Engenharia Dos Materiais - 25 Aula

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MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 1 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos Compósitos, são materiais que conjugam as propriedades de dois ou mais tipos de materiais distintos, para obter um material com propriedades superiores. 2 Materiais Compósitos º Materiais Definições dos Materiais Compósitos: º Matriz – Fase que está em maior percentagem, na composição do compósito – fase contínua. º Reforço – Fase dispersa no interior da matriz – fase descontínua. º Matriz – fase clara º Reforç Reforço – fase escura MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos Estrutura dos Materiais Compósitos: º Reforçados com partículas º Reforçados com fibras º Compósitos estruturais MATERIAIS / MATERIAIS I 3 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos 4 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 5 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos Os materiais de engenharia requerem muitas vezes combinaç combinações de propriedades. º Por exemplo a indú indústria aeroespacial requer propriedades que não estão disponí disponíveis num material quando utilizado isoladamente. Normalmente os materiais para a indú indústria aeroespacial têm que ser duros, com elevada resistência mecânica, leves, resistentes à abrasão, impacto e ser isolantes térmicos. º 6 Materiais Compósitos A Solução é o uso de materiais Compósitos. º São materiais multifásicos º Normalmente conjugam propriedades das várias fases º Normalmente apresentam melhores propriedades que as das fases constituintes quando usadas isoladamente. A maior parte dos materiais duros e com elevada resistência mecânica mecânica são muito densos (logo pesados) e a maior parte dos materiais pouco pouco densos (leves), não são resistentes à abrasão ou à temperatura. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos MATERIAIS / MATERIAIS I 7 Exemplos de materiais compósitos: º Naturais º Madeira (as fibras flexí flexíveis de celulose, são mantidas unidas por uma matriz de lenhina) lenhina) º Osso (zona interior – porosa com proteí proteínas, zona exterior dura e frá frágil – apatite) apatite) Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos º Artificiais º As fases constituintes são quimicamente distintas. 8 MATERIAIS / MATERIAIS I MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 9 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos 10 Materiais Compósitos As propriedades dos materiais compósitos depende de: º Fases Constituintes º Percentagens relativas das fases º Geometria da fase dispersa Concentração Distribuição Orientação º Forma das partí partículas º Tamanho das partí partículas º Orientaç Orientação reforç reforço Forma MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 11 Materiais Compósitos Compósitos reforçados com Partículas º Os compósitos de partículas subdividem-se em duas classes: º Partículas grandes º As interacç interacções entre as partí partículas e a matriz, não são ao ní í vel ató ó mico ou molecular. n at º A interface entre a matriz e o reforç reforço é crí crítica º Reforçados por dispersão (partículas pequenas) geralmente com diâmetro entre 0,01– 0,01–0,1 µm º Inibem o movimento das deslocaç deslocações º Partí Partículas Tamanho Pedro Almeida DEM 2005 12 Materiais Compósitos Compósitos reforçados com Partículas As partí partículas devem ser aproximadamente equiaxiais º As partí partículas devem estar uniformemente distribuí distribuídas º A fracç fracção volú volúmica depende das propriedades desejadas º Podem ser usados como matriz/reforç matriz/reforço as três grandes classes de materiais: Cerâmicos, Metais e polí polímeros º º Exemplo: reforç reforço. O betão, onde o cimento é a matriz e o cascalho o MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 13 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos Materiais Compósitos Exemplo: CERMET (compósito cerâmico-metal) º Partículas cerâmicas (duras) dispersas no interior de uma matriz metálica (dúctil). O produto final é uma ferramenta de corte, com uma fracção de reforço que pode ir até 90%. O módulo de elasticidade destes compósitos depende da fracção volúmica das partículas e obedece à Regra das Misturas. º E-Módulo de Elasticidade (Young) º V-Fracção volúmica (m–Matriz e p–Partículas) º Fase clara - Matriz º Fase escura - Reforç Reforço º Limite Superior - Ec = EmVm + E pV p º Limite Inferior - MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Ec = Em E p E pVm + EmV p MATERIAIS / MATERIAIS I 15 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos Materiais Compósitos Os valores do mó módulo de elasticidade do compó compósito, para uma dada composiç composição, encontraencontra-se entre estes dois limites. 14 16 Compó Compósitos reforç reforçados com fibras º Tecnologicamente, é este o tipo de compó compósito mais importante Valores º Fase das fibras º E- matriz Limite superior ** ** * * º * Limite inferior º º Fase da matriz º º º º conc. de particulas As fibras devem ter uma alta tensão de ruptura, normalmente superior superior à da matriz. Podem ter vá vários tamanhos, sendo classificadas em fibras curtas e longas e contí contínuas. O diâmetro das fibras é també também um factor muito importante. Serve como meio de manter as fibras agrupadas da forma desejada. Serve també também como meio atravé através do qual a tensão aplicada é transmitida e distribuí distribuída às fibras. Protege as fibras do meio exterior Separa as fibras impedindo que uma fenda numa fibra se propague para uma outra fibra vizinha. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 17 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos Materiais Compósitos Influência do comprimento das fibras º º As propriedades mecânicas do compó compósito dependem das propriedades mecânicas da fibra bem como da quantidade de carga que a matriz é capaz de transmitir à fibra (ou seja depende do tipo de interface fibra/matriz). Existe um tamanho crí crítico para o qual o compó compósito tem melhores propriedades mecânicas e a partir do qual as mesmas pioram. Esse tamanho crí crítico depende do diâmetro das fibras, da sua tensão de ruptura, e da adesão fibra/matriz. