.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Imagem ilustrativa de um gerador eólica.
Figura 2: Imagem ilustrativa de uma placa de circuito.
Figura 3: Imagem ilustrativa de um metrô.
Figura 4: Imagem ilustrativa do processo de laminação manual (Hand Lay Up).
Figura 5: Principais características de dano apresentados em ensaios de compressão
uniaxial.
Figura 6: Modos de falha dos compósitos submetidos à tração (ASTM D3039, 2014).
Figura 7: Projeto das garras de compressão.
Figura 8: Tecido híbrido tipo sarja 2x2 (THCV).
Figura 9: Etapas dos processos de fabricação Hand Lay-Up.
Figura 10: Configuração do laminado.
Figura 11: Esquema de corte dos CP’s.
Figura 12: Máquina universal SHIMADZU.
Figura 13: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CVC.
Figura 14: Região de fratura final – Vista das superfícies dos CP’s – CVC.
Figura 15: Região de fratura final – Vista lateral – CP’s CVC.
Figura 16: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CVV.
Figura 17: Região de fratura final – Vista das superfícies dos CP’s – CVV.
Figura 18: Região de fratura final – Vista lateral – CP’s CVV.
Figura 19: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CV±45°.
Figura 20: Região de fratura final – Vista superior – CP’s CV±45°.
Figura 21: Região de fratura – Vista lateral – CP’s CV±45°.
Figura 22: Curva média tensão x deformação dos CP’s, CVC, CVV e CV±45°.
Figura 23: Curva média tensão x deformação dos CP’s, CVC, CVV e CV±45°- Tração
uniaxial.
Figura 24: Comparativo entre as curvas médias – (a) Tração Uniaxial x (b) Compressão
Uniaxial.
Figura 25: Fratura final - CP’s CVC – Tração uniaxial.
Figura 26: Fratura final - CP’s CVV – Tração uniaxial.
Figura 27: Fratura final – CP’s CV±45°– Tração uniaxial.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Classificação dos materiais compósitos, Hull (1988)
Tabela 2: Classificação das fibras.
Tabela 3: Vantagens e desvantagens da Fibra de Vidro
Tabela 4: Codificação das características de fratura - Compressão uniaxial.
Tabela 5: Código das características do modo de falha – Tração Uniaxial.
Tabela 6: Propriedades Típicas da Resina Líquida.
Tabela 7: Propriedades da Resina Derakane Momentum™ 411-350 pura (Valores
típicos da resina sem reforço e Pós-Curada).
Tabela 8: Informações técnicas do THCV.
Tabela 9: Definição dos CP’s.
Tabela 10: Propriedades mecânicas – CP’s CVC.
Tabela 11: Propriedades mecânicas – CP’s CVV.
Tabela 12: Propriedades mecânicas – CP’s CV±45°.
Tabela 13: Influência da Anisotropia – Compressão Uniaxial
Tabela 14: Propriedades mecânicas – CP’s CVC – Tração uniaxial.
Tabela 15: Propriedades mecânicas – CP’s CVV – Tração uniaxial.
Tabela 16: Propriedades mecânicas – CP’s CV±45° – Tração uniaxial.
Tabela 17: Influência do carregamento para os CP’s CVC
Tabela 18: Influência do carregamento para os CP’s CVV.
Tabela 19: Influência do carregamento para os CP’s CV±45°.
Tabela 20: Modo de fratura final – Compressão Uniaxial x Tração Uniaxial
SUMÁRIO
Sumário Agradecimentos .................................................................................................. 4
Resumo ............................................................................................................... 5
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................ 6
1 Introdução ...................................................................................................... 10
2 Objetivos ....................................................................................................... 11
3 Revisão Bibliográfica .................................................................................... 12
3.1 Materiais Compósitos ............................................................................. 12
3.1.1 Definições ........................................................................................ 12
3.1.2 Classificação dos Materiais Compósitos ......................................... 12
3.1.3 Aplicações dos Materiais Compósitos ............................................ 13
3.1.4 Elementos constituintes ................................................................... 15
3.1.5 Fibras de vidro ................................................................................. 17
3.1.6 Fibras de Carbono ........................................................................... 18
3.1.7 Materiais compósitos fibrosos ......................................................... 18
3.1.8 Processos de fabricação ................................................................... 19
Laminação Manual – Hand Lay Up ......................................................... 20
3.2 Características da fratura mecânica nos materiais compósitos .............. 20
3.3 Ensaio de compressão uniaxial............................................................... 22
4 MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................... 24
4.1 Materiais Utilizados ............................................................................... 24
4.2 Fabricação do Laminado Compósito ...................................................... 27
4.3 Confecção dos Corpos de Provas – Compressão Uniaxial..................... 28
4.4 Ensaio de Compressão Uniaxial ............................................................. 30
4.5 Caracterização da Fratura ....................................................................... 32
4.6 Densidade Volumétrica – Teores dos Elementos Constituintes ............. 32
5 Resultados e discussões ................................................................................. 33
5.1 Resultado dos Ensaios de Densidade Volumétrica e de Calcinação ...... 33
5.2 Resultado dos Ensaios de Compressão Uniaxial .................................... 33
5.2.1 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CVC.......................... 33
5.2.2 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CVV ......................... 36
5.2.3 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CV±45° .................... 38
5.3 Estudos Comparativos ............................................................................ 40
5.3.1 Influência da Anisotropia ................................................................ 40
5.3.2 Influência do Tipo de Carregamento x Anisotropia ........................ 41
5.3.3 Características da Fratura Mecânica - Tração x Compressão
Uniaxiais ................................................................................................................. 44
6 Conclusão ...................................................................................................... 47
7 Referências .................................................................................................... 48
10
1 INTRODUÇÃO
A busca em desenvolver novos materiais, que consigam suprir a demanda
tecnológica, apresentou um crescimento considerável nos últimos anos. Neste sentido,
aparecem os materiais compósitos. Os mesmos são materiais constituídos pela mistura
de dois ou mais materiais com objetivo de se obter propriedades específicas e
características desejadas. Dentro dessa gama de materiais, os Compósitos Poliméricos,
também conhecidos como Plásticos Reforçados, possuem uma estrutura constituída de
polímeros, como agente aglutinante, e como reforços fibras e/ou partículas. Esses
materiais compósitos se destacam pela fácil conformação durante a fabricação, alta
resistividade elétrica e térmica, além de sua baixa densidade.
A combinação de propriedades físicas, mecânicas e químicas dos componentes
para proporcionar as características desejadas ao produto final, deve ser realizada
conhecendo-se as propriedades de cada componente por separado.
Além das propriedades individuais dos componentes, é necessário desenvolver
a interface mais adequada possível, para que haja a combinação de propriedades
envolvidas. A interface é a região na qual ocorre o contato entre os constituintes dos
materiais compósitos e que tem como principal função a de transferência da solicitação
mecânica da matriz para o reforço.
