Compósitos de Materiais

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Materiais Compósitos
Resina epoxi /fibra de carbono (superfície de fratura). Fonte: Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge
1PMT3200 - Ciência dos Materiais
Nylon-6,6 / SEBS-g-MA / fibra de vidro
2
Compósitos
• Princípio da ação combinada: Material
multifásico cujas propriedades sejam uma
combinação benéfica (sinergia) das
propriedades das duas ou mais fases que
o constituem.
2
Sinergia: deriva do grego synergía, cooperação sýn, juntamente com érgon,
trabalho. É definida como o efeito ativo e retroativo do trabalho ou esforço
coordenado de vários subsistemas na realização de uma tarefa complexa ou
função, também denominado de ação combinada.
3
• A idéia de usar fibras como
elemento reforçador de um 
material é antiga, tendo
ocorrido em diversas
civilizações antigas: 
egípcios, civilizações pré-
colombianas (incas, maias, 
índios brasileiros)...
• Essa idéia ainda é 
empregada hoje – ainda se 
constrói com tijolos de terra 
seca reforçada com fibras
naturais cortadas (palha) 
(“adobe”).
3
4
A cidadela de Bam, na província 
iraniana de Kerman: a maior 
estrutura do mundo em adobe, 
datando de pelo menos 500 a.C.
Foi extremamente afetada por 
um terremoto em 2003, e 
atualmente encontra-se em 
processo de reconstrução
4
Fonte: PublicDomain, 
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1545245
Construções Atuais em Adobe
6
Exemplos naturais
• Ossos
• colágeno (proteína de elevada resistência, mas macia), junto 
com o minerial apatita (resistente, rígido, mas frágil) .
the cortical tissue, which can be found in the mid-diaphysis of the femur6
7
Exemplos naturais
• Madeira 
• fibras de celulose : resistentes e flexíveis + hemicelulose
(pouco resistente e hidrolisável) envolvidas por lignina, mais
rígida.
7
Madeira
88
Hemicelulose é um polímero de
baixa massa molar composto por
polisacarídeos, que podem ser
lineares ou ramificados e amorfos.
Fibrila
Micro-
fibrila
Celulose
formada por unidades de D-glucose (C6H10O5) ligadas entre si 
covalentemente através do átomo de oxigênio na posição β-1,4
HemiceluloseParede celular
Madeira
Lignina
Macromolécula tridimensional amorfa
8
Compósitos de engenharia
Tipos de compósitos:
9
Novo Boeing 787 Dreamliner, o primeiro avião comercial a ser construído com 50% de 
compósitos.
9
10
O Lamborghini 
Sesto Elemento pesa 
apenas 999 kg (570 cv, 
V10, ele acelera de 0 a 
100 km/h em 2,5 
segundos)
Novo processo de produção: onde um
composto pastoso de fibra de carbono e resina
epóxi é injetado a alta pressão em moldes
especiais. Este novo material foi chamado
de Forged Composite (compósito forjado, em
alusão aos processos de forjamento de alta
pressão em moldes fechados).
PMT3200 - Ciência dos Materiais
10
Estrutura do compósito
• Compósitos de engenharia costumam ter: 
Fase matriz + fase dispersa
Fase matriz (fase contínua): 
polímero (PMC), cerâmica (CMC) ou metal (MMC) 
Fase dispersa:
inúmeras possibilidades (polímeros, cerâmicas, metais, minerais, 
materiais orgânicos naturais, ...)
1111
Estrutura do compósito
1212
Relação Estrutura - Propriedades
• Propriedades do compósito dependem:
• das propriedades individuais da fase matriz e 
da fase dispersa
• da natureza da interface “fase matriz - fase 
dispersa”
• da “geometria”da fase dispersa
1313
Estrutura dos Compósitos
• Propriedades dependem da “geometria” da fase dispersa:
a) Concentração 
b) Tamanho 
c) Forma 
d) Distribuição 
e) Orientação
1414
Classificação dos compósitos
1515
Nanocompósitos Nanocompósitos
1616
LAMINADOS E PAINÉIS EM SANDUÍCHE
17
Lâminas de material com propriedades anisotrópicas (por exemplo, madeira).
A “soma” das lâminas, coladas em diferentes direções, resulta em um material “isotrópico”.
LAMINADOS
18
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under 
license.
Exemplo: Papelão
PAINÉIS EM SANDUÍCHE
