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Um bom material sobre compositos. Vale a pena
Tipologia: Notas de estudo
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Compartilhado em 18/05/2007
4.4
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PrProoff.. JJoosséé CCaarrllooss PPeerreeiirraa
FlFloorriiaannóóppoolliiss,, aaggoossttoo ddee 2 2000033
Curso de projeto estrutural com materiais compostos 1
1 1..11–– DDeeffiinniiççããoo
Um material composto é formado pela união de dois materiais de naturezas diferentes, resultando em um material de performance superior àquela de seus componentes tomados separadamente. O material resultante é um arranjo de fibras, contínuas ou não, de um material resistente (reforço) que são impregnados em uma matriz de resistência mecânica inferior as fibras.
1 1..22–– CCoommppoonneenntteess ccoonnssttiittuuiinntteess ddee uumm mmaatteerriiaall ccoommppoossttoo
1 1..22..11 –– FFiibbrraass
A(s) fibra(s) é o elemento constituinte que confere ao material composto suas características mecânicas: rigidez, resistência à ruptura, etc. As fibras podem ser curtas de alguns centímetros que são injetadas no momento da moldagem da peça, ou longas e que são cortadas após a fabricação da peça. Os tipos mais comuns de fibras são: de vidro, de aramida (kevlar), carbono, boro, etc. As fibras podem ser definidas como sendo unidirecionais, quando orientadas segundo uma mesma direção; bidimensionais, com as fibras orientadas segundo duas direções ortogonais (tecidos), Figura 1.1 e Figura 1.2, ou com as fibras orientadas aleatoriamente (esteiras), Figura 1.3; e tridimensionais, quando as fibras são orientadas no espaço tridimensional (tecidos multidimensionais).
1 1..22..22 –– MMaattrriizzeess
As matrizes têm como função principal, transferir as solicitações mecânicas as fibras e protegê-las do ambiente externo. As matrizes podem ser resinosas (poliéster, epóxi, etc), minerais (carbono) e metálicas (ligas de alumínio).
Curso de projeto estrutural com materiais compostos 3
A escolha entre um tipo de fibra e uma matriz depende fundamentalmente da aplicação ao qual será dado o material composto: características mecânicas elevadas, resistência a alta temperatura, resistência a corrosão, etc. O custo em muitos casos pode também ser um fator de escolha entre um ou outro componente. Deve ser observada também a compatibilidade entre as fibras e as matrizes.
1 1..33 –– IInntteerreessssee ddooss mmaatteerriiaaiiss ccoommppoossttooss
O interesse dos materiais compostos está ligado a dois fatores: econômico e performance. O fator econômico vem do fato do material composto ser muito mais leve que os materiais metálicos, o que implica numa economia de combustível e conseqüentemente, num aumento de carga útil (aeronáutica e aeroespacial). A redução na massa total do produto pode chegar a 30 % ou mais, em função da aplicação dada ao material composto. O custo de fabricação de algumas peças em material composto pode ser também sensivelmente menor se comparado com os materiais metálicos. O fator performance está ligado a procura por um melhor desempenho de componentes estruturais, sobretudo no que diz respeito às características mecânicas (resistência a ruptura, resistência à ambientes agressivos, etc.). O caráter anisotrópico dos materiais compostos é o fator primordial para a obtenção das propriedades mecânicas requeridas pelo componente. A leveza juntamente com as excelentes características mecânicas faz com que os materiais compostos sejam cada vez mais utilizados dentro de atividades esportivas.
