Materiais Compósitos

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Universidade Federal do Espírito Santo Centro Universitário Norte do Espírito Santo Departamento de Engenharias e Computação Engenharia Química MATERIAIS compósitos São Mateus, 2010 Resumo Os compósitos compreendem uma classe de materiais que a cada dia ganha mais importância tecnológica. Quando um material é preparado usando materiais de natureza distinta é denominado compósito, logo, podem ser encontrados na natureza ou sintetizados. A partir dessa definição fica evidente a infinidade de estruturas e instrumentos que podem ser desenvolvidas com compósitos; e, automaticamente, vem à luz a dependência da humanidade para com esses materiais, bem como a pertinência do seu estudo e desenvolvimento. Introdução A síntese de materiais compósitos consiste em misturar compostos de naturezas distintas visando imprimir novas propriedades aos materiais. Por ser um material multifásico, um compósito exibe além das propriedades inerentes de cada constituinte, propriedades intermediárias decorrentes da formação de uma região interfacial. As fases dos compósitos são chamadas de matriz – que pode ser cerâmica, polimérica e metálica – e a fase dispersa – geralmente fibras ou partículas que servem como carga. A matriz geralmente é um material contínuo que envolve a fase dispersa. As propriedades do compósito é uma função de fatores como a geometria da fase dispersa, distribuição, orientação e também da compatibilidade interfacial entre os constituintes da mistura. Ou seja, para que se forme um compósito é necessário que haja afinidade entre os materiais que serão unidos. Por isso, é muito importante conhecer as propriedades químicas e físicas dos diferentes materiais envolvidos; mais especificamente as propriedades das interfaces dos constituintes dos compósitos. Muitas das nossas tecnologias modernas requerem materiais com combinações bem peculiares de propriedades que não podem ser atendidas por ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos, são exemplos de tecnologias indispensáveis em aplicações aeroespaciais, subaquáticas e de transporte. Principalmente na última década, a busca por materiais ecologicamente corretos tem desenvolvido materiais de matrizes poliméricas com fibras naturais. A princípio as fibras naturais apresentaram poucas vantagens, pois geralmente às propriedades mecânicas são pioradas ou se mantêm quase inalteradas. Contudo, o apelo comercial venceu em vista dos baixos custos destas fibras, que são originárias de fontes renováveis e inesgotáveis, por possuírem baixa densidade, menor abrasão causada nas máquinas de processamento e também por terem a capacidade de boa adesão à matriz e o uso destas fibras em compósitos estruturais tem crescido no setor industrial. Compósitos Reforçados com Partículas Compósitos com partículas grandes e compósitos reforçados por dispersão são duas subclassificações de compósitos reforçados com partículas. A distinção entre essas classificações se baseia no mecanismo de reforço e aumento de resistência mecânica. O termo "grande" é usado para indicar que as interações partícula-matriz não podem ser tratadas em níveis atômicos ou moleculares; em vez disso, a mecânica do contínuo deve ser empregada. Para muitos destes compósitos, a fase particulada é mais dura e rígida do que a matriz. Estas partículas de reforço tendem a restringir o movimento da fase matriz na vizinhança de cada partícula. Em essência, a matriz transfere alguma tensão aplicada às partículas, que suportam uma fração da carga. O grau de reforço ou melhoria do comportamento mecânico depende da forte ligação na interface matriz-partícula. Compósitos com Partículas Grandes Tipos comuns de compósitos de partículas grandes são materiais poliméricos aos quais enchedores foram adicionados e o concreto, composto de cimento (a matriz) e areia e cascalho (os particulados). Partículas podem ter uma boa variedade de geometrias, mas elas devem possuir aproximadamente a mesma dimensão em todas as direções e ser pequenas e igualmente distribuídas através de toda a matriz. Além disso, a fração de volume das duas fases influencia o comportamento, as propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor de particulados. Duas expressões matemáticas têm sido formuladas para a dependência do módulo elástico sobre a fração de volume das fases constituintes para um compósito bifásico. Estas equações de regra de mistura prevêm que o módulo elásticodeveria cair entre um limite superior