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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DO GRADIENTE DE RESISTÊNCIA EM
COMPÓSITO DE MECHA HÍBRIDA VIDRO/KEVLAR
APÓS IMPACTO DE BAIXA VELOCIDADE
RAYANE DANTAS DA CUNHA
NATAL - RN, 2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
ESTUDO DO GRADIENTE DE RESISTÊNCIA EM
COMPÓSITO DE MECHA HÍBRIDA VIDRO/KEVLAR
APÓS IMPACTO DE BAIXA VELOCIDADE
RAYANE DANTAS DA CUNHA
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
(PPGEM) da Universidade Federal do Rio
Grande do Norte como parte dos requisitos
para a obtenção do título de mestre em
engenharia mecânica.
Orientadores: Prof. Dr. Raimundo Carlos Silvério Freire Júnior
Prof. Dr. Wanderley Ferreira de Amorim Júnior
NATAL - RN
2018
ESTUDO DO GRADIENTE DE RESISTÊNCIA EM
COMPÓSITO DE MECHA HÍBRIDA
VIDRO/KEVLAR APÓS IMPACTO DE BAIXA
VELOCIDADE
RAYANE DANTAS DA CUNHA
Dissertação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica (PPGEM) da Universidade Federal do Rio Grande do
Norte
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Raimundo Carlos S. Freire Júnior _______________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador
Prof. Dr. Wanderley Ferreira de Amorim Júnior _______________________
Universidade Federal de Campina Grande – Co-orientador
Prof. Dr. Evans Paiva da Costa Ferreira _______________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Externo
Drª. Camila Medeiros Dantas de Azevedo _______________________
Avaliador Externo
NATAL, 14 de Agosto de 2018.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Cunha, Rayane Dantas da.
Estudo do gradiente de resistência em compósito de mecha híbrida
vidro/Kevlar após impacto de baixa velocidade / Rayane Dantas da Cunha.
- 2018.
77 f.: il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte,
Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Natal, RN, 2018.
Orientador: Prof. Dr. Raimundo Carlos Silverio Freire Júnior.
Coorientador: Prof. Dr. Wanderley Ferreira de Amorim Júnior.
1. Materiais compósitos - testes - Dissertação. 2. Impacto drop test
- Dissertação. 3. Resistência Residual - Dissertação. 4. Tecido Híbrido
- testes - Dissertação. 5. Vidro-E - Dissertação. 6. Kevlar-49 -
Dissertação. I. Freire Júnior, Raimundo Carlos Silverio. II. Amorim
Júnior, Wanderley Ferreira de.
RN/UF/BCZM CDU 620.1
Elaborado por Kalline Bezerra da Silva - CRB-15/327
Dedicatória
Dedico este trabalho aos meus pais, Maria do Nascimento e Arnóbio
Meira, pela educação, força e exemplo de vida e ao meu irmão, Ricardo Alex,
pelo apoio e conselhos dados.
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas
pessoas as quais presto minha homenagem:
A Deus, pela vida, pela saúde e por me conceder inspiração,
entendimento, força de vontade e oportunidades para eu chegar até aqui.
À minha família, principalmente aos meus pais, Arnóbio Meira da Cunha
e Maria do Nascimento Dantas da Cunha, e ao meu irmão, Ricardo Alex Dantas
da Cunha, por toda base e amor durante minha vida, toda minha admiração e
eterna gratidão.
Ao professor Dr. Raimundo Carlos Silverio Freire Júnior, não só pela
orientação e pelos ensinamentos transmitidos, mas pelo grande apoio, incentivo,
amizade, confiança e paciência. Meus sinceros agradecimentos.
Ao professor Dr. Wanderley Ferreira de Amorim Júnior, pela co-
orientação dessa pesquisa, pelo carinho, ensinamentos e incentivos dados.
Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, pela
oportunidade para desenvolvimento deste trabalho.
À Universidade Federal de Campina Grande, em especial aos que fazem
parte do Laboratório de Projetos e Instrumentos (LPI), pela disponibilidade dos
equipamentos e ajuda na realização dos ensaios de impacto, de soma
importância para o desenvolvimento dessa pesquisa pela ajuda
Ao Instituto Federal do Rio Grande do Norte, em nome da professora
Renata Carla Tavares dos Santos Felipe, pela realização dos ensaios de flexão
de três pontos.
Ao grupo “Bolsistas de Raimundo”, em especial Jayna Dionísio,
Maxdavid Campos e José Neto, pelos ensinamentos transmitidos e
disponibilidade para desenvolver parte desta dissertação.
Aos amigos, em nome de Talita Galvão Targino, pelo apoio e irmandade
durante toda minha trajetória acadêmica, e a todos os outros que contribuíram
de forma direta ou indiretamente para que eu conseguisse concluir esta etapa.
Muito obrigada!
" Seja você quem for, seja qual for a posição social que você tenha na vida, a
mais alta ou a mais baixa, tenha sempre como meta muita força, muita
determinação e sempre faça tudo com muito amor e com muita fé em Deus,
que um dia você chega lá. De alguma maneira você chega lá. ”
Ayrton Senna
Cunha, R.D. Estudo do Gradiente de Resistência em Compósito de Mecha
Híbrida Vidro/Kevlar Após Impacto de Baixa Velocidade. 2018. 77 p.
Dissertação de Mestrado (Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018.
Resumo
Os materiais compósitos possuem uma alta eficiência estrutural, mas que é
comprometida quando submetida a cargas de impacto. Dentre os tipos de
impactos, o de baixa velocidade é considerado uma solicitação perigosa, por que
são impactos mais comum de ocorrer e que provocam danos que nem sempre
são visíveis à olho nu, ou que podem ser encobertos por acabamentos
superficiais. Diante disso, o presente estudo tem como objetivo fazer uma análise
da resistência residual à flexão em três pontos, bem como avaliar a presença do
tipo de tecido de mecha híbrida de um laminado compósito de matriz polimérica
estér vinílica, sujeito a impactos de baixa velocidade (Drop Test). Os testes de
impacto foram realizados utilizando duas energias (61 J e 76 J) até a perfuração
dos corpos de prova. Como resultado verificou-se que o laminado apresentou
boa resistência ao impacto e as propriedades de flexão em três pontos,
resistência e rigidez, foram pouco alteradas depois do impacto. Com o objetivo
de se entender melhor tais comportamentos, estudos comparativos se fazem
necessários. Para tanto, utilizou-se nessa análise um outro laminado compósito
semelhante e existente na literatura. Ao término dos estudos, foi observado que
a utilização do tecido de mecha hibrida, influenciou diretamente nos resultados,
com ganho na resistência ao impacto e redução da área de dano.
Palavras-chave: Impacto drop test, Resistência Residual, Tecido Híbrido, Vidro-
E, Kevlar-49.
Cunha, R. D. Study of the Resistance Gradient in Hybrid Glass / Kevlar
Mecha After Low Speed Impact. 2018. 77 p. Master’s Dissertation in
Mechanical Engineering - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN,
2018.
Abstract
Composite materials are high structural efficiency that are compromised when
suffer impact loads. Among the kind of impacts, the low speed kind is considered
a dangerous effort, because they are more common impacts to occur and cause
damages that are not always checked by naked eyes or that may be hidden by
surface finishes. Therefore, the present study objective was to analyze bending
residual resistance in three-point, as well as to evaluate the presence of the tissue
type of hybrid wick in a composite laminate of ester vinyl polymer matrix,
subjected to low speed impacts (Drop Test). The impact tests were performed
using two energies (61 J and 76 J) until the drilling of the specimens. As a result,
was verified good impact strenght at the laminate and the properties three-point
bending strenght, stiffness and strenght were slightly changed after impact. In
order to better understand these behaviors, comparative studies are necessary.
At this purpose, another similar laminate composite, presented in the literature,
was used at this analysis. Ended the studies, it was seen that the hybrid wick
tissue, straightly influenced the results, with an increase impact strength and
damaged area reduction.
Keywords: Low Velocity Impact, Residual Strength, Hybrid Fabric, E-Glass,
Kevlar-49.
Lista de Ilustrações
Figura 2.1: Forma de comercialização das fibras de vidro: a) Roving; b) Moída; c) Manta;
d) Tapes; e) Tecido; f) Véu de superfície ...................................................................... 9
Figura 2.2: Principais formas de comercialização das fibras Kevlar: a) Roving; b) Tapes;
c) Tecido ..................................................................................................................... 11
Figura 2.3: Tecido com mecha híbrida - Kevlar e Vidro ............................................... 12
Figura 2.4: Tecido com mechas de fibras diferentes –Vidro e Kevlar .......................... 13
Figura 2.5: Configuração do laminado híbrido - Vidro/Kevlar (interply) ....................... 13
Figura 2.6: Dispositivo de teste de impacto de alta velocidade (pistola de gás) .......... 16
Figura 2.7: Desenho esquemático de um equiamento para ensaios de impacto e
posicionamentos dos corpos de prova para os ensaios Charpy e Izod ....................... 18
Figura 2.8: Dispositivo de teste de impacto drop test ................................................. 19
Figura 2.9: Esquema representativo do ensaio do impacto por drop test .................... 20
Figura 2.10: Modos de dano comumente observados no impacto de queda de peso . 21
Figura 2.11: Micrografia identificando vários mecanismos de danos internos. ............ 22
Figura 2.12: Tipos de danos causados na matriz compósita. ...................................... 23
Figura 2.13: Dano causado por impacto de velocidade intermediária. As setas indicam
em (a) a direção da propagação de fissuras; e (b) a existência das fraturas adesiva e
coesiva ....................................................................................................................... 26
Figura 2.14: Esquema do ensaio de flexão em três pontos ......................................... 27
Figura 2.15: Esquema de representação da distância das amostras em relação à borda
do impactador para análise do ensaio de flexão em três pontos residual.................... 28
Figura 3.1: Metodologia utilizada no trabalho .............................................................. 33
Figura 3.2: Tecido bidirecional de fibra de vidro-E ...................................................... 34
Figura 3.3: Tecido bidirecional de mecha híbrida Vidro/Kevlar .................................... 35
Figura 3.4: Câmara de vácuo ...................................................................................... 37
Figura 3.5: Laminação manual de dois laminados (a) Kevlar/Vidro e (b)Vidro/Vidro ... 37
Figura 3.6: Configuração do compósito ...................................................................... 38
Figura 3.7: Corte dos corpos de prova (a) Maquina de corte à jato d’água TCI Waterjet
SM-A e (b) Realização dos cortes dos corpos de prova .............................................. 38
Figura 3.8: Ferramenta utilizada para o corte dos CPs para o ensaio flexão de três
pontos (a) Serra do tipo Saw-Max SM20-01, (b) Disco Dremel modelo DSM510. ....... 39
Figura 3.9: CPs previamente desenhados .................................................................. 39
Figura 3.10: Representação do corte dos CPs para ensaio de flexão nas amostras
impactadas ................................................................................................................. 40
Figura 3.11: CPs impactados para ensaio de flexão ................................................... 40
Figura 3.12: Dimensões do corpo de prova de ensaio de densidade volumétrica ....... 41
Figura 3.13: Densímetro digital ................................................................................... 42
Figura 3.14: Máquina de impacto de drop test para materiais compósitos .................. 42
Figura 3.15: Dimensões do corpo de prova de ensaio de impacto .............................. 43
Figura 3.16: Ensaio de flexão em três pontos ............................................................. 44
Figura 3.17: Dimensões do corpo de prova de ensaio de flexão de três pontos.......... 44
Figura 4.1: Curva tensão-deformação de ensaio de flexão em três pontos do laminado
MHVK ......................................................................................................................... 48
Figura 4.2: Sequência do dano com a energia de 61 J no compósito MHVK (a) 1º (b) 2º
(c) 3º e (d) 4º impacto ................................................................................................. 52
Figura 4.3: Danos no MHVK com a energia de impacto 76 J impactado 2 vezes: (a) Face
do impacto; (b) Lado oposto ao impacto ..................................................................... 53
Figura 4.4: Sequência do dano com a energia de 76 J no compósito MHVK (a) 1º e (b)
2º impacto ................................................................................................................... 54
Figura 4.5: Microscopia da fratura dos compósitos MHVK .......................................... 55
Figura 4.6: Microscopia do comportamento das fibras ................................................ 55
Figura 4.7: Microscopia da região do dano ................................................................. 56
Figura 4.8: Curva tensão-deformação do compósito MHKV4x61 ensaiado à flexão após
impacto ....................................................................................................................... 57
Figura 4.9: Tensão última à flexão após impacto conforme a distância da borda do
impactador do compósito MHVK4x61 ......................................................................... 58
Figura 4.10: Módulo de elasticidade à flexão após impacto conforme a distância da
borda do impactador do compósito MHVK4x61 .......................................................... 59
Figura 4.11: Curva tensão-deformação do compósito MHVK2x76 ensaiado à flexão
após impacto .............................................................................................................. 60
Figura 4.12: Tensão última à flexão após impacto conforme a distância da borda do
impactador do compósito MHVK2x76 ......................................................................... 61
Figura 4.13: Módulo de elasticidade à flexão após impacto conforme a distância da
borda do impactador do compósito MHVK2x76 .......................................................... 62
Figura 4.14: Comparativo da tensão última à flexão após impacto entre os compósitos
com diferentes energias de impactos, conforme a distância da borda do impactador . 63
