Compósito

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Materiais compósitos ou compostos ou composite (em inglês), são aqueles que possuem pelo menos dois componentes ou duas fases, com propriedades físicas e químicas nitidamente distintas em sua composição. Separadamente, os constituintes do compósito mantém suas características porém, quando misturados, formam um composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles. Alguns exemplos são metais e polímeros, metais e cerâmicas ou polímeros e cerâmicas.

A aplicação de materiais compósitos vai desde simples artigos utilizados no dia a dia até aplicações em produtos de alta tecnologia. A aplicação desses materiais é uma realidade atual nas indústrias de ponta, com destaque no segmento aeronáutico e aeroespacial. Diversos projetos já foram desenvolvidos considerando-se suas propriedades, tais como: F-18 e F-22 no segmento aeronáutico militar; e Airbus 380 e Boeing 787 no segmento de aeronáutica civil. A título de curiosidade, já antigas civilizações utilizavam compósitos (palha+barro) na produção de tijolos.

Os materiais que podem compor um material compósito podem ser classificados em dois tipos: matriz e reforço.

  • O material matriz 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.
  • Os materiais reforços são os que realçam as propriedades mecânicas, electromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo.

Pode ainda surgir uma sinergia entre material matriz e materiais reforços que resulta em um material compósito final, com propriedades não existentes nos materiais constituintes individualmente. A grande variedade de matrizes e materiais de reforço permite que seja selecionada uma combinação ótima nos projetos.

Descrição dos materiais compósitos[editar | editar código-fonte]

Material de Reforço[editar | editar código-fonte]

Matriz[editar | editar código-fonte]

[1]A faze matriz dos compósitos fibrosos pode ser um metal, um polímero ou uma cerâmica. Em geral, os metais e os polímeros são usados como os materiais de matrizes, pois alguma ductilidade é desejável. Nos compósitos reforçados com fibras, a fase matriz serve para varias funções. Em primeiro lugar, ela une as fibras umas ás outras e atua como o meio através do qual uma tensão aplicada externamente é transmitida e distribuída para as fibras, apenas uma proporção muito pequena de uma carga aplicada é suportada pela fase matriz. A segunda função da matriz é de proteger as fibras individuais contra danos superficiais em decorrência de abrasão mecânica ou de reações químicas com o ambiente. Tais interações podem introduzir defeitos superficiais que são capazes de formar trincas, as quais podem levar a falha sob baixos níveis de tensão de tração. Finalmente, a matriz separa as fibras e, em virtude de sua relativa baixa dureza e plasticidade, previne a propagação de trincas frágeis de uma fibra para a outra, o que poderia resultar em uma falha catastrófica, em outras palavras a faze matriz serve como uma barreira contra a propagação de trincas. Embora algumas das fibras individuais falhem, a fratura total do compósito não irá ocorrer até que um grande número de fibras adjacentes, uma vez que tenham falhado, forme um aglomerado com dimensões críticas.

  • Matriz Polimérica
  • Matriz Metálica
  • Matriz Cerâmica

Compósitos Híbridos[editar | editar código-fonte]

[1]O Compósito híbrido é um compósito reforçado com fibras, obtido utilizando-se dois ou mais tipos de fibras diferentes em uma única matriz, os híbridos possuem uma melhor combinação global de propriedades do que compósitos que contêm apenas um único tipo de fibra . É utilizada uma variedade de combinações de fibras e de materiais para a matriz, mas, no sistema mais comum, tanto fibras de carbono quanto fibras de vidro são incorporadas em uma resina polimérica. As fibras de carbono são resistentes e relativamente rígidas e proporcionam um reforço de baixa massa específica, no entanto, elas são caras. As fibras de vidro são baratas, mas carecem da rigidez do carbono. O híbrido vidro-carbono é mais resistente e mais tenaz, possui maior resistência ao impacto e pode ser produzido a um custo menor do que os respectivos compósitos totalmente reforçados com fibras de carbono ou com fibras de vidro. Existe uma grande variedade de maneiras pelas quais as duas fibras diferentes podem ser combinadas e, finalmente, afetar as propriedades globais.

Propriedades Físicas[editar | editar código-fonte]

As propriedades físicas dos materiais compósitos não são normalmente isotrópicas na natureza, mas anisotrópicas. Ou seja a rigidez de um compósito depende da direção de aplicação da carga, da geometria e da orientação do reforço utilizado. Já para materiais isotrópicos, a rigidez não depende da direção de aplicação da carga, em todas as direções apresentam as mesmas propriedades.

A relação entre força e momento, e Tensão e curvatura para um material isotrópico pode ser descrita com as seguintes propriedades do material: Módulo de Young(E), Módulo de Cisalhamento(G) e Coeficiente de Poisson(v),  em relações matemáticas relativamente simples. Para materiais anisotrópicos, é requerido tensores de segunda ordem e até 21 constantes de propriedades do material. Para os casos de materiais ortotrópicos existem três constantes de propriedades materiais diferentes para cada modulo de Young, módulo de Cisalhamento e coeficiente de Poisson, num total de 9 constantes para descrever a relação entre força/momento, e tensão/ curvatura.