1 1..44 –– AApplliiccaaççõõeess ddooss mmaatteerriiaaiiss ccoommppoossttooss
A aplicação dos materiais compostos surgiu inicialmente na área aeronáutica devido a necessidade de diminuição de peso, preservando a robustez dos componentes estruturais. Atualmente uma grande variedade de peças em materiais compostos podem ser encontradas nos aviões em substituição aos materiais metálicos: fuselagem, spoilers, portas de trem de aterrissagem, portas internas, etc., Figura 1.4. Em muitos destes componentes, sua concepção foge da definição dada
(^4) Aspectos gerais dos materiais compostos
inicialmente para materiais compostos, pois nestes casos os componentes são fabricados normalmente em placas de baixa densidade, contra-placadas por placas finas de alta resistência. Esta configuração normalmente é dita sanduíche. De uma forma mais ampla, estas configurações são também consideradas “materiais compostos”, pois combinam diferentes materiais.
Figura 1.4 – Componentes em material composto em aviões-caça
Dentro da área aeronáutica, os helicópteros possuem também vários componentes em material composto: pás da hélice principal, hélice traseira, árvore de transmissão, fuselagem, etc, Figura 1.5.
Figura 1.5 – Componentes em material composto em helicópteros
(^6) Aspectos gerais dos materiais compostos
Figura 1.7 – Barcos a vela (^) Figura 1.8 – Ski
Uma aplicação bem recente dos materiais compostos na área aeroespacial são os painéis solares de satélites, confeccionados em uma configuração sanduíche, Figura 1.9, e os motores de último estágio dos lançadores de satélites, confeccionados a partir do bobinamento das fibras sobre um mandril, Figura 1.10.
Figura 1.9 – Painéis solares de satélite
Curso de projeto estrutural com materiais compostos 7
Figura 1.10 – Propulsor de último estágio de lançador de satélite
1 1..55 –– PPrroopprriieeddaaddeess ffííssiiccaass pprriinncciippaaiiss
Metais Massa
volumétrica
3
elasticidadeMódulo decisalhamentoMódulo de Coeficiente de poisson
à tração (MPa)Tensão de rupturaAlongamento à ruptura (%) Coeficiente de
dilatação térmica
1
Temperatura
limite de utilização
ρ E^ G^ ν σ ε α T^ max aços 7800 205000 79000 0,3 400 a 1600
1,8 a 10
ligas de alumínio
ligas de titânio
Cobre 8800 125000 48000 0,3 200 a 500
Curso de projeto estrutural com materiais compostos 9
Poli carbonato
Termoplásticas Poli propileno
900 1200 30 20 a 400
9.10-5^ 70 a 140
Poliamida 1100 4000 70 200 8.10 -5^170
1 1..66 –– CCaarraacctteerrííssttiiccaass ddaa mmiissttuurraa rreeffoorrççoo--mmaattrriizz
As propriedades da lâmina (reforço+matriz) são obtidas em função das percentagens de cada componente na mistura. a) Percentagem em massa do reforço.
massatotal M massadereforço f =
b) Percentagem em massa da matriz.
massatotal M massadamatriz m =^ ou M^ m^ = 1 - M^ f
c) Percentagem em volume do reforço.
volumetotal V volumedereforço f =
d) Percentagem em volume da matriz.
volumetotal V volumedamatriz m =^ ou Vm^ = 1 - V^ f
e) Massa volumétrica da lâmina.
volumetotal ρ = massatotal
ou:
volumetotal
massadamatriz volumetotal ρ=massa^ doreforço+
f (^) volumetotal m volumedamatriz volumetotal ρ=volume^ doreforçoρ + ρ
(^10) Aspectos gerais dos materiais compostos
ρ = ρf. Vf + ρm. Vm
onde ρf e ρm são as massas volumétricas do reforço e da matriz, respectivamente. f) Módulo de elasticidade longitudinal El ou E 1 (propriedades estimadas). E 1 = Ef. V (^) f + E (^) m. Vm ou: E 1 = Ef. V (^) f + E (^) m. (1 – Vf) g) Módulo de elasticidade transversal Et ou E 2.
2 m (^) m f (^) ft f
onde Eft representa o módulo de elasticidade do reforço na direção transversal. h) Módulo de cisalhamento Glt ou G 12.