Figura 4.15: Comparativo do módulo de elasticidade à flexão após impacto entre os
compósitos com diferentes energias de impactos, conforme a distância da borda do
impactador .................................................................................................................. 63
Figura 4.16: Curvas da tensão residuais das amostras MHVK4x61 e MHVK2x76 em
função da distância da borda do impactador ............................................................... 65
Figura 4.17: Curvas do módulo residual das amostras MHVK4x61 e MHVK2x76 em
função da distância da borda do impactador ............................................................... 66
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Propriedades típicas da resina para a condição pós-curada ...................... 7
Tabela 2.2: Percentual volumétrico de fibras e densidade volumétrica do compósito
CHVK ......................................................................................................................... 29
Tabela 2.3: Comparativo global do compósito CHVK para diferentes energias de
impacto ....................................................................................................................... 29
Tabela 3.1: Dados técnicos do tecido bidirecional de fibra de vidro-E ......................... 35
Tabela 3.2: Dados técnicos do tecido bidirecional de mecha híbrida de fibras de
Vidro/Kevlar ................................................................................................................ 36
Tabela 4.1: Percentual volumétrico de fibras e densidade volumétrica do compósito
MHVK ......................................................................................................................... 47
Tabela 4.2: Propriedades mecânicas de flexão em três pontos do laminado MHKV ... 49
Tabela 4.3: Comparativo global do compósito híbrido MHVK para diferentes energias de
impacto ....................................................................................................................... 50
Tabela 4.4: Propriedades mecânicas de flexão após impacto conforme a distância da
borda do impactador para o compósito MHVK4x61 .................................................... 58
Tabela 4.5: Propriedades mecânicas de flexão após impacto conforme a distância da
borda do impactador para o compósito MHVK2x76 .................................................... 60
Tabela 4.6: Constantes e obtidas para resistência e módulo após impacto ........ 64
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 1
1.1. Objetivo Geral ............................................................................................... 2
1.1.1. Objetivos Específicos ........................................................................... 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................................... 4
2.1. Materiais Compósitos ................................................................................... 4
2.2. Matérias-Primas Utilizadas nos Materiais Compósitos .................................. 5
2.2.1. Matriz ................................................................................................... 5
2.2.2. Reforço Fibrosos ................................................................................. 7
2.3. Materiais Compósitos Híbridos ................................................................... 11
2.4. Caracterização Mecânica ............................................................................ 14
2.4.1. Ensaio de Impacto no Material Compósito ......................................... 14
2.5. Tipos de Ensaio de Impacto em Materiais Compósitos ............................... 15
2.5.1. Impacto de Alta Velocidade (Balística) ............................................... 15
2.5.2. Impacto de Média Velocidade ............................................................ 16
2.5.3. Impacto de Baixa Velocidade ............................................................. 17
2.6. Mecanismos de Danos Devido ao Impacto ................................................. 20
2.6.1. Fissura/Trinca na Matriz .................................................................... 22
2.6.2. Delaminação ...................................................................................... 23
2.6.3. Ruptura da Fibra ................................................................................ 24
2.6.4. Perfuração ......................................................................................... 24
2.7. Análise microscópica .................................................................................. 25
2.8. Resistência Residual Após Impacto ............................................................ 26
2.8.1. Análise de Gradiente da Resistência ao Longo da Amostra de Impacto
Através do Ensaio de Flexão de Três Pontos ................................................ 27
2.8.2. Estudo em Compósito Híbrido Vidro/Kevlar ....................................... 29
3. MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................... 33
3.1. Materiais Utilizados no Laminado Compósito .............................................. 33
3.1.1. Matriz Polimérica ............................................................................... 33
3.1.2. Reforço .............................................................................................. 34
3.2. Fabricação e Configuração do Laminado .................................................... 36
3.3. Corte dos Corpos de Prova ......................................................................... 38
3.4. Percentual de fibra e percentuais volumétrico das fibras ............................ 40
3.5. Ensaios ....................................................................................................... 41
3.5.1. Densidade Volumétrica ....................................................................... 41
3.6.2. Ensaio de Impacto ............................................................................. 42
3.6.3. Ensaio de Flexão ................................................................................. 43
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................... 47
4.1. Ensaio de Densidade e Percentuais Volumétrico das Fibras ...................... 47
4.2. Ensaio de Flexão em Três Pontos .............................................................. 48
4.3. Ensaio de Impacto por Queda de Peso (Drop test) ..................................... 49
4.3.1. Mecanismo de Dano Causado no Laminado ..................................... 49
4.3.2. Análise Microscópica da Fratura ........................................................ 54
4.4. Ensaio de Flexão em Três Pontos Após Impacto ........................................ 56
4.4.1. Compósito MHVK Submetido à Quatro Golpes com 61 J de Energia de
Impacto. ........................................................................................................ 57
4.4.2. Compósito MHVK Submetido à Dois Impactos com 76 J de Energia de
Impacto ......................................................................................................... 59
4.4.3. Comparativo entre Compósito MHVK4x61 e MHVK2x76 ................... 62
4.5. Modelando o Comportamento da Resistência e Módulo Residual das
Amostras Impactadas ........................................................................................ 64
5. CONCLUSÕES ...................................................................................................... 69
REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 70
Capítulo 1
Introdução e Objetivos
1
Rayane Dantas da Cunha
1. INTRODUÇÃO
Os materiais compósitos são cada vez mais utilizados nas indústrias
aeroespacial, militar, engenharia civil e automobilística, devido ao seu peso leve,
alta resistência e rigidez específicas, boa resistência à corrosão e à fadiga (Dong
et al., 2016), apesar de ter essas vantagens, os compósitos são mais vulneráveis
a danos por impacto do que estruturas metálicas similares (SAFRI et al., 2017).
O impacto a baixa velocidade é considerado uma solicitação de risco,
em que os danos nem sempre são visíveis à olho nu, ou que podem ser
encobertos por acabamentos superficiais, como por exemplo, a pintura. Além de
serem solicitações mais comuns de ocorrerem, levando-se em consideração por
exemplo, por uma batida acidental de uma ferramenta durante operações de
manutenção de uma estrutura.
Os tipos de danos que podem ser causados por impacto nos materiais
compósitos são delaminação, trincas na matriz, quebra das fibras e perfuração.
Todos esses danos levam a uma diminuição na resistência e rigidez do material
e isso pode causar uma falha catastrófica no compósito (Abrate, 2005; Bandaru,
2016). Pensando desse modo, existem diversos estudos (Santos, 2018,
Azevedo, 2017, Swolfs et al., 2017; Bulut et al., 2016) com o intuito de melhorar
a resistência ao impacto e a capacidade de absorção de energia dos laminados.
Uma das maneiras de melhorar a resistência ao impacto dos compósitos
é através da hibridização. Isso ocorre por que ela permite unir diferentes
propriedades de elementos individuais com o intuito de melhorar as propriedades
da estrutura (Dong et al., 2016). No que diz respeito aos compósitos de
poliméricos, a maioria da literatura disponível à resposta impacto de baixa
velocidade em híbridos são Vidro/Carbono (Swolfs et al., 2017; Hung, et al.,
2018), Vidro/Kevlar (Valença et al., 2015; Yan et al., 2015) e Carbono/Kevlar
(Bulut et al. 2016) com resinas termofixas.
Diante do exposto, este trabalho visa à obtenção de um laminado
compósito constituído de matriz polimérica éster vinílica reforçada com tecido de
mecha híbrida Vidro/Kevlar e fibras de vidro-E, onde esse foi submetido a
impactos de baixa velocidade por meio de uma máquina de ensaios do tipo drop
test.
2
Rayane Dantas da Cunha
O material em questão foi ensaiado para verificação do gradiente da
resistência residual à flexão em três pontos, afim de avaliar a influência dos
impactos nas propriedades mecânicas. Além disso fez-se estudos comparativos
com outro laminado compósito semelhante e existente na literatura com o
objetivo e entender os comportamentos do material com a presença do tecido de
mecha híbrida, além disso análises macroscópicas e microscópicas no dano com
o intuito de caracterizá-los. Destaca-se como caráter inovador desta pesquisa, o
número de impactos sucessivos o qual o laminado foi submetido e a forma como
se caracterizou o dano causado pelos impactos neste material.
1.1. Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho é realizar o estudo do gradiente da resistência
residual à flexão em três pontos, bem como avaliar a utilização do tecido de
mechas híbridas constituídas de fibras Kevlar/Vidro em um laminado compósito,
sujeito a impactos de baixa velocidade (Drop Test).
1.1.1. Objetivos Específicos
- Fazer um estudo do dano causado por impacto de baixa velocidade no
laminado compósito híbrido Vidro/Kevlar - MHVK;
- Estudar a influência dos impactos de baixa velocidade nas propriedades
mecânicas de flexão em três pontos no MHVK.
- Fazer uma análise comparativa entre as propriedades mecânicas do
material, antes e após o impacto utilizando dois níveis de energia de
impacto.
- Realizar estudos comparativos com a literatura para analisar o efeito da
hibridização com outro laminado compósito já estudado submetido a
impactos de baixa velocidade.
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
4
Rayane Dantas da Cunha
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capitulo será feita uma revisão sobre a definição, as
classificações, a matéria prima utilizada na fabricação dos materiais compósitos
e uma breve explicação do que se trata os materiais compósitos híbridos com o
propósito de demostrar os conceitos básicos ligados a estes tipos de materiais,
será abordada também, toda a teoria que fundamenta os efeitos causados pelo
ensaio de impacto na resposta final do material. Além disso, serão demostrados
os tipos comuns de mecanismos de dano nesses materiais.
2.1. Materiais Compósitos
Segundo a norma ASTM D3878 (2018) o material compósito é composto
por dois ou mais materiais insolúveis entre si, que se combinam formando um
único material, possuindo propriedades únicas, diferentes das que contém seus
elementos isolados. De modo simplificado um compósito é um conjunto de um
ou mais materiais utilizados como reforço impregnados com uma matriz.
Cahn (1997) afirma que essa matriz pode ser quanto à origem:
polimérica, cerâmica e metálica, enquanto o reforço pode ser na forma de
partículas, ou material fibroso, podendo este último ser apresentado na forma
aleatória, como mantas de fios picados, ou de forma direcionada como tecidos
unidirecionais, bidirecionais ou multicamadas, e o material particulado pode
ainda possuir partículas pequenas ou grandes.
Nesse contexto, segundo Callister Jr. (2007) os materiais compósitos
podem ser classificados em três grandes classes: reforçados por partículas,
reforçados por fibra e os estruturais; onde existem pelo menos duas subdivisões
para cada uma.
São inúmeras as vantagens de utilização dos materiais compósitos
quando comparadas com os materiais metálicos, devido ao alto módulo
específico (módulo de elasticidade/densidade), alta resistência específica
(resistência/densidade), baixo peso e resistência à corrosão (Dong et al., 2016),
o que os tornam altamente competitivos em relação aos materiais convencionais
para muitas aplicações estruturais.
5
Rayane Dantas da Cunha
2.2. Matérias-Primas Utilizadas nos Materiais Compósitos
Como dito anteriormente, os principais constituintes de um material
compósito se agrupam em duas grandes categorias, respectivamente
denominadas: matriz e reforço. Neste item serão apresentados alguns destes
integrantes, dando-se ênfase aos utilizados neste trabalho.
2.2.1. Matriz
A matriz constitui a fase aglutinante que protege e mantém coesos o
reforço, proporcionando uma configuração geométrica estável ao compósito. De
acordo com Almeida (2012) as matrizes têm por finalidade básica transferir carga
para as fibras através das tensões de corte na interface. Portanto, encaminhar
as solicitações exteriores aplicadas ao compósito para a fibra que é o constituinte
responsável pela resistência.
As matrizes, que são usadas para a fabricação dos compósitos, podem
ser de origem metálica, cerâmica ou polimérica. Aqui serão discutidas apenas a
matriz polimérica já que esta é objeto deste trabalho.
