Materiais Compósitos na Indústria

Prévia do material em texto

Estruturas Cristalinas
Docente: Prof. Dr. Marcus Vinicius Lia Fook
Aula 06: Materiais Compósitos.
Indústria Aeroespacial
Materiais Compósitos
Propriedade específica
Cerâmica
Metal
Polímero
Compósito
Indústria de Bioengenharia
Indústria Naval
2
Materiais Compósitos
Engenheiros aeronáuticos estão buscando cada vez mais materiais estruturais que apresentem baixa massa específica, sejam resistentes, rígidos e tenham resistência à abrasão e ao impacto, e que não sejam corroídos com facilidade.
Polímeros
Metais
Cerâmicas
Qual destes materiais atenderá estas propriedades?
3
Materiais Compósitos
Materiais Poliméricos
Materiais Cerâmicos
Materiais Metálicos
Rígidos
Resistentes
Dúcteis
Condutores
Rígidos
Resistentes
Dureza
Isolantes
Flexíveis
Quimicamente inertes
Isolante
Quimicamente estáveis
Dureza
Fácil Fabricação
Resistência
Dureza
Resiliente
Forte
Resistentes
Dúcteis
Materiais compósitos
4
Materiais Compósitos
Eles foram desenvolvidos a partir da necessidade de materiais com propriedades específicas capazes de atender as demandas encontradas nas indústrias aeroespacial, submarina, de bioengenharia e de transporte.
Um compósito pode ser considerado como qualquer material multifásico (heterogêneo) que exibe uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases constituintes, de modo que é obtida uma melhor combinação de propriedades.
Como principal característica, um material compósito apresenta desempenho superior quando comparado com seus componentes tomados separadamente para uma dada situação.
5
Apatita
Materiais Compósitos Naturais
Madeira
Fibras de celulose
Lignina
Resistente
Flexível
Osso
Resistente
Dúctil
6
Materiais Compósitos – Classificação
O compósito é formado por duas fases. Uma é denominada matriz, a qual é contínua e envolve a outra fase, frequentemente chamada de fase dispersa.
 São divididos em quatro grupos: os compósitos reforçados com partículas, os compostos reforçados com fibras, compósitos estruturais e os nanocompósitos.
7
Materiais Compósitos – Matriz e Fase dispersa
As propriedades dos compósitos são função das propriedades das fases constituintes, de sua quantidade relativa e da geometria da fase dispersa. Nesse contexto, subentendem-se por geometria da fase dispersa a forma, o tamanho, a distribuição e a orientação das partículas.
Concentração
Tamanho
Forma
Distribuição
Orientação
8
Materiais Compósitos – Reforçados com Partículas
Esta classe é subdivida em compósito partícula-grande e compósito reforçados por dispersão. Neste tipo de compósito, a fase particulada é mais dura e rígida do que a matriz. 
As partículas de reforço tendem a restringir o movimento da fase matriz na vizinhança de cada partícula. Em essência, a matriz transfere alguma tensão aplicada às partículas, que suportam uma fração da carga.
As partículas podem apresentar grande variedade de geometrias, mas devem ter aproximadamente as mesmas dimensões em todas as direções (equiaxiais). Para que o reforço seja efetivo, as partículas devem ser pequenas e estar distribuídas de forma homogênea em toda a matriz. As propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor de partículas. 
9
Materiais Compósitos – Reforçados com Partículas
O grau de reforço ou de melhoria do comportamento mecânico depende de uma ligação forte na interface matriz-partícula!!!
10
Materiais Compósitos – Reforçados com Partículas Grandes
Matriz de Cobre carregada com partículas de Tungstênio
Propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor de partículas!!!
11
Materiais Compósitos – Reforçados com Partículas Grandes
Carbeto cimentado WC-Co
Os cermetos são exemplos de compósitos cerâmica-metal. Esses compósitos são empregados extensivamente como ferramentas de corte para aços endurecidos!!! 
12
Materiais Compósitos – Reforçados com Partículas Grandes
Borracha sintética (SBR) carregada com partículas de negro de fumo
Os pneus de automóveis contêm cerca de 15 a 30 %v de negro de fumo!!!
13
Materiais Compósitos – Reforçados com Partículas Grandes
Concreto de Cimento Portland: Os componentes para esse tipo de concreto são o cimento Portland, um agregado fino (areia), um agregado grosso (brita) e água.
Um empacotamento denso do agregado e um bom contato interfacial são obtidos com o emprego de partículas com dois tamanhos diferentes; as partículas finas de areia devem preencher os espaços vazios entre as partículas de brita.
A quantidade da pasta cimento-água deve ser suficiente para recobrir todas as partículas de areia e brita; caso contrário, a ligação de cimentação será incompleta.
14
Materiais Compósitos – Reforçados com Partículas Grandes
Portlandita
Estridinita
15
Materiais Compósitos – Reforçados com Partículas Grandes
Concreto Armado: A resistência do concreto de cimento portland pode ser aumentada por meio de um reforço adicional. Isso é obtido geralmente pelo emprego de vergalhões, arames, barras ou malhas de aço que são inseridos no concreto fresco e não curado.
