Cap. 17 - Compósitos

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Disciplina: EET – 310 Princípio de Ciência dos Materiais (PCM)
Cap. 17 - Compósitos
Definição: Material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades dos
materiais que o constitui.
Obs: -Na prática os constituintes devem ser quimicamente diferentes e separados por uma
interface
- Muitos compósitos são constituídos por apenas duas fases; matriz e fase dispersa
 liga metálica (perlita):
-ferrita (Feα); dúctil e mole
-cementita (Fe3C); frágil e dura
-osso; colágeno (proteína forte mas mole)
 compósitos naturais:
e apatita (mineral duro porém frágil)
-madeira; fibras de celulose (resistentes e flexíveis)
envolvidas pela lignina (rígida)
Exemplos:
concreto:
-matriz; cimento
-fase dispersa; areia (enchimento) e brita
 cermets (cerâmica-metal), ex.: carbetos cimentados
aplicação: ferramentas de corte de aços endurecidos
matriz; metal (Co, Ni)
fase dispersa; (WC, TiC)
 Fatores que influem nas propriedades dos compósitos: propriedades das fases, quantidades relativas e
geometria da fase dispersa (forma, tamanho, distribuição e orientação)
Obs: Fração volumétrica; parâmetro que influencia nas propriedades mecânicas dos compósitos
Classificação dos compósitos:
 Reforçados com patículas:
- grandes; as interações não são em nível atômico ou molecular, são
rígidas e restringem o movim. da matriz e, suportam parte da carga aplicada
- por dispersão; partículas entre 0,01 e 0,1 µm que dificultam o movim de
discord., restringindo a deform. plast. e melhorando a e o LRT e a H.
 Reforçados com fibras; tecnologicamente são os mais importantes para alta resist. e/ou rigidez com baixo
peso. Parâmetros considerados:
-resistência específica (LRT / densidade relativa do material)
-módulo específico (E / densidade relativa do material)
Obs:
-As características mecânicas dos compósitos além das propr. das fibras também dependem da transferência de
carga da matriz para as fibras.
-É necessário um comprimento crítico da fibra (Lc) para aumentar a resistencia e rigidez do compósito.
ex.: Lc = 1 mm e 20d < Lc < 150d para vários tipos de matriz com fibra de vidro ou C e L
-fibras contínuas L > > Lc (L > 15Lc).
-fibras descontínuas (L < Lc);
a matriz se deforma ao redor das fibras, não há transferencia de carga
-as orientações, concentração e distribuição das fibras também influem nas propriedades
Comportamento Elástico – Carregamento Longitudinal:
ou
Ec = Em.Vm + Ef.Vf (eq. 17.10a )
Ec = Em.(1-Vf) + Ef.Vf (eq. 17.10b )
Fibras:
Obs: materiais frágeis na forma de são mais resistentes que os mesmos na forma de volume (< probab. de defeito
crítico superficial produzir trinca)
Classificação das fibras:
 uísqueres; monocristais (com elevada perfeição cristalina) com razão comprimento /diâmetro
muito alta.
São os
materiais mais resistentes existentes e isentos de defeito.
 fibras: policristalinas ou amorfas com diâmetro relativamente pequenos. São geralmente polímeros (aramidas) ou
cerâmicas (vidro, C, B, alumina)
arames: tem diâmetro relativamente grandes. Incluem o aço, Mo e W
Matriz: Pode ser metal, polímero ou cerâmico. Para aplicações que requerem ductilidade opta-se por
metais ou polímeros
Funções da matriz em compósitos reforçados com fibras:
Meio de transmissão de carga.
Proteção das fibras individuais contra danos superficiais (abrasão mecânica ou reações químicas com o meio.
Separação das fibras para evitar a propagação de trincas.