Marinucci (2011) afirma que as matrizes poliméricas são componentes
orgânicos de elevados pesos moleculares, produto de reações de polimerização
por adição ou condensação de diferentes componentes básicos, formados por
cadeias de carbono, onde são ligados por átomos que podem ser de hidrogênio,
nitrogênio, oxigênio, cloro, flúor ou enxofre, sendo estes capazes de formar
quase todos os tipos de polímeros, produzidos pelo processo de polimerização.
Segundo Cahn (1997) dependendo do modo como estão ligados
química e estruturalmente, as matrizes poliméricas podem ser divididas em duas
classes: termoplásticas e termofixas.
Matriz termofixas
As matrizes termofixas são constituídas por polímeros em que as
moléculas formam estruturas tridimensionais bastante rígidas, são muito
empregadas devido às diversas vantagens como baixo, custo, estabilidade
6
Rayane Dantas da Cunha
térmica e dimensional, resistência química a altas temperaturas e facilidade de
se moldar peças com grandes dimensões (SANCHEZ et al., 2010).
Marinucci (2011) afirma que os polímeros termofixos, na sua maioria,
são líquidos à temperatura abaixo de 50 ºC, que propicia vantagem de serem
processados quando ainda líquidos, na temperatura ambiente, além de
necessitarem de baixo investimento nos meios de produção por dispensar
equipamentos de alto custo, por exemplo, injetoras e extrusoras.
Dentre todos os plásticos, o epóxi, o poliéster, e em menor proporção,
os fenólicos, são os mais utilizados como matrizes de laminados compósitos
reforçados por fibras. Isso se dá não só por causa das propriedades mecânicas,
frequentemente superiores aos dos termoplásticos, mas também por serem
menos afetadas pela variação de temperatura. Peças e componentes de
materiais compósitos de plásticos termofixos podem ser produzidos inteiramente
à temperatura ambiente, desde a montagem de fibra e matriz até o final de cura.
Essa é uma vantagem sobre os termoplásticos. (MENDONÇA, 2005).
Resina Éster Vinílica
A resina estér vinílica tem uma gama de variedades, cada uma com
características e propriedades peculiares a ela. Dentro da variedade dessas
resinas, destaca-se a resina do tipo Derakane 411-350, que é uma resina feita a
partir de uma resina epóxi do bisfenol-A e possui ampla aplicação em processos
industriais aliada à facilidade de utilização nas mais diversas técnicas de
fabricação (ASHLAND, 2007).
Essa resina é projetada para atender diferentes processos de fabricação
de compósitos disponíveis tais como: laminação manual, laminação por pistola,
enrolamento filamentar (filament winding), técnicas que usam moldagem por
compressão e RTM, e aplicações em pultrusão e grades injetadas. Além disso,
assegura resistência química a uma ampla variedade de produtos químicos tais
como ácidos, álcalis, soluções branqueadoras e vários tipos de solventes.
Devido à sua excelente resistência a esses ambientes corrosivos, possibilita
prolongar a vida útil de equipamentos, adiando a necessidade de reparos e
substituição. Permite também trabalhos submetidos a grandes esforços de
7
Rayane Dantas da Cunha
tensão sem apresentar riscos ao projeto, tornando possível sua aplicação em
equipamentos de grande porte (ASHLAND, 2007).
Algumas propriedades da resina Derakane 411-350, estão expostas na
tabela 2.1.
Tabela 2.1: Propriedades típicas da resina para a condição pós-curada
Propriedade Valores Médios Norma Utilizada
Resistência à Tração 86 MPa ASTM D-638/ISO 527
Módulo de Elasticidade 3,2 GPa ASTM D-638/ISO 527
Deformação 5-6 % ASTM D-638/ISO 527
Resistência à Flexão 150 MPa ASTM D-790/ISO 178
Módulo de Flexão 3,4 MPa ASTM D-790/ISO 178
Densidade 1,14 g/cm³ ASTM D-792/ISO 1183
Contração Volumétrica 7,8%
Temperatura de Distorção Térmica (Para 1,8 Mpa, Tensão Máxima)
105 ºC ASTM D-648 Method A
/ ISO 75
Temperatura de Transição Vítrea, Tg2 120 ºC ASTM D-3419/ISSO
11359-2
Fonte: Adaptada de ASHLAND (2007)
2.2.2. Reforço Fibrosos
Como dito antes, as fibras atuam como materiais estruturais para
sustentar o carregamento, uma vez que possuem maior rigidez do que a matriz
(RIQUE et al., 2015).
Conforme Marinucci (2011) na elaboração de um componente estrutural
em material compósito procura-se otimizar o aproveitamento das propriedades
mecânicas associadas aos reforços fibrosos. A seleção do reforço leva em
consideração aspectos que variam desde o custo desses materiais até o
desempenho pretendido e a técnica de fabricação empregada.
Dentre os reforços fibrosos, pode-se destacar as fibras sintéticas e
naturais. Kanitkar et al. (2017) afirma que as fibras sintéticas são mais utilizadas
como reforço nos compósitos poliméricos pois apresentam alta resistência,
resistência à corrosão, inertes aos efeitos atmosféricos, eletricamente não
8
Rayane Dantas da Cunha
condutoras e não perdem a resistência em condições de trabalho de alta
temperatura.
Entre as principais fibras sintéticas aplicadas em compósitos são a fibra
de vidro, a fibra de carbono e a fibra de aramida (Kevlar). Segundo Palesch e
Cech (2017) a fibra de vidro é uma das fibras mais utilizadas para reforços em
compósitos poliméricos. Já a fibra de carbono é bastante utilizada no setor
aeronáutico (Hung et al., 2018) e no campo da energia nuclear (Venugopalan, et
al., 2018), devido à boa resistência em elevadas temperaturas. A fibra de
aramida, devido apresentar excelente desempenho em tolerância ao dano, são
amplamente utilizadas em aplicações industriais e militares (KANITKAR et al.,
2017, SINGH E SAMANTA, 2015).
Fibra de Vidro
A fibra de vidro é uma das fibras mais utilizadas para reforços em
compósitos poliméricos, como disse Palesch e Cech (2017). Apresentam
excelente aderência fibra/matriz, excelentes propriedades elétricas, alto
alongamento à ruptura, alta relação resistência/densidade, estabilidade
dimensional, boa resistência ao impacto, elevada resistência química à corrosão,
facilidade de processamento e baixo custo quando comparadas a outros tipos
de reforços sintéticos (FELIPE, 2012, a).
De acordo com López (2012) os plásticos reforçados por fibra de vidro
(PRFV) têm importantes aplicações na indústria automobilística, aeronáutica e
na área de engenharia civil, mecânica e biomédica. Em 2010 a produção total
dos PRFV na Europa atingiu 1,015 toneladas.
Segundo Cahn (1997) as fibras de vidro estão disponíveis em várias
formas:
- Fibra de Vidro-E: é o tipo de fibra mais utilizado entre os materiais
compostos (mais de 90% das aplicações), pois é o, mais barato, possui
boas propriedades elétricas, de rigidez e desgaste;
- Fibra de Vidro-A: possui boa resistência química (alcalino), baixo módulo
e baixa resistência elétrica;
9
Rayane Dantas da Cunha
- Fibra de Vidro-C: excelente resistência a corrosão química, baixa
resistência mecânica, mais caro que o vidro E;
- Fibra de Vidro-R ou -S: aplicado somente em casos especiais (aviação,
armamentos, aeroespacial), possui elevadas características mecânicas, e
possui alta resistência a fadiga, temperatura e umidade;
- Fibra de Vidro-D: possui altas propriedades dielétricas, é usado para a
construção de materiais eletrônicos;
- Fibra de Vidro-L: possui alta resistência mecânica e serve para proteger
da radiação (chumbo).
- Fibra de vidro-AR ou -Z: fabricadas pela Portland® especificamente para
reforço em cimento.
As fibras são trabalhadas de forma a serem fornecidas em diversas
configurações, mais adequadas ao uso, podendo ser comercializadas em forma
de mechas (roving), moídas, mantas de fios picados, fitas (tapes), tecidos, ou
ainda como véu de superfície, como demostrados na Figura 2.1.
Figura 2.1: Forma de comercialização das fibras de vidro: a) Roving; b) Moída; c)
Manta; d) Tapes; e) Tecido; f) Véu de superfície
Fonte: Texiglass
Fibra de Aramida
Reis et al. (2012) afirma que as fibras de aramida são um reforço muito
importante para os compósitos poliméricos, que foram desenvolvidas durante a
10
Rayane Dantas da Cunha
década de 1960 e introduzidas comercialmente pela DuPont® na década de
1970 sob o nome comercial de Kevlar.
As fibras de Kevlar possuem propriedades únicas, a resistência e o
módulo à tração são substancialmente maiores e o alongamento da fibra é
significativamente menor do que para outras fibras orgânicas. Elas possuem,
porém, baixa resistência à compressão, sendo esta, apenas um oitavo da
resistência à tração. Por outro lado, apresentam textura flexível, não frágil como
as fibras de vidro ou de carbono, sendo bastante semelhantes às fibras têxteis
de vestuário, permitindo assim, serem tecidas em tramas muito menores e
complexas que o permitido nos tecidos de fibras de vidro, e assim podem ser
facilmente tecidas em teares para tecidos convencionais (AGARWAL, 2015).
Reis et al. (2012) explica que sua alta resistência, associada ao
mecanismo de falha das aramidas e à tolerância a danos, promove um bom
desempenho no impacto. Quando as fibras de aramida quebram, elas não
falham por trincas frágeis, como as fibras de vidro ou de carbono. Em vez disso,
as fibras de aramida falham por uma série de pequenas falhas de fibrila, onde
as fibrilas são fitas moleculares que compõem cada fibra de aramida e estão
orientadas na mesma direção que a própria fibra. Essas muitas pequenas falhas
absorvem muita energia e, portanto, resultam em alta tenacidade.
Importante comentar também a desvantagem que esse tipo de fibra
apresenta, sabe-se que as propriedades que do material compósito não
dependente apenas da sua matriz e reforço, mas também de sua adesão
interfacial entre ambas. No entanto Singh e Samanta (2015), e Su et al (2001)
afirma que compósitos polímeros de fibra de Kevlar geralmente têm pouca
adesão interfacial, devido à sua alta natureza cristalina e superfície da fibra é
inerte e lisa, o que resulta na sua fraca aderência com a matriz.
Após a fabricação, as fibras Kevlar são comercializadas de diferentes
formas, sendo as principais em forma de fios, fitas (tapes) e tecidos,
representados na Figura 2.2.
11
Rayane Dantas da Cunha
Figura 2.2: Principais formas de comercialização das fibras Kevlar: a) Roving; b)
Tapes; c) Tecido
Fonte: Texiglass
2.3. Materiais Compósitos Híbridos
Yang et al. (2015) define o compósito híbrido como um material formado
por dois ou mais tipos de fibra diferentes incorporados em uma única matriz. O
efeito de hibridização permite que os fabricantes personalizem as propriedades
do compósito para atender as necessidades exatas da estrutura. Muitos
pesquisadores conseguiram com sucesso a abordagem de hibridização para
melhorar as propriedades mecânicas e a resistência a danos dos compósitos
(SANTOS, 2018; VALENÇA et al., 2015; YANG et al., 2015; MANIKANDAN et
al., 2014).
Safri et al. (2017) afirma que um compósito híbrido, possui maior rigidez
e resistência em comparação com compósitos poliméricos reforçados
individuais. É comum um tipo de fibra no compósito híbrido ter um baixo módulo
e/ou menor custo, como fibra de vidro ou Kevlar, enquanto o outro tipo tem um
módulo mais alto e/ou maior custo, como fibras de boro ou carbono. O baixo
módulo e o baixo custo tornam os compósitos híbridos mais tolerantes a danos
e reduzem os custos gerais, enquanto que utilizando as fibras mais caras, com
alto módulo, oferece capacidade de carga e rigidez.
Assim, os compósitos híbridos podem fornecer uma alta rigidez e
resistência, melhorar a resistência ao impacto e à fadiga, fornecer alta resistência
12
Rayane Dantas da Cunha
à fratura e, simultaneamente, reduzir o peso e/ou o custo total (DONG et al.,
2016).
Existem uma variedade de maneiras pelas quais se faz a hibridização
nos compósitos poliméricos por fibras, Swolfs et al. (2014), afirma que os tipos
mais comuns de hibridização são descritos a seguir:
- Hibridização de tecido (intraply): O compósito híbrido é composto por um
tecido com a hibridização ocorrendo por combinação de fibras diferentes
numa mesma mecha. Como o exemplo da Figura 2.3. Bem como a
hibridização pode ocorrer pela combinação de mechas de materiais
distintos, sendo cada tipo delas constituído por fibras de um mesmo
material. Mostra-se na Figura 2.4 um exemplo de tecido com estas
características.