Modos de Falha[editar | editar código-fonte]

Impacto, choque, ou tensões cíclicas podem fazer com que o laminado se separe na interface de duas laminas, condição conhecida como delaminação. As fibras individuais podem se separar da matriz.

Compósitos podem falhar em escala microscópica ou macroscópica. Falhas devido a compressão podem ocorrer tanto numa escala macro ou nas fibras individualmente devido flambagem. Falhas devido a tensão podem ser na seção, ou degradação do compósito numa escala microscópica em que uma ou mais das camadas falham falham na matriz ou na ligação da matriz com as fibras.

Testes

Para auxiliar na previsão e prevenção de falhas, compósitos são testados antes e depois da construção. Os testes antes da construção podem ser analises de elementos finitos para analisar de camada por camada das superfícies curvas e assim prever o enrugamento, ou podem ser ensaio destrutivos para obter as propriedades necessárias para projeto de um novo laminado como ensaio de tração, compreção entre outros . Os materiais podem ser testados durante a fabricação e apos a fabricação por vários métodos não destrutivos, como ultra sons, termografia, raios-X, etc.

Critério de Falha[editar | editar código-fonte]

A teoria da falha é a ciência de prever as condições sob as quais os materiais sólidos falham sob a ação de cargas externas. A falha de um material é geralmente classificada em quebra frágil (fractura) ou falha dúctil (rendimento). Dependendo das condições (tais como temperatura, estado de tensão, taxa de carregamento), a maioria dos materiais pode falhar de uma forma frágil ou dúctil, ou ambos. No entanto, para a maioria das situações práticas, um material pode ser classificado como quebradiço ou dúctil. Embora a teoria das falhas tenha estado em desenvolvimento há mais de 200 anos, seu nível de aceitabilidade ainda está para alcançar o da mecânica contínua.

Em termos matemáticos, a teoria da falha é expressa na forma de vários critérios de falha que são válidos para materiais específicos. Os critérios de falha são funções no espaço de tensão ou tensão que separam os estados "falhos" dos estados "infalíveis". Uma definição física precisa de um estado "falhado" não é facilmente quantificada e várias definições de trabalho estão em uso na comunidade de engenharia. Muitas vezes, critérios fenomenológicos de falha da mesma forma são usados ​​para prever falha frágil e rendimento dúctil.[2]

Alguns dos critérios de falha que são utilizados para compósitos são:

Tsai-Wu[editar | editar código-fonte]

O critério de falha Tsai-Wu é uma teoria fenomenológica de falha de material que é amplamente utilizada para materiais compósitos anisotrópicos que têm forças diferentes em tensão e compressão[3]. O critério de Tsai-Wu prevê falha quando o índice de falha em um laminado alcança 1. Este critério de falha é uma especialização do critério de falha quadrática geral proposto por Gol'denblat e Kopov[4] e pode ser expresso na forma

onde e índices repetidos indicam soma, e são parâmetros de resistência do material determinados experimentalmente. As tensões são expressas na notação Voigt. Se a superfície de falha for fechada e convexa, os termos de interação devem satisfazer.

O que implica que todos os termos devem ser positivos.

Tsai-Hill[editar | editar código-fonte]

Tsai-Hill Modificado[editar | editar código-fonte]

Máxima tensão[editar | editar código-fonte]

O critério de falha de Máxima Tensão utiliza as tensões normais e de cisalhamento no sistema nas direções principais e as tensões máximas de falha do material empregado. O critério determina que se a tensão em uma direção principal for maior que aquela máxima do material na sua direção principal correspondente. Logo, podemos expressar de maneira matemática quando ocorre a falha como mostrado abaixo:

Máxima deformação[editar | editar código-fonte]

O critério de falha de Máxima Deformação determina que o material virá a falha caso sua deformação em uma das direções principais seja maior que a máxima deformação do material suporta. Esta é uma análise análoga ao critério de falha de Máxima Tensão, onde neste caso as informações necessárias são as deformações máximas do material. De maneira a exemplificar matematicamente, podemos expressar este critério de falha acontecerá se:

Exemplos de aplicação dos compósitos[editar | editar código-fonte]

  • Capacetes (kevlar) de protecção individual de algumas forças militares.
  • Coletes à prova de balas (kevlar).
  • O betão armado (cimento e aço).
  • Bicicletas (carbono).
  • Varas (atletismo)
  • Alguns barcos da classe olímpica laser (fibra de vidro ou carbono).
  • Pranchas de Surf, skimboard e windsurf.
  • Pás (rotores de helicópteros e hélices propulsoras de aviões).
  • Canas de pesca (grafite ou carbono ou fibra de vidro).
  • Raquetes de ténis (em carbono).
  • Reparo e reforço de estruturas metálicas como tubos e tanques de armazenamento etc.

Referências

  1. a b CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002
  2. «Material failure theory». 
  3. Tsai, S. W. and Wu, E. M. (1971). A general theory of strength for anisotropic materials.Journal of Composite Materials. vol. 5, pp. 58–80.
  4. Gol'denblat, I. and Kopnov, V. A. (1966). Strength of glass reinforced plastic in the complex stress state. Polymer Mechanics, vol. 1, pp. 54–60. (Russian: Mechanika Polimerov, vol. 1, pp. 70–78. 1965)

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

Galeria[editar | editar código-fonte]