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Materiais Compósitos

 

 

Um Material composto ou compósito é aquele que é resultado da combinação de dois ou mais materiais distintos, no que diz respeito suas propriedades físicas. O objetivo desse tipo de combinação heterogênea é a obtenção das características de seus componentes, para que apresente melhor desempenho estrutural em condições específicas de uso.

 

Em relação a estrutura dos compósitos, os materiais que podem compor esse tipo de material, podem ser classificados em dois tipos: matriz e reforço.

 

  • Matriz: esse tipo, é o que confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas.

  • Reforço: os materiais reforços, também chamados de fase dispersa, são os que realçam propriedades mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo.

 

Pode ainda surgir uma sinergia entre materiais matriz e materiais reforços que resulte, no material compósito final, em propriedades não existentes nos materiais originais.

 

Exemplos de materiais reforços e matriz:

 

  • Materiais Reforços: fibra de vidro; de carbono; de boro; de titânio; fibras cerâmicas; de carbeto de silício; alumina; de quartzo; metálicas; fibra de madeira (serradura); de aramida;

  • Materiais Matriz: matriz polimérica; metálica e cerâmica.

 

Compósitos e suas classificações:

 

Os compósitos classificam-se em três grupos, os quais são:

 

  • Compósitos Fibrosos;

  • Compósitos Laminados;

  • Compósitos Particulados.

 

Compósitos Fibrosos

 

A história da utilização de compósitos reforçados com fibras como materiais de construção tem mais de 3.000 anos. Há exemplos do uso de palhas em tijolos de argila, mencionados no Êxodo, e crina de cavalo reforçando materiais cimentados. Outras fibras naturais têm sido utilizadas para conferir ductilidade aos materiais de construção essencialmente frágeis (Illston,1994).

Contrastando com esses antigos materiais naturais, o desenvolvimento de polímeros nos últimos cem anos foi impulsionado pelo crescimento da indústria do petróleo. Desde 1930 o petróleo tem sido a principal fonte de matéria-prima para a fabricação de produtos químicos orgânicos, a partir dos quais são fabricados plásticos, fibras, borrachas e adesivos (Illston,1994).

Uma grande quantidade de polímeros, com variadas propriedades e formas, têm sido desenvolvida desde 1955.

O desempenho dos compósitos reforçados com fibras é controlado principalmente pelo teor e pelo comprimento da fibra, pelas propriedades físicas da fibra e da matriz e pela aderência entre as duas fases (Hannant, 1994).

Johnston (1994) acrescenta o efeito da orientação e distribuição da fibra na matriz. A orientação de uma fibra relativa ao plano de ruptura, ou fissura, influencia fortemente a sua habilidade em transmitir cargas. Uma fibra que se posiciona paralela ao plano de ruptura não tem efeito, enquanto que uma perpendicular tem efeito máximo. Os principais parâmetros relacionados com o desempenho dos materiais compósitos, assumindo que as variações das propriedades descritas abaixo são atingidas independentemente:

  • Teor de fibra: Um alto teor de fibras confere maior resistência pós-fissuração e menor dimensão das fissuras, desde que as fibras possam absorver as cargas adicionais causadas pela fissura;

  • Módulo de elasticidade da fibra: Um alto valor do módulo de elasticidade causaria um efeito similar ao teor de fibra, mas, na prática, quanto maior o módulo maior a probabilidade de haver o arrancamento das fibras;

  • Aderência entre a fibra e a matriz: As características de resistência, deformação e padrões de ruptura de uma grande variedade de compósitos cimentados reforçados com fibras dependem fundamentalmente da aderência fibra/matriz. Uma alta aderência entre a fibra e a matriz reduz o tamanho das fissuras e amplia sua distribuição pelo compósito;

  • Resistência da fibra: Aumentando a resistência das fibras aumenta também a ductilidade do compósito, assumindo que não ocorre o rompimento das ligações de aderência. A resistência da fibra dependerá, na prática, das características pós-fissuração desejadas, bem como do teor de fibra e das propriedades de aderência fibra-matriz;

  • Deformabilidade da fibra: A ductilidade pode ser aumentada com a utilização de fibras que apresentem alta deformação de ruptura. Isto se deve ao fato de compósitos com fibras de elevado grau de deformabilidade consumirem energia sob a forma de alongamento da fibra;

  • Compatibilidade entre a fibra e a matriz: A compatibilidade química e física entre as fibras e a matriz é muito importante. A curto prazo, as fibras que absorvem água podem causar excessiva perda de trabalhabilidade do concreto. Além disso, as fibras que absorvem água sofrem variação de volume, e a aderência fibra/matriz é comprometida. A longo prazo, alguns tipos de fibras poliméricas não possuem estabilidade química frente à presença de álcalis, como ocorre nos materiais à base de cimento Portland. Nesses casos, a deterioração com rápida perda das propriedades da fibra e do compósito pode ser significativa;

  • Comprimento da fibra. Quanto menor for o comprimento das fibras, maior será a possibilidade de elas serem arrancadas. Para uma dada tensão de cisalhamento superficial aplicada à fibra, esta será melhor utilizada se o seu comprimento for suficientemente capaz de permitir que a tensão cisalhante desenvolva uma tensão de tração igual a sua resistência à tração. Na realidade, não basta raciocinar tão somente em cima do comprimento da fibra. Há de se considerar o seu diâmetro. Pois depende também dele a capacidade da fibra em desenvolver as resistências ao cisalhamento e à tração.