O aperfeiçoamento nos processos de fabricação proporcionou aos materiais
compósitos um lugar de destaque na indústria. Neste sentido, os estudos envolvendo
novos materiais compósitos, principalmente os plásticos reforçados, tem ganhado maior
importância tecnológica, tendo como desafio criar materiais com boas propriedades
mecânicas e baixo custo.
O presente trabalho tem como objetivo estudar a influencia da anisotropia e do
tipo de carregamento no comportamento mecânico (resistência, módulo de elasticidade,
deformação de ruptura e fratura) de laminados compósitos poliméricos reforçados a
base de tecidos híbridos constituídos de fibras carbono/vidro. A característica da fratura
final é analisada segundo as normas vigentes e como estudo complementar são
determinados a densidade volumétrica do laminado compósito, bem como os teores (em
termos percentuais) dos elementos constituintes.
11
2 OBJETIVOS
Objetivo Geral
A proposta deste trabalho é estudar o comportamento mecânico e a característica
da fratura final frente à influência da anisotropia, ou seja, influência da orientação das
fibras com relação à direção de aplicação da carga de um Laminado Compósito híbrido
reforçado de fibras de carbono e de vidro, impregnado com resina termofixa, frente aos
carregamentos uniaxiais de tração e compressão.
Objetivos Específicos
Desenvolver um laminado compósito híbrido envolvendo tecidos a base de
fibras de carbono-T300 e fibras de vidro-E;
Estudo da composição do laminado compósito;
Estudar o comportamento da tensão última, módulo de elasticidade, deformação
de ruptura frente à tração e compressão uniaxiais;
Estudo da característica da fratura mecânica final;
Estudos comparativos: influência da anisotropia e do tipo de carregamento.
12
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Esta seção apresentará um breve histórico sobre os materiais compósitos,
enfatizando definições e principais aplicações destes materiais.
3.1 Materiais Compósitos
3.1.1 Definições
Segundo Hull (1988), material compósito nada mais é do que a combinação de
dois ou mais materiais diferentes, quando analisados macro e microscopicamente, cujo
objetivo é a obtenção de propriedades e características desejadas. Tal definição foi
compartilhada, também, por Van Vlack, (1988), Aquino, (1992) entre outros.
Calister e Rethwisch (2014) definem compósito como material multifásico, que
quando combinado, apresentam certas proporções de propriedades dos materiais que o
constituem.
A norma ASTM D 3878 (2007) definem materiais compósitos como a
combinação de dois ou mais materiais, na qual tal combinação possui propriedades que
não podem ser encontradas em seus constituintes isoladamente.
Para Mano (1991), os materiais compósitos apresentam uma classe de
materiais multifásicos, na qual o reforço dá a resistência ao esforço do material,
enquanto que à matriz é responsável pela transferência de tal esforço. Ainda segundo o
autor, em alguns casos, as propriedades do conjunto são superiores as dos componentes
individuais.
3.1.2 Classificação dos Materiais Compósitos
Em Hull, (1988) observa-se que os materiais compósitos são geralmente
classificados quanto à natureza dos materiais que o compõem. Segundo o autor, tais
materiais estão divididos em materiais compósitos naturais e materiais compósitos
sintéticos. Os materiais compósitos sintéticos são subdivididos em outros dois grupos:
Microcompósitos e Macrocompósitos. A tabela 1 mostra essa classificação.
13
Tabela 1: Classificação dos materiais compósitos, Hull (1988).
Natureza do Material Exemplos
Natural Músculos, Madeira, Bambu, etc
Microcompósito Sintético Plásticos Reforçados
Macrocompósito Sintético Vigas de concreto Armado e Aço
Galvanizado
Fonte: Elaborado pelo autor.
Para Al-qureshi, (1983) os compósitos são classificados quanto à estrutura
formada pelos materiais componentes. Para o autor, tais materiais são divididos em:
Materiais compósitos fibrosos (reforço na forma de fibra curta ou continua, podendo
apresentar uma disposição orientada ou aleatória), Materiais compósitos laminados
(apresentam uma combinação de várias camadas de reforço) e Materiais compósitos
particulados (apresentam partículas dispersar por toda matriz).
Segundo Calister e Rethwisch (2014), os materiais compósitos são divididos
em quatro classes: Materiais compósitos particulados; materiais compósitos fibrosos;
materiais estruturais e nanocompósitos.
Entre os microcompósitos destacam-se os compósitos híbridos. Os materiais
compósitos híbridos são materiais que apresentam em sua composição combinações de
vários tipos de reforço, tais como fibras e/ou partículas.
3.1.3 Aplicações dos Materiais Compósitos
Os materiais compósitos são aplicados em diversas áreas da indústria, tais
como: aeroespacial, automotiva, construção civil entre outros. O custo/benefício
conveniente e as boas propriedades mecânicas fazem com que esses materiais ganhem
cada vez mais espaço no setor industrial.
A energia eólica renovável compete em escala industrial com outras fontes de
energia como hídrica. Neste cenário, por apresentar uma alta relação resistência x peso e
boa resistência à corrosão, os materiais compósitos são utilizados nas fabricações de
geradores eólicos, plataformas, postes entre outros. Exemplos mais comuns da aplicação
industrial dos materiais compósitos são mostrados nas figuras 1, 2 e 3.
14
Figura 1: Imagem ilustrativa de um gerador eólica
Fonte: Owens Corning (2012).
A figura 2 mostra outra aplicação relevante destes tipos de materiais. Tendo em
vista que os compósitos apresentam propriedades adequadas para isolamento elétrico,
estes materiais são utilizados com frequência nas confecções de placas de circuitos.
Figura 2: Imagem ilustrativa de uma placa de circuito
Fonte: Owens Corning (2012).
15
O baixo peso, a alta resistência e a flexibilidade no design fazem com que os
materiais compósitos estejam presentes na fabricação de veículos na indústria de
transporte urbano, ver figura 3.
Figura 3: Imagem ilustrativa de um metrô.
Fonte: Owens Corning (2012).
3.1.4 Elementos constituintes
Em escala microscópica, os materiais compósitos possuem dois ou mais
constituintes: Matriz e reforço. A matriz é o constituinte continuo (aglutinante),
enquanto que o reforço atua aprimorando as propriedades mecânicas da matriz.
(Mathews, 1995).
3.1.4.1 Matriz
Nos materiais compósitos, a matriz tem por finalidade básica atuar como um
meio de transferência de carga para os reforços através do cisalhamento e proteger o
reforço da abrasão mútua (Correia, 1988).
As matrizes são classificadas em: Orgânica (poliméricas), metálicas e
cerâmicas. As matrizes poliméricas subdividem-se em dois outros grupos: Termofixas e
Termoplásticas. Devido ao baixo custo e a versatilidade de formulação, as matrizes
poliméricas são as mais utilizadas, se comparadas às outras (Vincenzine, 1995).
16
Nas matrizes termofixas, a polimerização leva a uma estrutura tridimensional.
