Compósitos: Uma Nova Classe de Materiais, Notas de aula de Ciência Política

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Compósitos

Mossoró, maio 2021

• Os compósitos como uma classe de materiais distinta, surgiram na metade do século XX, com a fabricação de compósitos multifásicos, como por exemplo os polímeros reforçados com fibras de vidro.
• A combinação de materiais diferentes resultou na identificação dos compósitos, como uma nova classe que combina metais, cerâmicas e polímeros.

Introdução

Um compósito pode ser considerado como qualquer material

multifásico que exibe uma proporção significativa de propriedades

de ambas as fases constituintes, obtendo uma melhor combinação

de propriedades.

Introdução

Nesse contexto, um compósito é um material multifásico feito artificialmente, onde as fases constituintes devem ser quimicamente diferentes.

• Muitos materiais compósitos são constituídos por duas fases: uma é denominada matriz , a qual é contínua e envolve a outra fase, denominada de fase dispersa.
• As propriedades dos compósitos são função das propriedades das fases constituintes, das suas quantidades relativas e da geometria da fase dispersa.
• Geometria da fase dispersa – deve ser considerados a forma, o tamanho, a distribuição e a orientação das partículas.

Introdução

Figura 2. Esqui moderno de alto desempenho. Estrutura compósita relativamente complexa.

Introdução

Introdução

• A fase dispersa nos compósitos reforçados com partículas é equiaxial, ou seja, as dimensões das partículas são aproximadamente as mesmas em todas as direções.

Os compósitos reforçados com partículas são subdivido em:

a) Compósitos com partículas grandes;

b) Compósitos reforçados por dispersão.

Compósitos reforçados com partículas

• Para compósitos com partículas grandes - o termo grande é utilizado para indicar que as interações partículas-matriz não podem ser tratadas ao nível atômico ou molecular. Para a maioria desses compósitos, a fase particulada é mais dura e mais rígida que a fase matriz.
• Para os compósitos reforçados por dispersão - as partículas são em geral muito menores com diâmetros entre 0,01 μm e 0,1 μm (10 nm e 100 nm). As interações partícula-matriz que levam ao aumento da resistência ocorrem no nível atômico ou molecular.

Compósitos reforçados com partículas

• Para que o reforço seja efetivo, as partículas devem ser distribuídas de forma homogênea em toda a matriz.
• A fração volumétrica das duas fases influencia o comportamento. As propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor de partículas.
• Para um compósito bifásico , duas expressões matemáticas foram formuladas a fim de representar a dependência do módulo de elasticidade em relação a fração volumétrica das fases constituintes.

Compósitos com partículas grandes

Compósitos com partículas grandes

Módulo de elasticidade superior

Módulo de elasticidade inferior

Onde: E – módulo de elasticidade; V – fração volumétrica c, m e p – representam as fases compósitos, matriz e particulada.

As equações estimam que o módulo de elasticidade deve ficar entre um limite superior e inferior.

Negro de fumo - material produzido pela combustão incompleta de produtos petrolíferos pesados, como alcatrão, alcatrão de carvão, alcatrão de craqueamento de etileno ou matéria vegetal.

Compósitos com partículas grandes

• Os pneus de automóveis contêm cerca de 15 % v a 30 % v de negro de fumo.
• Para que haja um reforço significativo, o tamanho das partículas de negro de fumo deve ser da ordem de diâmetros entre 20 nm e 50 nm.
• Além disso, as partículas devem estar distribuídas de forma homogênea por toda a borracha.

Compósitos com partículas grandes

• Exemplo: Concreto de cimento portland - compósito comum com partículas grandes, em que as fases matriz e dispersa são materiais cerâmicos.

Componentes: a) Cimento portland; b) Agregado fino (areia); c) Agregado graúdo (brita) d) Água

• As partículas dos agregados atuam como carga.

Compósitos com partículas grandes

• Um empacotamento denso do agregado e um bom contato interfacial são obtidos empregando-se partículas com dois tamanhos diferentes. As partículas finas de areia devem preencher os espaços vazios entre as partículas de brita. A distribuição de tamanho dos agregados influencia na qualidade do material.
• Uma interação completa entre o cimento e as partículas do agregado depende também da adição da quantidade correta de água. Pouca água resulta numa ligação incompleta, resultando em uma resistência final inferior.

Compósitos com partículas grandes