PIR: poliisocianureto (espuma 
isolante)
LDR: lã de rocha
Parte externa: aço galvanizado
Fase dispersa
• Partícula : porção de um sólido com dimensões
aproximadamente iguais nas três dimensões
• Fibras: são materiais finos e alongados, como 
filamentos, que podem ser contínuos ou 
cortados.
• Partículas grandes: maiores que ~1μm
• Matriz transfere parte da carga à fase dispersa
• Fibras: diâmetros maiores do que 1μm
1919
Nanocompósitos
 Matriz + carga: 
 Carga com dimensões nanométricas: 1 a 
100 nm – 0,001 a 0,1 µm (nanocarga)
Aumento de resistência se dá por interações a nível atômico ou
molecular.
 Sub-micrométrica: 100 a 1000 nm (0,1 a 
1µm)
1 nm = 10 Å = 10-9 m
20
Nanocompósitos
 Carga inorgânica com dimensões nanométricas:
1 a 100 nm.
 Negro de fumo (nanocarga)
 Carbonato de cálcio (CaCO3)
 Novas cargas: melhoria de propriedades
CaCO3 (Nanotech Science and Technology)
21
Partículas muito 
finas de 
carbono, 
formadas por 
combustão de 
gás natural em 
atmosfera com 
ar limitado
Nanocompósitos
Nanopartículas: tamanho: de 1 a 100 nm em pelo 
menos uma das coordenadas.
• 0D: todas as dimensões (x, y e z) em escala 
nanométrica  nanopartículas de sílica (sol-
gel), negro de fumo, nanopartículas 
metálicas, nanocristais de celulose... 
Nanocompósitos
• 1D: duas dimensões (x e Y) em escala 
nanométrica e a terceira (z) não está 
em escala nanométrica: nanotubos de 
carbono, nanofibras de celulose
Nanocompósitos
• 2D: uma dimensão (z) em escala 
nanométrica e as outras (x e y) não estão 
em escala nanométrica: silicatos com 
espessura de alguns nanômetros
100 – 1000 nm100 – 1000 nm
1 nm1 nm
Nanocompósitos
• 3D: em todas as 3 dimensões o tamanho 
está acima de 100 nm
Nanocompósitos
Nanopartículas: 
Grafeno: módulo de elasticidade de 1TPa.
Compósitos com matriz polimérica: melhorias em propriedades elétricas,
térmicas, barreira a gases, mecânicas.
28
Compósitos com partículas grandes
• Regra das misturas:
• Propriedades dependem das frações volumétricas
das fases.
Módulo de elasticidade varia entre:
limite superior
limite inferior 
ppmmc VE+VE=(u)E
mppm
pm
c EV+EV
EE
=(l)E
2929
Relembrando 
Módulo de elasticidade
• Calcular o módulo de 
elasticidade de uma 
liga de alumínio, com 
base nos seguintes 
dados:
εσ (MPa)
00
0,0041300
0,0082600
0,022628
0,045655
0,060675
0,080690
0,10700
3030
Relembrando 
Módulo de elasticidade
y = 73171x - 3E-13
R² = 1
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
T
en
sã
o
 (
M
P
a)
Deformação (mm/mm)
3131
Regra de misturas
Exemplo:
partículas de tungstênio
em cobre
Existem tanto
limite superior
quanto limite inferior
para E
3232
Exemplo de MMC:
broca de metalduro
 WC (ou carbeto de titânio) 
confere a dureza e a 
resistência ao desgaste
necessários ao corte de 
concreto.
 Cobalto (ou níquel) confere
tenacidade.
3333
Micrografia (aumento aproximado de 1.000 vezes) de
um compósito de matriz metálica: contendo 85% WC
e 15% Co;
(photo courtesy of Kennametal Inc.)
Exemplo de PMC:
borracha do pneu
Matriz: elastômero
Partículas: negro de fumo (carbono) (MET)
(15 a 30%) 
 partículas absorvem UV
e aumentam resistência mecânica
Partículas de negro de fumo; cada uma
mede de 20 a 50nm, mas se apresentam
comumente de forma aglomerada.
Fase ellipsoidal: pequenas bolhas de ar
na borracha
3434
Exemplo de PMC:
Compósitos com Nylon
MEV: Nylon-6 + vidro particulado
(tamanho médio das partículas 38µm (10 a 100µm ).
35
MEV: Nylon-6 + microesferas de vidro
(tamanho médio de partículade 60 µm).
35PMT3200 - Ciência dos Materiais
Exemplo de PMC:
Compósitos com PP
MEV: PP + EPDM + talco
(EPDM: copolímero de etilieno-propeno-dieno)
36
Tabela 2 – Propriedades Mecânicas de Polipropileno 
Modificado com EPDM 
Propriedades PPcopo PPcopo + 
20% 
EPDM 
PPcopo 
+C.M 
+EPDM 
PPcopo 
+ F.V. 
+EPDM 
Res Tração 
(Mpa) 
29,0 21,0 16,0 18,0 
Mod Flexão 
(Mpa) 
1400,0 900,0 1200,0 1700,0 
Res Impact 
Izod(J/m) 
23o C 
-20o C 
 