Ocorrem várias ligações químicas covalentes entre diferentes cadeias, de modo que não
é mais possível ocorrer um escorregamento entre as moléculas.
As principais características das resinas termofixas são: baixo custo, a maioria
apresenta certa resistência à exposição ambiental (umidade, raios ultravioletas e outros),
comportamento quebradiço, sensível à radiação e oxigenação no espaço, fácil manuseio
e processamento, isotrópicas, estado líquido a temperatura ambiente e outras.
Pode-se citar como exemplo de matrizes termofixas mais usadas nos
compósitos poliméricos: Epóxi, Poliéster insaturado, Fenólica e Silicone.
As resinas de poliéster são polímeros versáteis, sendo encontrado
comercialmente como fibras, plásticos, filmes etc. Tais materiais são obtidos por meio
de uma reação de condensação entre um poliálcool e um ácido policarpoxílico, (Calister
e Rethwisch, 2014).
As principais características das resinas de poliésteres são: Excelente
estabilidade dimensional, ótimas propriedades elétricas, fácil pigmentação, cura a frio,
entre outras.
As matrizes termoplásticas, também chamadas de plásticos, podem dissolver-se
em vários solventes. Outro ponto considerável destas matrizes é que, sob temperatura
ambiente, elas podem ser maleáveis rígidas ou mesmo frágeis.
Pode-se citar como exemplo de matrizes termoplásticas mais usadas nos
compósitos poliméricos: Polietileno, Polipropileno, Poliuretano, etc.
3.1.4.2 Reforço
O reforço é o componente descontínuo do material, e, em regra, apresenta a
maior resistência nos compósitos.
Os reforços geralmente se apresentam sob a forma de fibras ou partículas
imersas na matriz e tem a função essencial de resistir a carregamentos mecânicos.
Dentre os reforços utilizados em materiais compósitos destacam-se as fibras.
Esta classe de reforço se divide em outras duas classes: Fibras naturais e Fibras
sintéticas. As fibras naturais são subdivididas em: Animais, vegetais e minerais;
17
enquanto que as sintéticas subdividem-se em: Orgânicas e inorgânicas Calister e
Rethwisch (2014). Tais subdivisões estão destacadas na tabela 2.
Tabela 2: Classificação das fibras.
Fibras
Natural Animal (Seda,)
Vegetal (Juta, Curauá, Sisal)
Mineral (Basalto)
Sintética Orgânica (Aramida, Poliéster)
Inorgânica (Carbono, Vidro) Fonte: Elaborada pelo autor.
Embora que a escolha por fibras naturais tenha aumentado, as fibras sintéticas
continuam como preferidas dos pesquisadores e engenheiros. Tal atenção se dá devido
às ótimas propriedades mecânicas e resistência à umidade.
Geralmente, as fibras sintéticas mais encontradas em materiais compósitos são:
Fibras de vidro, fibras de náilon, fibras de carbono, fibras de aramida, entre outros.
3.1.5 Fibras de vidro
As fibras de vidro aparecem como protagonistas na indústria de plástico
reforçado. Comercializado desde a década de 40 para esse fim, as fibras de vidros são
consideradas como um dos principais agentes de reforços empregados na formação de
materiais compósitos.
Segundo Herakovich (1997), dentre as várias formas que as fibras de vidros
podem ser encontradas, destacam-se a Vidro-E, Vidro-C e Vidro-S. A fibra de tipo S
(Structural) é comumente encontrada em aplicações nas quais exigem uma alta
resistência seguida de um alto módulo de elasticidade e com temperaturas mais
elevadas. A fibra de Vidro-E é mais utilizada quando se necessita de uma alta
resistividade elétrica. Já a fibra de Vidro-C é comumente utilizada quando se necessita
de uma boa resistência a corrosão.
O baixo coeficiente de dilatação térmica, as boas propriedades mecânicas,
estabilidade dimensional, o baixo custo, maior resistência a corrosão, são características
que fazem com que, em muitas das aplicações na engenharia, as fibras de vidro sejam
escolhidas.
18
Como todos os materiais, compósitos reforçados com fibras de vidros
apresentam algumas limitações, tal como baixo modulo elástico (quando comparadas às
fibras de carbono e Kevlar, por exemplo) e/ou deterioração se trabalhado a altas
temperaturas.
Para Moreira (2008), as principais vantagens e desvantagens na utilização das
fibras de vidros, estão descritas na tabela 3.
Tabela 3: Vantagens e desvantagens da Fibra de Vidro
Vantagens Desvantagens
- Elevada resistência à tração e
compressão;
- Módulo de elasticidade reduzido;
- Baixo custo em relação as outras fibras
sintéticas;
- Elevada massa especifica;
- Elevada resistência química; - Sensibilidade à abrasão;
- Elevada resistência ao fogo; - Sensibilidade a temperaturas elevadas;
- Baixas propriedades de isolamento
acústico, térmico e elétrico.
- Baixa resistência à fadiga.
Fonte: Elaborada pelo autor.
3.1.6 Fibras de Carbono
Assim como as fibras de vidro, as fibras de carbono são utilizadas para
aumentar a resistência e a rigidez dos materiais compósitos. Essas fibras são compostas,
geralmente, por 90% de carbono e filamentos produzidos pela pirólise da
poliacrilonitrila (Lubin, 1969).
As fibras de carbonos possuem um elevado módulo de elasticidade, baixa
massa específica e alta resistência a tração. Tais características fazem com que este tipo
de fibra seja utilizada em aplicações nas quais envolvem redução de massa.
Segundo o estudo de Calister (1997), as fibras de carbono apresentam outras
vantagens, tais como: Boa resistência térmica e elétrica, excelente resistência à fadiga,
estabilidade dimensional, entre outras.
3.1.7 Materiais compósitos fibrosos
Hoje, as fibras mais utilizadas em materiais compósitos são: fibras de vidro,
fibras Kevlar (aramida), fibras de carbono e de boro. Dentre as mais usadas, destaca-se
19
as fibras de vidro, isso porque as mesmas possuem uma gama variada de propriedades
mecânicas aliadas a um baixo custo se comparados com as outras fibras sintéticas.
3.1.7.1 Materiais compósitos reforçados com fibra de vidro
A vasta utilização das fibras de vidro se deve há vários fatores, tais como:
Calister, (1994):
1- Se adequa a várias técnicas de fabricação de compósitos;
2- É facilmente misturado à matriz durante o processo de cura;
3- Produz um compósito com resistência especifica elevado;
4- Na interface fibra-matriz, para vários tipos de resina, reage quimicamente
com a fibra de modo a melhorar a resistência do compósito.
Dentre as várias resinas que podem ser utilizadas com as fibras de vidro,
destacam-se as resinas de poliésteres. Atualmente é possível ver a utilização de matriz
de náilon junto com fibra de vidro, obtendo um material com alta resistência
(Herakovich, 1997).
