CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Igor Vinicius da Conceição Pereira
Jailson Alexandre da Cruz
Kleber Pinheiro de Freitas
COMPÓSITOS DE FIBRAS
Barra Mansa
2020
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Compósitos de fibras, Trabalhos de Materiais e Sistemas de Construção
Introdução, classificações, obtenção através da matéria prima, aplicações e sustentabilidade
Tipologia: Trabalhos
2020
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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Igor Vinicius da Conceição Pereira Jailson Alexandre da Cruz Kleber Pinheiro de Freitas COMPÓSITOS DE FIBRAS Barra Mansa 2020
CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Igor Vinicius da Conceição Pereira Jailson Alexandre da Cruz Kleber Pinheiro de Freitas COMPÓSITOS DE FIBRAS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário de Barra Mansa como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel/Licenciatura do Curso de Engenharia Mecânica, sob a orientação da professora Fabiola Viana. Barra Mansa 2020
RESUMO
CRUZ. FREITAS. PEREIRA., Jailson. Kleber. Igor. Compósitos de Fibras. 2020.
- Trabalho Avaliativo da Matéria Materiais de Construção Mecânica (Bacharelado ou Tecnologia em [Engenharia Mecânica]) – Centro Universitário de Barra Mansa. Barra Mansa, RJ, 2020. Este trabalho tem como principal objetivo explicar de maneira simples e coesa a definição de materiais compósitos bem como suas principais aplicações na indústria moderna. Estes materiais são obtidos através de técnicas de Metalurgia do Pó (MP) com o propósito de melhorar as propriedades mecânicas do mesmo. O estágio atual da indústria exige materiais com propriedades especificas que não podem ser atendidas pelo uso isolado das ligas metálicas, dos materiais cerâmicos e dos materiais poliméricos. É o caso particular das indústrias naval, construção civil e a todos que buscam o reforço de estruturas metálicas, que demandam materiais estruturais com dureza, rigidez, leveza, resistentes à abrasão, ao impacto e a corrosão, devido também à versatilidade de produção, à simplicidade dos métodos de reparação e aos reduzidos custos de fabricação tornando-se assim extremamente atrativos. Essas exigências conduzem aos pesquisadores a investigar os materiais compósitos. A distribuição homogênea da fase de reforço na matriz é um requisito primordial para melhorar as propriedades mecânicas. Nesse contexto, sabe-se que a Metalurgia do Pó (MP) promove uma melhor distribuição do reforço na fase matriz em relação ao processo convencional de fundição, obtendo-se então materiais com melhores propriedades mecânicas notadamente dureza e resistência ao desgaste. Este trabalho investiga em especial o uso do alumínio e suas principais ligas como compósitos, bem como também de maneira simplificada as classificações dos compósitos, as vantagens de suas aplicações na indústria, suas características físicas e mecânicas e parte de seu processo de reciclagem de forma a preservar o meio ambiente e promover sua sustentabilidade. Palavras-chave: Compósitos. Fibras. Ligas. Metalurgia do Pó. Aplicações.
ABSTRACT
CRUZ. FREITAS. PEREIRA., Jailson. Kleber. Igor. Fiber Composites. 2020. 37. Evaluative Work on Mechanical Construction Materials (Bachelor's Degree or Technology in [Mechanical Engineering]) - University Center de Barra Mansa. Barra Mansa, RJ, 2020. This work has as main objective to explain in a simple and cohesive way the definition of composite materials as well as their main applications in the modern industry. These materials are obtained through Powder Metallurgy (PM) techniques with the purpose of improving its mechanical properties. The current stage of the industry requires materials with specific properties that cannot be met by the isolated use of metal alloys, ceramic materials and polymeric materials. This is particularly the case for the naval and civil construction industries and for all those seeking to reinforce metal structures, which demand structural materials with hardness, rigidity, lightness, resistant to abrasion, impact and corrosion, due also to the versatility of production, simplicity of repair methods and low manufacturing costs, making them extremely attractive. These requirements lead researchers to investigate composite materials. The homogeneous distribution of the reinforcement phase in the matrix is a primary requirement to improve the mechanical properties. In this context, it is known that Powder Metallurgy (PM) promotes a better distribution of the reinforcement in the matrix phase in relation to the conventional casting process, thus obtaining materials with better mechanical properties, notably hardness and wear resistance. This work investigates in particular the use of aluminum and its main alloys as composites, as well as in a simplified way the compositions classifications, the advantages of its applications in the industry, its physical and mechanical characteristics and part of its recycling process in order to preserve the environment and promote its sustainability. Keywords: Composites. Fibers. Leagues. Powder Metallurgy. Applications.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição química da liga de alumínio ................................................. 20 Tabela 2 - Sistema de classificação da The Aluminum Association .......................... 20
LISTA DE SIGLAS E ACRÔNIMOS
LISTA DE SIGLAS
CMM Compósitos de Matriz Metálica FRC Fiber Reinforced Composites PRC Particulate Reinforced Composite FSP Friction Stir Processing CMM (^) Compósitos de Matriz Metálica CMC (^) Compósitos de Matriz Cerâmica CMP (^) Compósitos de Matriz Polimérica PC Propriedade do Compósito PM Propriedade da Matriz FM Fração Volumétrica da Matriz PR Propriedade do Reforço FR Fração Volumétrica do Reforço LISTA DE ACRÔNIMOS CBECIMAT Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
1 INTRODUÇÃO
O estudo, desenvolvimento e aprimoramento da fabricação de materiais compósitos tem crescido exponencialmente desde seu surgimento na década de 60. Esses materiais são atrativos para diferentes setores industriais como o bélico, automobilístico, aeroespacial, eletrônico, esportivo, entre outros, principalmente por serem capazes de combinar inúmeras propriedades encontradas em diferentes materiais. Os compósitos, também chamados de composites, são materiais formados pela união de outros materiais com o objetivo de se obter um produto de maior qualidade. A síntese de materiais compósitos se dá por misturar compostos de naturezas diferentes com o intuito de imprimir novas propriedades aos materiais. Por ser um material multifásico, um compósito exibe além das propriedades inerentes de cada constituinte, propriedades intermediárias que vem da formação de uma região interfacial.