- Hibridização em laminados (interply): O compósito possui mais de um tipo
de fibra, porém cada camada só possui um tipo (Figura 2.5).
Figura 2.3: Tecido com mecha híbrida - Kevlar e Vidro
Fonte: Felipe (2012, b)
13
Rayane Dantas da Cunha
Figura 2.4: Tecido com mechas de fibras diferentes –Vidro e Kevlar
Fonte: Felipe (2012, b)
Figura 2.5: Configuração do laminado híbrido - Vidro/Kevlar (interply)
Fonte: Santos, 2018
Diante disso, o presente trabalho faz uso da hibridização Intraply,
utilizando um tecido de mecha híbrida Vidro/Kevlar, bem como hibridização
Interply intercalando entre as camadas do tecido de mecha híbrida 8 camadas
de tecido de vidro-E. A utilização do tecido híbrido se fez necessário para
14
Rayane Dantas da Cunha
investigar suas melhorias quando se trata de tolerância de dano e resistência ao
impacto.
Bejan et al. (2013) afirma que para reforço combinando dois ou mais
tipos de fibras, é possível aproveitar as vantagens dos materiais e, ao mesmo
tempo, diminuir suas qualidades menos desejáveis, ou seja, a vantagem dos
tecidos híbridos é que as propriedades superiores de cada material de fibra
podem ser utilizadas para otimizar o produto composto.
2.4. Caracterização Mecânica
Segundo Santos (2018) a determinação das propriedades mecânicas do
compósito é um aspecto indispensável, pois permite avaliar o potencial que o
material possui para a aplicação estrutural. Ensaios mecânicos são executados
para a determinação destas propriedades mecânicas que se referem ao
comportamento do material quando submetidos à ação de esforços.
Neste tópico serão abordados os ensaios de impacto, bem como o
ensaio para determinação da resistência residual à flexão de três pontos pós
impacto.
2.4.1. Ensaio de Impacto no Material Compósito
A resistência ao impacto é uma das mais importantes características do
material em um projeto em que se queira prever as possibilidades de fratura
prematura.
De acordo com Razali et al. (2014) o impacto pode ser definido como a
colisão entre dois ou mais corpos, onde a interação entre os corpos pode ser
elástica, plástica, fluida ou qualquer combinação destes. Neste trabalho o
impacto é definido como a aplicação repentina de uma carga a qual leva o
material a fratura.
Borvik (2003) afirma que a velocidade é uma das grandezas
fundamentais na dinâmica de impacto, dentro deste contexto, Abrate (2005)
classifica quatro tipos de impacto de acordo com seus limites de velocidade:
- Baixa velocidade;
15
Rayane Dantas da Cunha
- Velocidade intermediária;
- Alta velocidade (balística);
- Hipervelocidade.
Segundo Razali et al. (2014) e Galdino Jr. (2014), um impacto de baixa
velocidade acontece normalmente com velocidades inferiores a 10 m/s, pode
ocorrer devido as colisões causadas, por exemplo, por ferramentas derrubadas
durante operações de manutenção de uma estrutura.
Um impacto de velocidades intermediárias ocorre com velocidades
superiores à 11 m/s e é caracterizado através de fontes como de detritos da pista
atingindo a fuselagem durante a decolagem ou aterrissagem de um avião, gelos
arremessados das hélices atingindo a fuselagem, em uma chuva de granizo e
os ataques com pássaros (RAZALI et al. 2014).
O impacto de alta velocidade ou impacto balístico, segundo Abrate
(2005), ocorre com velocidades que variam de 50 a 1000 m/s, geralmente é
resultado do impacto de pequenos fragmentos causado por armas de fogo
(balística), o que normalmente é uma preocupação para aplicações militares.
Finalmente, existe um impacto de hipervelocidade que ocorre
normalmente em velocidades superiores a 2000 m/s como no caso do impacto
dos detritos em uma espaçonave. (RAZALI et al., 2014).
2.5. Tipos de Ensaio de Impacto em Materiais Compósitos
Para cada classificação de impacto apresentada anteriormente, há
diferentes ensaios mecânicos que caracterizam o comportamento dos materiais
compósitos quando submetidos às variadas formas de impactos. A seguir, serão
apresentados alguns desses métodos.
2.5.1. Impacto de Alta Velocidade (Balística)
Normalmente, testes de impacto de alta velocidade são realizados
usando uma pistola de gás de estágio único, bem como armas de fogo
comerciais.
16
Rayane Dantas da Cunha
Mostra-se na Figura 2.6 um exemplo de uma pistola de gás de estágio
único usada nos testes por Sultan et al. (2012). O equipamento consiste da
unidade de reservatório de pressão, a unidade de mecanismo de disparo, a
unidade de lançamento, a unidade de câmara de captura e a unidade de medição
de velocidade. A arma é projetada para ter a capacidade de lançar um projétil
com velocidade inicial de menos de 700 m/s a uma pressão de 150 bar no
reservatório.
Figura 2.6: Dispositivo de teste de impacto de alta velocidade (pistola de gás)
Fonte: Adaptada de Sultan et al. (2012)
Esse ensaio pode levar à perfuração do alvo pelo projétil resultando em
danos em grande escala, mas não destrói o corpo de prova completamente. A
proteção contra cargas de impacto balísticos é uma questão crítica no projeto de
armadura de choque e absorvedores de impacto que estão em desenvolvimento
na indústria aeroespacial, marítima, automotiva e estruturas civis (SULTAN et al.,
2012).
2.5.2. Impacto de Média Velocidade
O equipamento utilizado para este ensaio geralmente é o mesmo
utilizado no ensaio para teste balístico, ou seja, com armas de gás de alta
pressão. Segundo Abrate (2005) esse impacto ocorre numa faixa de velocidade
entre 10 e 100 m/s, ou seja, compreendido entre os regimes de alta e baixa
17
Rayane Dantas da Cunha
velocidade. Dependendo da massa do projetil, um grande dano pode ocorrer na
amostra testada nessa velocidade de ensaio, sem necessariamente danificar o
impactado. A importância desse método não é somente a caracterização do
dano, mas também investigar a dissipação da energia e o mecanismo de falha.
2.5.3. Impacto de Baixa Velocidade
Dentre os ensaios de baixa velocidade podemos citar o Charpy, Izod e
Impacto por Queda de Peso (Drop Test).
No método de Charpy, a amostra é simplesmente, posicionada em um
plano horizontal apoiada nas duas pontas, e atingida por um pêndulo no seu
ponto médio, transferindo para o corpo de prova parte da sua energia cinética,
sendo a restante dissipada. A única diferença relativamente ao método de Izod
reflete-se no modo de fixação do corpo de prova, que é fixado no plano vertical
com a face do entalhe voltada para o pêndulo (CANTWELL et al, 1991).
O equipamento para realização dos ensaios Charpy e Izod está ilustrado
esquematicamente na Figura 2.7. Segundo Callister Jr. (2007) a carga é aplicada
como um impacto instantâneo, por meio de um martelo pendular balanceado,
que é liberado de uma posição elevada, a uma altura fixa h. O corpo de prova é
posicionado na base, como está mostrado na figura. Ao ser liberado o martelo,
a aresta em forma de cunha atinge e fratura o corpo prova. O pêndulo continua
o seu balanço, elevando-se até uma altura máxima h’, que é inferior a h. A
absorção de energia é calculada a partir da diferença entre h e h’, é uma medida
de energia de impacto.
18
Rayane Dantas da Cunha
Figura 2.7: Desenho esquemático de um equiamento para ensaios de impacto e
posicionamentos dos corpos de prova para os ensaios Charpy e Izod
Fonte: Callister Jr. (2007)
O ensaio de impacto por queda de peso (drop test) consiste na queda
de um peso a partir de uma altura pré-determinada atingindo o corpo de prova
apoiado no plano horizontal. Quando o peso está suspenso ele possui uma
energia potencial que será convertida em energia cinética quando o mesmo for
liberado.
Em geral Cantwell e Morton (1991) afirmam que esse ensaio não causa
destruição completa da amostra de teste, permitindo que uma energia residual
seja determinada, se necessário.
Na indústria em geral é comum testes de impacto por queda de peso
(drop test) para avaliar a resistência ao dano de uma estrutura ou produto, ou
mesmo de um material específico. Esse permite obter informação sobre as
propriedades dinâmicas na absorção da energia, resistência à fratura,
mecanismos de falha e redução da resistência.
O ajuste da energia de impacto é conseguido pela variação da massa do
impactador e/ou da altura da sua queda. Enquanto que a velocidade de impacto
é controlada apenas pela altura da queda (FERREIRA, 2006).
O ensaio é normatizado pela ASTM D7136 (2015) que determina a
resistência ao dano de materiais compósitos de matriz polimérica sujeitos a um
evento de impacto de queda de peso. Segundo a norma, uma placa plana
retangular de material compósito é sujeita a um impacto concentrado provocado
19
Rayane Dantas da Cunha
por um peso ligado a um impactador semiesférico, conforme ilustrado na Figura
2.8. Nesse tipo de ensaio pode ocorrer o rebote do impactador atingindo o corpo
de prova várias vezes. Para evitar o rebote do impactador, o equipamento para
realização do ensaio de impacto por queda de peso é equipado com um
dispositivo de anti-rebote.
Figura 2.8: Dispositivo de teste de impacto drop test
Fonte: Adaptada de ASTM D7136, 2015
A norma também específica que o tamanho da amostra deve ser de 100
x 150 mm, como mostra na Figura 2.9, este corpo de prova pode ser utilizado no
ensaio de Compressão Após Impacto (CAI) onde esse ensaio é utilizado para
avaliar a resistência residual dos materiais compósitos após serem submetidos
ao impacto de baixa velocidade.
20
Rayane Dantas da Cunha
Figura 2.9: Esquema representativo do ensaio do impacto por drop test
Fonte: Azevedo, 2017
Após o contato do impactador é esperado que o primeiro tipo de dano se
manifeste no laminado por fissuras na matriz. As extremidades dessas fissuras
atuam como pontos de iniciação da delaminação e quebra das fibras que podem
afetar seriamente a rigidez local e global do laminado (FERREIRA, 2006).
Segundo Biase (2009) a natureza e a extensão, os mecanismos de dano são
afetados, em diferentes níveis, por um grande número de parâmetros: massa do
impactador, velocidade do impactador, tipo de fibra e de matriz, tratamento
interfacial, volume percentual de fibra, geometria do laminado, condições de
contorno e tensões residuais.
2.6. Mecanismos de Danos Devido ao Impacto
São vários os fatores que podem influenciar no mecanismo de dano nos
materiais compósitos, como a falta de molhabilidade do material de reforço,
causando assim uma baixa aderência fibra/matriz e como consequência um
baixo desempenho mecânico, além de fatores externos como: processo de
fabricação do compósito; propriedades físicas, químicas, mecânicas e térmicas
da fibra e matriz; interface fibra/matriz e teores de reforço, matriz e vazios;
configuração do compósito; agentes externos tais como: umidade, temperatura
e radiação ultravioleta; em que os compósitos podem ser submetidos durante o
seu uso. (FELIPE, 2012, a)
21
Rayane Dantas da Cunha
Na análise macroscópica dos mecanismos de danos os mesmos são
visíveis a olho nu. Dentro dessa análise pode-se destacar pelo menos duas
formas de dano: quando o mesmo se dá por tempo de uso, principalmente em
ambientes agressivos (desgaste no material), ou quando o mesmo é originado
pela ação de carregamentos externos, ou seja, a fratura mecânica do elemento
estrutural.
Segundo Felipe (2012, a) quando o mecanismo de dano é originado por
falha mecânica na estrutura proveniente da ação de um carregamento externo,
a análise macroscópica pode iniciar caracterizando o tipo de fratura final. Como
por exemplo, o caso dos elementos submetidos a um ensaio de impacto drop
test onde essas formas de fraturas são estabelecidas pela norma, ASTM D7136
(2015) que ilustra as possíveis características da fratura final para um corpo de
prova, de acordo com a Figura 2.10. Além disso, a norma garante que mais de
um modo de danos pode estar presente em uma amostra ensaiada.
Figura 2.10: Modos de dano comumente observados no impacto de queda de peso
Fonte: Adaptada de ASTM D7136, 2015
Outro ponto importante para comentar é que segundo Santos (2012) o
dano nos materiais compósitos se divide em dano local e em dano global. O
primeiro é essencialmente a penetração/perfuração provocada pelo impactador
no material e depende diretamente das características deste. O dano global é
22
Rayane Dantas da Cunha
um dano que se estende por uma área muito maior que a área de contato entre
o impactador e o compósito e consiste principalmente em delaminação sendo
que esta é a forma de dano que mais diminui a resistência residual após impacto.