3.1.8 Processos de fabricação
O desempenho mecânico dos materiais compósitos está diretamente
relacionado com o seu processo de fabricação. Tal processo depende do que se quer
obter como produto final e da quantidade necessária (taxa de produção) de fabricação.
Os processos de fabricação utilizados na obtenção de materiais compósitos
poliméricos a base de resina termofixas são, basicamente, dois: Processos de fabricação
em molde aberto, na qual se utiliza baixa tecnologia para uma produção de baixa escala,
e processo em molde fechado, na qual se utiliza alta tecnologia para produção em média
e alta escala, Hull (1988). Os processos de baixa tecnologia são:
Laminação manual (Hand Lay Up);
Laminação à pistola;
Centrifugação;
Enrolamento (Filament Winding).
Os processos de alta tecnologia são:
Modelagem por compressão;
Injeção;
20
Pultrusão.
Laminação Manual – Hand Lay Up
Devido ao baixo custo, o processo de laminação Manual é o processo de
fabricação mais utilizado em produção de baixa escala. Tal processo consiste em
colocar reforços de fibras (em geral na forma de tecidos ou mantas) sobre o molde, e em
seguida se faz a impregnação com resina utilizando rolos. O processo continua ao
colocar as camadas até a obtenção da espessura desejada. Para esse tipo de processo, o
molde cura sem alterar a temperatura e/ou pressão. A figura 4 mostra uma ilustração
simples do processo de laminação manual.
Figura 4: Imagem ilustrativa do processo de laminação manual (Hand Lay Up).
Fonte: CPIC FIBERGLASS (2014).
3.2 Características da fratura mecânica nos materiais compósitos
Quando o material compósito está sujeito a um carregamento, geralmente
surgem vários tipos de tensões. Tais tensões dão início a um mecanismo denominado de
“dano” (processo de fratura), mecanismo esse bastante complexo na sua formação e
propagação.
Sentido em que a carga é aplicada, propriedades mecânicas da matriz e do
reforço (isolados ou combinados), temperatura de serviço, entre outros, são fatores que
influenciam na forma e propagação desses danos, (Herakovich, 1997).
Ao praticar um ensaio mecânico, podem-se observar, já em escala
macroscópica, as características da fratura. Para um carregamento compressivo uniaxial,
por exemplo, observam-se as características listadas na figura 5 e tabela 4. (ASTM 3410
03),
21
Figura 5: Principais características de dano apresentados em ensaios de compressão uniaxial.
TAT BGM HAT SGV DTT HIT CIT DIT
MODOS DE FALHA ACEITÁVEIS MODOS DE FALHA INAVEITÁVEIS
Fonte: Adaptado de ASTM D3410 (2008).
Tabela 4: Codificação das características de fratura - Compressão uniaxial.
CÓDIGO DEFINIÇÃO DO CÓDIGO
TAT No topo com cisalhamento transversal na região do galgo
BGM No meio do galgo com fratura total
HAT No topo transversal na região da garra
SGV No galgo com diversas fendas longitudinais
DTT No topo com delaminação da garra
HIT No topo transversal por dentro na região da garra
CIT No topo com esmagamento da borda do corpo de prova
DIT No topo com delaminação por dentro na região da garra
Fonte: Adaptado de ASTM D3410-03 (2008).
Para fraturas sob carregamento de tração, os tipos de fraturas possíveis estão
mostradas na figura 6. A tabela 5 descreve os tipos de fraturas.
Ressalva se faz para os modos de falha LIT e GAT, mostrados na figura 6, que
se ocorrerem, o ensaio não é considerado válido.
Figura 6: Modos de falha dos compósitos submetidos à tração (ASTM D3039, 2014).
22
Tabela 5: Código das características do modo de falha – Tração Uniaxial.
CÓDIGO DEFINIÇÃO DO
CÓDIGO
(normativo)
DEFINIÇÃO DO CÓDIGO
LIT Lateral – inside – top Lateral dentro da lingueta da garra
superior.
GAT Grip/Tab - at grip/tab - top Desaderência da lingueta na garra
superior.
LAT Lateral - at grip – top Lateral na base da lingueta da garra
superior
DGM Edge delamination – gage –
middle
Delaminação na borda do corpo de prova
e no meio do galgo
LGM Lateral - gage – middle Lateral e no meio do galgo
SGM Longitudinal splitting -
gage – middle
No meio do galgo com fendas
longitudinais
AGM Angled - gage – middle Angular e no meio do galgo
XGM Explosive - gage – middle Explosiva e no meio do galgo
3.3 Ensaio de compressão uniaxial
O ensaio de compressão uniaxial consiste na aplicação de um carregamento
compressivo na seção transversal de um CP. O resultado deste ensaio mostra a
deformação linear obtida pela medida da distância entre as placas que comprimem o
corpo versus a carga de compressão.
A norma ASTM D3410 03 é responsável por alguns parâmetros necessários
para a realização do teste, como o comprimento do corpo de prova e a velocidade do
ensaio. Ilustram-se na figura 7 as garras de compressão utilizadas nestes tipos de testes.
23
Figura 7: Projeto das garras de compressão
Fonte: Ribeiro, apud Oliveira (2013).
24
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo será abordada a forma com que os dados são obtidos. Para isto,
se fez necessário realizar um ensaio de compressão uniaxial, seguindo a norma ASTM
D3410 (2008). Os dados do ensaio de tração (utilizados nos estudos comparativos) são
obtidos de trabalho já realizado e publicado na literatura Batista (2017).
De acordo com a norma ASTM 3410 (2008), os fatores que influenciam a
resposta de compressão são: tipo do material; métodos de fabricação; configuração do
laminado compósito, confecção dos corpos de provas; preparação, condicionamento,
alinhamento e pressão das garras nesses corpos de prova; ambiente de teste; a
velocidade de ensaio e temperatura no ambiente; teor de vazios (%); e volumes de
reforço e matriz (%).
4.1 Materiais Utilizados
Para confecção do laminado compósito, utilizado para estudo deste trabalho,
foi utilizada a resina termofixa Resina Epóxi Éster Vinílica, comercialmente designada
por DERAKANE MOMENTUM™ 411-350. Como agente do sistema catalítico (cura a
temperatura ambiente) foi usado 1 % de MEKP (Peróxido de Metil Etil Cetona) e 0,05
% do acelerador NafCo 6 % (Naftenato de Cobalto), composições sugeridas no boletim
técnico da resina para a temperatura de 30 °C. Mostra-se nas tabelas 6 e 7 algumas
propriedades importantes desta resina.
Tabela 6: Propriedades Típicas da Resina Líquida.
PROPRIEDADES VALORES
Densidade, 25 °C 1,046 g/mL
Viscosidade
dinâmica à 25 °C
370 m Pa.s
(cps)
Viscosidade
cinemática à 25
°C
350 cSt
Teor de
monômero de
estireno
45%
Fonte: Adaptada de ASHLAND, apud Oliveira (2013).