 
85,0 
25,0 
 
 
700,0 
500,0 
 
 
300,0 
55,0 
 
 
300,0 
90,0 
HDT a 1,82 
Mpa(o C) 
 
55,0 
 
45,0 
 
55,0 
 
52,0 
Contração 
(%) 
1,0-2,0 1,0-2,0 0,8-1,5 0,6-1,2 
 
 
 
36
Exemplo de CMC: concreto
• Matriz: cimento 
Portland 
• Partículas: 
areia e brita 
Clínquer:
Silicato tricálcico 
(CaO)3SiO2
Silicato dicálcico 
(CaO)2SiO2
Aluminato tricálcico 
(CaO)3Al2O3
Ferroaluminato 
tetracálcico 
(CaO)4Al2O3Fe2O3 3737
Concreto Armado
• Armação metálica + concreto
38PMT3200 - Ciência dos Materiais 38
• Fim da primeira aula.
• Ler capítulo 16 do Callister.
39PMT3200 - Ciência dos Materiais 39
Compósitos reforçados com 
fibras
• São os mais comuns.
• Vantagem é alta resistência ou alta rigidez da
fibra, aliado à baixa densidade da matriz.
• Resistência à tração σf
• Módulo de elasticidade E
• Densidade d
• Resistência específica σf/d
• Módulo específico E/d
4141
PMT 2200 em 2011 Tópico 1: Compósitos
Fibras
 Propriedade do compósito depende da fibra e da interface 
(quanto de carga é transferida para a fibra).
 Ligação interfacial entre fibra e matriz cessa na ponta da fibra,
(deformando a matriz naquela região).
4242
Fibras
Influência do comprimento da fibra
ℓc=
σf d
2τc
 σf limite de resistência da fibra
 τc resistência da ligação
fibra-matriz
 (ou tensão limite de 
escoamento por cisalhamento
da matriz –
o que for menor)
 d diâmetro da fibra
Em compósitos com fibra de vidro ou carbono,
ℓc ~ 1mm para (ℓc entre 20 e 150 x d)
“Fibras contínuas” : ℓ > 15 ℓc
Se não, “fibras curtas ou descontínuas” 
4343
Fibras
Influência da orientação das fibras
Representação esquemática de compósitos com fibra:
(a) Fibras contínuas e alinhadas; 
(b) Fibras curtas ou descontínuas e alinhadas;
(c) Fibras curtas ou descontínuas com orientação randômica
4444
Fibras contínuas
• Quando o processo de fabricação garante que as fibras fiquem alinhadas, surge 
a anisotropia das propriedades → as propriedades dependem da direção na
qual a carga é aplicada, em relação à direção das fibras.
4545
46
Carregamento longitudinal
em compósitos com fibras contínuas e 
alinhadas
Representação esquemática de curvas Tensão versus Deformação para compósito com 
matriz dúctil e fibra frágil. 
Estágio I: fibra e matriz deformam elasticamente
Estágio II: matriz entra em regime plástico. 
Em εf* , fibras começam a fraturar, mas o compósito não apresenta falha catastrófica.
Cálculo do E 
em compósitos com fibras
contínuas e alinhadas
Para carregamento longitudinal 
(estado de isodeformação)
Para carregamento transversal 
(estado de isotensão)
ffmmlc VE+VE(l)E 
4747
fffmlc VE+VE=(l)E )1( 
mfff
fm
mffm
fm
ct EVEV
EE
EV+EV
EE
=(t)E


