Material composto - Composite material

Uma fibra de carbono preta (usada como um componente de reforço) em comparação com um cabelo humano
Os compostos são formados pela combinação de materiais para formar uma estrutura geral com propriedades que diferem das dos componentes individuais

Um material composto (também chamado de material de composição ou abreviado para composto , que é o nome comum) é um material produzido a partir de dois ou mais materiais constituintes. Esses materiais constituintes têm propriedades químicas ou físicas notavelmente diferentes e são mesclados para criar um material com propriedades diferentes dos elementos individuais. Dentro da estrutura acabada, os elementos individuais permanecem separados e distintos, distinguindo os compostos de misturas e soluções sólidas .

Os materiais compostos de engenharia típicos incluem:

Existem várias razões pelas quais o novo material pode ser favorecido. Exemplos típicos incluem materiais que são menos caros, mais leves, mais fortes ou mais duráveis ​​quando comparados com os materiais comuns.

Mais recentemente, os pesquisadores também começaram a incluir ativamente detecção, atuação, computação e comunicação em compósitos, que são conhecidos como materiais robóticos .

Os materiais compostos são geralmente usados ​​para edifícios , pontes e estruturas como cascos de barcos , painéis de piscinas , carrocerias de carros de corrida , chuveiros , banheiras , tanques de armazenamento , granito de imitação e pias e bancadas de mármore cultivado . Eles também estão sendo cada vez mais usados ​​em aplicações automotivas em geral.

Os exemplos mais avançados funcionam rotineiramente em espaçonaves e aeronaves em ambientes exigentes.

História

Os primeiros materiais compostos foram feitos de palha e lama combinados para formar tijolos para a construção civil . A fabricação de tijolos antigos foi documentada por pinturas de tumbas egípcias .

Wattle and daub é um dos materiais compósitos mais antigos, com mais de 6.000 anos. O concreto também é um material composto e mais usado do que qualquer outro material sintético no mundo. Em 2006, cerca de 7,5 bilhões de metros cúbicos de concreto eram produzidos a cada ano - mais de um metro cúbico para cada pessoa na Terra.

  • As plantas lenhosas , tanto a verdadeira madeira de árvores quanto plantas como palmeiras e bambu , produzem compostos naturais que foram usados ​​pré-historicamente pela humanidade e ainda são amplamente usados ​​na construção e nos andaimes.
  • Contraplacado , 3400 aC, pelos antigos mesopotâmicos; colar madeira em ângulos diferentes oferece melhores propriedades do que a madeira natural.
  • Cartonagem , camadas de linho ou papiro embebidas em gesso datam do Primeiro Período Intermediário do Egito c. 2181–2055 aC e foi usado para máscaras mortais .
  • Cob tijolos de barro, ou paredes de lama, (usando lama (argila) com palha ou cascalho como um ligante) têm sido utilizados há milhares de anos.
  • O concreto foi descrito por Vitrúvio , escrevendo por volta de 25 aC em seus Dez livros sobre arquitetura , tipos distintos de agregados apropriados para a preparação de argamassas de cal . Para argamassas estruturais , ele recomendou pozolana , que eram areias vulcânicas dos leitos semelhantes a areia de Pozzuoli de cor amarelo-amarronzada-cinza perto de Nápoles e marrom-avermelhada em Roma . Vitruvius especifica uma proporção de 1 parte de cal para 3 partes de pozolana para cimentos usados ​​em edifícios e uma proporção de 1: 2 de cal para pulvis Puteolanus para trabalho subaquático, essencialmente a mesma proporção misturada hoje para concreto usado no mar. Cimento-pedras naturais , após a queima, produziram cimentos usados ​​em concretos desde a época pós-romana até o século 20, com algumas propriedades superiores ao cimento Portland manufaturado .
  • O papel maché , um composto de papel e cola, é usado há centenas de anos.
  • O primeiro plástico reforçado com fibra artificial foi uma combinação de fibra de vidro e baquelite , realizada em 1935 por Al Simison e Arthur D Little na Owens Corning Company
  • Um dos compostos mais comuns e familiares é a fibra de vidro , na qual pequenas fibras de vidro são incorporadas a um material polimérico (normalmente um epóxi ou poliéster). A fibra de vidro é relativamente forte e rígida (mas também quebradiça), enquanto o polímero é dúctil (mas também fraco e flexível). Assim, a fibra de vidro resultante é relativamente rígida, forte, flexível e dúctil.

Exemplos

Materiais compostos

O concreto é uma mistura de cimento e agregado, resultando em um material robusto e forte, amplamente utilizado.
A madeira compensada é amplamente utilizada na construção
Painel de estrutura em sanduíche composto usado para testes na NASA

O concreto é o material compósito artificial mais comum de todos e normalmente consiste em pedras soltas (agregados) presas com uma matriz de cimento . O concreto é um material barato e não se comprime nem se estilhaça, mesmo sob uma força de compressão muito grande. No entanto, o concreto não pode sobreviver ao carregamento de tração (ou seja, se esticado, ele se quebrará rapidamente). Portanto, para dar ao concreto a capacidade de resistir ao alongamento, barras de aço, que podem resistir a altas forças de alongamento (tração), são frequentemente adicionadas ao concreto para formar o concreto armado .

Os polímeros reforçados com fibra incluem polímero reforçado com fibra de carbono e plástico reforçado com vidro . Se classificadas por matriz, então há compósitos termoplásticos , termoplásticos de fibras curtas , materiais termoplásticos de fibras longas ou termoplásticos reforçados com fibras longas. Existem vários compostos termofixos , incluindo painéis compostos de papel . Muitos sistemas avançados de matriz de polímero termofixo geralmente incorporam fibra de aramida e fibra de carbono em uma matriz de resina epóxi .