25
Tabela 7: Propriedades da Resina Derakane Momentum™ 411-350 pura (Valores típicos da resina sem
reforço e Pós-Curada).
PROPRIEDADES SI MÉTODO DE TESTE
Resistência à
tração 86 MPa ASTM D-638/ISO 527
Módulo de tração 3,2 GPa ASTM D-638/ISO 527
Deformação
(alongamento) na
ruptura
5-6 % ASTM D-638/ISO 527
Resistência à
flexão 150 MPa ASTM D-790/ISO 178
Módulo de flexão 3,4 GPa ASTM D-790/ISO 178
Densidade 1,14 g/cm³ ASTM D-792/ISO 1183
Contração
volumétrica 7,80% -
Temperatura
distorção térmica
(HDT)
105 °C ASTM D-648 Method A/ISO
75
Temperatura de
transição vítrea,
Tg2
120 °C ASTM D-3419/ISO 11359-2
Dureza barcol 35 ASTM D- 2583/EN59
Fonte: Adaptada de ASHLAND, apud Oliveira (2013).
Um dos catalizadores mais utilizados na indústria de plásticos reforçados, o
Peróxido de Metil Etil Cetona contendo 9 % de Oxigênio Ativo, alto teor de dímero,
baixo teor de água oxigenada para a catalisação.
Para reforçar, foi utilizado reforço na forma de tecido híbrido. O tecido híbrido
é caracterizado como do tipo sarja 2x2 constituído de mechas de fibras de carbono
T300, na direção do urdume e mechas de fibras de vidro/E na direção da trama, ver
figura 8. O tecido é aqui definido como THCV (Tecido Híbrido Carbono/Vidro), cuja
composição, fornecida pelo fabricante, consta na tabela 8.
26
Figura 8: Tecido híbrido tipo sarja 2x2 (THCV)
Fibra de Vidro
Fibra de Carbono
Fonte: Pelo próprio Autor.
Tabela 8: Informações técnicas do THCV.
THCV
Desenho Saja 2x2
Tratamento Cru
Fios / cm Urdume 5,0 (± 0,2)
Fios / cm Trama 5,0 (± 0,2)
Peso (g/m²) 100C/100V (± 5 %)
Espessura 0,22 mm
Fonte: Pelo próprio Autor, adaptada Batista (2017)
27
4.2 Fabricação do Laminado Compósito
Os laminados foram confeccionados no Laboratório de Compósitos no Núcleo
de Tecnologia da UFRN. Para isso, foi utilizada a laminação manual (Hand Lay-Up).
Mostram-se na figura 9 as etapas utilizadas no processo de fabricação na obtenção do
laminado, obtido na forma de placa.
Figura 9: Etapas dos processos de fabricação Hand Lay-Up.
Fonte: Pelo próprio Autor, adaptada Batista (2017)
O Laminado compósito é aqui definido como LCV (Laminado Compósito a
base de fibras de Carbono/Vidro) foi confeccionado com espessura 2,55 ± 0,08 mm,
28
além de conter dez camadas de tecidos e impregnados com a matriz. Mostra-se na figura
10 um esquema da configuração desenvolvida, ressaltando que foi mantida a mesma
orientação das fibras em todas as camadas. Observa-se que as camadas transparentes de
resina são apenas ilustrativas, uma vez que as mesmas não se separam durante o
processo de fabricação.
Figura 10: Configuração do laminado
Fonte: Pelo próprio Autor, adaptada Batista (2017)
4.3 Confecção dos Corpos de Provas – Compressão Uniaxial
A análise da influência da anisotropia presente nos tecidos híbridos em relação
ao ensaio de compressão uniaxial é de suma importância para o desenvolvimento deste
estudo. Para isso se fez necessário obter corpos de prova com cada tipo de fibra nas em
diferentes orientações com relação à direção de aplicação da carga. Ilustra-se na figura
11 como foram realizados os cortes dos corpos de provas (CP’s) em função das
orientações das fibras de vidro e de carbono.
29
Figura 11: Esquema de corte dos CP’s
Fonte: Pelo próprio Autor, adaptada Batista (2017)
A Tabela 9 mostra a definição de todos os corpos de provas (CP’s) obtidos.
Tabela 9: Definição dos CP’s.
Laminado LCV
CVC CP do LCV - Carga aplicada na direção das fibras de carbono.
CVV CP do LCV - Carga aplicada na direção das fibras de vidro.
CV±45° CP do LCV - Carga aplicada para as fibras orientadas à 45°.
Fonte: Pelo próprio Autor, adaptada Batista (2017)
Seguindo as condições descritas na Tabela 9, foram confeccionados 3 conjuntos,
cada um contendo 8 CP’s, totalizando, assim, 18 corpos de prova fabricados. Desta
forma, o referido estudo, encontra-se nas condições estabelecida pela norma, na qual
pedem que haja, pelo menos, 5 (cinco) ensaios válidos.
O disco da IRWIN Diamantado ∅4 - 3/8” x 3/4” (110 mm x 20 mm) foi
utilizado para o corte dos CP’s do LCV. A fim de evitar qualquer tipo de dano, o corte
foi realizado a seco.
Com o intuído de proporcionar uma melhor qualidade dos CP’s, foi retirada uma
rebarba de aproximadamente 5,0 cm nas laterais da placa, evitando, assim,
descontinuidade e mau acabamento. Após o corte, foi utilizado o processo de lixamento
30
para que os CP’s se adequassem às dimensões estabelecidas na norma. Foram utilizadas
lixas de granulometria diferentes, tais como 60, 100, 220, 360, 400, 600 e 1200.
Para a realização do ensaio de compressão uniaxial, os corpos ficaram com
dimensões iguais a 150 mm x 25 mm x 2,55 mm, sendo comprimento, largura e
espessura, respectivamente (ASTM D3410, 2008).
4.4 Ensaio de Compressão Uniaxial
A resistência de um material depende de sua capacidade de suportar uma carga
sem deformação excessiva ou ruptura. Essa propriedade é inerente ao próprio material e
deve ser determinada por métodos experimentais. Os testes básicos, nesse sentido, são
os ensaios de tração e/ou compressão uniaxiais.
Seguindo a norma ASTM D3410 (2008), o ensaio de compressão uniaxial foi
realizado com o objetivo de se determinar as propriedades de resistência última a
compressão, módulo de elasticidade (medido na direção de carga aplicada) e
deformação de ruptura para o laminado.
Os ensaios foram realizados no Laboratório de Ensaios Mecânicos da UFRN.
Para a realização dos ensaios foi utilizado a máquina universal SHIMADZU, modelo
AGX, podendo suportar carga máxima de 300 kN. Ilustra-se na figura 12 o equipamento
utilizado.
Figura 12: Máquina universal SHIMADZU.