)1(
4848
Cálculo do E 
em compósitos com fibras contínuas
e alinhadas
Exercício
Considerar que fração de área = fração de volume
49
Carregamento transversal
49
Influência da interação entre 
fibra e matriz
Compósitos reforçados com fibras requerem uma adesão moderada entre matriz e 
fibra :
 uma alta adesão entre as duas fases confere boa resistência mecânica pela
transferência eficiente de carga da matriz para as fibras, porém o material torna-se 
frágil.
 uma baixa adesão resulta em baixa resistência mecânica, mas a energia
absorvida na fratura aumenta por dissipação de energia durante o processo de 
descolamento da fibra (puxamento da fibra – fiber pullout)
alta adesão baixa adesão
5050
Compósito com fibra alinhada e 
contínua
*f : limite de resistência à tração da fibra;
’m : tensão na matriz no momento em que a fibra falha.
)1('**
fmffcl Vσ+Vσ=σ 
Concentração de fibra 50%
LR tração T 
(MPa)
LR tração L 
(MPa)
Material
20700Vidro-poliéster
351000Carbono-epoxi
201200Poliaramida-
epoxi 5151
Limite de resistência do compósito na direção longitudinal (L)
(fibra falha antes da matriz)
Compósito com fibra alinhada e 
descontínua
*f : limite de resistência à tração da fibra;
’m :tensão na matriz no momento em que o compósito falha.
τc: resistência da ligação fibra-matriz (ou tensão limite de
escoamento por cisalhamento da matriz – o que for menor)
d: diâmetro da fibra
)1()
2
1( '**
fm
c
ffcd Vσ+
l
l
Vσ=σ 
5252
Limite de resistência do compósito na direção longitudinal (L)
Com distribuição uniforme de fibras com l > lc
Limite de resistência do compósito na direção
longitudinal (L)
Com distribuição uniforme de fibras com l < lc
)1()( '
'
*
fm
c
fcd Vσ+
d
l
V=σ 