Azevedo (2017) afirma que devesse analisar o possível modo de falha
durante o impacto, onde ele poderá causar falhas dos tipos: Fissura/Trincas na
matriz, delaminação, ruptura da fibra e perfuração (Figura 2.11).
Figura 2.11: Micrografia identificando vários mecanismos de danos internos.
Fonte: Adaptada de Mitrevski, et al. (2006)
2.6.1. Fissura/Trinca na Matriz
O dano na matriz é causado devido ao impacto de baixa velocidade
transversal ao corpo de prova, nesse caso geralmente ocorre a quebra da matriz,
deslocamento da fibra da matriz e o início da delaminação. Os poucos danos
visíveis ocorrem em baixos níveis de energia de impacto entre 1 e 5 J. A quebra
ou trinca da matriz ocorre geralmente em planos paralelos à direção das fibras
nos materiais compósitos com o arranjo das fibras orientadas unidirecionalmente
(Abrate, 2005). Na figura 2.12, pode-se observar os tipos de danos causados na
matriz de um material compósito.
23
Rayane Dantas da Cunha
Figura 2.12: Tipos de danos causados na matriz compósita.
Fonte: Adaptada de POTTER, 1997
Na Figura 2.12 as trincas da matriz nas camadas superiores iniciam nas
bordas de contato do impactador, que são formadas pela alta tensão de
cisalhamento transversal através do material. As tensões de cisalhamento
transversais estão relacionadas com a força de contato e a área de contato. Já
as trincas no lado oposto ao impacto são denominadas trincas de flexão, pois
são causadas por grandes tensões de tração perpendicular ao corpo de prova.
O tipo de quebra da matriz é dependente das características globais das
amostras impactadas, onde as trincas de flexão nas camadas inferiores ocorrem
em corpos de provas longos e finos devido a deflexão transversal excessiva,
enquanto que os corpos de provas espessos e curtos são mais rígidos e
necessitam de maior força de contato do impactador para produzir o mesmo
fenômeno (POTTER, 1997).
2.6.2. Delaminação
O aparecimento de delaminações nas interfaces entre camadas está
relacionada com diferença de rigidez existente entre elas, sobretudo à flexão. É
importante salientar que o tamanho das delaminações aumenta com a diferença
de orientação das camadas adjacentes à interface. Por outro lado, constata-se
que nos laminados pouco espessos, o tamanho das delaminações amentam nas
interfaces situadas junto à superfície solicitada, quando comparadas às
interfaces situadas mais longes dessa mesma superfície. (MOURA et al., 2011)
Segundo Santos (2012) dois fatores que desempenham um papel
importante no que diz respeito à delaminação são o estado de tensão e a
resistência interlaminar das placas. A resistência interlaminar está diretamente
24
Rayane Dantas da Cunha
ligada com as propriedades do material, como a resistência à fratura da matriz e
resistência da aderência entre a fibra e a matriz. O estado de tensão por outro
lado, é afetado pela sequência de empilhamento (configuração do laminado).
2.6.3. Ruptura da Fibra
O rompimento da fibra ocorre depois da trinca na matriz e da
delaminação no processo de fratura. O rompimento da fibra ocorre abaixo do
impactador devido as elevadas tensões no local, e na face que não sofre impacto
devido as elevadas tensões de flexão. O rompimento da fibra precede o modo
de perfuração do corpo de prova, causando danos catastróficos (ABRATE,
2005).
Segundo Santos (2012) esse modo de falha envolve maior energia para
a sua realização visto que são as fibras os principais portadores da carga nos
compósitos laminados e pode ocorrer por vários motivos. Um impacto transversal
ao plano das fibras causa por norma uma ruptura localizada daquelas resultantes
da penetração do impactador.
Uma vez que as fibras representam o principal constituinte para suportar
as cargas, a sua ruptura pode ter um efeito muito prejudicial tanto na resistência
como na rigidez dos materiais compósitos laminados. A ruptura das fibras é o
principal mecanismo de absorção de energia associado aos testes de impacto
de perfuração completa (FERREIRA, 2006).
2.6.4. Perfuração
A perfuração é um modo de falha macroscópico e ocorre quando o
rompimento das fibras atinge um ponto crítico, permitindo que o impactador
penetre completamente no corpo de prova. A energia de impacto para penetrar
o corpo de prova aumenta de acordo com a espessura da amostra.
Segundo Abrate (2005) as principais formas de absorção de energia
durante a perfuração em materiais compósitos laminados são: cisalhamento fora
do plano, delaminação e flexão elástica. Dessa forma, o cisalhamento fora do
plano corresponde de 50 a 60%, dependendo da espessura do corpo de prova.
Vários fatores, incluindo o dimensionamento e a orientação da fibra, tipo de
25
Rayane Dantas da Cunha
matriz e a interface fibra/matriz tem uma influência significativa na perfuração da
amostra.
Por fim, é interessante comentar que será difícil um modo de falha
ocorrer isoladamente, pois um modo de falha pode ser consequência de outro
que aconteceu previamente. Assim os modos de falha interagem entre si,
formando fenômenos mais complexos e de difícil estudo. Com isto não se quer
dizer que todos têm a mesma importância, dependendo das circunstâncias e do
material usado, um modo de falha pode assumir a principal responsabilidade
pela ruptura do compósito.
2.7. Análise microscópica
Quando utilizada a análise microscópica, outros modos de falhas podem
ser ressaltados, visto que esta análise identifica no material compósito a
interação fibra/matriz, o comportamento mecânico do compósito, a determinação
das razões de falhas assim como a propagação das trincas e fissuras nestes
materiais. Através da microscopia ótica ou microscopia eletrônica de varredura
podem ocorrer três tipos de falhas que auxiliam na análise da adesão
fibra/matriz. Segundo Marinucci (2011) estas falhas são:
- Falha adesiva entre as matérias-primas constituintes, provocando fratura
na região que poderia ser delimitada pela interface;
- Falha coesiva na matriz, resultando em fratura da resina junto à interface;
- Falha coesiva na fibra, resultando em fratura da fibra junto à interface.
Um exemplo destas fraturas ocorridas em ensaio de impacto é
apresentado na Figura 2.13.
26
Rayane Dantas da Cunha
Figura 2.13: Dano causado por impacto de velocidade intermediária. As setas indicam
em (a) a direção da propagação de fissuras; e (b) a existência das fraturas adesiva e
coesiva
Fonte: Adaptada de Abrate, 2005
2.8. Resistência Residual Após Impacto
Os materiais compósitos são muito sensíveis ao dano por impacto, assim
pode ter uma redução elevada na resistência residual do material, perante
solicitações de tração, compressão, flexão, cisalhamento e de fadiga (MOURA,
2011), e com isso uma perda da sua integridade estrutural. Neste contexto, o
termo tolerância ao dano refere-se à capacidade de materiais compósitos manter
suas propriedades mecânicas após o impacto.
Segundo Abrate (2005) os danos por impacto são pouco visíveis e podem
causar reduções na resistência residual de até 50%, onde a resistência residual
em tensão, compressão, flexão e fadiga serão reduzidas em graus variáveis
dependendo do tipo de danos causado. A avaliação das propriedades residuais
dos materiais compósitos laminados é de grande importância já que com isso se
define a reposição ou o reparo de uma peça (RIVALLANT et al. 2014).
Para isto, existe vários tipos de teste para a avaliação da resistência
residual após impacto, por exemplo, teste de Compressão Após Impacto (CAI),
Tração Após Impacto (TAI) e o Flexão Após Impacto (FAI). Os estudos de
Rivallant et al. (2014), Aktas et al. (2014), Ghelli et al. (2011) são exemplos de
pesquisas que fizeram avaliação da resistência residual através do CAI, já os
estudos de Habibi et al. (2018), Cestino et al, (2016), Malhotra e Guild (2014)
utilizaram o TAI para suas investigações, enquanto que Medeiros et al. (2015),
27
Rayane Dantas da Cunha
Hart (2017) e Cromer (2010) estudaram o comportamento dos materiais
utilizando o FAI.
Entretanto neste trabalho foi utilizado o ensaio de flexão de três pontos
para analisar o gradiente da resistência ao longo da amostra de impacto, técnica
também utilizada por Azevedo (2017) e Santos (2018).
2.8.1. Análise de Gradiente da Resistência ao Longo da
Amostra de Impacto Através do Ensaio de Flexão de Três
Pontos
Os ensaios de flexão são muito utilizados, pela simplicidade dos
procedimentos e dos equipamentos necessários. O objetivo é geralmente obter
o módulo e a resistência longitudinal mínima. Estes ensaios são classificados em
dois tipos, flexão em três pontos e flexão em quatro pontos, conforme o número
de suportes e de pontos de carregamentos utilizados. (MOURA et al., 2011)
O ensaio de flexão em três pontos é normatizado pela ASTM D790
(2015) especifica que o corpo de prova deve possuir dimensões retangulares e
suas medidas devem ser calculadas de acordo com a espessura do material. O
ensaio consiste basicamente na aplicação de uma carga no centro de um corpo
de prova apoiado em dois pontos, como apresentado na Figura 2.14.
Figura 2.14: Esquema do ensaio de flexão em três pontos
Fonte: Desenho baseado na norma ASTM D790, 2015
O intuito desta análise é verificar como o impacto influência nas
propriedades mecânicas na região próxima ao ponto de impacto, ou seja, fazer
a análise de gradiente da resistência ao longo da amostra de impacto através do
28
Rayane Dantas da Cunha
ensaio de flexão de três pontos, podendo conhecer a perda da integridade
estrutural do material.
Na pesquisa realizada por Azevedo (2017) foi modelado o
comportamento da resistência residual e do módulo de elasticidade à flexão com
o aumento da distância do ponto de impacto e desenvolveu-se as equações
empíricas demonstradas nas equações 2.1 e 2.2, as quais serão utilizadas nessa
pesquisa.
𝜎Rf
𝜎of= 1 − 𝑒
−(𝑑
𝛽)
𝛼
(2.1)
𝐸Rf
𝐸of= 1 − 𝑒
−(𝑑
𝛽)
𝛼
(2.2)
Nestas equações, Rf e of são, respectivamente, a tensão última
residual à flexão e a tensão última sem o dano, ERf e Eof são, respectivamente,
o módulo residual à flexão e o módulo à flexão sem o dano, e são constantes
relacionadas ao material e d é a distância em relação a borda do impactador
(Figura 2.15). Além disso, foi afirmado que quando d é igual a tem-se uma
resistência residual (ou o módulo residual) de exatamente 63,2% do material sem
impacto.
Figura 2.15: Esquema de representação da distância das amostras em relação à
borda do impactador para análise do ensaio de flexão em três pontos residual
Fonte: Azevedo, 2017
10
0
Borda do
impactador
d
29
Rayane Dantas da Cunha
2.8.2. Estudo em Compósito Híbrido Vidro/Kevlar
O laminado híbrido desenvolvido por Santos (2018) é constituído de
onze camadas sendo três de tecido de Kevlar-49, uma no meio e duas nas
extremidades, e entre estas, oito camadas de fibra de vidro (Figura 2.5). Este
laminado foi aqui denominado como CHVK – Compósito Híbrido Vidro/Kevlar.
Sendo assim o laminado híbrido de Santos (2018) servirá de referência
e ponto de comparação desta dissertação devido a este material possuir as
mesmas características do aqui estudado, com exceção do uso de um tecido de
mecha híbrida.
Apresenta-se na Tabela 2.2 a densidade média e os valores de
percentual de fibra do compósito CHKV.
Tabela 2.2: Percentual volumétrico de fibras e densidade volumétrica do
compósito CHVK
Densidade
Volumétrica (g/cm³) Fibra de
Vidro-E (%) Fibra de
Kevlar-49 (%) Total de Fibra
(%)
CHVK 1,52 32,8 21,8 54,6
Fonte: Santos 2018
No que se trata dos ensaios de impacto o laminado CHVK houve
delaminação fibra/matriz em todas as energias estudadas e a ruptura de fibras
ocorreu apenas a partir de três golpes com 31 J. Além disso, o material suportou
dois impactos com 46 J, como pode ser visto na Tabela 2.3.
Tabela 2.3: Comparativo global do compósito CHVK para diferentes energias de
impacto
Compósito CHVK
Energia 31J 46J 61J 76J
Nº de impactos 1 2 3 4 1 2 1 1
Delaminação
Ruptura de fibras
Penetração total
Fonte: Santos (2018)
30
Rayane Dantas da Cunha
Segundo Santos (2018) a energia de impacto de 61 J, foi suficiente para
o impactador penetrar todas as camadas do corpo de prova, o que pode se
caracterizar que essa energia de impacto ultrapassou o limite de energia
necessária para a perfuração desse compósito.