Os compósitos de polímero com memória de forma são compostos de alto desempenho, formulados com reforço de fibra ou tecido e resina de polímero com memória de forma como matriz. Uma vez que uma resina de polímero com memória de forma é usada como a matriz, esses compósitos têm a capacidade de ser facilmente manipulados em várias configurações quando são aquecidos acima de suas temperaturas de ativação e exibirão alta resistência e rigidez em temperaturas mais baixas. Eles também podem ser reaquecidos e remodelados repetidamente sem perder suas propriedades materiais. Esses compostos são ideais para aplicações como estruturas leves, rígidas e implantáveis; fabricação rápida; e reforço dinâmico.

Compósitos de alta deformação são outro tipo de compósitos de alto desempenho que são projetados para funcionar em um ambiente de alta deformação e são frequentemente usados ​​em sistemas implantáveis ​​onde a flexão estrutural é vantajosa. Embora os compósitos de alta tensão exibam muitas semelhanças com os polímeros com memória de forma, seu desempenho geralmente depende do layout da fibra em oposição ao conteúdo de resina da matriz.

Os compósitos também podem usar fibras metálicas para reforço de outros metais, como nos compósitos com matriz metálica (MMC) ou compósitos com matriz cerâmica (CMC), que inclui osso ( hidroxiapatita reforçada com fibras de colágeno ), cermet (cerâmica e metal) e concreto . Compósitos de matriz cerâmica são construídos principalmente para resistência à fratura , não para resistência. Outra classe de materiais compósitos envolve o compósito de tecido tecido que consiste em fios entrelaçados longitudinais e transversais. Os compostos de tecido são flexíveis, pois são na forma de tecido.

Os compósitos de matriz orgânica / agregado de cerâmica incluem concreto asfáltico , concreto polimérico , mastique asfalto , híbrido de rolo de mástique , composto dentário , espuma sintática e madrepérola . A armadura Chobham é um tipo especial de armadura composta usada em aplicações militares.

Além disso, os materiais compósitos termoplásticos podem ser formulados com pós de metal específicos, resultando em materiais com uma faixa de densidade de 2 g / cm 3 a 11 g / cm 3 (mesma densidade do chumbo). O nome mais comum para esse tipo de material é "composto de alta gravidade" (HGC), embora "substituição de chumbo" também seja usado. Esses materiais podem ser usados ​​no lugar de materiais tradicionais, como alumínio, aço inoxidável, latão, bronze, cobre, chumbo e até mesmo tungstênio na ponderação, balanceamento (por exemplo, modificar o centro de gravidade de uma raquete de tênis ), amortecimento de vibração, e aplicações de proteção contra radiação. Compósitos de alta densidade são uma opção economicamente viável quando certos materiais são considerados perigosos e são proibidos (como o chumbo) ou quando os custos de operações secundárias (como usinagem, acabamento ou revestimento) são um fator.

Têm havido vários estudos indicando que intercalar laminados de polímero reforçado com fibra de carbono à base de epóxi rígido e quebradiço com laminados termoplásticos flexíveis pode ajudar a fazer compósitos altamente tenazes que apresentam maior resistência ao impacto. Outro aspecto interessante de tais compósitos intercalados é que eles são capazes de ter comportamento com memória de forma sem a necessidade de quaisquer polímeros com memória de forma ou ligas com memória de forma, por exemplo, camadas de balsa intercaladas com cola quente, camadas de alumínio intercaladas com polímeros acrílicos ou PVC e laminados de polímero reforçado com fibra de carbono intercalados com poliestireno .

Um composto estruturado em sanduíche é uma classe especial de material composto que é fabricado ligando-se duas camadas finas, mas rígidas, a um núcleo leve, mas espesso. O material do núcleo é normalmente um material de baixa resistência, mas sua espessura mais alta fornece ao compósito sanduíche alta rigidez à flexão com baixa densidade geral .

A madeira é um composto de ocorrência natural que compreende fibras de celulose em uma matriz de lignina e hemicelulose . Material derivado de madeira inclui uma grande variedade de produtos diferentes, tais como placa de fibra de madeira, contraplacado , painéis de partículas orientadas , madeira compósita de plástico (reciclado fibra de madeira na matriz de polietileno), Pykrete (serragem na matriz de gelo), plástico-impregnado ou de papel laminado ou têxteis, Arborita , Formica (plástico) e Micarta . Outros compostos laminados de engenharia, como Mallite , usam um núcleo central de madeira balsa de grão final , ligado a revestimentos de superfície de liga leve ou GRP. Isso gera materiais de baixo peso e alta rigidez.

Compósitos particulados têm partículas como material de enchimento disperso na matriz, que pode ser não metálico, como vidro, epóxi. Pneu de automóvel é um exemplo de composto particulado.

Compósitos de polímero revestidos de carbono tipo diamante (DLC) avançados foram relatados em que o revestimento aumenta a hidrofobicidade da superfície, dureza e resistência ao desgaste.

Compósitos ferromagnéticos, incluindo aqueles com uma matriz de polímero consistindo, por exemplo, em enchimento nanocristalino de pós à base de Fe e matriz de polímeros. Podem ser usados ​​pós amorfos e nanocristalinos obtidos, por exemplo, de vidros metálicos. Seu uso possibilita a obtenção de nanocompósitos ferromagnéticos com propriedades magnéticas controladas.

Produtos

Materiais compósitos reforçados com fibra ganharam popularidade (apesar de seu custo geralmente alto) em produtos de alto desempenho que precisam ser leves, mas fortes o suficiente para suportar condições de carga severas, como componentes aeroespaciais ( caudas , asas , fuselagens , hélices ), barco e cascos esculpidos , quadros de bicicletas e carrocerias de carros de corrida . Outros usos incluem varas de pesca , tanques de armazenamento , painéis de piscina e tacos de beisebol . As estruturas do Boeing 787 e do Airbus A350 , incluindo as asas e a fuselagem, são compostas em grande parte por materiais compostos. Os materiais compostos também estão se tornando mais comuns no campo da cirurgia ortopédica e é o material mais comum para tacos de hóquei.