O reforço torna a estrutura endurecida capaz de suportar maiores tensões de tração, compressão e cisalhamento. Mesmo se houver o desenvolvimento de trincas no concreto, um reforço considerável ainda é mantido. 
O aço serve como um material de reforço adequado, pois seu coeficiente de expansão térmica é praticamente o mesmo do concreto.
16
Materiais Compósitos – Reforçados com Partículas Grandes
Concreto Armado
17
Materiais Compósitos – Reforçados por Dispersão
As propriedades dos compósitos são função das propriedades das fases constituintes, de sua quantidade relativa e da geometria da fase dispersa. Nesse contexto, subentendem-se por geometria da fase dispersa a forma, o tamanho, a distribuição e a orientação das partículas.
Para compósitos reforçados por dispersão, partículas têm diâmetros entre 0.01 e 0.1 μm. Interações partícula-matriz ocorrem num nível atômico ou molecular onde as partículas são responsáveis em restringir a deformação plástica.
Os metais e as ligas metálicas podem ter sua resistência aumentada e ser endurecidos pela dispersão uniforme de diversas porcentagens volumétricas de partículas finas de um material inerte e muito duro. A fase dispersa pode ser metálica ou não metálica; óxidos são usados com frequência. 
18
Materiais Compósitos – Reforçados por Dispersão
19
Materiais Compósitos – Reforçados com Fibras
Tecnologicamente, os compósitos mais importantes são aqueles em que a fase dispersa está na forma de uma fibra. São subdivididos em: contínuo (alinhado) e descontínuo (curto), os quais são influenciados diretamente pelo comprimento, orientação e concentração da fibra.
Os objetivos de projeto envolvendo estes compósitos incluem, alta resistência e/ou rigidez em relação ao peso. Essas características são expressas em termos dos parâmetros resistência específica e módulo específico:
Resistência específica
Módulo específico
Massa específica
Resistência e Módulo específico
20
Materiais Compósitos – Reforçados com Fibras
O arranjo ou a orientação das fibras, a concentração e sua distribuição apresentam uma influência significativa sobre a resistência e outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. 
Em relação à orientação, há, possivelmente, duas situações extremas: (1) um alinhamento paralelo do eixo longitudinal das fibras em uma única direção e (2) um alinhamento totalmente aleatório.
As fibras contínuas estão normalmente alinhadas, enquanto as fibras descontínuas podem estar alinhadas, orientadas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. 
21
Materiais Compósitos – Reforçados com Fibras
Fibras contínuas totalmente alinhadas
Fibras descontínuas e alinhadas
Fibras descontínuas e orientadas aleatoriamente
22
Materiais Compósitos – Reforçados com Fibras Contínuas e Alinhadas
As respostas mecânicas desse tipo de compósito dependem de vários fatores, incluindo os comportamentos tensão-deformação das fases fibra e matriz, as frações volumétricas das fases e a direção na qual a tensãoou carga é aplicada.
As propriedades de um compósito cujas fibras estão alinhadas são altamente anisotrópicas, ou seja, dependem da direção na qual são medidas.
23
Materiais Compósitos – Reforçados com Fibras Contínuas e Alinhadas
Propriedade Mecânica
Propriedade Mecânica
24
Materiais Compósitos – Reforçados com Fibras Contínuas e Alinhadas
Matriz dúctil
Fibra frágil
Deformação elástica
Deformação plástica
Fratura das fibras presentes no compósito
25
Materiais Compósitos – Reforçados com Fibras Descontínuas e Alinhadas
Compósitos reforçados com fibras descontínuas apresentam propriedades mecânicas inferiores quando comparados aos compósitos com fibras contínuas.
As fibras de vidro picadas são mais largamente usadas; entretanto, fibras descontínuas de carbono e aramida também são empregadas.
Contudo, embora a eficiência de reforço seja menor para as fibras descontínuas, eles podem ser produzidos com módulos de elasticidade e limites de resistência à tração que se aproximam, respectivamente, de 90% e 50% dos seus análogos com fibras contínuas.
26
Fibras descontínuas e orientadas aleatoriamente
Materiais Compósitos – Reforçados com Fibras Descontínuas e Orientadas Aleatoriamente
Normalmente, quando a orientação da fibra é aleatória, são usadas fibras curtas e descontínuas.
Para aplicações envolvendo tensões aplicadas totalmente multidirecionais normalmente usam fibras descontínuas, que estão randomicamente orientadas na matriz.
A distribuição aleatória proporciona uma resistência menor quando comparado aos compostos com fibras contínuas e alinhadas e descontínuas e alinhadas.
27
Materiais Compósitos – Fase Fibra
A probabilidade da presença de um defeito superficial crítico, capaz de levar à fratura, diminui com a redução do volume da amostra, e essa característica é aproveitada nos compósitos reforçados com fibras. 
Uma característica importante da maioria dos materiais, especialmente dos frágeis, é que uma fibra com pequeno diâmetro é muito mais resistente do que o material volumétrico. 