representado por Ec = EmVm + EpVp e um limite infeior Ec = (EmEp) / (VmEp + VpEm) Nestas expressões, E e V denotam o módulo elástico e a fração volumétrica, respectivamente, enquanto que os subscritos c, m e p representam as fases compósito, matriz e particulado. Observam-se as curvas dos limites superior e inferior Ec versus Vp para um compósito cobretungstênio, no qual tungstênio é a fase particulado; pontos de dados experimentais caem entre as duas curvas. Limite superior nio (%vol)Limite inferior tungstênio (%vol)Módulo de elasticidade (106 psi)Módulo de elasticidade (GPa)Concentração de tungstênio (%vol) Limite superior nio (%vol) Limite inferior tungstênio (%vol) Módulo de elasticidade (106 psi) Módulo de elasticidade (GPa) Concentração de tungstênio (%vol) Compósitos de partícula grande são utilizados com todos os três tipos de materiais –metais, polímeros e cerâmicas. Os cermetos são exemplos de compósitos cerâmica-metal. Estes compósitos são utilizados extensivamente como ferramentas de corte de aços duros. A tenacidade é melhorada pela sua inclusão na matriz do metal dúctil, que isola as partículas de cerâmica entre si e previne a propagação de trincas. As fases tanto matriz quanto particulada são bastante refratárias, para suportar as altas temperaturas geradas pela ação de corte sobre materiais que são extremamente duros. Tanto elastômeros quanto plásticos são frequentemente reforçados com vários materiais particulados. A aplicação muitas das borrachas modernas seria gravemente restringida sem particulados de reforço, tais como "negro de fumo". Estes particulados consistem de partículas muito finas e essencialmente esféricas de carbono, produzidas pela combustão de gás natural ou óleo em atmosfera que tem suprimento de ar limitado. Quando adicionado a borrachas vulcanizadas, este material extremamente barato melhora a resistência à tração, tenacidade e resistências ao rasgamento e à abrasão. Concreto: É um compósito comum de partícula grande no qual as fases tanto matriz quanto dispersa são materiais cerâmicos. Trata-se de um material compósito formado por partículas agregadas que são interligadas num corpo sólido por algum tipo de meio ligante, isto é, um cimento. Os dois tipos de concretos mais familiares são aqueles feitos com cimentos portland e asfáltico, onde o agregado é cascalho e areia. Concreto asfáltico é largamente usado principalmente como um material de pavimentação, enquanto que o cimento portland é empregado extensivamente como um material estrutural de construção civil. Concreto de cimento Portland: Os ingredientes para este concreto são cimento portland, um agregado fino (areia), um agregado grosso (cascalho ou saibro) e água. As partículas do agregado agem como um material de enchimento (carga) para reduzir o custo global do produto concreto uma vez que estes são baratos, enquanto que o cimento é relativamente caro. Para encontrar a resistência ótima de uma mistura de concreto, os ingredientes devem ser adicionados nas proporções corretas. Ligação completa entre o cimento e as partículas de agregado depende da adição da correta quantidade de água. Concreto Armado: A resistência mecânica do concreto de cimento portland pode ser aumentada por meio de hastes, fios, barras ou telas de aço, que são embutidas no concreto fresco e não curado. Assim, o reforço torna a estrutura endurecida capaz de suportar maiores tensões de tração, compressão e cisalhamento. Mesmo que trincas se desenvolvam no concreto, considerável reforço é mantido. Compósitos Reforçados por Dispersão Metais e ligas metálicas podem ter suas propriedades mecânicas melhoradas pela uniforme dispersão de finas partículas de um material muito duro e inerte. O mecanismo de endurecimento envolve interações entre as partículas e discordâncias dentro da matriz. O efeito de fortalecimento por dispersão não é tão pronunciado quando no endurecimento por precipitação; entretanto, o fortalecimento é obtido em elevadas temperaturas e para prolongados períodos de tempo porque as partículas dispersas nesses compósitos não reagem com a fase matriz. Compósitos Reforçados com Fibras Aos compósitos cuja fase dispersa está na forma de uma fibra tem-se dado maior relevância atualmente. Os compósitos reforçados com fibra conferem alta resistência mecânica e rigidez. Estas características estão expressas em termos dos parâmetros resistência mecânica específica e módulo específico, que correspondem, respectivamente, às razões de resistência mecânica para massa específica e módulo de