Mostra-se na Figura 2.16 o resultado do dano com a energia de impacto
de 61 J no compósito CHVK. Na Figura 2.16 (a), verifica-se delaminação
fibra/matriz ao longo de todo o corpo de prova no sentido do comprimento do
mesmo e quebra das fibras de vidro e de Kevlar de todas as camadas no local
da penetração (característica de dano global). Analisando a Figura 2.16(b),
também é possível observar a delaminação, sendo esta concentrada próxima ao
local de contato do impactador com o corpo de prova, e além disso, é possível
observar também a quebra de todas as fibras no local da penetração, como
consequência o grande ressalto de explosão das fibras ocasionado pelo
impactador (SANTOS, 2018).
Figura 2.16: Dano no CHVK com a energia de impacto 61 J: (a) Lado do impacto; (b)
Lado oposto ao impacto
Fonte: Santos, 2018.
Importante comentar também que Santos (2018) com o intuito de
modelar o comportamento da resistência residual à flexão e do módulo de
31
Rayane Dantas da Cunha
elasticidade à flexão do CHVK, em que não ocorreu penetração total do
impactador com um impacto de 46 J e com isto ainda existe resistência e rigidez
no ponto de impacto, deste modo fez-se uma modificação nas equações de
Azevedo (2017), considerando a existência de resistência (i) e módulo ( i) no
ponto de impacto, conforme representado na Figura 2.15, desta forma utilizou-
se para este caso, as Equações 2.3 e 2.4.
𝜎Rf
𝜎of= 1 + (
𝜎i
𝜎o− 1) 𝑒
−(𝑑
𝛽)
𝛼
(2.3)
𝐸Rf
𝐸of= 1 + (
𝐸i
𝐸o− 1) 𝑒
−(𝑑
𝛽)
𝛼
(2.4)
Onde d é a distância em relação à borda do impactador, i é a resistência
após impacto no ponto de impacto, o é a resistência do material sem impacto,
r é a resistência após impacto e e são constantes a serem obtidas. Para o
módulo além dessas constantes, o termo i é o módulo após impacto no ponto
de impacto, o é o módulo do material sem impacto e r é o módulo após impacto.
É importante salientar também que para esta condição, com a modificação da
equação, quando o valor de d for igual ao de o deixa de representar um
valor residual de 63,2%, como ocorre nas Equações 2.1 e 2.2.
Utilizando essa modelagem e a desenvolvida por Azevedo (2017) foi
possível verificar que o laminado CHVK impactado duas vezes com energia de
46 J, perde 63 % da resistência e do módulo a uma distância de
aproximadamente de 6 mm da borda do impactador, além disso os resultados
mostram que ao analisar a distância máxima à borda do impactador que é de 67
mm, verifica-se que o CHVK alcança somente 82% da resistência original e 84%
da sua rigidez, mostrando que a resistência deste material é influenciada pelo
dano do impacto em toda a extensão do corpo de prova.
Rayane Dantas da Cunha
Capítulo 3 Materiais e Métodos
33
Rayane Dantas da Cunha
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo serão descritos em detalhes os procedimentos para
realização dessa dissertação, a especificação dos materiais, o processo de
fabricação do laminado, os ensaios mecânicos, bem como as análises do dano.
Mostra-se na Figura 3.1 um fluxograma representativo de todos os passos
realizados.
Figura 3.1: Metodologia utilizada no trabalho
3.1. Materiais Utilizados no Laminado Compósito
As matérias primas para a confecção do compósito foram: a resina
polimérica termofixa do tipo epóxi éster vinílica e dois tipos distintos de tecidos
bidirecionais um de fibra de vidro-E e outro de mechas híbridas formadas por fios
de fibras de vidro-E e de Kevlar-49. A seguir será mostrado detalhes sobre a
caracterização de cada material usado no referido estudo.
3.1.1. Matriz Polimérica
Foi utilizada a resina termofixa éster vinílica. A mesma é comercialmente
designada por Derakane Momentum™ 411-350. Como explicado na
fundamentação teórica esta matriz é baseada na resina epóxi bisfenol-A. As
Matéria Prima
Fabricação do Compósito
Corte dos Corpos de Prova
Ensaio de Impacto
Ensaio de Flexão em Três Pontos
Propriedades Mecânicas Residuais e
34
Rayane Dantas da Cunha
propriedades típicas da resina para a condição pós-curada encontram-se na
Tabela 2.1.
Como agente catalítico, para cura a temperatura ambiente, usou-se
peróxido de Metil Etil Cetona (MEKP) e o acelerador Naftenato de cobalto à 6%.
3.1.2. Reforço
O compósito híbrido aqui idealizado envolve como reforços dois tipos
distintos de tecidos planos bidirecionais. Um tecido constituído somente de fibra
de vidro-E, Figura 3.2, fornecido pela empresa MaxEpoxi e um outro tecido
bidirecional de mecha híbrida, no qual tem combinação de fios de vidro-E e fios
de Kevlar-49 na mesma mecha, Figura 3.3, fornecido pela empresa Texglass.
Mostra-se nas Tabelas 3.1 e 3.2 as especificações técnicas de cada tecido.
Figura 3.2: Tecido bidirecional de fibra de vidro-E
35
Rayane Dantas da Cunha
Figura 3.3: Tecido bidirecional de mecha híbrida Vidro/Kevlar
Fonte: Felipe (2012, b)
Tabela 3.1: Dados técnicos do tecido bidirecional de fibra de vidro-E
Descrição Especificações
Material do Urdume Roving de Fibra de Vidro-E
Material da Trama Roving de Fibra de Vidro-E
Gramatura do Tecido (g/m²) 200
Carga de Ruptura Teórica do Urdume (Kgf/cm) 50
Carga de Ruptura Teórica da Trama (Kgf/cm) 50
Composição do Tecido 100% Fibra de Vidro-E
Fonte: MaxEpoxi
36
Rayane Dantas da Cunha
Tabela 3.2: Dados técnicos do tecido bidirecional de mecha híbrida de fibras de
Vidro/Kevlar
Características do Tecido Especificação
Material do Urdume Mecha Híbrida de Fibra de Aramida e Fibra
de Vidro-E
Material da Trama Mecha Híbrida de Fibra de Aramida e Fibra
de Vidro-E
Gramatura do Tecido (g/m²) 600
Carga de Ruptura Teórica do Urdume (Kgf)
487
Carga de Ruptura Teórica da Trama (Kgf)
343
Composição do Tecido 63% Fibra de Aramida e 37% Fibra de Vidro-
E
Fonte: Texiglass
3.2. Fabricação e Configuração do Laminado
Foi utilizado para a fabricação do laminado o processo de fabricação de
laminação manual (hand lay-up). O volume de resina foi preparado inicialmente
com base na gramatura do tecido, com uma proporção de 2:1 em massa. Em
seguida, volumes pré-estabelecidos da resina foram misturados com o
catalizador peróxido de Metil Etil Cetona (MEKP) numa proporção de 1% do
volume de resina, bem como 0,2% de Naftenato de cobalto à 6%, de acordo com
as exigências do catálogo da resina para laminação em temperatura ambiente.
Para realizar a laminação, inicialmente a resina foi dividida em quatro
partes e gradativamente foram adicionados os catalizadores com o intuito de
obter um tempo de gel suficiente para todo o processo da laminação.
Posteriormente, foi necessário que a resina já catalisada fosse levada para uma
câmara de vácuo, Figura 3.4, de modo a remover parte dos gases e vapores
formados durante o processo de polimerização da resina, e evitar que esses
gases fiquem retidos entre as camadas de tecido, consequentemente, formando
vazios no interior do laminado.
37
Rayane Dantas da Cunha
Figura 3.4: Câmara de vácuo
Após finalizada a otimização da resina, foi dada início a laminação do
compósito, utilizando rolos de aço para melhor distribuição da resina e
compactação do conjunto fibra/matriz, conforme utilizado por Santos (2018)
apresentado na Figura 3.5.
Figura 3.5: Laminação manual de dois laminados (a) Kevlar/Vidro e (b)Vidro/Vidro
Fonte: Santos, 2018
No final do processo de laminação, obteve-se uma placa com área de
55 x 65 cm² com uma espessura média de 4,45 mm. Fabricada com onze
camadas do tecido, constituídos de três camadas do tecido de mecha híbrida
Vidro/Kevlar, uma no meio e duas nas extremidades, e entre essas, oito
38
Rayane Dantas da Cunha
camadas de fibra de Vidro, representado na Figura 3.6. Este laminado foi aqui
denominado como MHVK - Laminado Compósito Reforçado com Tecido de
Mecha Híbrida e impregnado com Resina Ester Vinílica.
Figura 3.6: Configuração do compósito
3.3. Corte dos Corpos de Prova
Os cortes dos corpos de prova (CPs) para o ensaio de impacto e
densidade para o compósito MHVK foram realizados em uma máquina de corte
à jato de água Flow Mach 2b, na empresa Marmoraria Olho D'água – Refice/PE,
de acordo com as Figuras 3.7.
Figura 3.7: Corte dos corpos de prova (a) Maquina de corte à jato d’água TCI Waterjet
SM-A e (b) Realização dos cortes dos corpos de prova
39
Rayane Dantas da Cunha
Enquanto que o corte dos corpos de prova para o ensaio de flexão em
três pontos utilizou-se uma máquina manual do tipo Saw-Max SM20-01,
representada na Figura 3.8, onde a placa teve todos os CPs previamente
desenhados de forma a se obter as dimensões correspondentes à norma técnica
para o ensaio, de acordo com a Figura 3.9.
Figura 3.8: Ferramenta utilizada para o corte dos CPs para o ensaio flexão de três
pontos (a) Serra do tipo Saw-Max SM20-01, (b) Disco Dremel modelo DSM510.
Figura 3.9: CPs previamente desenhados
Para as amostras já ensaiadas por impacto, os corpos de prova foram
cortados levando em consideração a distância da borda do impactador,
utilizando de cada corpo de prova impactado dois corpos de prova de flexão para
cada distância, conforme se apresenta nas Figura 3.10 e Figura 3.11.
40
Rayane Dantas da Cunha
Figura 3.10: Representação do corte dos CPs para ensaio de flexão nas amostras
impactadas
Figura 3.11: CPs impactados para ensaio de flexão
3.4. Percentual de fibra e percentuais volumétrico das fibras
O percentual de fibras é de grande importância na resposta mecânica
dos laminados compósitos, pois a variação destes percentuais influencia
diretamente nas constantes elásticas do material, além do seu limite de
resistência.
100
17 17
33
50
41
Rayane Dantas da Cunha
Diante desse contexto foi verificado o percentual mássico e volumétrico
das fibras considerando os dados fornecidos pelo fabricante, conforme
apresentados nas Tabelas 3.1 e 3.2, e os valores de massa dos tecidos antes
da laminação (mf)e após a placa confeccionada (mc), obteve-se o percentual
mássico de fibra em relação à massa total da lamina, de acordo com a Equação
3.1.
𝐹𝑀𝑓 = 𝑚𝑓
𝑚𝑐∙ 100 (3.1)
Com o valor do percentual mássico obteve-se o percentual volumétrico de
fibras a partir da equação 3.2, proposta por Hull e Clyne (1996) onde 𝑭𝑽𝒇 é
fração volumétrica da fibra, 𝑭𝑴𝒇 é a fração mássica da fibra, ρf e ρc é a
densidade da fibra e densidade do compósito, respectivamente.
𝐹𝑉𝑓 = 𝐹𝑀𝑓 ∙𝜌𝑐
𝜌𝑓 (3.2)
3.5. Ensaios
3.5.1. Densidade Volumétrica
Para determinar a densidade volumétrica dos laminados, foram
confeccionados quatro corpos de prova com dimensão 25 x 25 mm, mediante a
norma ASTM D792 (2013), Figura 3.12. No referido ensaio, foi utilizado um
Densímetro Digital DSL 910 - Geahaka, pertencente ao Laboratório de Mecânica
dos fluidos – UFRN, mostrado na Figura 3.13.
Figura 3.12: Dimensões do corpo de prova de ensaio de densidade volumétrica
42
Rayane Dantas da Cunha
Figura 3.13: Densímetro digital
3.6.2. Ensaio de Impacto
O ensaio de impacto foi realizado em temperatura ambiente, pela
máquina de impacto por queda de peso para materiais compósitos no
Laboratório de Projetos e Instrumentos (LPI) da Universidade Federal de
Campina Grande - UFCG (Figura 3.14), que possui um intervalo de energia de
impacto de 16, 31, 46, 61 e 76 J, obtida através de variação da massa de queda
de impacto e altura de queda dos pesos, essa altura é de 1,03 m e possui um
impactador de ponta semiesférica com diâmetro de 16 mm e dureza 57 HRC.