12 m (^) m f (^) ft f
onde Gft representa o módulo de cisalhamento do reforço. i) Coeficiente de poisson νlt ou ν 12. ν 12 = νf. Vf + νm. V (^) m j) Resistência a ruptura da lâmina.
f
σ = σ ^ + −
ou: σ1ruptura = σf ruptura .Vf
k) Propriedades mecânicas de algumas misturas mais comumente utilizadas.
As propriedades na tabela abaixo correspondem a uma mistura de fibras unidirecionais+resina epóxi com 60 % do volume em fibras.
(^12) Aspectos gerais dos materiais compostos
1 1..77..11 –– MMoollddaaggeemm sseemm pprreessssããoo
O molde é primeiramente revestido de um desmoldante e posteriormente de uma resina colorida. A seguir as fibras são depositadas sobre o molde e em seguida impregnadas com resina e compactadas com um rolo. O processo se segue para as lâminas sucessivas, Figura 1.11. A polimerização (solidificação) ou cura da resina pode ser feita com ou sem o molde, isto em função da geometria da peça. A cura da resina pode ser feita em temperatura ambiente ou ser acelerada se colocada em uma estufa a uma temperatura entre 80° C e 120° C. Após a cura da resina e a desmoldagem, a peça é finalizada: retirada de rebarbas, pintura, etc.
Fibras Resina
Impregnação (mistura)
Colocação da mistura sobre o molde/mandril
Polimerização (estufa)
Desmoldagem
Acabamento
Curso de projeto estrutural com materiais compostos 13
Figura 1.11 – Moldagem sem pressão
1 1..77..22 –– MMoollddaaggeemm ppoorr pprroojjeeççããoo ssiimmuullttâânneeaa
Este processo consiste em projetar simultaneamente fibras cortadas impregnadas em resina sobre o molde. A lâmina de fibras impregnadas é em seguida compactada por um rolo e novas lâminas podem ser sucessivamente depositadas, Figura 1.12. Um contra-molde pode eventualmente ser utilizado para a obtenção de faces lisas e para proporcionar uma melhor compactação entre as lâminas. A vantagem deste processo com relação ao anterior é permitir uma produção em série das peças, no entanto, as características mecânicas das peças são médias devido ao fato das fibras serem cortadas.
Figura 1.12 – Moldagem por projeção simultânea
molde rolo
fibras
resina
resina
fibra
fibra cortada e resina
pistola
Curso de projeto estrutural com materiais compostos 15
Figura 1.14 – Moldagem por compressão a frio
Figura 1.15 – Moldagem por injeção
1 1..77..66 –– MMoollddaaggeemm eemm ccoonnttíínnuuoo
Este processo permite produzir placas e painéis de grande comprimento. As fibras (unidirecionais, tecidos ou esteira) juntamente com a resina são depositadas entre dois filmes desmoldantes. A forma da placa e a cura da resina são dadas dentro da estufa, Figura 1.16 e Figura 1.17.
molde resina
contra-molde
molde aquecido
Contra-molde aquecido
Fibra pré-impregnada aquecida
(^16) Aspectos gerais dos materiais compostos
Figura 1.16 – Moldagem de placas contínuas
Figura 1.17 – Moldagem de placas onduladas contínuas
1 1..77..77 –– MMoollddaaggeemm ppoorr cceennttrriiffuuggaaççããoo
Este processo é utilizado na produção de peças de revolução. Dentro do molde em movimento de rotação é injetado as fibras cortadas juntamente com a resina. A impregnação da resina nas fibras e a compactação é feita pelo efeito de centrifugação. A cura da resina pode ser feita a temperatura ambiente ou em uma estufa. Este processo é utilizado em casos onde não se exige homogeneidade das propriedades mecânicas da peça.
estufa faca
rolos
fibras resina
filme desmoldante
filme desmoldante
resina
faca
fibras cortadas
filme desmoldante
filme desmoldante
rolos
estufa
