Cap. 17 - Compósitos

1. Disciplina: EET – 310 Princípio de Ciência dos Materiais (PCM) • Definição: Material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades dos materiais que o constitui. • Obs: -Na prática os constituintes devem ser quimicamente diferentes e separados por uma interface • - Muitos compósitos são constituídos por apenas duas fases; matriz e fase dispersa • ferrita (Feα); dúctil e mole • cementita (Fe3C); frágil e dura Cap. 17 - Compósitos • liga metálica (perlita): • -osso; colágeno (proteína forte mas mole) • e apatita (mineral duro porém frágil) • madeira; fibras de celulose (resistentes e flexíveis) envolvidas pela lignina (rígida) • compósitos naturais: Exemplos: • concreto: • matriz; cimento • fase dispersa; areia (enchimento) e brita • cermets (cerâmica-metal), ex.: carbetos cimentados aplicação: ferramentas de corte de aços endurecidos matriz; metal (Co, Ni) fase dispersa; (WC, TiC)

2. Fatores que influem nas propriedades dos compósitos: propriedades das fases, quantidades relativas e • geometria da fase dispersa (forma, tamanho, distribuição e orientação) • Obs: Fração volumétrica; parâmetro que influencia nas propriedades mecânicas dos compósitos • Classificação dos compósitos: • grandes;as interações não são em nível atômico ou molecular, são • rígidas e restringem o movim. da matriz e, suportam parte da carga aplicada • Reforçados com patículas: - por dispersão; partículas entre 0,01 e 0,1 µm que dificultam o movim de discord., restringindo a deform. plast. e melhorando a e o LRT e a H. • Reforçados com fibras; tecnologicamente são os mais importantes para alta resist. e/ou rigidez com baixo peso. Parâmetros considerados: • resistência específica (LRT / densidade relativa do material) • -módulo específico (E / densidade relativa do material)

3. Obs: • -As características mecânicas dos compósitos além das propr. das fibras também dependem da transferência de carga da matriz para as fibras. • -É necessário um comprimento crítico da fibra (Lc) para aumentar a resistencia e rigidez do compósito. • ex.: Lc = 1 mm e 20d < Lc < 150dpara vários tipos de matriz com fibra de vidro ou C e L • -fibras contínuas L > > Lc (L > 15Lc). • -fibras descontínuas (L < Lc); a matriz se deforma ao redor das fibras, não há transferencia de carga • -as orientações, concentração e distribuição das fibras também influem nas propriedades

4. Ec = Em.Vm + Ef.Vf (eq. 17.10a ) Ec = Em.(1-Vf) + Ef.Vf (eq. 17.10b ) • Comportamento Elástico – Carregamento Longitudinal: ou • Fibras: • Obs: materiais frágeis na forma de são mais resistentes que os mesmos na forma de volume (< probab. de defeito crítico superficial produzir trinca) • Classificação das fibras: • uísqueres; monocristais (com elevada perfeição cristalina) com razão comprimento /diâmetro muito alta. São os materiais mais resistentes existentes e isentos de defeito. • fibras: policristalinas ou amorfas com diâmetro relativamente pequenos. São geralmente polímeros (aramidas) ou cerâmicas (vidro, C, B, alumina) • arames: tem diâmetro relativamente grandes. Incluem o aço, Mo e W • Matriz: Pode ser metal, polímero ou cerâmico. Para aplicações que requerem ductilidade opta-se por metais ou polímeros • Funções da matriz em compósitos reforçados com fibras: • Meio de transmissão de carga. • Proteção das fibras individuais contra danos superficiais (abrasão mecânica ou reações químicas com o meio. • Separação das fibras para evitar a propagação de trincas.

5. Compósitos com Matriz Polimérica(PMC) reforçadas com: -alta resistência e facilm. estiradas do estado fundido -proporciona alta resist. específica no interior da matriz de plastico -inerte quimicamente junto com plástico( pode ser usada em ambientes corrosivos) • fibras de vidro, vantagens: (3µm < diâm. < 20µm) - aplicações, ex: indústria de transporte para < peso dos veículos e > eficiência dos combustíveis • maiores resist. espec. e mód. espec. dentre todos os mat. fibrosos • mantêm estas propr. em temperaturas elevadas (mas; problema de oxidação) • não são afetadas por umidade, vários solventes , ácidos e bases • custo relativam baixo dos seus compósitos • fibras de C, vantagens: - aplicações, ex: equipam. esportivos (tacos de golfe), componentes estruturais de aeronaves