O composto de carbono é um material fundamental nos veículos de lançamento e nos escudos térmicos atuais para a fase de reentrada das espaçonaves . É amplamente utilizado em substratos de painéis solares, refletores de antenas e culatras de naves espaciais. Ele também é usado em adaptadores de carga útil, estruturas entre estágios e proteções térmicas de veículos lançadores . Além disso, os sistemas de freio a disco de aviões e carros de corrida estão usando material carbono / carbono , e o material composto com fibras de carbono e matriz de carboneto de silício foi introduzido em veículos de luxo e carros esportivos .

Em 2006, um painel de piscina composto reforçado com fibra foi introduzido para piscinas embutidas, residenciais e comerciais, como uma alternativa não corrosiva ao aço galvanizado.

Em 2007, um Humvee militar totalmente composto foi apresentado pela TPI Composites Inc e Armor Holdings Inc, o primeiro veículo militar totalmente composto . Com o uso de compósitos, o veículo fica mais leve, permitindo cargas úteis maiores. Em 2008, a fibra de carbono e o DuPont Kevlar (cinco vezes mais forte que o aço) foram combinados com resinas termofixas aprimoradas para fazer caixas de trânsito militar pela ECS Composites, criando caixas 30% mais leves com alta resistência.

Tubos e acessórios para diversos fins, como transporte de água potável, combate a incêndio, irrigação, água do mar, água dessalinizada, resíduos químicos e industriais e esgoto, são agora fabricados em plásticos reforçados com vidro.

Os materiais compostos usados ​​em estruturas de tração para aplicação em fachadas oferecem a vantagem de serem translúcidos. O pano de base trançado combinado com o revestimento apropriado permite uma melhor transmissão de luz. Isso fornece um nível de iluminação muito confortável em comparação com o brilho total do exterior.

As asas das turbinas eólicas, em tamanhos crescentes da ordem de 50 m de comprimento, são fabricadas em compósitos há vários anos.

Amputados de duas pernas correm com pés artificiais semelhantes a molas de composto de carbono tão rápidos quanto atletas não amputados.

Os cilindros de gás de alta pressão, normalmente com cerca de 7–9 litros de volume x 300 bar de pressão para bombeiros, são hoje em dia construídos com composto de carbono. Os cilindros do tipo 4 incluem metal apenas como bossa que transporta a rosca para aparafusar na válvula.

Em 5 de setembro de 2019, a HMD Global revelou o Nokia 6.2 e o Nokia 7.2, que alegam estar usando composto de polímero para os quadros.

Visão geral

Parte composta de fibra de carbono.

Os materiais compostos são criados a partir de materiais individuais. Esses materiais individuais são conhecidos como materiais constituintes e existem duas categorias principais deles. Um é a matriz ( ligante ) e o outro reforço . Uma porção de cada tipo é necessária, pelo menos. O reforço recebe apoio da matriz à medida que a matriz envolve o reforço e mantém suas posições relativas. As propriedades da matriz são aprimoradas à medida que os reforços transmitem suas propriedades físicas e mecânicas excepcionais. As propriedades mecânicas tornam-se indisponíveis a partir dos materiais constituintes individuais por sinergismo. Ao mesmo tempo, o projetista do produto ou estrutura recebe opções para escolher uma combinação ideal entre a variedade de materiais de matriz e reforço.

Para moldar os compostos projetados, ele deve ser formado. O reforço é colocado na superfície do molde ou na cavidade do molde . Antes ou depois disso, a matriz pode ser introduzida na armadura. A matriz passa por um evento de fusão que define necessariamente a forma da peça. Este evento de fusão pode acontecer de várias maneiras, dependendo da natureza da matriz, como solidificação do estado fundido para um compósito com matriz de polímero termoplástico ou polimerização química para uma matriz de polímero termofixo .

De acordo com os requisitos do projeto do item final, vários métodos de moldagem podem ser usados. As naturezas da matriz escolhida e do reforço são os fatores-chave que influenciam a metodologia. A quantidade bruta de material a ser feito é outro fator principal. Para apoiar altos investimentos de capital em tecnologia de manufatura rápida e automatizada, grandes quantidades podem ser usadas. Investimentos de capital mais baratos, mas despesas mais altas com mão-de-obra e ferramentas a uma taxa correspondentemente mais lenta, auxiliam as pequenas quantidades de produção.

Muitos compósitos produzidos comercialmente usam um material de matriz de polímero freqüentemente chamado de solução de resina. Existem muitos polímeros diferentes disponíveis, dependendo dos ingredientes crus de partida. Existem várias categorias amplas, cada uma com inúmeras variações. Os mais comuns são conhecidos como poliéster , vinil éster , epóxi , fenólico , poliimida , poliamida , polipropileno , PEEK e outros. Os materiais de reforço são geralmente fibras, mas também minerais comumente moídos. Os vários métodos descritos abaixo foram desenvolvidos para reduzir o teor de resina do produto final, ou o teor de fibra é aumentado. Como regra geral, o lay up resulta em um produto contendo 60% de resina e 40% de fibra, enquanto a infusão a vácuo dá um produto final com 40% de resina e 60% de fibra. A força do produto depende muito dessa proporção.

Martin Hubbe e Lucian A Lucia consideram a madeira um composto natural de fibras de celulose em uma matriz de lignina .