elasticidade para massa específica. Compósitos reforçados com fibra com altas resistências mecânicas e módulos de elasticidade tem sido produzidos utilizando-se materiais de fibra e de matriz de baixas densidades. Influência do Comprimento da Fibra Um compósito reforçado com fibras não tem suas características mecânicas em função unicamente das propriedades das fibras, mas também do grau no qual uma carga aplicada é transmitida às fibras pela fase matriz. Importante para a extensão desta transmitância de carga é a magnitude da ligação interfacial entre as fases fibra e matriz. Sob a aplicação de uma tensão, esta ligação fibra-matriz cessa nas pontas das fibras. Define-se um comprimento crítico de fibra que é necessário para o efetivo fortalecimento e enrijecimento do material compósito. Este comprimento crítico lc é dependente do diâmetro da fibra d e a sua resistência mecânica (ou tensão) final σf e da resistência mecânica da ligação fibra-matriz (ou limite de escoamento cisalhante da matriz) τc de acordo com expressão lc=σfd2τc Carga máxima aplicadaObservam-se abaixo alguns perfis tensão-posição para determinados comprimentos (l) de fibra. Carga máxima aplicada TensãoTensãoTensãoPosiçãoPosiçãoPosição Tensão Tensão Tensão Posição Posição Posição Influência da Orientação e da Concentração das Fibras Destacam-se como fatores que tem significativa influência sobre a resistência mecânica e outras propriedades de compósitos reforçados por fibra: o arranjo ou orientação das fibras, bem como sua concentração e a distribuição. Com relação à orientação, há duas possibilidades, um alinhamento paralelo do eixo longitudinal das fibras numa única direção ou um alinhamento totalmente aleatório. Fibras contínuas estão normalmente alinhadas, enquanto que fibras descontínuas podem ser alinhadas, aleatoriamente orientadas, ou parcialmente orientadas. Melhores propriedades globais de compósito são obtidas quando a distribuição da fibra é uniforme. Apresentam-se abaixo. Direção Longitudinal Direção Longitudinal Fibras descontínuas e orientadas aleatoriamenteFibras descontínuas e alinhadasFibras contínuas e alinhadasDireção Transversal Fibras descontínuas e orientadas aleatoriamente Fibras descontínuas e alinhadas Fibras contínuas e alinhadas Direção Transversal A Fase Fibra Quando materiais frágeis, principalmente, são o foco de estudo, uma importante característica é que uma fibra de diâmetro pequeno é muito mais forte do que o material volumoso. A possibilidade de ocorrência de uma falha superficial crítica que conduza à fratura decresce com a diminuição do volume da amostra, o que posso ser atenuado quando os compósitos são reforçados por fibra, estas conferem altas resistências à tração. Filamentos ("whiskers"): são monocristais muito finos que tem razões comprimento-diâmetro extremamente grandes. Como uma consequência de seu pequeno tamanho, os filamentos possuem alto grau de perfeição cristalina e são virtualmente isentos de falhas; isso explica suas elevadas resistências mecânicas. São os mais fortes materiais conhecidos. Estes filamentos não são utilizados extensivamente como um meio de reforço por serem extremamente caros. Além disso, nem sempre é possível incorporar filamentos numa matriz. São exemplos de whiskers: grafita, carbeto de silício, nitreto de silício e óxido de alumínio. Fibras: São tanto policristalinos quanto amorfos e tem pequenos diâmetros. Materiais fibrosos podem ser polímeros ou cerâmicas. Citam-se os polímeros aramidas, vidro, carbono, boro, óxido de alumínio e carbeto de silício. Fios: Estes tem diâmetros relativamente grandes. Materiais típicos empregam aço, molibdênio e tungstênio. Fios são utilizados como reforço radial de aço em pneus de automóveis, carcaça de foguete reforçada com enrolamento de filamento, e mangueiras de alta pressão de fio enrolado. A Fase Matriz Várias funções imprescindíveis são realizadas pela fase matriz de compósitos de fibra. Destaca-se, sua capacidade de ligar as fibras entre si e age como o meio pelo qual uma tensão localizada é transmitida e distribuída às fibras, contudo, sua resistência mecânica à aplicação de cargas é extremamente baixa. Além disso, espera-se de um material matricial que este seja dúctil. Outro pré-requisito é o módulo elástico da fibra que deve ser muito maior do que o da matriz. A segunda função da matriz é proteger as fibras individuais em relação aos danos superficiais como um resultado da abrasão mecânica ou reações químicas com o ambiente. Tais interações podem introduzir falhas (defeitos) superficiais capazes de formar trincas, que podem conduzir à falhas, mesmo sob baixos níveis de tensão de tração. Uma vez analisando a matriz separadamente das fibras, em virtude de sua relativa maciez e plasticidade, previne-se a propagação de trincas frágeis de fibra para fibra, que poderia resultar numa falha catastrófica, ou seja, a fase matriz serve como uma barreira à propagação de trinca. A resistência de ligação é uma importante consideração na escolha da combinação matriz-fibra. O limite de resistência à ruptura do compósito depende fortemente da magnitude desta ligação; adequada ligação é essencial para maximizar a transmissão da tensão da matriz fraca para as fibras fortes. Materiais poliméricos são empregados como materiais matrizes na maior diversidade de aplicações de compósitos, bem como nas maiores quantidades, à luz de suas propriedades e facilidade de fabricação. Os polímeros matrizes comuns incluem quase todos os polímeros comerciais termoplásticos e termorrígidos. Compósitos com Matriz Polimérica Fibra de vidro (fiberglass): este compósito de matriz polimérica é constituído de fibras de vidro, tanto contínuas quanto descontínuas, contidas dentro de uma matriz plástica; este tipo de compósito é produzido em grandes escalas. Citam-se como propriedades desse material: a sua facilidade de ser estirado na forma de fibras de alta resistência mecânica a partir do estado líquido (fundido); disponibilidade de matéria-prima barata; é relativamente forte como fibra, e quando embutido numa matriz de plástico, produz um compósito tendo uma muito alta resistência mecânica específica; e possui inércia química que torna o compósito útil numa variedade de ambientes de corrosão. Plásticos impregnados com fibras de carbono também formam compósitos utilizados atualmente. Esse tipo de compósito tem excelente resistência a temperaturas e produtos químicos corrosivos, porém, é caro e tem apenas uma limitada utilização de fibras pequenas. A indústria aeronáutica está correntemente sintetizando compósitos reforçados com carbono como componentes estruturais de aeronaves como uma medida de redução de massa. Vários plásticos impregnados com fibras de boro têm sido utilizados num certo grau. Por exemplo, algumas lâminas de rotor de helicóptero são construídas usando fibras de boro numa resina epoxi. Outra revolução na produção de compósitos são as fibras poliméricas de aramidas de alta resistência mecânica. Tem sido empregados em componentes estruturais de baixo peso, tais como equipamentos aeroespaciais, aeronavais, marinhos e esportivos. Compósitos com Matriz Metálica Visto que a grande dos metais são dúcteis, estes podem também ser usados como fase matriz em compósitos reforçados por fibra. Contudo, apesar de existir essa compatibilidade, sua aplicação é limitada como matriz de compósitos. Um número de compósitos de fibra contínua nos quais ligas de alumínio, magnésio, cobre e titânio tem sido utilizadas, eventualmente, como a fase matriz, que pode ser reforçada com fibras de outros materiais. Estes metais reforçados com fibra podem ser utilizados em temperaturas maiores do que os compósitos poliméricos. Além disso, altas resistências mecânicas específicas e altos módulos específicos são possíveis uma vez que as densidades destes metais básicos são relativamente baixas. Esta combinação de propriedades torna estes materiais especialmente atrativos para uso em algumas aplicações aeroespaciais e aplicações em novos motores. As propriedades de fluência e de ruptura em altas temperaturas de algumas superligas (ligas à base de Ni e Co) podem ser melhoradas pelo reforço com fibra usando metais refratários tais como tungstênio. Ótima resistência à oxidação sob altas temperaturas e resistência ao impacto também estão presentes. Projetos incorporando estes compósitos permitem maiores temperaturas de operação e melhores eficiências para motores a turbina. Compósitos Híbridos Compósitos reforçados com fibras híbridos são obtidos utilizando-se dois ou mais diferentes tipos de fibras numa única matriz. Estes materiais têm uma melhor combinação geral de propriedades do que compósitos contendo apenas um único tipo de fibra. Uma variedade de combinações de fibras e materiais de matriz é usada. Compósitos híbridos comuns são aqueles contendo fibras de vidro e carbono. As fibras de carbono são fortes e relativamente rígidas e fornecem um reforço de baixa densidade; entretanto, elas são caras. Fibras de vidro são baratas e lhes falta a rigidez do carbono. O híbrido