Exercício
 Quer-se produzir um compósito com fibras contínuas e alinhadas,
que consista em 45% volume de fibras aramida e 55% volume de
matriz a base de policarbonato (PC). As características mecânicas dos
dois materiais são:
 Ainda, a tensão na matriz de PC quando as fibras de aramida
falham é de 35MPa.
 Para esse compósito, calcule o limite de resistência à tração e o
módulo de elasticidade longitudinal.
LR (MPa)E (GPa)Material
3600131Fibras: Aramida
652,4Matriz: Policabonato
[ Exercício 16.8 Callister ]
5353
A fase fibra
• 3 classes
• Whiskers
• Fibras
• Arames
Monocristais, alta razão comprimento / diâmetro,
(alto grau de perfeição cristalina) altíssima
resistência, caros
Policristais ou amorfos, diâmetro pequeno
Diâmetro de dezenas de microns
5454
A fase Fibra
55
PMT3200 - Ciência dos Materiais 55
Compósitos com matriz polimérica
• Matrizes:
• Termorrígidas: Poliésteres e vinil-ésteres, 
• Epóxi, fenólicas
• Termoplásticas: PA, PEEK, PPS, PEI
• (poliamida, polieteretercetona, poli(sulfeto de fenileno), Polieterimida) 
• Reforços
• fibra de vidro (GFRP) 
• fibra de carbono (CFRP) 
• fibras aramidas (poliaramidas) 
5656
Compósitos de fibra de vidro
• Vantagens
• Alto σf* (3500 MPa), barato;
• Compósitos podem ser obtidos utilizando uma ampla variedade de 
técnicas de fabricação;
• Quando incorporada em uma matriz polimérica, produz um compósito 
com uma resistência específica elevada;
• Compósitos com matriz polimérica pode apresentar uma inércia 
química (utilizado em ambientes corrosivos)
• Usos
• Carcaças automotivas e marítimas
• Recipientes de armazenamento
• Limitações
• Baixa rigidez (70 GPa) 
5757
Fabricação da fibra de vidro
• 55%SiO2, 16%CaO, 15%Al2O3, 10%B2O5 e 4%MgO.
• Diâmetros entre 3 e 20μm.
• Muito sensível a defeitos superficiais da fibra
• São recobertas com capa protetora
• Algumas capas devem ser removidas antes da
fabricação do compósito.
• Podem ser usadas na forma de fios e tecidos
5858
Fabricação da fibra de vidro
5959
Compósitos de fibra de carbono
• Vantagens
• As fibras de carbono têm o módulo específico e a resistência 
específica mais alta, dentre as fibras de reforço.
• Alto módulo e alta resistência em temperaturas elevadas (a 
oxidação em alta temperatura, entretanto, pode ser um 
problema)
• À temperatura ambiente, as fibras de carbono não são 
afetadas pela umidade ou por uma grande variedade de 
solventes, ácidos e bases.
• Foram desenvolvidos processos de fabricação de fibras e 
compostos que são relativamente baratos e econômicos
• Usos
• Equipamento esportivo, aviação, automotivo.
6060
Fabricação da fibra de 
carbono
• Fibras de diâmetro 4 a 10μm
• Fibra contém regiões de grafita e regiões
não-cristalinas.
• Produzidas a partir de precursores: rayon, 
poliacrilonitrila e piche.
• Processo afeta E: existem classes de E 
(padrão, intermediário, alto e ultra alto).
6161
Compósitos de fibras de poliaramida
(“kevlar”) 
• Vantagens
• Baixa densidade relativa (1,44) 
• Alta tenacidade
• Ductilidade permite tecelagem
• Usos
• Blindagem balística
• Artigos esportivos, pneus
• Limitações
• Susceptíveis a ácidos e bases 
fortes
• Baixa resistência à compressão
• Custo (> fibra de vidro) 
6262
Compósitos de fibras de 
poliaramida
(“kevlar”) 
6363
Comparações entre compósitos
com fibra contínua e alinhada e 
matriz epóxi
6464
Processamento de compósitos 
reforçados com fibras
Pultrusão: produtos longos e seção transversal constante
(mechasde fibras)
Usado com fibras de vidro, carbono e aramidas (concentração
entre 40 e 70% fibras)
6565
Processo Prepreg
Fibras contínuas pré-impregnadas com resina parcialmente curada.
66
Fitas finas: 0,08 -0,25mm
Com 35 a 45% em volume 
de resina
66
67
Prepreg
67
6868
Outras referências importantes:
- Callister, 5ª Ed - capítulo 17 : completo.
- Shackelford, J. F. Ciência dos Materiais, 6ª ed. Pearson Prentice 
Hall, São Paulo, 2008. – Capítulo 14: completo.
Capítulos do Callister, 7ª ed., 2008, tratados nesta aula
- Capítulo 6 : completo; capítulo 12: seções 12.8 e 12.9;
- Capítulo 16 : completo.
Sites interessantes
• http://www.hurner.com.br
• Notícias: http://www.compositesnews.com/
• Ass. Bras. Mat. Compósitos: 
http://www.abmaco.org.br/
• http://www.jeccomposites.com/
• Nanotubos: 
http://depts.washington.edu/polylab/cn.html
• Saint Gobain: http://www.sgva.com/
• http://oea.larc.nasa.gov/PAIS/Concept2Reality/composites.html
6969
Conceitos de Tensão e Deformação
• Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a 
ductilidade e a rigidez.
• O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua
resposta (ou DEFORMAÇÃO) a uma carga (ou TENSÃO) que esteja sendo
aplicada sobre um corpo fabricado deste material.
• As deformações podem ser ELÁSTICAS ou PLÁSTICAS.
• As DEFORMAÇÕES ELÁSTICAS não são permanentes, isto é, são deformações
que desaparecem quando a tensão aplicada é retirada. Dito de outra forma,
as deformações elásticas são reversíveis, sendo resultado da ação de forças
conservativas.
• As DEFORMAÇÕES PLÁSTICAS são permanentes, isto é, permanecem após a
tensão aplicada ser retirada. Deformações plásticas são irreversíveis, sendo
acompanhadas por deslocamentos atômicos permanentes.
PMT3200 - Ciência dos Materiais 70
LE