Figura 3.14: Máquina de impacto de drop test para materiais compósitos
43
Rayane Dantas da Cunha
A realização deste ensaio foi mediante a norma ASTM D7136 (2015),
em que o tamanho da amostra deve ser de 100 x 150 mm, como mostrado na
Figura 3.15.
Figura 3.15: Dimensões do corpo de prova de ensaio de impacto
Vale ressaltar que as energias de impacto utilizadas nesses ensaios
foram: 61 e 76 J, e para a preparação da realização do teste foi necessária a
limpeza e lubrificação do mecanismo de guias. Importante citar também que é
conhecido que no ensaio de impacto por queda de peso pode ocorrer que o
impactador atinja o corpo de prova novamente com o rebote, assim para se evitar
o rebote uma placa de madeira foi colocada manualmente entre a ponta do
impactador e a placa impactada após a ocorrência do primeiro impacto.
3.6.3. Ensaio de Flexão
O ensaio de flexão em três pontos (Figura 3.16) foi realizado no laboratório
de Ensaios Mecânicos do Instituto Federal do Rio Grande do Norte - IFRN,
utilizando a máquina de ensaio universal Shimadzu Servo Pulser, que possui
capacidade máxima de 200 kN.
44
Rayane Dantas da Cunha
Figura 3.16: Ensaio de flexão em três pontos
Utilizando a norma ASTM D790 (2015) os corpos de prova foram
apresentando as seguintes dimensões: 17 mm de largura, 100 mm de
comprimento e 4,45 mm de espessura e comprimento útil de 70 mm, conforme
se apresenta na Figura 3.17.
Figura 3.17: Dimensões do corpo de prova de ensaio de flexão de três pontos
A determinação do limite de resistência à flexão e do módulo de
elasticidade, foram utilizadas respectivamente as Equações 3.4 e 3.5.
𝜎𝑓 = 3𝑃𝐿
2𝑏𝑑² (3.4)
𝐸𝐵 = 𝐿³𝑚
4𝑏𝑑³ (3.5)
45
Rayane Dantas da Cunha
Onde é a resistência última à flexão (MPa), P corresponde a carga (N),
L é a distância entre os apoios (mm), b e d são largura e espessura do CP (mm),
respectivamente, E é o Módulo de elasticidade (MPa), m a inclinação da tangente
formada pela curva carga (N) e deflexão (m).
Capítulo 4
Resultados e Discussões
47
Rayane Dantas da Cunha
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo, inicialmente serão apresentados os resultados obtidos
no ensaio de densidade volumétrica e as frações volumétricas de fibras do
laminado com mecha híbrida Vidro/Kevlar (MHVK), além dos resultados obtidos
com as propriedades mecânicas tanto para o ensaio de impacto do tipo drop test,
e flexão em três pontos. Em seguida será também apresentada a análise de
dano e características da fratura final para todos os casos, bem como o
comportamento mecânico deste laminado quando submetido a ensaios para
análise da resistência residual em flexão em três pontos.
4.1. Ensaio de Densidade e Percentuais Volumétrico das Fibras
Mostra-se na tabela 4.1 os valores encontrados para densidade
volumétrica e os valores em volume de fibras do laminado compósito MHVK.
Tabela 4.1: Percentual volumétrico de fibras e densidade volumétrica do compósito
MHVK
Densidade
Volumétrica (g/cm³) Fibra de
Vidro-E (%) Fibra de
Kevlar-49 (%) Total de Fibra
(%)
MHVK 1,56 ± 0,01 22,52 20,61 43,13
Diante dos valores obtidos, percebe-se que o material possui densidade
volumétrica baixa quando comparado com materiais metálicos similares, o que
o classifica para aplicações em estruturas leves, e está de acordo com os
compósitos híbridos de fibras de Vidro/Kevlar a base de matriz termofixa.
É interessante comentar que, na literatura Santos (2018) utilizou um
laminado similar a este, com oito camadas de tecido bidirecional de fibra de
vidro-E e três camadas de tecido bidirecional de fibra de Kevlar-49 (sendo duas
externas e uma no centro) e se obteve densidade volumétrica de 1,52 g/cm³, que
é muito próxima à obtida nesta pesquisa. Bem como Valença et al. (2015),
utilizou um laminado compósito mesclando três camadas de um tecido híbrido
do tipo sarja, o qual seu urdume era constituído de fibras Kevlar-49 e sua trama
feita com fibras de vidro-S, nesse estudo, foi obtida uma densidade volumétrica
de 1,40 g/cm³.
Através destes resultados também se percebe que a fração de fibras no
compósito equivale, aproximadamente, quase a metade do volume total do
48
Rayane Dantas da Cunha
laminado, que estão de acordo com o esperado como encontrado em outros
trabalhos da literatura, por exemplo: 40,0 % (Ravandi et al., 2017); 49,4 %
(Batista et al., 2016) e 43,2 % (Valença et al., 2015).
4.2. Ensaio de Flexão em Três Pontos
Mostra-se na Figura 4.1 o gráfico Tensão-Deformação obtido no ensaio
de flexão de três pontos para os corpos de prova MHVK. Observa-se que, em
uma faixa que se estende até aproximadamente 40% da tensão de ruptura, o
mesmo apresenta um comportamento que pode ser considerado linear entre a
tensão e a deformação. Essa característica é comum aos laminados compósitos
à base de resina termofixa quando submetidos a ensaio de flexão em três
pontos, como pode-se observar no estudo de Santos (2018), Cunha (2015),
Aquino et al. (2007).
Figura 4.1: Curva tensão-deformação de ensaio de flexão em três pontos do laminado
MHVK
0 1 2 3 4 5
0
100
200
300
400
Tensão d
evid
o à
fle
xão (
MP
a)
Deformação de flexão (%)
A Tabela 4.2 demostra os valores médios e de desvios padrão referentes
para a tensão última à flexão, para o módulo de elasticidade e para a deformação
máxima.
49
Rayane Dantas da Cunha
Tabela 4.2: Propriedades mecânicas de flexão em três pontos do laminado MHKV
Propriedades mecânicas Kevlar/Vidro
Tensão última (MPa) 368 ± 18
Módulo de elasticidade (GPa) 14 ± 1
Deformação (%) 4,4 ± 0,3
4.3. Ensaio de Impacto por Queda de Peso (Drop test)
Devido à máxima energia do equipamento ser de 76 J e como esta
energia foi insuficiente para a perfuração com um impacto, decidiu-se impactar
este material com 76 J e com 61 J com vários golpes até sua perfuração total e
comparar seus resultados.
Neste item, se verificará o mecanismo de dano ocasionado com o
aumento do número de impactos para estas duas energias aplicadas, para tanto
foram necessários dois golpes com 76 J e quatro golpes com 61 J para a
perfuração das amostras.
4.3.1. Mecanismo de Dano Causado no Laminado
Procedendo à análise macroscópica dos danos para os CPs do material
MHVK submetido a quatro impactos de 61 J de energia, aqui denominado
MHVK4x61 e para o mesmo material submetido a dois impactos de 76 J de
energia, aqui denominado MHVK2x76.
Apresenta-se na Tabela 4.3, os comparativos dos acontecimentos para
cada energia de impacto, respectivamente. Percebe-se que para ambas
energias no primeiro impacto houve trinca na matriz e delaminação. Além disso,
a ruptura de fibras só ocorreu a partir do segundo impacto e como dito
anteriormente a perfuração total só ocorreu no quarto golpe com 61 J e no
segundo impacto com 76 J. Importante comentar que a maioria desses danos
são característicos em materiais compósitos poliméricos quando submetido a
impacto de baixa velocidade (ABRATE, 2005; SANTOS, 2018 e AZEVEDO,
2017).
50
Rayane Dantas da Cunha
Tabela 4.3: Comparativo global do compósito híbrido MHVK para diferentes energias
de impacto
Compósito Híbrido MHVK
Energia 61 J 76 J
Nº de impactos 1 2 3 4 1 2
Fissura/Trinca na Matriz
Delaminação
Ruptura de fibras
Perfuração
Diante dos danos obtidos, é possível observar que o compósito MHVK
apresenta boa resistência ao impacto quando comparado com o compósito
híbrido estudado por Santos (2018) que houve perfuração total com apenas um
impacto com energia de 61 J. Esse aumento da resistência ao impacto ocorreu
devido à presença do tipo de tecido de mecha híbrida Vidro/Kevlar.
Com o intuito de demostrar as características dos danos causados por
cada energia nos materiais estudados, serão apresentados a seguir a análise
macroscópica referente a cada resultado obtido e apresentado na Tabela 4.3.
4.3.1.1. Energia de Impacto 61 J
O compósito MHVK apresentou uma boa capacidade para suportar o
impacto com a energia de 61 J, quando comparado com o laminado híbrido
desenvolvido por Santos (2018), pois foi preciso receber uma sequência de 4
golpes no mesmo corpo de prova para chegar à perfuração, além disso pode-se
observar que ocorreu um dano com característica local, no qual se verificou que
a delaminação ocasionada pelo impacto quase não se distanciou do ponto de
impacto, este resultado foi diferente do encontrado no estudo de Santos (2018),
que vai servir de referência e ponto de comparação desta dissertação devido a
este material possuir as mesmas características do aqui estudado, com exceção
do uso de um tecido de mecha hibrida, que para essa mesma energia de impacto
o compósito híbrido intraply Vidro/Kevlar sofreu perfuração com um único
impacto e a ocorrência de delaminação se distribuiu em toda a amostra,
caracterizando um dano global nos corpos de prova.
51
Rayane Dantas da Cunha
Para efeito de comparação, mostram-se nas Figura 4.2 (a), (b), (c) e (d)
as imagens em sequência de uma amostra impactada quatro vezes com a
energia de 61 J no compósito MHVK. Observa-se que o dano por impacto é
iniciado, primeiramente, com trincas na matriz, desaderência fibra/matriz e
delaminação, como mostrado na Figura 4.2 (a). Este processo de dano é
acompanhado nas seguintes Figuras, sendo assim ao fazer uma comparação
entre os danos na face do impacto e oposta ao impacto mostrou que o
mecanismo de fratura até o terceiro impacto eram idênticos. No entanto, a
fissuração na matriz (face do impacto) e a delaminação (face oposta ao impacto,
foram aumentando ao longo dos impactos, como verificado nas figuras 4.3 (a),
(b) e (c). Assim, após o quarto impacto o material foi completamente penetrado
como mostrado na Figura 4.2 (d).
Esses danos são semelhantes ao encontrado por Yang et al. (2015) que
analisou os modos de dano de diferentes laminados híbridos. Nesse estudo
Yang et al. (2015) afirmou que a energia de impacto é absorvida principalmente
pelo tecido híbrido carbono/vidro sob a superfície de contato. Como resultado,
os compósitos híbridos apresentaram melhor resistência a danos e tolerância a
impactos.
52
Rayane Dantas da Cunha
Figura 4.2: Sequência do dano com a energia de 61 J no compósito MHVK (a) 1º (b)
2º (c) 3º e (d) 4º impacto
4.3.1.2. Energia de Impacto 76 J
Utilizando uma energia de impacto de 76 J foram necessários dois
golpes para a perfuração das amostras do laminado MKVK, o que se mostra que
o compósito híbrido apresenta boa resistência a danos e tolerância a impactos
para esse nível de energia.
Apresentam-se nas Figura 4.3 (a) e (b), o dano causado com a energia
de 76 J impactada por 2 vezes consecutivas na amostra do material na face do
impacto e oposta ao impacto, respectivamente. Observa-se que ocorreu trincas
na matriz e delaminação fibra/matriz, ruptura de fibras e perfuração, assim como
aconteceu com o material impactado quatro vezes com a energia de 61 J.
53
Rayane Dantas da Cunha
Figura 4.3: Danos no MHVK com a energia de impacto 76 J impactado 2 vezes: (a)
Face do impacto; (b) Lado oposto ao impacto
Para visualizar melhor os mecanismos de dano, mostram-se nas Figura
4.4 (a) e (b) a sequência de impactos à 76 J no compósito MHVK. Observa-se
que o dano apresenta as mesmas características do que foi discutido no item
anterior, no primeiro impacto acontece as trincas na matriz, delaminação e
desaderência fibra/matriz, como mostrado na Figura 4.4 (a). Consequentemente
com o segundo impacto houve perfuração total dos CPs, como visto na Figura
4.4 (b).