Os materiais usados como fibras de reforço apresentam altos limites de resistência à tração. Com base no diâmetro e na natureza, as fibras são agrupadas em três classificações diferentes: whiskers, fibras e arames.
28
Materiais Compósitos – Fase Matriz
Nos compósitos reforçados com fibras, a fase matriz tem várias funções. Em primeiro lugar, ela liga as fibras umas às outras e atua como o meio pelo qual uma tensão externa aplicada transmitida e distribuída às fibras.
A segunda função da matriz é proteger as fibras individuais contra danos superficiais decorrentes de abrasão mecânica ou de reações químicas com o ambiente.
Finalmente, a matriz separa as fibras umas das outras e, em virtude de sua relativa maciez e plasticidade, previne a propagação de trincas frágeis, o que poderia resultar em uma falha catastrófica. Em outras palavras, a fase matriz serve como uma barreira à propagação de trincas. 
29
Materiais Compósitos – Compósito com Matriz Polimérica
A fase matriz dos compósitos fibrosos pode ser um metal, um polímero ou uma cerâmica. Os metais e polímeros são empregados como matrizes, pois alguma ductilidade é desejável; nos compósitos com matriz cerâmica o componente de reforço é adicionado para melhorar a tenacidade à fratura. 
Os compósitos com matriz polimérica consistem em uma resina polimérica como a fase matriz e em fibras como o meio de reforço.
Esses materiais são usados na maior diversidade de aplicações dos compósitos, assim como em maior quantidade, como consequência de suas propriedades à temperatura ambiente, da facilidade de fabricação e do seu custo.
30
Materiais Compósitos – Compósito com Matriz Metálica
Nos compósitos com matriz metálica, a matriz é um metal dúctil. O reforço pode melhorar a rigidez e a resistência específica, a resistência à abrasão, a resistência à fluência, a condutividade térmica e a estabilidade dimensional.
Algumas das vantagens desses materiais em relação aos compósitos com matriz polimérica incluem temperaturas de operação mais elevadas, não serem inflamáveis e maior resistência à degradação por fluidos orgânicos.
Os compósitos com matriz metálica são muito mais caros que os PMCs e, portanto, o emprego dos MMCs é restrito.
31
Materiais Compósitos – Compósito com Matriz Cerâmica
Essa melhoria nas propriedades mecânicas, como por exemplo à fratura, resulta das interações entre as trincas que avançam e as partículas da fase dispersa. A iniciação da trinca ocorre normalmente na fase matriz, enquanto a propagação da trinca é impedida ou retardada pelas partículas, fibras ou whiskers.
Os compósitos de matriz cerâmica são materiais desenvolvidos para vencer as limitações das propriedades mecânicas apresentadas pelos materiais cerâmicos. Eles se apresentam como: particulados, fibras ou whiskers de um material cerâmico incorporados em uma matriz de outro material cerâmico.
Em geral, o aumento do teor de fibras melhora a resistência e a tenacidade à fratura.
32
Materiais Compósitos – Compósitos Híbridos
Um compósito híbrido é definido como um compósito obtido com a utilização de dois ou mais tipos de fibras diferentes em uma única matriz. 
O híbrido vidro-carbono é mais resistente e mais tenaz, tem maior resistência ao impacto e pode ser produzido a um custo menor que o dos respectivos compósitos totalmente reforçados com fibras de carbono ou fibras de vidro.
Eles apresentam melhor combinação geral de propriedades que os compósitos que contêm apenas um tipo de fibra. No sistema mais comum, tanto fibras de carbono quanto de vidro são incorporadas em uma resina polimérica. 
33
Materiais Compósitos – Nanocompósitos
Os nanocompósitos são constituídos por partículas com tamanho nanométrico (ou nanopartículas) que estão inseridas em um material de matriz.
Eles podem ser projetados para possuir propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, óticas, térmicas, biológicas e de transporte que são superiores às de materiais carregados convencionais; além disso, essas propriedades podem ser adaptadas para aplicações específicas.
Com a redução do tamanho das partículas as suas propriedades físicas e químicas sofrem mudanças drásticas. Essas mudanças são diretamente proporcionais a redução do tamanho da partícula (ou seja, do número de átomos). 
34
Materiais Compósitos – Nanocompósitos
Nanotubos de Carbono
Nanopartículas de Zircônia
35
Materiais Compósitos – Nanocompósitos
O teor de nanopartículas varia significativamente e depende da aplicação. Por exemplo, concentrações de nanotubos de carbono (CNTs) da ordem de 5 %p leva a um aumento da resistência e rigidez. Já 15 a 20 %p de CNTs são exigidos para produzir as condutividades elétricas necessárias para algumas aplicações
36
image1.jpeg
image2.jpeg
image3.jpeg
image4.jpeg
image5.jpeg
image6.jpeg
image7.jpeg
image8.png
image9.bin
image10.png
image11.jpg
image12.png
image13.png
image14.png
image15.png
image16.png
image17.gif
image18.png
image19.png
image20.png
image21.jpeg
image22.jpeg
image23.jpeg
image24.png
image27.png
image28.png
image25.png
image26.png
image29.png
image30.jpeg
image31.png
image32.gif
image33.png
image34.png