Núcleos em compostos

Vários projetos de layup de compósito também envolvem uma co-cura ou pós-cura do pré-impregnado com muitos outros meios, como espuma ou favo de mel. Geralmente, isso é conhecido como uma estrutura em sanduíche . Esta é uma disposição mais geral para a produção de capotas, portas, radomes ou peças não estruturais.

Espumas estruturadas de células abertas e fechadas, como polivinilcloreto , poliuretano , polietileno ou espumas de poliestireno , madeira balsa , espumas sintáticas e favos de mel são geralmente materiais de núcleo utilizados. A espuma de metal de células abertas e fechadas também pode ser utilizada como materiais de núcleo. Recentemente, estruturas de grafeno 3D (também chamadas de espuma de grafeno) também têm sido empregadas como estruturas de núcleo. Uma revisão recente de Khurram e Xu et al., Forneceu o resumo das técnicas de ponta para a fabricação da estrutura 3D do grafeno e os exemplos do uso dessas estruturas semelhantes a espuma como um núcleo para seus respectivos compósitos poliméricos.

Polímeros Semicristalinos

Embora as duas fases sejam quimicamente equivalentes, os polímeros semicristalinos podem ser descritos quantitativa e qualitativamente como materiais compostos. A porção cristalina tem um módulo de elasticidade mais alto e fornece reforço para a fase amorfa menos rígida. Os materiais poliméricos podem variar de 0% a 100% de cristalinidade ou fração de volume, dependendo da estrutura molecular e histórico térmico. Diferentes técnicas de processamento podem ser empregadas para variar a porcentagem de cristalinidade nesses materiais e, portanto, as propriedades mecânicas desses materiais, conforme descrito na seção de propriedades físicas. Esse efeito é visto em uma variedade de locais, desde plásticos industriais, como sacolas de polietileno, até aranhas, que podem produzir sedas com diferentes propriedades mecânicas. Em muitos casos, esses materiais agem como compostos de partículas com cristais dispersos aleatoriamente, conhecidos como esferulitos. No entanto, eles também podem ser projetados para serem anisotrópicos e agirem mais como compósitos reforçados com fibra. No caso da seda de aranha, as propriedades do material podem até depender do tamanho dos cristais, independente da fração de volume. Ironicamente, os materiais poliméricos de componente único são alguns dos materiais compostos conhecidos mais facilmente ajustáveis.

Métodos de fabricação

Normalmente, a fabricação do compósito inclui umedecer, misturar ou saturar o reforço com a matriz. A matriz é então induzida a se ligar (com calor ou uma reação química) em uma estrutura rígida. Normalmente, a operação é feita em molde de conformação aberto ou fechado. No entanto, a ordem e as formas de introdução dos constituintes se alteram consideravelmente. A fabricação de compósitos é obtida por uma ampla variedade de métodos, incluindo colocação avançada de fibra ( colocação automatizada de fibra), processo de pulverização de fibra de vidro , enrolamento de filamento , processo de lanóxido , colocação de fibra sob medida , tufagem e z-pinning .

Visão geral do molde

Os materiais de reforço e de matriz são fundidos, compactados e curados (processados) dentro de um molde para passar por um evento de fusão. A forma da peça é fundamentalmente definida após o evento de fusão. No entanto, sob condições de processo particulares, ele pode deformar. O evento de fusão Para um material de matriz de polímero termofixo é uma reação de cura causada pela possibilidade de calor extra ou reatividade química, como um peróxido orgânico. O evento de fusão para um material de matriz polimérica termoplástica é uma solidificação do estado fundido. O evento de fusão para um material de matriz de metal, como a folha de titânio, é uma fusão a alta pressão e uma temperatura próxima ao ponto de fusão.

É adequado para muitos métodos de moldagem referir-se a uma peça do molde como molde "inferior" e outra peça do molde como molde "superior". Inferior e superior não se referem à configuração do molde no espaço, mas às diferentes faces do painel moldado. Sempre há um molde inferior e, às vezes, um molde superior nesta convenção. A construção da peça começa com a aplicação de materiais no molde inferior. Molde inferior e molde superior são descritores mais generalizados do que termos mais comuns e específicos, como lado masculino, lado feminino, lado a, lado b, lado da ferramenta, tigela, chapéu, mandril, etc. A fabricação contínua utiliza uma nomenclatura diferente.

Normalmente, o produto moldado é denominado painel. Pode ser referido como fundição para certas geometrias e combinações de materiais. Pode ser referido como um perfil para certos processos contínuos. Alguns dos processos são moldagem por autoclave , vácuo de moldagem por saco , moldagem por saco de pressão , moldagem por transferência de resina e moldagem por transferência de resina de luz .

Outros métodos de fabricação

Outros tipos de fabricação incluem fundição , fundição centrífuga, trança (em um formador ), fundição contínua , enrolamento de filamento , moldagem por prensa, moldagem por transferência , moldagem por pultrusão e formação de deslizamento . Há também recursos de formação, incluindo enrolamento de filamento CNC , infusão a vácuo, lay-up úmido, moldagem por compressão e moldagem termoplástica , para citar alguns. A prática de fornos de cura e cabines de pintura também é necessária para alguns projetos.

Métodos de acabamento

O acabamento das peças compostas também é fundamental no projeto final. Muitos desses acabamentos envolverão revestimentos de erosão por chuva ou revestimentos de poliuretano.

Ferramental

O molde e as inserções do molde são referidos como "ferramentas". O molde / ferramental pode ser construído com diferentes materiais. Os materiais de ferramentas incluem alumínio , fibra de carbono , invar , níquel , borracha de silicone reforçada e aço. A seleção do material de ferramenta é normalmente baseada, mas não limitada a, coeficiente de expansão térmica , número esperado de ciclos, tolerância do item final, condição de superfície desejada ou esperada, método de cura, temperatura de transição vítrea do material sendo moldado, método de moldagem, matriz, custo e outras várias considerações.