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos º º º a) Fibras longas alinhadas b) Fibras curtas alinhadas c) Fibras curtas aleatoriamente distribuí distribuídas 18 Influência da orientação das fibras º É muito importante a forma como as fibras estão dispostas umas em relaç relação às outras, bem como a sua concentraç concentração e orientaç orientação. º As fibras podem estas alinhadas paralelamente, perpendicularmente, perpendicularmente, aleatoriamente ou uma mistura destes. MATERIAIS / MATERIAIS I 19 Pedro Almeida DEM 2005 20 Materiais Compósitos Fibras alinhadas º Quando as fibras estão alinhadas as propriedades do compósito vão ser muito anisotrópicas. módulo de elasticidade na direcção do ºO alinhamento é função da fracção volúmica das fibras e dos módulos de elasticidade das fibras e matriz. º O módulo de elasticidade na direcção perpendicular ao alinhamento, é consideravelmente menor, pois as fibras não estarão a contribuir para o seu aumento. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 21 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos Materiais Compósitos Fibras aleatórias º As propriedades do compósito são isotrópicas, ou seja, não dependem da direcção. º A tensão de ruptura destes compósitos é de forma geral menor do que no caso em que eles fossem feitos do mesmo material mas com as fibras linhadas º Mas pode der necessário sacrificar a tensão de ruptura em detrimento das propriedades isotrópicas. Compósitos reforçados com fibra de vidro º São Materiais Compósitos fácil inserir as fibras no interior da matriz º É relativamente barato e de fá fácil acesso º São de fá fácil processamento º Podem ser produzidos compó compósitos muito leves e mecanicamente muito resistentes º São quimicamente inertes (não se degradam com facilidade) MATERIAIS / MATERIAIS I 23 Comportamento elástico – direcção longitudinal º º muito usados pois: ºÉ MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 22 Consideremos um compó compósito de fibras contí contínuas alinhadas segundo uma direcç direcção. sujeito a uma tensão mecânica segundo a direcç direcção do alinhamento. Se houver uma boa adesão fibra/matriz, teremos a mesma deformaç deformação aplicada às duas fases constituintes (iso (iso--deformaç deformação) ão) Pedro Almeida DEM 2005 24 Materiais Compósitos Comportamento elástico – direcção longitudinal º º Consideremos um compó compósito de fibras contí contínuas alinhadas segundo uma direcç direcção. sujeito a uma tensão mecânica perpendicular à direcç direcção do alinhamento. Se houver uma boa adesão fibra/matriz, teremos a mesma tensão aplicada às duas fases constituintes (iso (iso--tensão) tensão) MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 25 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos 26 Materiais Compósitos Estas condiç condições de isoiso-deformaç deformação e isoiso-tensão serão os limites superior e inferior das propriedades mecânicas de um compó compósito para uma dada fracç fracção volú volúmica de fibras. Tensão de Ruptura A tensão de ruptura de um compósito é dada pela equação a seguir apresentada, assumindo que as fibras fracturam antes da matriz. σc = σmVm + σfVf MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 27 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos 28 Materiais Compósitos Outras propriedades dos compósitos º De forma geral, a regra das misturas (para os limites inferior e superior), pode ser usada para qualquer propriedade dos compósitos Xc. Xc = XmVm + XfVf Xc = XmXf/(VmXf + VfVm) º º a) b) No grá gráfico a) é mostrada a curva de tracç tracção dos dois materiais constituintes do compó compósito. PodePode-se verificar que a matriz é dúctil e que o reforç reforço é duro e frá frágil. No grá gráfico b) é possí possível visualizar uma curva de tracç tracção de um compó compósito de fibras alinhadas, quando traccionado uniaxialmente na direcç direcção de orientaç orientação das fibras. º Ex. Conductividade eléctrica, ... etc.. térmica, conductividade MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 29 Materiais Compósitos Compósitos estruturais Formados por materiais homogéneos e compósitos, com propriedades dependentes da orientação relativa dos componentes. º Laminados – formados por camadas sucessivas de um compó compósito anisotró anisotrópico, pico, com orientaç orientações alternadas. Ex. contraplacado de madeira. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Resinas termoendurecíveis Moldagem por pistola Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Compósitos 30 Compó Compósitos estruturais Sandwich – formados duas camadas superficiais, mais densas e menos espessas, separadas por uma camada de material menos denso (que tem um menor mó módulo de elasticidade). º O interior resiste a forç forças perpendiculares à superfí superfície do compó compósito, muitas vezes são usadas estruturas em forma de favo de abelha. º Muito usados em telhados, paredes, asas de aeronaves, etc. MATERIAIS / MATERIAIS I 31 Pedro Almeida DEM 2005 Pultrusão 32 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 33 Prepeg Pedro Almeida DEM 2005 34 Enrolamento de filamento MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 35 Pedro Almeida DEM 2005 Moldagem por compressão a ar 36 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 37 Pedro Almeida DEM 2005 38 Moldagem em autoclave Moldagem à vácuo MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Moldagem por compressão MATERIAIS / MATERIAIS I 39 Pedro Almeida DEM 2005 Moldagem por extrusão para produção de compósitos em matrizes de termoplásticos com fibras curtas ou cargas particuladas. 40 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Produção de chapas de compósitos de matrizes de polímeros termoplásticos reforçados com fibras contínuas MATERIAIS / MATERIAIS I 41 Pedro Almeida DEM 2005 Termo-enformação 42