vidro-carbono é forte e tenaz, tem maior resistência ao impacto e pode ser produzido num custo menor do que qualquer um dos plásticos reforçados com carbono ou com vidro. Neste tipo de compósito híbrido, quando submetido à tensão ou tração produz falhas usualmente não catastróficas. As fibras de carbono são as primeiras a falharem, quando então a carga é transferida às fibras de vidro. Na falha das fibras de vidro, a fase matriz deve suportar a carga aplicada. Aplicações principais para compósitos híbridos são componentes estruturais de transporte leve rodoviário, aquático e aéreo, equipamentos esportivos, e componentes ortopédicos leves. Processamento de Compósitos Reforçados com Fibras Pultrusão Esta técnica é usada para a fabricação de componentes que possuem comprimentos contínuos e uma forma com seção reta constante (hastes, tubos, feixes). Impregna-se uma resina termorrígida nas fibras; estas são a seguir puxadas através de uma matriz de aço da a forma desejada e também estabelece a razão resina-fibra. O material passa, então, através de uma matriz de cura que é usada com precisão de maneira a conferir a forma final; esta matriz é também aquecida a fim de iniciar a cura da matriz de resina. Um dispositivo de puxamento estira o material através da matriz e também determina a velocidade de produção. As principais fibras empregadas são fibras de vidro, carbono e de aramida e os materiais de matriz incluem poliésteres, ésteres vinílicos e resinas epoxis. Observa-se o esquema abaixo. Matriz de pré-conformaçãoBobinas com fibrasTanque de impregnação de resinaPuxadoresMatriz de cura Matriz de pré-conformação Bobinas com fibras Tanque de impregnação de resina Puxadores Matriz de cura Processos de Produção de Prepreg Prepreg é o termo industrial de compósito para reforço com fibra contínua impregnada com uma resina polimérica que é apenas parcialmente curada. Este material é entregue na forma de uma fita para o fabricante, que a seguir molda diretamente e cura completamente o produto sem ter que adicionar nenhuma resina. Este é provavelmente ao material compósito mais largamente usado para aplicações estruturais. O processo "prepreg" começa pela colimação de uma série de mechas de fibras contínuas enroladas numa bobina. Essas mechas são então "sanduichadas" e prensados entre chapas de papel de liberação e condução usando rolos aquecidos, um processo denominado "calandragem". Estas folhas de papel de descarga são recobertas com um filme fino de solução de resina aquecida de relativamente baixa viscosidade de maneira a fornecer a completa impregnação das fibras. Uma lâmina de metal (espátula) espalha a resina num filme de espessura e largura uniforme. O produto final consiste na fita fina de fibras contínuas e alinhadas embutidas numa resina parcialmente curada. Apresenta este processo no esquema abaixo. EspátulaPapel de suporteCilindros de caladragem aquecidosPapel de suportePrepeg em carretelPapel de desmoldagem usadoPapel de desmoldagemReservatório contendo resina aquecida Espátula Papel de suporte Cilindros de caladragem aquecidos Papel de suporte Prepeg em carretel Papel de desmoldagem usado Papel de desmoldagem Reservatório contendo resina aquecida Enrolamento Filamentar Consiste num processo pelo qual fibras de reforço contínuas são precisamente posicionadas num molde para formar uma forma vazada, usualmente cilíndrica. As fibras são primeiramente alimentadas através de um banho de resina e a seguir continuamente enroladas sobre um mandril, usualmente empregando um equipamento automatizado de enrolamento. Após o apropriado número de camadas terem sido aplicadas, cura é realizada quer numa estufa quer à temperatura ambiente, após o que o mandril é removido. Estes compósitos tem alta resistência mecânica. Além disso, possuem um alto grau de controle sobre a uniformidade e orientação do enrolamento das fibras. Quando automatizado, o processo é muito atraente economicamente. Estruturas comuns de enrolamento de filamento incluem carcaças de motor de foguete, tanques de armazenamento e tubos, e vasos de pressão. Observa-se no esquema abaixo os tipos de enrolamento das fibras. Enrolamento circunferencialEnrolamento polarEnrolamento helicoidal Enrolamento circunferencial Enrolamento polar Enrolamento helicoidal Referências Sítio eletrônico acessado em 16 de junho de 2010 http://www.fapepi.pi.gov.br/novafapepi/ciencia/documentos/CompositosMoitaeCleide.PDF CALLISTER, W. D., Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. 7ª Edição. Rio de Janeiro: LTC, 2008.