Materiais Compositos

(Parte 1 de 7)

Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Mecânica Grupo de Análise e Projeto Mecânico

Prof	José Carlos Pereira

CURSO DE PROJETO ESTRUTURAL COM MATERIAIS COMPPOOSSTTOOSS Florianópolis,, agosto de 203

1 –– ASPECTOS GERAIS DOS MATERIAIS CCOOMMPPOOSSTTOOSS	1
1..1–– Definição	1
1..2–– Componentes constituintes de um material ccoommppoossttoo	1
1..2..1 –– FFiibbrraass	1
1..2..2 –– Matrizes	1
1..3 –– Interese dos materiais ccoommppoossttooss	3

1..7 –– Procesos de ffaabbrriiccaaççããoo	11
1..7..1 –– Moldagem sem pprreessssããoo	122
1..7..2 –– Moldagem por projeção ssiimmuullttâânneeaa	133
1..7..3 –– Moldagem a vvááccuuoo	144
1..7..4 –– Moldagem por compresão a ffrriioo	14
1..7..5 –– Moldagem por iinnjjeeççããoo	144
1..7..6 –– Moldagem em ccoonnttíínnuuoo	155
1..7..7 –– Moldagem por cceennttrriiffuuggaaççããoo	166
1..7..8 –– Bobinamento cciirrccuunnffeerreenncciiaall	17
1..7..9 –– Bobinamento hheelliiccooiiddaall	188
1..7..100 –– Bobinamento ppoollaarr	199

1..8..2 –– Sanduíche

21

2 –– CONSTANTES ELÁSTICAS DOS MATERIAIS CCOOMMPPOOSSTTOOSS	255
2..1 –– Equações constitutivas para materiais ccoommppoossttooss	255
2..2 –– Efeito da tteemmppeerraattuurraa	299

3..2 -- Efeito da tteemmppeerraattuurraa

377

4..1..1 –– Comportamento em mmembbrraannaa	3388
4..1..2 –– Comportamento em fflleexxããoo	455
4..1..3 –– Efeito da tteemmppeerraattuurraa	554
5 –– CRITÉRIOS DE RRUUPPTTUURRAA	588
5..1 –– Critério de tensão mmááxxiimmaa	588
5..2 –– Critério de deffoorrmmaaççããoo mmááxxiimmaa	599
5..3 –– Comparação entre os ccrriittéérriios de tensão máxima e de deffoorrmmaaççããoo máxima	6600

5..4 –– Método de deggrraaddaaççããoo

7788

6..1 –– Campo de dessllooccaammeennttooss	8888
6..2 –– Energia de deffoorrmmaaççããoo eelleemmeennttaarr	992

6..6..1 –– Freqüências naturais e modos dde vviibbrraaççããoo

10033

6..7..3 –– Quadro de bicicleta ((a))	11006
6..7..4 –– Raquete de ttêênniiss	11006
6..7..5 –– Caroceria de caminhão bbaaúú	11007
6..7..6 –– Casco de ccaattaammaarraann	11007

6..7..8 –– Chasi de um caminhão lleevvee

11008

7..1 –– Equações diferencias de ppllaaccaass	10099
7..2 –– Equações de placa ccoonnssiiderrannddoo a ffllammbbaggeemm	111111

Curso de projeto estrutural com materiais compostos 1 1 –– ASPECTOS GERAIS DOS MATERIAIS COMPOSTOS

1..1–– Definição

Um material composto é formado pela união de dois materiais de naturezas diferentes, resultando em um material de performance superior àquela de seus componentes tomados separadamente. O material resultante é um arranjo de fibras, contínuas ou não, de um material resistente (reforço) que são impregnados em uma matriz de resistência mecânica inferior as fibras.

1..2–– Componentes constituintes de um material composto

A(s) fibra(s) é o elemento constituinte que confere ao material composto suas características mecânicas: rigidez, resistência à ruptura, etc. As fibras podem ser curtas de alguns centímetros que são injetadas no momento da moldagem da peça, ou longas e que são cortadas após a fabricação da peça.

Os tipos mais comuns de fibras são: de vidro, de aramida (kevlar), carbono, boro, etc. As fibras podem ser definidas como sendo unidirecionais, quando orientadas segundo uma mesma direção; bidimensionais, com as fibras orientadas segundo duas direções ortogonais (tecidos), Figura 1.1 e Figura 1.2, ou com as fibras orientadas aleatoriamente (esteiras), Figura 1.3; e tridimensionais, quando as fibras são orientadas no espaço tridimensional (tecidos multidimensionais).

As matrizes têm como função principal, transferir as solicitações mecânicas as fibras e protegê-las do ambiente externo. As matrizes podem ser resinosas (poliéster, epóxi, etc), minerais (carbono) e metálicas (ligas de alumínio).

Aspectos gerais dos materiais compostos 2 Figura 1.1 – Tecido - padrão 1

Figura 1.2 – Tecido - padrão 2

Figura 1.3 – Esteira (fibras contínuas ou cortadas)

Curso de projeto estrutural com materiais compostos 3

A escolha entre um tipo de fibra e uma matriz depende fundamentalmente da aplicação ao qual será dado o material composto: características mecânicas elevadas, resistência a alta temperatura, resistência a corrosão, etc. O custo em muitos casos pode também ser um fator de escolha entre um ou outro componente. Deve ser observada também a compatibilidade entre as fibras e as matrizes.

