Cap. 17 - CompósitosDefinição: 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
compósitos naturais:
-osso; colágeno (proteína forte mas mole) 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 endurecidosmatriz; metal (Co, Ni)fase dispersa; (WC, TiC)
Disciplina: EET – 310 Princípio de Ciência dos Materiais (PCM)
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, sãorígidas 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 baixopeso. 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:Ec = Em.Vm + Ef.Vf (eq. 17.10a )
Ec = Em.(1-Vf) + Ef.Vf (eq. 17.10b )ou
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
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:
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:
fibras de vidro, vantagens:(3µm < diâm. < 20µm)
-alta resistência e facilm. estiradas do estado fundido-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
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
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
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 outroCerâmico (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 comfibras 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, fuselageme revestimento do leme horizontal)
Métodos de Processamento de Compósitos (reforçados com fibras) :
Prepeg: mais utilizada para aplicações estruturais. As fibras contínuas são pré-impregnadas com resina polimérica parcialmente curada.
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
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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