Propriedades físicas

Representação gráfica da resistência geral de um material compósito em função da fração de volume da fibra limitada pelas condições de limite superior (isostrain) e limite inferior (isostress).

Normalmente, as propriedades físicas do composto não são isotrópicas (independentes da direção da força aplicada) na natureza. Mas eles são tipicamente anisotrópicos (diferentes dependendo da direção da força ou carga aplicada). Por exemplo, a rigidez do painel composto geralmente dependerá da orientação das forças e / ou momentos aplicados. A resistência do composto é limitada por duas condições de carregamento, conforme mostrado no gráfico à direita.

Regra de isostrain de misturas

Se as fibras e a matriz estiverem alinhadas paralelamente à direção de carregamento, a deformação de ambas as fases será a mesma (assumindo que não haja delaminação na interface fibra-matriz). Esta condição de isotensão fornece o limite superior para a resistência do composto e é determinada pela regra de misturas :

A Figura a) mostra a condição de isotensão onde os materiais compósitos são perpendiculares à força aplicada eb) é a condição de isotensão que tem as camadas paralelas à força.

onde E C é o módulo de Young composto efetivo , e V i e E i são a fração de volume e os módulos de Young, respectivamente, das fases compostas.

Por exemplo, um material composto feito de fases α e β, conforme mostrado na figura à direita sob isostrain, o módulo de Young seria o seguinte:

onde V α e V β são as respectivas frações de volume de cada fase. Isso pode ser derivado considerando que, no caso de isostrain,
Supondo que o composto tenha uma seção transversal uniforme, a tensão no composto é uma média ponderada entre as duas fases,
As tensões nas fases individuais são dadas pela Lei de Hooke,
A combinação dessas equações dá que a tensão geral no composto é
Então, pode ser mostrado que

Regra de isostress de misturas

O limite inferior é ditado pela condição de isostress, em que as fibras e a matriz são orientadas perpendicularmente à direção de carregamento:

e agora as cepas se tornam uma média ponderada
Reescrevendo a Lei de Hooke para as fases individuais
Isto leva a
Da definição da Lei de Hooke
e em geral

Seguindo o exemplo acima, se alguém tivesse um material composto constituído pelas fases α e β sob condições de isostress, conforme mostrado na figura à direita, o módulo de Young da composição seria:

A condição de isostrain implica que sob uma carga aplicada, ambas as fases experimentam a mesma deformação, mas sentirão tensões diferentes. Comparativamente, sob condições de isostress, ambas as fases sentirão o mesmo estresse, mas as tensões serão diferentes entre cada fase. Uma equação generalizada para qualquer condição de carregamento entre isostrain e isostress pode ser escrita como:

onde X é uma propriedade do material, como módulo ou tensão, c, m e r representam as propriedades dos materiais compósitos, matriz e reforço, respectivamente, e n é um valor entre 1 e -1.

A equação acima pode ser generalizada além de um composto de duas fases para um sistema de componente m:

Embora a rigidez do composto seja maximizada quando as fibras estão alinhadas com a direção de carregamento, também o é a possibilidade de fratura por tração da fibra, assumindo que a resistência à tração excede a da matriz. Quando uma fibra tem algum ângulo de desorientação θ, vários modos de fratura são possíveis. Para pequenos valores de θ, a tensão necessária para iniciar a fratura é aumentada por um fator de (cos θ) −2 devido ao aumento da área da seção transversal ( A cos θ) da fibra e força reduzida ( F / cos θ) experimentada por a fibra, levando a uma resistência à tração do compósito de σ paralelo / cos 2 θ, onde σ paralelo é a resistência à tração do compósito com fibras alinhadas paralelamente à força aplicada.

Ângulos intermediários de desorientação θ levam à falha de cisalhamento da matriz. Mais uma vez, a área da seção transversal é modificada, mas como a tensão de cisalhamento é agora a força motriz para a falha, a área da matriz paralela às fibras é de interesse, aumentando por um fator de 1 / sen θ. Da mesma forma, a força paralela a esta área diminui novamente ( F / cos θ) levando a uma resistência à tração total de τ my / sin θ cos θ onde τ my é a resistência ao cisalhamento da matriz.

Finalmente, para grandes valores de θ (próximo a π / 2), a falha da matriz transversal é a mais provável de ocorrer, uma vez que as fibras não suportam mais a maior parte da carga. Ainda assim, a resistência à tração será maior do que para a orientação puramente perpendicular, uma vez que a força perpendicular às fibras diminuirá por um fator de 1 / sen θ e a área diminui por um fator de 1 / sen θ, produzindo uma resistência à tração composta de σ perp / sin 2 θ onde σ perp é a resistência à tração do compósito com as fibras alinhadas perpendicularmente à força aplicada.

O gráfico representa os três modos de fratura que um material composto pode experimentar, dependendo do ângulo de desorientação em relação ao alinhamento de fibras paralelas à tensão aplicada.

A maioria dos compósitos comerciais é formada com dispersão aleatória e orientação das fibras de reforço, caso em que o módulo de Young do compósito ficará entre os limites de isoestressão e isoestresse. No entanto, em aplicações onde a relação resistência-peso é projetada para ser a mais alta possível (como na indústria aeroespacial), o alinhamento da fibra pode ser rigidamente controlado.

A rigidez do painel também depende do design do painel. Por exemplo, o reforço de fibra e a matriz usada, o método de construção do painel, termoendurecível versus termoplástico e tipo de trama.