2 DESENVOLVIMENTO
2.1 Definição de compósitos Os compósitos são materiais projetados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais. Um exemplo típico é o compósito de fibra de vidro em matriz polimérica. A fibra de vidro confere resistência mecânica, enquanto a matriz polimérica, na maioria dos casos constituída de resina epoxídica, é responsável pela flexibilidade do compósito. A matriz pode ser polimérica, metálica ou cerâmica. O mesmo vale para o reforço, que pode estar na forma de dispersão de partículas, fibras, bastonetes, lâminas ou plaquetas. Os materiais compósitos são também conhecidos como materiais conjugados ou materiais compostos. A madeira é um material compósito natural, em que a matriz e o reforço são poliméricos. O concreto é outro compósito comum. Neste caso, tanto a matriz como o reforço são materiais cerâmicos. No concreto, a matriz é cimento Portland e o reforço é constituído de 60 a 80% em volume de um agregado fino (areia) e de um agregado grosso chamado de pedregulho. O concreto pode ainda ser reforçado com barras de aço. A grande expansão no desenvolvimento e no uso dos materiais compósitos teve início na década de 70 (PADILHA, 2000). A definição de material compósito é bastante flexível. A obtenção de materiais compósitos depende em grande parte da escolha dos materiais e da rota de processamento, pois a ligação existente entre a matriz e o reforço e a homogeneidade de distribuição do reforço na matriz são grandes responsáveis pelas propriedades mecânicas finais. Atualmente três tipos de materiais compósitos são produzidos e aplicados em larga escala, são eles materiais compósitos reforçados por fibras continuas (a), fibras curtas (b) e partículas (c), conforme apresentado pela figura 1 (UTEP, 2013). Figura 1 - Desenho esquemático da disposição de partículas de reforço da matriz. A matriz, por sua vez, é a fase contínua em que suas propriedades estão sendo melhoradas pela incorporação dos reforços. Diferentes matrizes metálicas têm sido utilizadas para a fabricação de compósitos reforçados com fibras, com base em seu desempenho mecânico, simplicidade e aplicação (CAMYAR, 2017). No
afetar a estabilidade das interfaces. Como a instabilidade devido à dissolução, cujo inconveniente principal é a perda parcial do material de reforço, produzindo-se cavidades devido ao efeito Kirkendal, principalmente quando o reforço é do tipo metálico. Instabilidade devido à decomposição da interface, produzidos em compósitos sujeitos a ciclos térmicos. Instabilidade devido à reação interfacial, que degradam as propriedades do compósito (CLYNE, 1997). Os reforços podem ser contínuos (fibras longas) e descontínuos (partículas, "Whiskers" e fibras curtas). De uma forma geral, os compósitos com reforços contínuos apresentam eficiência de transferência de carga da matriz para o reforço, porém possuem alto custo. Os compósitos com reforços descontínuos possuem baixos custos de processamento e de matérias primas. Boas propriedades mecânicas, resistência a abrasão e baixo coeficiente de expansão térmica possibilitam a conformação mecânica do produto através de processos convencionais, como forjamento, extrusão e laminação. Devido à possibilidade de combinação de características de diferentes materiais, os compósitos têm sido alvo de intensas investigações nos últimos 10 anos, e mais recentemente, os Compósitos de Matriz Metálica (CMM) reforçados por partículas, produzidas por metalurgia convencional, com maiores limites de resistência e módulos de elasticidades, melhores resistências a fadiga e desgaste, mesmo perdendo algumas propriedades importantes, como resistência a corrosão e tenacidade (RACK, 1990). 2.2 Classificação dos compósitos Tipicamente, os compósitos são classificados pelo material que forma a matriz que é a fase contínua, que envolve a outra fase, chamada reforço ou fase dispersa. As propriedades dos compósitos dependem de propriedades físicas e de fatores inerentes às fases constituintes, como as suas quantidades relativas e a geometria da fase dispersa.