Fonte: SHIMADZU. Disponível em:
http://www.shimadzu.com.br/analitica/produtos/test/estaticas/servo-eletricas/ags-x.shtml
31
Para os cálculos dos valores das propriedades desejadas foram utilizadas as
seguintes equações, (ASTM D3410, 2008):
𝜎𝑓 = (𝑃
𝐴)
Onde: 𝜎𝑓 − Tensão última de tração, (MPa);
𝑃 − Carga aplicada, (N);
𝐴 − Área da seção transversal do corpo de prova, (mm²).
(
(4.1)
𝜖 = (∆𝐿
𝐿𝑜)
Onde: 𝜖 − Deformação, (%);
𝐿𝑜 − Comprimento útil do corpo de prova, (mm);
∆𝐿 − Variação do comprimento (𝐿 − 𝐿𝑜), (mm);
(
(4.2)
𝐸 = (∆𝜎
∆𝜀)
Onde: 𝐸 − Módulo de elasticidade longitudinal, (MPa);
∆𝜎 − Variação da tensão na região linear, (MPa);
∆𝜀 − Variação da deformação linear, (%);
(
(4.3)
Tendo em vista que os resultados obtidos nos ensaios de compressão uniaxial
são valores médios, se faz necessário os cálculos dos respectivos desvios padrões, vistos
a seguir:
�̅� = (∑ 𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
) /𝑛
(
(4.4)
𝑆𝑛−1 = √(∑ 𝑥𝑖2 − 𝑛
𝑛
𝑖=1
�̅�2) /(𝑛 − 1)
(
(4.5)
Onde: �̅� é a média da amostra (corpo de prova); 𝑆𝑛−1 é o desvio padrão da
amostra (corpo de prova); 𝑛 é o número de amostras (corpo de prova); e 𝑥𝑖 é a
propriedade medida ou derivada.
32
4.5 Caracterização da Fratura
No estudo proposto, a caracterização da fratura mecânica se deu por meio de
análises macroscópicas, seguindo as recomendações da norma ASTM D3410 (2008).
Para isso, foi utilizado o sistema de scanner da impressora multifuncional EPSON
L355.
4.6 Densidade Volumétrica – Teores dos Elementos Constituintes
A propriedade de densidade volumétrica do laminado LCV e, bem como, os
percentuais dos elementos constituintes foram obtidos a partir dos da literatura, Batista
(2017). Para realizar esta análise seguiram-se as recomendações da norma ASTM
ASTM D792 (2008).
33
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Este capítulo tem como abordagem inicial os dados complementares referentes
aos resultados obtidos para a Densidade Volumétrica do laminado, além dos percentuais
de fibras, resina e vazios obtidos no ensaio de calcinação. Em seguida serão discutidos
os resultados obtidos nos ensaios de compressão uniaxial. Inicialmente será mostrado o
comportamento mecânico do material frente ao carregamento compressivo. Em seguida,
será abordado o estudo da característica da fratura final em escala macroscópica. Por
fim, serão feitos estudos comparativos com outros trabalhos envolvendo o mesmo tipo
reforço, a fim de ilustrar a influência da anisotropia e da forma de carregamento.
5.1 Resultado dos Ensaios de Densidade Volumétrica e de Calcinação
Os resultados foram obtidos por Batista (2017), tendo o laminado LCV uma
Densidade volumétrica de 1.48 (± 0.01) g/cm3 e os percentuais de 14.98 (± 0.53), 21.62
(± 0.77), 62.42(± 1.27) e 0.98 (± 0.02) para as fibras de vidro, fibras de carbono, resina
e vazio, respectivamente.
5.2 Resultado dos Ensaios de Compressão Uniaxial
Nesta seção serão descritos os comportamentos mecânicos à compressão dos
CP’s CVC, CVV e CV±45°. Os ensaios foram realizados conforme recomenda a norma
técnica ASTM D3410 (2008).
5.2.1 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CVC
Com os ensaios de compressão uniaxial foi possível obter o diagrama Tensão x
Deformação para os CP’s CVC, ou seja, orientação das fibras de carbono na direção da
carga aplicada, e mostrado na figura 13.
34
Figura 13: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CVC.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Observa-se, inicialmente, uma linearidade entre tensão e deformação, mudando
de comportamento após o início do dano. O mesmo está caracterizado pela repentina
perda da capacidade do suporte de carga, quando em seguida se observa uma
recuperação da mesma até a fratura total dos CP’s. Essa perda inicial pode ser devido à
fratura das fibras de vidro (menor resistência) e a recuperação devido a presença das
fibras de carbono (maior resistência) na direção da carga aplicada. De qualquer forma
esse comportamento só pode ser comprovado através monitoramento do mecanismo de
dano.
O módulo de elasticidade é calculado no intervalo de tensão no qual o
comportamento entre tensão e deformação é linear, ou seja, de 0 a 50% da tensão
última. A tabela 10 mostra os valores médios de tensão última à compressão, módulo de
elasticidade e deformação de ruptura. Também são mostrados os respectivos desvios
padrão, determinados segundo a norma técnica do ensaio.
Tabela 10: Propriedades mecânicas – CP’s CVC.
Propriedades Mecânicas Valores Médios Desvio Padrão
Tensão Última à Compressão (MPa) 297,43 5,47
Módulo de Elasticidade (GPa) 5,59 0,14
Deformação de Ruptura (%) 13,57 0,052
Fonte: Elaborado pelo autor.
35
5.2.1.1 Caracterização da Fratura Macroscópica – CP’s CVC
Seguindo a norma ASTM D3410 (2008), foi feito o estudo sobre a
caracterização da fratura final obtida em nível macroscópico dos CP’s CVC. Mostra-se
nas figuras 14 e 15 essas características após a realização do ensaio de compressão
uniaxial. Igualmente, é possível identificar a região onde ocorre a fratura final.
Tendo por base as fraturas definidas pela norma, é possível identificar, para
alguns dos CP’s CVC, a do tipo HAT (no topo transversal na região da Garra) e, para
outros a SGV (no galgo com diversas fendas longitudinais). Observa-se, também que
em alguns CP’s, há fratura total durante o ensaio. A fratura é do tipo frágil, ou seja,
perpendicular à direção da carga aplicada.
Figura 14: Região de fratura final – Vista das superfícies dos CP’s - CVC
Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 15: Região de fratura final – Vista lateral – CP’s CVC
Fonte: Elaborado pelo autor.
36
5.2.2 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CVV
Mostra-se na figura 16 o comportamento mecânico à compressão uniaxial dos
CP’s CVV. Observa-se, através do diagrama Tensão x Deformação, que o material pode
ser considerado linearmente elástico até a fratura final, diferente do comportamento do
laminado quando carregado na direção das fibras de carbono, ou seja, dos CP’s CVC.
A tabela 11 mostra os valores médios das propriedades mecânicas de tensão
última à compressão, módulo de elasticidade e deformação de ruptura. O módulo de
elasticidade foi determinado para cerca de 50% da tensão última à compressão, valor de
tensão esse como sendo correspondente à carga de início do dano. Mostram-se também
na tabela 11 os respectivos desvios padrão das propriedades obtidas nos CP’s CVV.