 

Compósitos Laminados

 

Os laminados compósitos são um grupo muito particular de um conjunto de materiais que se designam por compósitos, constituídos por uma matriz que aglomera um reforço. Distinguem-se diversos tipos quanto à natureza do reforço (fibras longas, fibras curtas, partículas, etc.), matriz (polimérica, metálica, cerâmica, etc.), processo de fabrico, entre outros.

Os laminados compósitos são, em geral, de matriz polimérica reforçada com fibras longas de alta resistência. Devido à maior rigidez e resistência, os laminados são geralmente de fibra de carbono. As fibras apresentam-se sob a forma de finos filamentos agrupados. A matriz aglomerante permite a transmissão de carga para as fibras e confere a conformabilidade necessária a um material estrutural.

As matrizes poliméricas devem a sua grande aplicação fundamentalmente à baixa densidade e à facilidade de processamento. Os polímeros são constituídos por longas macromoléculas resultantes de reações químicas ditas de polimerização. As matrizes poliméricas dividem-se em dois grupos principais:

 

  • Termoendurecíveis e Termoplásticas.

 

As termoendurecíveis têm uma estrutura reticulada, na qual as cadeias poliméricas estão interligadas por ligações químicas. Estas formam-se numa reação química irreversível, designada por cura, que engloba também a polimerização. Parte-se de produtos de baixo peso molecular e consequentemente de baixa viscosidade, o que facilita grandemente a impregnação das fibras e o posterior fabrico do laminado. A rigidez da estrutura reticulada resulta na insolubilidade, mas com o empecilho de não permitir a reconformação do material.

 

Nas termoplásticas as macromoléculas estão unidas simplesmente por interações físicas e por nós resultantes do emaranhado das cadeias. Estes dividem-se ainda em termoplásticas semicristalinos e amorfas. A estrutura mais aberta permite a reconformação após aquecimento, mas cria problemas de resistência a solventes. Outra grande limitação dos termoplásticos é o difícil processamento, dadas as elevadas viscosidades dos produtos de elevado peso molecular. Os termoplásticos semicristalinos apresentam melhor resistência aos solventes, mas são geralmente frágeis e mais dificilmente processáveis.

As resinas termoendurecíveis são muito mais utilizadas como matrizes de laminados compósitos, sobretudo as resinas de poliéster e de epóxido, estas últimas de melhores características. As propriedades mecânicas das resinas variam consideravelmente com a formulação e com os aditivos. A resistência à compressão é mais elevada que à tração.

 

Fabrico de laminados

 

O fabrico de laminados compósitos comporta geralmente 3 fases:

A primeira consiste na obtenção do chamado pré impregnado, que é uma banda formada por feixes paralelos de fibras embebidos por alguma resina. Esta, sendo geralmente termoendurecível pelas razões acima expostas, está parcialmente curada, o suficiente para garantir a consistência e manuseabilidade necessárias, mas sem prejudicar a posterior consolidação. O tempo de vida útil para efeitos de armazenagem é assegurado por inibidores da cura.

Numa segunda fase cortam-se do pré-impregnado as camadas que vão constituir o laminado, sendo para tal empilhadas num molde adequado. Finalmente há que proceder à conformação e consolidação. A moldação por autoclave é o processo que garante a melhor qualidade, possibilitando o fabrico de peças de grandes dimensões e de forma complexa. O autoclave é basicamente um reservatório cilíndrico no qual se podem gerar pressões até várias atmosferas. A circulação de gás interior proporciona o aquecimento da peça. Aplica-se também vácuo à peça, envolvida para tal por membranas estanques. Um conjunto de materiais auxiliares permite a remoção de voláteis e vazios, bem como a obtenção do teor de resina desejado.

O empilhamento é colocado no molde, separado deste por um filme desmoldante não poroso. Em cima colocam-se sucessivamente um filme desmoldante poroso, uma camada para absorção de resina e um tecido homogeneizador de vácuo. Ao redor dos bordos colocam-se barreiras para impedir o fluxo lateral de resina. O conjunto é envolvido por uma membrana, dentro da qual é aplicado o vácuo. Os ciclos de vácuo, temperatura e pressão são escolhidos e controlados de maneira a proporcionar a qualidade desejada em termos de níveis de porosidade, teor de resina, espessura, entre outro.

 

Um ciclo típico para pré impregnados de resinas termoendurecíveis tem as seguintes fases:

 

  • Aplicação de vácuo e aumento da temperatura;

  • Estágio a uma temperatura intermédia para permitir o fluxo de resina, ainda muito pouco curada;

  • Aplicação de pressão e aumento da temperatura até valores finais máximos, que são mantidos durante 2 a 3 horas;

  • Arrefecimento até à temperatura ambiente sendo mantida alguma pressão.

 

Características dos laminados

 

Obtém-se assim um laminado de excelentes propriedades mecânicas, sobretudo em relação à baixa densidade. A resistência e a rigidez na direção longitudinal (direção das fibras) são extremamente elevadas. As propriedades transversais e de corte são todavia bastante modestas, pois são em grande medida determinadas pela matriz. De forma a evitar esta forte anisotropia, os laminados contêm quase sempre camadas de diferentes orientações.

De fato, são inúmeras as possibilidades de fabrico de laminados, uma vez que é possível variar o número, o conjunto de orientações e a sequência de empilhamento das camadas que os constituem. Podem ainda fazer-se os chamados laminados híbridos, que contêm camadas de diferentes fibras. Há portanto um grande número de variáveis de projeto que permitem adaptar os laminados às solicitações a que estarão submetidos.Trata-se de uma importante vantagem dos laminados compósitos em relação aos tradicionais materiais isotrópicos.

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© Copyright 2016 All Rights Reserved - Shorebreak Composites Co.

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