Figura 2 - Fatores de que dependem as propriedades dos compósitos A fase matriz pode ser um metal, um polímero ou um cerâmico, que confere estrutura ao material compósito preenchendo os espaços vazios que ficam no reforço e mantendo-o na sua posição. A fase dispersa ou reforço existe em diversas formas sendo a classificação mais geral feita em três categorias: compósitos particulados, compósitos de fibras descontínuas (whiskers) e compósitos de fibras contínuas. No geral, os constituintes do reforço dos compósitos proporcionam força e rigidez, mas também aumentam a resistência ao calor, corrosão e condutividade. O reforço pode ser feito para facultar todas ou apenas uma destas características dependendo dos requisitos exigidos pelo novo material. Para o reforço representar uma vantagem para o compósito este deve ser mais forte e rígido que a matriz e deve ser possível a sua troca quando se notar qualquer falha como vantagem. Deste modo a boa interação entre matriz e reforço pode ser garantida pela criação de uma interface entre ambos que possa adequar a rigidez do reforço com a ductilidade da matriz. Para tal é essencial que a ductilidade da matriz seja mínima ou mesmo nula para que o compósito apresente um comportamento relevante. Figura 3 - Classificação dos materiais compósitos segundo sua fase dispersa As fibras constituem uma classe importante de reforço uma vez que proporcionam o aumento da força da matriz, e consequentemente influencia e
da fracção de volume do reforço. As propriedades da matriz também influenciam o comportamento do compósito. Figura 4 - Classificação de materiais compósitos segundo o reforço 2.3 Fabricação de materiais compósitos de matriz metálicas ênfase no alumínio e suas ligas Ao longo dos anos inúmeras foram as técnicas desenvolvidas ou aprimoradas para a fabricação de materiais compósitos. De modo geral, todas as técnicas visam boa distribuição de reforço na matriz e boa interface matriz/reforço, uma vez que esses parâmetros são fundamentais para as propriedades gerais dos compósitos. A fabricação de compósitos via FSP (Friction Stir Processing) é uma alternativa para produzir compósitos reforçados com partículas. Essa é uma técnica que envolve deformação plástica severa e deriva do processo de solda por fricção (SHARMA, 2015; MA, 2008). Os compósitos de matriz metálica (CMM), especificamente os de Al e suas ligas, hoje representam a grande maioria do mercado de compósitos de matriz
metálica. As ligas de alumínio possuem, além do metal base, outros elementos, considerados como componentes de liga ou como impurezas. Os principais elementos de liga são o cobre, o silício, o magnésio e o zinco que determinam as características principais da liga. Adições de cromo, níquel, vanádio, boro, prata, chumbo, bismuto, zircônio e lítio conferem propriedades especiais às ligas básicas, como resistência à corrosão, controle de recristalização ou usinabilidade. Outros elementos, como ferro, titânio, sódio, estrôncio e antimônio são considerados impurezas cuja presença deve ser controlada. Dependendo do grupo de ligas, um elemento que é considerado benéfico em uma liga poderá ser deletério em outra e vice-versa (WEINGAERTNER, SCHOROETER, 1991). O compósito de matriz metálica, em geral, consiste de pelo menos dois componentes: um obviamente é a matriz metálica e o segundo o reforço (em geral, um componente intermetálico, um óxido, um carboneto ou um nitreto, podendo também ser outro metal). A diferença entre os CMM (compósitos de matriz metálica) e as ligas de duas ou mais fases está na forma de obtenção. Na produção do compósito, a matriz e o reforço são misturados juntos, distinguindo das ligas de duas ou mais fases, onde uma segunda fase é formada através de uma reação eutética ou eutectóide. De maneira resumida, o CMM é um material obtido por uma mistura mecânica de fases, o que a diferencia da liga convencional obtida por solidificação ou reação no estado sólido como previsto no diagrama de fases. Isto possibilita a adição de diversos materiais em quaisquer frações volumétricas, formas e tamanhos, com diferentes arranjos espaciais na matriz metálica. Esta grande flexibilidade microestrutural permite projetar um CMM com propriedades desejadas e únicas, lançando-se mão da conjugação das propriedades dos materiais que o compõe (YOSHIMURA, 1994). Uma das principais características dos CMM é combinar a excelente ductilidade e conformabilidade da matriz metálica com a elevada resistência dos materiais de reforço, seja para promover maior dureza às estruturas metálicas, ou para conferir leveza às estruturas utilizadas na indústria aeronáutica e aeroespacial (MISHRA et al, 1999). Ligas de Al e Mg, com baixos conteúdos de Si, e reforçados com SiC que é termodinamicamente instável acima do ponto de fusão da matriz, reage com a mesma para formar o Al4C3 através da seguinte reação (WARREN; ANDERSSON, 1984): Entretanto essa reação não ocorre para temperaturas abaixo de 650 °C. (LEGOUX, L’ESPÉRANCE, SUÉRY, 1990). Através desta reação se observa um incremento sensível no nível de Si na matriz, que ocorre devido ao avanço da reação, e por sua vez, pode favorecer a diminuição do ponto de fusão do compósito com o tempo de reação. A reação da formação do carbeto pode ser evitada através da utilização de altos conteúdos de Si na matriz. Este carbeto é conhecido pela sua fragilidade e instabilidade, degradando as propriedades mecânicas do compósito (LACOM, DEGISCHER, SCHULZ, 1997). Na metalurgia do pó, em que a consolidação dos materiais ocorre no estado sólido, à formação do Al4C3 não é um fator a ser considerado, pois este se encontra estável abaixo da temperatura do sólidos (ponto da curva do diagrama de fase o qual uma dada substância se apresenta completamente sólida, ou seja, cristalizada).