Em contraste com os compósitos, os materiais isotrópicos (por exemplo, alumínio ou aço), em formas forjadas padrão, possuem a mesma rigidez normalmente, apesar da orientação direcional das forças e / ou momentos aplicados. A relação entre forças / momentos e deformações / curvaturas para um material isotrópico pode ser descrita com as seguintes propriedades do material: Módulo de Young, Módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson , em relações matemáticas relativamente simples. Para o material anisotrópico, ele precisa da matemática de um tensor de segunda ordem e de até 21 constantes de propriedade do material. Para o caso especial de isotropia ortogonal, existem três constantes de propriedade de material distintas para cada Módulo de Young, Módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson - um total de 9 constantes para expressar a relação entre forças / momentos e deformações / curvaturas.

As técnicas que se beneficiam das propriedades anisotrópicas dos materiais envolvem juntas de encaixe e espiga (em compósitos naturais, como madeira) e Juntas Pi em compósitos sintéticos.

Propriedades Mecânicas de Compósitos

Reforço de Partículas

Em geral, o reforço de partículas está fortalecendo os compósitos menos do que o reforço de fibras . É usado para aumentar a rigidez dos compósitos enquanto aumenta a resistência e a tenacidade . Por causa de suas propriedades mecânicas , eles são usados ​​em aplicações em que a resistência ao desgaste é necessária. Por exemplo, a dureza do cimento pode ser aumentada através do reforço de partículas de cascalho, drasticamente. O reforço de partículas é um método altamente vantajoso de ajuste das propriedades mecânicas dos materiais, uma vez que é de implementação muito fácil e de baixo custo.

O módulo de elasticidade dos compósitos reforçados com partículas pode ser expresso como,

onde E é o módulo de elasticidade , V é a fração de volume . Os subscritos c, p e m indicam compósito, partícula e matriz, respectivamente. é uma constante pode ser encontrada empiricamente.

Da mesma forma, a resistência à tração de compósitos reforçados com partículas pode ser expressa como,

onde TS é a resistência à tração , e é uma constante (não igual a ) que pode ser encontrada empiricamente.

Reforço Contínuo de Fibra

Em geral, o reforço contínuo de fibra é implementado pela incorporação de uma fibra como a fase forte em uma fase fraca, a matriz. A razão para a popularidade do uso de fibra é que materiais com resistência extraordinária podem ser obtidos em sua forma de fibra. As fibras não metálicas geralmente apresentam uma relação resistência / densidade muito alta em comparação com as fibras metálicas, devido à natureza covalente de suas ligações . O exemplo mais famoso disso são as fibras de carbono, que têm muitas aplicações, desde equipamentos esportivos a equipamentos de proteção e indústrias espaciais .

A tensão no composto pode ser expressa em termos da fração de volume da fibra e da matriz.

onde está a tensão, V é a fração de volume . Os subscritos c, f e m indicam compósito, fibra e matriz, respectivamente.

Embora o comportamento tensão-deformação dos compósitos de fibra só possa ser determinado por meio de testes, há uma tendência esperada, três estágios da curva de tensão-deformação . O primeiro estágio é a região da curva tensão-deformação onde a fibra e a matriz são elasticamente deformadas . Esta região linearmente elástica pode ser expressa da seguinte forma.

onde é a tensão, é a deformação, E é o módulo de elasticidade e V é a fração de volume . Os subscritos c, f e m indicam compósito, fibra e matriz, respectivamente.

Depois de passar a região elástica para a fibra e a matriz, a segunda região da curva tensão-deformação] pode ser observada. Na segunda região, a fibra ainda está elasticamente deformada, enquanto a matriz é plasticamente deformada, uma vez que a matriz é a fase fraca. O módulo instantâneo pode ser determinado usando a inclinação da curva tensão-deformação na segunda região. A relação entre estresse e tensão pode ser expressa como,

onde é a tensão, é a deformação, E é o módulo de elasticidade e V é a fração de volume . Os subscritos c, f e m indicam compósito, fibra e matriz, respectivamente. Para encontrar o módulo na segunda região, a derivada desta equação pode ser usada, uma vez que a inclinação da curva é igual ao módulo.

Na maioria dos casos, pode-se presumir, já que o segundo termo é muito menor do que o primeiro.

Na realidade, a derivada da tensão em relação à deformação nem sempre retorna o módulo por causa da interação de ligação entre a fibra e a matriz. A força da interação entre essas duas fases pode resultar em alterações nas propriedades mecânicas do compósito. A compatibilidade da fibra e da matriz é uma medida de tensão interna .

As fibras de alta resistência ligadas covalentemente (por exemplo, fibras de carbono ) experimentam principalmente deformação elástica antes da fratura, uma vez que a deformação plástica pode ocorrer devido ao movimento de deslocamento . Enquanto as fibras metálicas têm mais espaço para se deformar plasticamente, seus compostos exibem um terceiro estágio em que tanto a fibra quanto a matriz se deformam plasticamente. As fibras metálicas têm muitas aplicações para trabalhar em temperaturas criogênicas, o que é uma das vantagens dos compósitos com fibras metálicas sobre os não metálicos. A tensão nesta região da curva de tensão-deformação pode ser expressa como,

onde é a tensão, é a deformação, E é o módulo de elasticidade e V é a fração de volume . Os subscritos c, f e m indicam compósito, fibra e matriz, respectivamente. e são para tensões de fluxo de fibra e matriz, respectivamente. Logo após a terceira região, o composto exibe estrangulamento . A deformação de estrangulamento do compósito está situada entre a deformação de estrangulamento da fibra e da matriz, assim como outras propriedades mecânicas dos compósitos. O estrangulamento da fase fraca é atrasado pela fase forte. A quantidade de atraso depende da fração de volume da fase forte.