1..3 –– Interese dos materiais compostos

O interesse dos materiais compostos está ligado a dois fatores: econômico e performance. O fator econômico vem do fato do material composto ser muito mais leve que os materiais metálicos, o que implica numa economia de combustível e conseqüentemente, num aumento de carga útil (aeronáutica e aeroespacial). A redução na massa total do produto pode chegar a 30 % ou mais, em função da aplicação dada ao material composto. O custo de fabricação de algumas peças em material composto pode ser também sensivelmente menor se comparado com os materiais metálicos. O fator performance está ligado a procura por um melhor desempenho de componentes estruturais, sobretudo no que diz respeito às características mecânicas (resistência a ruptura, resistência à ambientes agressivos, etc.). O caráter anisotrópico dos materiais compostos é o fator primordial para a obtenção das propriedades mecânicas requeridas pelo componente.

os materiais compostos sejam cada vez mais utilizados dentro de atividades esportivas

A leveza juntamente com as excelentes características mecânicas faz com que

1..4 –– Aplicações dos materiais compostos

A aplicação dos materiais compostos surgiu inicialmente na área aeronáutica devido a necessidade de diminuição de peso, preservando a robustez dos componentes estruturais. Atualmente uma grande variedade de peças em materiais compostos podem ser encontradas nos aviões em substituição aos materiais metálicos: fuselagem, spoilers, portas de trem de aterrissagem, portas internas, etc., Figura 1.4. Em muitos destes componentes, sua concepção foge da definição dada

Aspectos gerais dos materiais compostos 4 inicialmente para materiais compostos, pois nestes casos os componentes são fabricados normalmente em placas de baixa densidade, contra-placadas por placas finas de alta resistência. Esta configuração normalmente é dita sanduíche. De uma forma mais ampla, estas configurações são também consideradas “materiais compostos”, pois combinam diferentes materiais.

Figura 1.4 – Componentes em material composto em aviões-caça

Dentro da área aeronáutica, os helicópteros possuem também vários componentes em material composto: pás da hélice principal, hélice traseira, árvore de transmissão, fuselagem, etc, Figura 1.5.

Figura 1.5 – Componentes em material composto em helicópteros

Curso de projeto estrutural com materiais compostos 5

molas laminadas, painéis, etc., Figura 1.6

A utilização dos materiais compostos dentro da industria automobilística é bem mais recente do que na área aeronáutica. Inicialmente, eram produzidos somente párachoques e tetos de automóveis. Atualmente, o material composto é utilizado para a fabricação de capôs, carters de óleo, colunas de direção, árvores de transmissão,

Uma das grandes vantagens trazidas para o meio automobilístico pelos materiais compostos é, além da redução do peso, a facilidade em confeccionar peças com superfícies complexas.

Figura 1.6 – Componentes em material composto em automóveis

Uma atividade esportiva notória que emprega material composto é a Fórmula 1, que pode ser considerada como um laboratório para as inovações tecnológicas. Em muitos casos, o que se emprega dentro dos carros de Fórmula 1, será utilizado futuramente nos carros de passeio. Neste caso, o aumento da relação potência/peso é fundamental para um bom desempenho do carro nas pistas. A configuração mais freqüentemente utilizada nestes carros é do tipo sanduíche que é utilizada para a confecção da carroceria.

Em praticamente todas as atividades esportivas, a redução do peso está diretamente ligada a redução do tempo de execução de uma prova esportiva. Como exemplo disto, podemos citar: barcos a vela, skis, bicicletas, etc. Em alguns casos, o que se procura é a agilidade, e a perfeição de alguns golpes, como no tênis, com suas raquetes; no golfe, com seus tacos; e no surf, com suas pranchas.

Aspectos gerais dos materiais compostos 6

Figura 1.7 – Barcos a vela Figura 1.8 – Ski

Uma aplicação bem recente dos materiais compostos na área aeroespacial são os painéis solares de satélites, confeccionados em uma configuração sanduíche, Figura 1.9, e os motores de último estágio dos lançadores de satélites, confeccionados a partir do bobinamento das fibras sobre um mandril, Figura 1.10.

Figura 1.9 – Painéis solares de satélite

Curso de projeto estrutural com materiais compostos 7

Figura 1.10 – Propulsor de último estágio de lançador de satélite 1..5 –– Propriedades físicas principais

Metais Massa volum

M ódul o de elasticidade Módul o de cisalhamento Coeficient

e de poisson Tensão de r uptura à t ração (M

Pa) Alongamento à rupt ura (%

Coeficient e de dilatação térm ica 1

Temperat ura limite de utilização ρ E G ν σ ε α Tmax aços 7800 205000 79000 0,3 400 a 1600 1,8 a 10

ligas de titânio 40 105000 40300 0,3 1200 14 0,8.10-5 700

Cobre 80 125000 48000 0,3 200 a 500 1,7.10-5 650

Aspectos gerais dos materiais compostos 8

Fibras Massa volumét

Módulo de elasticidade Módulo de ci sal ham ento

Coeficiente de po isson

Tensão de rupt ura à tração

Alonga mento à ruptur a (%)

Coeficiente de dil atação t érmica

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