.
E
• Em uma escala atômica, a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA macroscópica é
manifestada como pequenas alterações no espaçamento interatômico e na
extensão de ligações interatômicas.
• Para a maioria dos materiais metálicos, as deformações elásticas ocorrem até
deformações de ~ 0,5%.
• Quando as deformações ultrapassam o limite de proporcionalidade, a relação entre
a tensão e a deformação deixa de ser linear (lei de Hooke), produzindo-se
deformação permanente, a chamada DEFORMAÇÃO PLÁSTICA.
Curva Tensão -Deformação
• Na prática, muitas vezes, é difícil definir a
posição do ponto P com precisão. Como
conseqüência, geralmente se define uma
TENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO (LE)
como sendo a tensão necessária para se
produzir uma pequena quantidade de
deformação plástica. Para os metais, o ponto
E corresponde a uma deformação de
engenharia  = 0,002 = 0,2%.
PMT3200 - Ciência dos Materiais 71
Deformação Elástica 
Curva Tensão vs. Deformação


coeficiente angular =
módulo de elasticidade
• Define-se o MÓDULO DE ELASTICIDADE
como sendo o coeficiente angular da
curva vs. , na região linear da curva.
Como a curva tem origem no ponto
(0,0),
 = E.
(Lei de Hooke)
PMT3200 - Ciência dos Materiais 72
Deformação Elástica 
Átomos
fortemente ligados
Átomos
fracamente ligados
F
r
Força de Ligação vs.
Distância Interatômica
• O módulo de elasticidade é
proporcional ao valor da derivada dF/dr
no ponto r = r0.
• O módulo de elasticidade representa
uma medida da intensidade das forças
de ligação interatômicas.
PMT3200 - Ciência dos Materiais 73
• Os precipitados também dificultam o movimento das discordâncias.
• PRECIPITADOS INCOERENTES: não existe continuidade entre os planos 
cristalinos do precipitado e os da matriz, e as discordâncias terão que se 
curvar entre os precipitados  MECANISMO DE OROWAN
Mecanismo de Orowan
para a interação de 
discordâncias com 
partículas incoerentes. 
Endurecimento em Metais: Precipitação ou Dispersão
PMT3200 - Ciência dos Materiais 74