Assim, a resistência à tração do compósito pode ser expressa em termos de fração de volume .

onde TS é a resistência à tração , é a tensão, é a deformação, E é o módulo de elasticidade e V é a fração de volume . Os subscritos c, f e m indicam compósito, fibra e matriz, respectivamente. A resistência à tração composta pode ser expressa como

pois é menor ou igual a (valor crítico arbitrário da fração de volume)

pois é maior ou igual a

O valor crítico da fração de volume pode ser expresso como,

Evidentemente, a resistência à tração do composto pode ser maior que a da matriz se for maior que .

Assim, a fração de volume mínimo da fibra pode ser expressa como,

Embora este valor mínimo seja muito baixo na prática, é muito importante saber já que o motivo da incorporação de fibras contínuas é para melhorar as propriedades mecânicas dos materiais / compósitos, e este valor de fração de volume é o limiar dessa melhoria.

O efeito da orientação da fibra

A mudança na orientação da fibra pode afetar as propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com fibras, especialmente a resistência à tração.

A resistência à tração do compósito pode ser prevista dependendo dos (ângulos de 0 ° a 10 °), do ângulo entre o objeto aplicado e da orientação das fibras.

onde TS é a resistência à tração , é a tensão paralela.

Por causa da desorientação, a matriz do composto sofre uma força de cisalhamento. A resistência à tração dos compósitos (ângulos de 10 ° - 60 °) devido à ruptura por cisalhamento da matriz pode ser expressa como,

onde TS é a resistência à tração , é a tensão de cisalhamento.

Se o ângulo for ainda maior do que (ângulos de 60 ° - 90 °), outro modo de falha, o modo transversal, torna-se efetivo. A resistência à fratura transversal composta pode ser expressa como,

onde TS é a resistência à tração , é a tensão perpendicular.

Assim, o ângulo no qual a transição para o modo de fratura pode ser expresso como,

onde é o ângulo crítico, é a tensão paralela e é a tensão de cisalhamento.

Este ângulo crítico é importante para o projeto dos materiais compostos para certas aplicações.

Tipos de fibras e suas propriedades mecânicas

Os tipos de fibras mais comuns usados ​​na indústria são as fibras de vidro , as fibras de carbono e o kevlar, devido à sua facilidade de produção e disponibilidade. Suas propriedades mecânicas são muito importantes para saber, portanto, a tabela de suas propriedades mecânicas é fornecida abaixo para compará-los com o aço S97 . O ângulo de orientação da fibra é muito importante por causa da anisotropia dos compostos de fibra (consulte a seção "Propriedades Físicas" para uma explicação mais detalhada). As propriedades mecânicas dos compósitos podem ser testadas usando métodos de teste mecânico padrão posicionando as amostras em vários ângulos (os ângulos padrão são 0 °, 45 ° e 90 °) com relação à orientação das fibras dentro dos compósitos. Em geral, o alinhamento axial de 0 ° torna os compósitos resistentes à flexão longitudinal e tensão / compressão axial, o alinhamento de arco de 90 ° é usado para obter resistência à pressão interna / externa e ± 45 ° é a escolha ideal para obter resistência contra torção pura.

Propriedades mecânicas de materiais compostos de fibra

Fibras @ 0 ° (UD), 0/90 ° (tecido) ao eixo de carregamento, Seco, Temperatura ambiente, V f = 60% (UD), 50% (tecido) Fibra / Resina epóxi (curada a 120 ° C)
Símbolo Unidades Padrão

Fibra de carbono

Tecido

Módulo Alto

Fibra de carbono

Tecido

E-Glass

Tecido de fibra de vidro

Kevlar

Tecido

Padrão

Unidirecional

Fibra de carbono

Tecido

Módulo Alto

Unidirecional

Fibra de carbono

Tecido

E-Glass

Unidirecional

Tecido de fibra de vidro

Kevlar

Tecido Unidirecional

Aço

S97

Módulo de Young 0 ° E1 GPa 70 85 25 30 135 175 40 75 207
Módulo de Young 90 ° E2 GPa 70 85 25 30 10 8 8 6 207
Módulo de cisalhamento no plano G12 GPa 5 5 4 5 5 5 4 2 80
Razão de Poisson maior v12 0,10 0,10 0,20 0,20 0,30 0,30 0,25 0,34 -
Ult. Resistência à tração 0 ° Xt MPa 600 350 440 480 1500 1000 1000 1300 990
Ult. Comp. Força 0 ° Xc MPa 570 150 425 190 1200 850 600 280 -
Ult. Resistência à tração 90 ° Yt MPa 600 350 440 480 50 40 30 30 -
Ult. Comp. Força 90 ° Yc MPa 570 150 425 190 250 200 110 140 -
Ult. Força de cisalhamento no plano. S MPa 90 35 40 50 70 60 40 60 -
Ult. Tensão de tração 0 ° ext % 0,85 0,40 1,75 1,60 1.05 0,55 2,50 1,70 -
Ult. Comp. Estirpe 0 ° exc % 0,80 0,15 1,70 0,60 0,85 0,45 1,50 0,35 -
Ult. Tensão de tração 90 ° eyt % 0,85 0,40 1,75 1,60 0,50 0,50 0,35 0,50 -
Ult. Comp. Estirpe 90 ° eyc % 0,80 0,15 1,70 0,60 2,50 2,50 1,35 2,30 -
Ult. Tensão de cisalhamento no plano es % 1,80 0,70 1,00 1,00 1,40 1,20 1,00 3,00 -
Densidade g / cc 1,60 1,60 1,90 1,40 1,60 1,60 1,90 1,40 -


Fibras @ ± 45 graus. ao eixo de carregamento, seco, temperatura ambiente, Vf = 60% (UD), 50% (tecido)
Símbolo Unidades Padrão