6. materiais com cuja realação resistência – peso superam às dos metais • seu LRT é > aos demais materiais poliméricos fibrosos • tem alta tenacidade, resist. ao impacto, à fluência e à fadiga ( mas fracas • sob compressão • resistentes à combustão (embora termoplásticas) • embora susceptíveis à degradação por ácidos e bases fortes, são inertes • a outros solventes e produtos químicos • fibras aramidas, vantagens: (nomes comerciais: Kevlar e nomex) • aplicações; normalmente usadas com matriz de epóxi ou • poliésteres, ex: produtos balísticos ( coletes à prova de balas • Compósitos com Matriz Metálica (MMC): • utilizadas em > temperaturas que seus metal-base • tipos de reforços; partículas, fibras contínuas (C, SiC, alumina • e metais refratários. • funções do reforço, melhorar: sua resist. espec., rigidez espec., • resist à abrasão, resist. à fluência, condut. • térm. e estabilidade dimensional. • tem > resist. à degradação por fluidos orgânicos • podem ser usados em > temperaturas • não são inflamáveis • Vantagens dos MMC em relação aos PMC:

7. Algumas aplicações de MMC: • recente: componentes de motores de automóveis com matriz Al reforçada com fibras de alumina ( compósitos leves, resist. ao desgaste e à distorções térmicas • estruturais; matriz de Al reforçada com fibras de B para ônibus espaciais • espaciais; matriz de Al com fibras de grafita para o telescópio Hubble. • Compósitos com Matriz Cerâmica (CMC): • Obs: -Os materiais cerâmicos são mais resistentes à oxidação e deterioração em temperaturas elevadas, não fosse a sua fragilidade seriam ideais para aplicações nestas temperaturas e severas condições de Tensão como em motores de turbina a gás. Tem tenacidade a fratura (KIC) muito inferior à dos metais. • A KIC dos cerâmicos tem melhorado com a geração de CMC com partículas, fibras ou uísqueres de outro • Cerâmico (a trinca iniciada na matriz é barrada ou retardada pela fase dispersa) • Algumasvantagens dos CMC : • boa resist. à fluência à temperaturas elevadas • tem > resist. à choques térmicos • Algumas aplicações de CMC: alumina reforçada com uísqueres de SiC usadas como enxerto em ferramentas de corte para usinagem de ligas metálicas duras (vida útil > do que ferramentas com carbetos cimentados).

8. Compósitos estruturais: São compostos tanto por materiais homogêneos quanto por materiais cujas propriedades dependem da geometria dos seus constituintes (além das suas características individuais). -Tipos: • Compósitos laminares : Folhas ou painéis bidimensionais empilhados e cimentados e, com uma direção preferencial de alta resistência.Ex.: madeira, plásticos reforçados com fibras contínuas e alinhadas. • Painéis em sanduíche : Duas folhas externas (faces) mais resistentes separadas por material menos denso e menos rígido (recheio). • materiais típicos para as faces: ligas de Al, plásticos reforçados • com fibras, Ti, aço e madeira compensada. • -recheio: polímero em espuma, borracha sintética • Obs: Outro recheio popular: estrutura em colméia (finas folhas intertravadas em formato hexagonal com eixos perpendiculares às faces. • Aplicações: pisos, telhados, paredes de prédios, aeronaves ( asas, fuselagem e revestimento do leme horizontal)

9. Métodos de Processamento de Compósitos (reforçados com fibras): • Pultrusão: para componentes com comprimento contínuo e secção reta constante (barras, tubos, vigas) -matriz; poliéster, éster vinílico, resina epóxi -reforço: fibras de vidro, fibras de C e fibras aramidas • Prepeg: mais utilizada para aplicações estruturais. As fibras contínuas são pré-impregnadas com resina polimérica parcialmente curada.

10. Enrolamento de filamento: As fibras são posicionadas em um padrão pré-determinado para obtenção de uma forma oca (em geral cilíndrica). • Obs: - Esta técnica permite um elevado controle sobre a uniformidade e orientação dos enrolamentos • Vários padrões de enrolamento são possíveis; circunferencial, helicoidal e polar • São obtidas peças com altas razões entre resistência e peso.