Compósitos com Matriz Polimérica(PMC) reforçadas com:
-alta resistência e facilm. estiradas do estado fundido
 fibras de vidro, vantagens:
(3µm < diâm. < 20µm)
-proporciona alta resist. específica no interior da matriz de plastico
-inerte quimicamente junto com plástico( pode ser usada
em ambientes corrosivos)
- aplicações, ex: indústria de transporte para < peso dos veículos e > eficiência dos combustíveis
 fibras de C, vantagens:
-maiores resist. espec. e mód. espec. dentre todos os mat. fibrosos
-mantêm estas propr. em temperaturas elevadas (mas; problema de oxidação)
- não são afetadas por umidade, vários solventes , ácidos e bases
-custo relativam baixo dos seus compósitos
- aplicações, ex: equipam. esportivos (tacos de golfe), componentes estruturais de aeronaves
 fibras aramidas, vantagens:
(nomes comerciais: Kevlar
e nomex)
-materiais com cuja realação resistência – peso superam às dos metais
-seu LRT é > aos demais materiais poliméricos fibrosos
- tem alta tenacidade, resist. ao impacto, à fluência e à fadiga ( mas fracas
sob compressão
- resistentes à combustão (embora termoplásticas)
- embora susceptíveis à degradação por ácidos e bases fortes, são inertes
a outros solventes e produtos químicos
-aplicações; normalmente usadas com matriz de epóxi ou
poliésteres, ex: produtos balísticos ( coletes à prova de balas
Compósitos com Matriz Metálica (MMC):
-utilizadas em > temperaturas que seus metal-base
-tipos de reforços; partículas, fibras contínuas (C, SiC, alumina
e metais refratários.
- funções do reforço, melhorar: sua resist. espec., rigidez espec.,
resist à abrasão, resist. à fluência, condut.
térm. e estabilidade dimensional.
 Vantagens dos MMC em relação aos PMC:
-tem > resist. à degradação por fluidos orgânicos
- podem ser usados em > temperaturas
- não são inflamáveis
Algumas aplicações de MMC:
- recente: componentes de motores de automóveis com matriz Al reforçada com fibras de alumina (
compósitos leves, resist. ao desgaste e à distorções térmicas
- estruturais; matriz de Al reforçada com fibras de B para ônibus espaciais
-espaciais; matriz de Al com fibras de grafita para o telescópio Hubble.
Compósitos com Matriz Cerâmica (CMC):
Obs:
-Os materiais cerâmicos são mais resistentes à oxidação e deterioração em temperaturas elevadas,
não fosse a sua fragilidade seriam ideais para aplicações nestas temperaturas e severas condições de
Tensão como em motores de turbina a gás. Tem tenacidade a fratura (KIC) muito inferior à dos metais.
-A KIC dos cerâmicos tem melhorado com a geração de CMC com partículas, fibras ou uísqueres de outro
Cerâmico (a trinca iniciada na matriz é barrada ou retardada pela fase dispersa)
 Algumas vantagens dos CMC :
-boa resist. à fluência à temperaturas elevadas
- tem > resist. à choques térmicos
Algumas aplicações de CMC: alumina reforçada com uísqueres de SiC usadas como enxerto em ferramentas de corte
para usinagem de ligas metálicas duras (vida útil > do que ferramentas com carbetos cimentados).
Compósitos estruturais: São compostos tanto por materiais homogêneos quanto por materiais cujas
propriedades dependem da geometria dos seus constituintes (além das suas características individuais).
-Tipos:
 Compósitos laminares : Folhas ou painéis bidimensionais
empilhados e cimentados e, com uma direção preferencial
de alta resistência.Ex.: madeira, plásticos reforçados com
fibras contínuas e alinhadas.
 Painéis em sanduíche : Duas folhas externas (faces) mais
resistentes separadas por material menos denso e menos
rígido (recheio).
-materiais típicos para as faces: ligas de Al, plásticos reforçados
com fibras, Ti, aço e madeira compensada.
-recheio: polímero em espuma, borracha sintética
Obs: Outro recheio popular: estrutura
em colméia (finas folhas intertravadas
em formato hexagonal com eixos
perpendiculares às faces.
Aplicações: pisos, telhados, paredes
de prédios, aeronaves ( asas, fuselagem
e revestimento do leme horizontal)
Métodos de Processamento de Compósitos (reforçados com fibras) :
 Pultrusão: para componentes com comprimento contínuo e secção reta constante (barras, tubos, vigas)
-matriz; poliéster, éster vinílico, resina epóxi
-reforço: fibras de vidro, fibras de C e fibras aramidas
 Prepeg: mais utilizada para aplicações estruturais. As fibras contínuas são pré-impregnadas com resina
polimérica parcialmente curada.
Enrolamento de filamento: As fibras são posicionadas em um padrão pré-determinado para obtenção de uma
forma oca (em geral cilíndrica).
Obs:
- Esta técnica permite um elevado controle sobre a uniformidade e orientação dos enrolamentos
-Vários padrões de enrolamento são possíveis; circunferencial, helicoidal e polar
-São obtidas peças com altas razões entre resistência e peso.

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