Compósitos de matriz metálica (CMM); As matrizes têm como função principal, transferir as solicitações mecânicas as fibras e protegê-las do ambiente externo. Quase todos os sistemas de ligas estruturais podem ser usados como materiais de matriz em CMM, mas as mais usadas são Al, Mg e Ti (HUNT, 1988). Podemos obter um bom exemplo das características físicas e mecânicas explorando mais a fundo o alumínio. O alumínio comercialmente puro tem sua resistência à tração de aproximadamente 90MPa. Sua utilização como material estrutural nesta condição é um tanto limitada. Através de deformação/transformação do metal, por exemplo, laminação a frio, sua resistência pode ser praticamente dobrada. Aumentos maiores na resistência podem ser obtidos com pequenas adições de outros metais, como elementos de liga, tais como: manganês, silício, cobre, magnésio, zinco etc. Como o alumínio puro, as ligas podem também ter sua resistência aumentada pelo trabalho a frio. Algumas ligas, podem ainda apresentar aumento de resistência através de tratamento térmico, tanto que hoje algumas ligas de alumínio podem ter resistência à tração de aproximadamente 700 MPa. O alumínio e suas ligas perdem parte de sua resistência a elevadas temperaturas. Embora algumas ligas conservem boa resistência entre 200 a 260ºC. Em temperaturas abaixo de zero, entretanto, sua resistência aumenta sem perder a ductilidade, tanto que o alumínio é um metal particularmente utilizado em aplicações a baixas temperaturas. As ligas de alumínio não - tratáveis termicamente são ligas de alumínio nas quais o aumento da resistência mecânica se consegue somente por deformação plástica a frio, enquanto que ligas de alumínio tratáveis termicamente são ligas de alumínio nas quais se consegue o aumento da resistência mecânica através de um tratamento térmico. Para identificar as ligas de alumínio trabalháveis é usado um sistema de designação numérica de quatro dígitos. O primeiro dígito indica o grupo de ligas da seguinte maneira (ABAL, 2004):
- Alumínio não-ligado de no mínimo 99,00% de pureza,1xxx;
- Ligas de alumínio, agrupadas segundo o elemento de liga principal:
O segundo dígito indica modificação da liga original ou dos limites de impureza. Os dois últimos dígitos identificam a liga de alumínio ou indicam a pureza do alumínio. No grupo 1xxx, alumínio não-ligado de no mínimo 99,00% de pureza, os dois últimos dígitos da designação indicam os centésimos da porcentagem mínima de alumínio. O segundo dígito da designação indica modificação dos limites das impurezas. O algarismo “0” indica o alumínio 9 não-ligado que contém impurezas em seus limites naturais ou que não houve um controle especial de um ou mais elementos presentes como impurezas. No grupo 2xxx a 8xxx, os dois últimos dígitos dos quatro da designação são arbitrários, servindo somente para identificar as diferentes ligas do grupo. O segundo dígito caracteriza modificações da liga original. Os reforços mais utilizados nos CMM são de material cerâmico. Estes reforços possuem alta dureza e baixa tenacidade à fratura. As características finais do material compósito dependem da fração volumétrica do reforço e da matriz metálica. Tabela 1 - Composição química da liga de alumínio Tabela 2 - Sistema de classificação da The Aluminum Association A tabela 2 mostra o sistema de classificação da The Aluminum Association Inc., associação dos produtores norte-americanos.