Fibra de carbono

Módulo Alto

Fibra de carbono

E-Glass

Fibra de vidro

Padrão

Fibras de Carbono

Tecido

E-Glass

Tecido de fibra de vidro

Aço Al
Módulo Longitudinal E1 GPa 17 17 12,3 19,1 12,2 207 72
Módulo Transverso E2 GPa 17 17 12,3 19,1 12,2 207 72
Módulo de cisalhamento plano G12 GPa 33 47 11 30 8 80 25
Razão de Poisson v12 0,77 0,83 0,53 0,74 0,53
Resistência à tracção Xt MPa 110 110 90 120 120 990 460
Força compressiva Xc MPa 110 110 90 120 120 990 460
Resistência ao cisalhamento plano S MPa 260 210 100 310 150
Co-ef de expansão térmica Alpha1 Strain / K 2,15 E-6 0,9 E-6 12 E-6 4,9 E-6 10 E-6 11 E-6 23 E-6
Co-ef de umidade Beta1 Strain / K 3.22 E-4 2,49 E-4 6,9 E-4

Propriedades mecânicas de compostos de fibra de carbono de grau aeroespacial e comercial, composto de fibra de vidro e liga de alumínio e aço

Esta tabela está demonstrando uma das características e vantagens mais importantes dos compostos de fibra sobre o metal, que é a resistência e a rigidez específicas. Embora o aço e a liga de alumínio tenham resistência e rigidez comparáveis ​​aos compostos de fibra, a resistência e a rigidez específicas dos compostos são mais altas do que o aço e a liga de alumínio .

Comparação de custo, força específica e rigidez específica
Composto de fibra de carbono (grau aeroespacial) Compósito de fibra de carbono (grau comercial) Composto De Fibra De Vidro Alumínio 6061 T-6 Aço,

Suave

Custo $ / LB $ 20 - $ 250 + $ 5 - $ 20 $ 1,50 - $ 3,00 $ 3 $ 0,30
Força (psi) 90.000 - 200.000 50.000 - 90.000 20.000 - 35.000 35.000 60.000
Rigidez (psi) 10 x 10 6 - 50 x 10 6 8 x 10 6 - 10 x 10 6 1 x 10 6 - 1,5 x 10 6 10 x 10 6 30 x 10 6
Densidade (lb / in3) 0,050 0,050 0,055 0,10 0,30
Força Específica 1,8 x 10 6 - 4 x 10 6 1 x 10 6 - 1,8 x 363.640-636.360 350.000 200.000
Rigidez Específica 200 x 10 6 - 1.000 x 10 6 160 x 10 6 -200 x 10 6 18 x 10 6 -27 x 10 6 100 x 10 6 100 x 10 6

Fracasso

Choque, impacto ou tensões cíclicas repetidas podem fazer com que o laminado se separe na interface entre duas camadas, uma condição conhecida como delaminação . Fibras individuais podem se separar da matriz, por exemplo, pull-out da fibra .

Os compostos podem falhar na escala macroscópica ou microscópica . As falhas de compressão podem ocorrer em escala macro ou em cada fibra de reforço individual na flambagem por compressão. As falhas de tensão podem ser falhas de seção líquida da parte ou degradação do compósito em uma escala microscópica onde uma ou mais das camadas do compósito falham na tensão da matriz ou falha da ligação entre a matriz e as fibras.

Alguns compósitos são quebradiços e possuem pouca resistência de reserva além do início da falha, enquanto outros podem ter grandes deformações e ter capacidade de absorção de energia de reserva após o início do dano. As distinções em fibras e matrizes disponíveis e as misturas que podem ser feitas com as combinações deixam uma ampla gama de propriedades que podem ser projetadas em uma estrutura composta. A falha mais famosa de um compósito de matriz de cerâmica frágil ocorreu quando o ladrilho de compósito de carbono-carbono na borda dianteira da asa do ônibus espacial Columbia se quebrou ao ser impactado durante a decolagem. Ele apontou para o colapso catastrófico do veículo quando ele reentrou na atmosfera da Terra em 1º de fevereiro de 2003.

Os compostos têm uma resistência de rolamento relativamente baixa em comparação com os metais.

Testando

Os compósitos são testados antes e depois da construção para auxiliar na previsão e prevenção de falhas. Os testes de pré-construção podem adotar a análise de elemento finito (FEA) para análise camada por camada de superfícies curvas e prever enrugamento, ondulação e ondulação de compósitos. Os materiais podem ser testados durante a fabricação e após a construção por vários métodos não destrutivos, incluindo ultrassom, termografia, shearografia e radiografia de raios-X e inspeção de ligação a laser para NDT de integridade de resistência de ligação relativa em uma área localizada.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Robert M. Jones (1999). Mecânica dos Materiais Compósitos (2ª ed.). Taylor e Francis. ISBN 9781560327127.
  • Cederbaum G., Elishakoff I., Aboudi J., Librescu L. (1992). Vibração aleatória e confiabilidade de estruturas compostas . Technomic. Bibcode : 1992tech.book ..... C .CS1 maint: vários nomes: lista de autores ( link )
  • Librescu L., Song O. (2006). Vigas compostas de paredes finas: teoria e aplicação . Springer.
  • Polymers and Polymeric Composites: A Reference Series . Springer. 1999.
  • Autar K. Kaw (2005). Mecânica dos Materiais Compósitos (2ª ed.). CRC. ISBN 978-0-8493-1343-1.
  • Handbook of Polymer Composites for Engineers Por Leonard Hollaway, publicado em 1994 Woodhead Publishing
  • Madbouly, Samy, Chaoqun Zhang e Michael R. Kessler. Polímeros e compostos de óleo vegetal de base biológica. William Andrew, 2015.
  • Matthews, FL; Rawlings, RD (1999). Materiais Compósitos: Engenharia e Ciência . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0621-1.

links externos