Figura 16: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CVV.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Tabela 11: Propriedades mecânicas – CP’s CVV.
Propriedades Mecânicas Valores Médios Desvio Padrão
Tensão Última à Compressão (MPa) 247,13 25,21
Módulo de Elasticidade (GPa) 3,59 0,083
Deformação de Ruptura (%) 8,77 0,91
Fonte: Elaborado pelo autor.
37
5.2.2.1 Caracterização da Fratura Macroscópica – CP’s CVV
Seguindo a norma ASTM D3410-08, foi feito o estudo sobre a caracterização
da fratura em nível macroscópico para os CP’s CVV. Mostra-se nas figuras 17 e 18
alguns dos CP’s CVV após a realização do ensaio de compressão uniaxial e suas
respectivas características da fratura.
Tendo por base as fraturas definidas pela norma, é possível identificar, para
alguns dos CP’s CVV, a do tipo HAT (no topo transversal na região da Garra) e, para
outros a SGV (no galgo com diversas fendas longitudinais), ou seja, mesmas
características de fratura final ocorridas para os CP’s CVC. Ressalva se faz, mais uma
vez, que a fratura ocorre em uma seção perpendicular à direção da carga aplicada,
característica da fratura em materiais frágeis.
Figura 17: Região de fratura final – Vista das superfícies dos CP’s - CVV
Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 18: Região de fratura final – Vista lateral – CP’s CVV
Fonte: Elaborado pelo autor.
38
5.2.3 Resultado do Ensaio de Compressão – CP’s CV±45°
Os ensaios de compressão uniaxial realizados nos CP’s CV±45° permitiram a
construção do diagrama Tensão x Deformação, ilustrado na figura 19. Aqui as curvas
apresentam uma linearidade entre tensão e deformação até aproximadamente 50% da
tensão última, considerada essa região (1ª etapa) como o comportamento à compressão
do material, seguida do fenômeno do cisalhamento (2ª etapa).
A presença do cisalhamento é caracterizada pela não linearidade entre a tensão
e a deformação (pouca variação da tensão para uma grande deformação). Esse
comportamento também é comum nos compósitos poliméricos (independente da
hibridização) quando não há presença de fibras na direção da carga aplicada, e
principalmente quando as mesmas estão orientadas à ±45° com relação à direção de
aplicação da carga para os ensaios de tração uniaxial, Batista, (2017).
Figura 19: Diagrama Tensão x Deformação – Compressão uniaxial – CP’s CV±45°.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Mostram-se na tabela 12 os valores da tensão última à compressão, módulo de
elasticidade (na direção da carga aplicada), deformação de ruptura e seus respectivos
desvios padrões. Para o cálculo do módulo de elasticidade foram utilizados
aproximadamente 50% da tensão última, tensão essa correspondendo ao comportamento
linear do material.
39
Tabela12: Propriedades mecânicas – CP’s CV±45°.
Propriedades Mecânicas Valores Médios Desvio Padrão
Tensão Última à Compressão (MPa) 99,07 3,35
Módulo de Elasticidade (GPa) 2,49 0,22
Deformação de Ruptura (%) 8,97 0,094
Fonte: Elaborado pelo autor.
5.2.3.1 Caracterização da Fratura Macroscópica – CP’S CV±45°
Ainda analisando os tipos de fratura apresentados pela norma ASTM D3410-
08, associa-se que para os CP’s CV±45°, a fratura ocorrida foi a TAT (no topo com
cisalhamento transversal na região do galgo). Ilustra-se nas figuras 20 e 21 a região de
fratura final.
Figura 20: Região de fratura final – Vista superior – CP’s CV±45°.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 21: Região de fratura – Vista lateral – CP’s CV±45°.
Fonte: Elaborado pelo autor.
40
É possível notar que a fratura na região do galgo apresenta uma inclinação a
45º, influenciada pela orientação das fibras com relação à direção da carga aplicada.
Observa-se, também, que não há fratura total dos CP’s.
5.3 Estudos Comparativos
Nesta seção são elaborados estudos comparativos mostrando as influências da
anisotropia, bem como do tipo de carregamento aplicado. Inicialmente, os estudos
comparativos são referentes a um único tipo de carregamento. No caso da influência do
tipo de carregamento, os resultados referentes ao comportamento à tração uniaxial, são
utilizados os dados obtidos por Batista (2017), referentes ao mesmo laminado com CP’s
nas mesmas orientações de fibras com relação à direção de aplicação da carga (CVC,
CVV e CV ±45°). Também é efetuada uma análise comparativa entre as características
da fratura para os dois tipos de carregamento.
5.3.1 Influência da Anisotropia
Nesta seção será abordada a influência da orientação do tipo de fibra com
relação à direção de aplicação da carga, ou seja, a propriedade da anisotropia para o
comportamento à compressão do material. Essa influência em termos do perfil tensão x
deformação é ilustrada na figura 22. Os perfis obtidos possuem comportamento
totalmente distintos, evedenciando, assim, a influência da anisotropia.
Figura 22: Curva média tensão x deformação dos CP’s, CVC, CVV e CV±45°- Compressão Uniaxial.
Fonte: Elaborado pelo autor.
41
No que se diz respeito às propriedades mecânicas, a tabela 13 resume as perdas
e/ou ganhos, em termos percentuais, ocorridas nessas propriedades. O resultados
mostram que os CP’s CVC apresentam uma maior resistência à compressão em relação
aos CP’s CVV e aos CP’s CV±45°. Observa-se, também, que os CP’s CV±45°
possuem o menor módulo de elasticidade entre os três e os CP’s CVV apresentam a
menor deformação de ruptura quando comparado aos demais.
Tabela 13: Influência da Anisotropia – Compressão Uniaxial
Propriedades Mecânicas Comparativo Diferença
Percentual (%)
Resistência última à compressão CVC > CVV
CVC > CV±45°
CVV > CV±45°
16,91%
66,69%
59,91%
Módulo de elasticidade CVC > CVV
CVC > CV±45°
CVV > CV±45°
35,78%
55,47%
30,64%
Deformação de ruptura CVC > CVV
CVC > CV±45°
CVV < CV±45°
35,37%
33,90%
2,51%
Fonte: Elaborado pelo autor.
5.3.2 Influência do Tipo de Carregamento x Anisotropia
As tabelas 14, 15 e 16 apresentam, em valores, os resultados do desempenho
mecânico do laminado, quando tracionado uniaxialmente (Batista, 2017).
Tabela 14: Propriedades mecânicas – CP’s CVC – Tração uniaxial.
Propriedades Mecânicas Valores médios Desvio Padrão
Resistência à tração
(MPa)
549,57 25,67
Módulo de elasticidade
Inicial (GPa)
7,09 0,76
Módulo de elasticidade
final (GPa)
13,03 0,65
Deformação de ruptura 5,17 0,21
Fonte: Elaborado pelo autor.
42
Tabela 15: Propriedades mecânicas – CP’s CVV – Tração uniaxial.
Propriedades Mecânicas Valores médios Desvio Padrão
Resistência à tração
(MPa)
274,27 15,40
Módulo de elasticidade
(GPa)
5,12 0,30
Deformação de ruptura 5,45 0,29
Fonte: Elaborado pelo autor.
Tabela 16: Propriedades mecânicas – CP’s CV±45° – Tração uniaxial.
Propriedades Mecânicas Valores médios Desvio Padrão
Resistência à tração
(MPa)
129,20 0,27
Módulo de elasticidade
(GPa)
2,91 0,22
Deformação de ruptura 23,95 0,28
Fonte: Elaborado pelo autor.
Segundo Batista (2007), devido ao comportamento não linear dos CP’s CVC,
se faz necessário o cálculo de dois módulos de elasticidade, denominados de inicial e
final. As curvas médias tensão x deformação para os CP’s, obtidas no ensaio de tração
uniaxial, são mostradas na figura 23.
Figura 23: Curva média tensão x deformação dos CP’s, CVC, CVV e CV±45°- Tração uniaxial.
Fonte: Batista (2017).
43
A figura 24, (a) Tração Uniaxial e (b) Compressão Uniaxial, compara a
influência da anisotropia para os dois tipos de carregamento. Pode-se observar os
diferentes comportamentos do laminado, em todas as orientações de fibras estudadas,
ressaltando-se o fenômeno menos intenso do cisalhamento nos CP’s CV±45° para o
caso dos ensaios de compressão uniaxial.
Figura 24: Comparativo entre as curvas médias – (a) Tração Uniaxial x (b) Compressão Uniaxial.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Nas tabelas 17, 18 e 19 é são mostradas as perdas e/ou ganhos, em termos
percentuais, das propriedades mecânicas em função do tipo de carregamento. As letras
“T” e “C” representam ensaios de tração e compressão, respectivamente.
Tabela 17: Influência do carregamento para os CP’s CVC
Propriedades Mecânicas Diferença
Percentual
(%)
Resistência Última (T) > Resistência Última (C) 45,88
Módulo de Elasticidade Inicial (T) > Módulo de Elasticidade (C) 21,16
Módulo de Elasticidade Final (T) > Módulo de Elasticidade (C) 54,83
Deformação de Ruptura (T) < Deformação de Ruptura (C) 61,90
Fonte: Elaborado pelo autor.
44
Tabela 18: Influência do carregamento para os CP’s CVV.
Propriedades Mecânicas Diferença
Percentual (%)
Resistência Última (T) > Resistência Última (C) 9,90
Módulo de Elasticidade (T) > Módulo de Elasticidade (C) 29,88
Deformação de Ruptura (T) < Deformação de Ruptura (C) 37,86
Fonte: Elaborado pelo autor.
Tabela 19: Influência do carregamento para os CP’s CV±45°.
Propriedades Mecânicas Diferença
Percentual (%)
Resistência Última (T) > Resistência Última (C) 23,32
Módulo de Elasticidade (T) > Módulo de Elasticidade (C) 14,43
Deformação de Ruptura (T) > Deformação de Ruptura (C) 62,55
Fonte: Elaborado pelo autor.
Ao analisar os valores das propriedades mecânicas (resistência última e módulo
de elasticidade), observa-se que o laminado compósito possui um ganho nessas
propriedades quando ensaiadas à tração quando comparadas às obtidas nos ensaio de
compressão, para todas as orientações estudadas (CVC, CVV e CV±45°).
5.3.3 Características da Fratura Mecânica - Tração x Compressão Uniaxiais
Esta seção mostra uma análise comparativa entre as diferentes características
da fratura final (nível macroscópico) quando os CP’s são sujeitos a ensaios de tração e
compressão uniaxiais. As figuras 25, 26 e 27 ilustram as fraturas ocorridas nos CP’s
CVC, CVV e CV±45° nos ensaios de tração uniaxial, respectivamente (Batista, 2017).
Figura 25: Fratura final - CP’s CVC – Tração uniaxial.
Fonte: Batista (2017).
45
Para Batista (2017), a característica da fratura macroscópica observada nos CP’s
CVC sempre se deu próxima das linguetas (tab’s), sendo classificada do tipo LAT
(Lateral - at grip – top) de acordo com a norma ASTM D3039 (2014).
Figura 26: Fratura final - CP’s CVV – Tração uniaxial.
Fonte: Batista (2017).
Para a autora, em alguns CP’s CVV, o modo de ruptura total pode ser
classificado segundo a norma ASTM D 3039 (2014), como do tipo LGM (Lateral -
gage - middle) e em outros CP’s como LAT (Lateral - at grip – top).
Figura 27: Fratura final – CP’s CV±45°– Tração uniaxial
Fonte: Batista (2017).
VISTA SUPERIOR
Explosão entre as camadas na região da fratura.
Detalhe mostrando o aparecimento da fibra de vidro.
VISTA LATERAL
ENCURVAMENTO NA
REGIÃO DA FRATURA
46
Ainda segundo Batista (2017), o modo de fratura ocorrido nos CP’s CV±45°
não está previsto na norma ASTM D3039 (2014) devido ao processo de estricção.
A tabela 20 compara as características de fraturas mecânicas do laminado LCV
para os dois tipos de carregamentos.
Tabela 20: Modo de fratura final – Compressão Uniaxial x Tração Uniaxial
Tração Uniaxial Compressão Uniaxial
Direção Modo de fratura final Modo de fratura final
CVC LAT HAT e SGV
CVV LGM e LAT HAT e SGV
CV±45° Não definida TAT Fonte: Elaborado pelo autor.
47
6 CONCLUSÃO
O comportamento compressivo dos CP’s CVC apresenta perda de
capacidade de suporte de carga durante o ensaio com recuperação antes
da fratura final. Já os CP’s CVV, apresentam-se de modo linear elástico
até a fratura final;
Os CP’s CV45° apresentam a presença do cisalhamento, caracterizada
pela não linearidade entre a tensão e a deformação.
A carga de início do dano foi de aproximadamente 50% com relação à
carga de fratura independentemente do tipo de orientação das fibras;
Os CP’s CVC apresentam um melhor desempenho na tensão última à
compressão e no módulo de elasticidade, se comparados aos CP’s CVV
e CV45°;
Nos ensaios de compressão, mesmo aparecendo em alguns CP’s o
modo SGV, as características da fratura mecânica predominantes nas
configurações, foram do tipo HAT para as configurações CVC e CVV.
O tipo TAT foi encontrado para a configuração CV45°;
Em todos os tipos de CP’s estudados, a resistência última e o módulo de
elasticidades à tração apresentaram valores superiores quando
comparados ao comportamento à compressão.
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