54
Rayane Dantas da Cunha
Figura 4.4: Sequência do dano com a energia de 76 J no compósito MHVK (a) 1º e (b)
2º impacto
4.3.2. Análise Microscópica da Fratura
Com o intuito de explicar o comportamento mecânico apresentado pelo
MHVK, será apresentada a seguir a análise microscópica realizada através da
microscopia eletrônica de varredura (MEV) na região da fratura causada pelo
ensaio de dois impactos com 76 J de energia.
Apresenta-se na Figura 4.5, a região que caracterizou o fim da
delaminação fibra/matriz no material, provocado principalmente pela fratura
coesiva ocorrida na matriz. Além disso, apresenta o esgarçamento das fibras
Kevlar (Figura 4.6) e nota-se que ainda após a fratura há vários pontos de resinas
aderidas nas fibras de vidro, que ainda permanecem aglomeradas e mostram
assim, a boa qualidade da interface fibra/matriz nas camadas de vidro do
compósito.
55
Rayane Dantas da Cunha
Figura 4.5: Microscopia da fratura dos compósitos MHVK
Figura 4.6: Microscopia do comportamento das fibras
Apresenta-se na Figura 4.7, a região do dano de impacto em que é
possível notar fraturas coesivas ocorridas nas fibras de vidro, além de apresentar
56
Rayane Dantas da Cunha
também delaminações entre as camadas de fibra de vidro e Kevlar, ocorridas
devido a propriedade de desaderência da fibra de Kevlar, mostrando que essas
delaminações não ocorrem somente nas superfícies dos corpos de prova, como
mostrado na análise macroscópica do dano, mas também internamente,
confirmando a baixa aderência no conjunto Kevlar/matriz, além disso, nota-se
resinas aderidas nas fibras de vidro. Estes resultados confirmam os resultados
obtidos na análise visual dos compósitos impactados.
Figura 4.7: Microscopia da região do dano
4.4. Ensaio de Flexão em Três Pontos Após Impacto
Neste tópico serão apresentadas as propriedades mecânicas das
amostras após múltiplos impactos realizados com energias de 61 e 76 J, através
dos ensaios de flexão em três pontos, comparando seus resultados com os
obtidos do material ensaiado sem impacto para a análise de suas propriedades
residuais.
Para demostrar o comportamento dos laminados estudados, foram
utilizadas quatro curvas médias obtidas nos ensaios de flexão em três pontos
realizados, onde cada curva está relacionada ao resultado obtido de uma
57
Rayane Dantas da Cunha
distância da borda do impactador, sendo essas distâncias de: 17, 33 e 50 mm
que serão comparadas com o ensaio de flexão sem impacto.
4.4.1. Compósito MHVK Submetido à Quatro Golpes com 61 J
de Energia de Impacto.
No que se refere ao ensaio de flexão de três pontos para os corpos de
prova MHVK4x61, mostra-se na Figura 4.8 o gráfico Tensão-Deformação obtido.
Observa-se, a ocorrência de um comportamento semelhante aos CPs MHVK
sem impacto, onde pode ser observado um perfil linear até o início do dano,
aproximadamente, 40 % da resistência última à flexão do material, havendo uma
variação nos CPs a 17 mm de distância da borda do impactador, podendo
explicar pelo região de dano, consequentemente, o maior índice de perda da
resistência, enquanto que, ao distanciar-se, as amostras de 33 mm e 50 mm de
distância, a resistência e o módulo se aproximam ao obtido nas amostras sem
impacto. Essa diminuição nas propriedades dos CPs com a menor distância da
borda do impactador ocorreu também nas análises de Santos (2018) e Azevedo
(2017).
Figura 4.8: Curva tensão-deformação do compósito MHKV4x61 ensaiado à flexão
após impacto
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Borda do
impactador
33
50
17
Ten
são
de
vid
o à
fle
xão
(M
Pa
)
Deformação de flexão (%)
Distância em relação à borda do impactador
Sem impacto 17 mm 33 mm 50 mm
58
Rayane Dantas da Cunha
Os valores médios e os desvios padrão obtidos para a Resistencia
Última à Flexão, para o Módulo de Elasticidade Longitudinal e para a
Deformação Máxima estão mostrados na tabela 4.4.
Tabela 4.4: Propriedades mecânicas de flexão após impacto conforme a distância da
borda do impactador para o compósito MHVK4x61
HÍBRIDO COM IMPACTO 4 x 61 J
Distância da borda do impactador (mm)
Tensão (MPa) Módulo de
elasticidade (GPa) Deformação
(%)
17 255 ± 29 9 ± 1,5 4,1 ± 0,6
33 358 ± 4 12,8 ± 0,2 4,2 ± 0,1
50 363 ± 26 13,8 ± 0,2 4,7 ± 0,1
Sem impacto 368 ± 18 14,2 ± 0,9 4,4 ± 0,3
Para melhor visualização, mostra-se na Figura 4.8 o gráfico comparativo
entre as tensões últimas das amostras ensaiadas de acordo com a distância da
borda do impactador. Observa-se que a amostra mais próxima (17 mm)
apresenta menor valor de tensão máxima bem como maior desvio padrão, e que,
o valor alcançado pela distância de 33 mm é 29 % maior que a tensão máxima
da amostra mais próxima ao dano, demostrando que este material possui uma
recuperação rápida desta propriedade.
Figura 4.9: Tensão última à flexão após impacto conforme a distância da borda do
impactador do compósito MHVK4x61
255
358363 368
0
50
100
150
200
250
300
350
400
17 33 50 Sem impacto
Ten
são
últ
ima
à fl
exão
(M
Pa)
Distância (mm)
59
Rayane Dantas da Cunha
Já na Figura 4.10 mostra-se o comparativo entre o módulo de
elasticidade para cada distância estudada, nota-se que a amostra de 17 mm de
distância da borda do impactador também apresenta menor valor, visto que este
dano reduziu o módulo do material em 37 % quando comparada com o material
sem impacto, além de apresentar o maior desvio padrão, assim como ocorreu à
tensão última para a mesma situação, isso também é verificado em Santos
(2018), e se explica devido à proximidade ao ponto de impacto que causa maior
irregularidade e concentração de danos na amostra.
Figura 4.10: Módulo de elasticidade à flexão após impacto conforme a distância da
borda do impactador do compósito MHVK4x61
4.4.2. Compósito MHVK Submetido à Dois Impactos com 76 J
de Energia de Impacto
No que se refere ao ensaio de flexão de três pontos para os corpos de
prova MHVK2x76, mostra-se na Figura 4.11 o gráfico Tensão-Deformação
obtido. Observa-se, a ocorrência de um comportamento semelhante aos CPs
MHVK sem impacto, onde pode ser observado um perfil linear até o início do
dano, aproximadamente, 40 % da resistência última à flexão do material. Além,
disso, assim como ocorreu para o MHVK4x61 é possível observar que os CPs a
17 mm de distância da borda de impactador, houve uma maior perda da
9
12,813,8
14,2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
17 33 50 Sem impacto
Mó
du
lo d
e El
asti
cid
dad
e a
Flex
ão (
GP
a)
Distância (mm)
60
Rayane Dantas da Cunha
resistência e rigidez, enquanto que, ao distanciar-se as propriedades ficaram
mais próximas dos valores obtidos dos corpos de prova sem impacto.
Figura 4.11: Curva tensão-deformação do compósito MHVK2x76 ensaiado à flexão
após impacto
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Borda do
impactador
33
50
17Tensão d
evid
o à
fle
xão (
MP
a)
Deformação de flexão (%)
Distância em relação á borda do impactador
Sem impacto 17 mm 33 mm 50 mm
Apresenta-se na Tabela 4.5 os valores médios e os desvios padrão
obtidos para a Resistencia Última à Flexão, para o Módulo de Elasticidade
Longitudinal e para a Deformação Máxima deste material.
Tabela 4.5: Propriedades mecânicas de flexão após impacto conforme a distância da
borda do impactador para o compósito MHVK2x76
HÍBRIDO COM IMPACTO 2 x 76 J
Distância da borda do impactador (mm)
Tensão (MPa) Módulo de
elasticidade (GPa) Deformação
(%)
17 298,3 ± 29 10,6 ± 0,5 3,9 ± 0,2
33 337 ± 5 12,4 ± 0,7 4,1 ± 0,2
50 331,5 ± 4,3 13,6 ± 0,9 3,9 ± 0,3
Sem impacto 368 ± 18 14,2 ± 0,9 4,4 ± 0,3
Analisando as Figuras 4.12 e 4.13, que representam gráficos
comparativos entre as tensões últimas e módulos de elasticidade, é possível
61
Rayane Dantas da Cunha
observar que o crescimento dessas propriedades se deu para todas as amostras
ao se distanciarem da borda do impactador. Além disso, observa-se que a
diferença mais expressiva tanto na resistência, quanto no módulo, ocorreu para
a distância de 17 mm da borda do impactador, com uma diferença percentual de
19 % na resistência e de 25,4 % no módulo de elasticidade, quando comparados
com o material sem impacto.
Entretanto, ao analisar as diferenças das resistências para as distancias
de 33 e 50 mm entre o resultado das amostras sem impacto é pequeno, o maior
valor observado foi de 8,4 %, mostrando que o dano do impacto se comportou
de modo local (região próxima das bordas do impactador), ou seja, a medida que
se distancia do dano provocado pelo impacto, o laminado MHVK permanece com
suas propriedades mecânicas.
Estes resultados são importantes e demostra que este material se
mostra bastante promissor em aplicações onde existe a ocorrência de impactos,
pois diferentemente do que foi obtido por Santos (2018) que o compósito perdia
todas as suas propriedades após o impacto, o MHVK só perde suas
propriedades próximo a região de impacto, facilitando assim sua reparação.
Figura 4.12: Tensão última à flexão após impacto conforme a distância da borda do
impactador do compósito MHVK2x76
298,3337 331,5
368
0
50
100
150
200
250
300
350
400
17 33 50 Sem impacto
Ten
são
ult
ima
à fl
exão
(M
Pa)
Distância (mm)
62
Rayane Dantas da Cunha
Figura 4.13: Módulo de elasticidade à flexão após impacto conforme a distância da
borda do impactador do compósito MHVK2x76
4.4.3. Comparativo entre Compósito MHVK4x61 e MHVK2x76
Para melhor analisar os resultados obtidos nos ensaios de flexão após
impacto, apresentam-se nas Figura 4.14 e Figura 4.15 os valores de resistência
à flexão e módulo de elasticidade, respectivamente das amostras MHVK4x61 e
MHVK2x76. Nesses gráficos é possível observar que ambas obtiveram ótima
recuperação de resistência e rigidez em relação ao aumento da distância da
borda do impactador.
Este resultado também apresenta que os corpos de prova a 17 mm de
distância da borda do impactador do material submetido a dois golpes com 76 J
de energia de impacto apresentaram menor perda da resistência e rigidez
quando comparados com o compósito submetido a quatro golpes com 61 J e ao
distanciar-se do dano, a resistência já se aproxima do valor obtido nas amostras
ensaiadas à flexão sem impacto, para ambas as energias.
10,6
12,4
13,614,2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
17 33 50 Sem impacto
Mó
du
lo d
e El
asti
cid
dad
e a
Flex
ão (
GP
a)
Distância (mm)
63
Rayane Dantas da Cunha
Figura 4.14: Comparativo da tensão última à flexão após impacto entre os compósitos
com diferentes energias de impactos, conforme a distância da borda do impactador
Figura 4.15: Comparativo do módulo de elasticidade à flexão após impacto entre os
compósitos com diferentes energias de impactos, conforme a distância da borda do
impactador
De maneira geral, é possível afirmar que, para as duas energias de
impacto utilizadas, a partir de 33 mm de distância da borda do impactador foram
mantidos na média dos valores alcançados pelas amostras sem impacto,
considerando-se as tensões máximas e os módulos de elasticidade, bem como
os desvios padrão. Este resultado é interessante pois confirma que o dano
ocorreu em uma área pequena, facilitando seu reparo.
255
358363 368
298,3337 331,5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
17 33 50 Sem impacto
Ten
são
últ
ima
à fl
exão
(M
Pa)
Distância (mm)
4 x 61 J
2 x 76 J
9
12,813,8
14,2
10,6
12,4
13,6
0
2
4
6
8
10
12
14
16
17 33 50 Sem impacto
Mó
du
lo d
e El
asti
cid
dad
e a
Flex
ão (
GP
a)
Distância (mm)
4 x 61 J
2 x 76J
64
Rayane Dantas da Cunha
4.5. Modelando o Comportamento da Resistência e Módulo
Residual das Amostras Impactadas
A resistência e o módulo residual dos corpos de prova MHVK4x61 e
MHVK2x76, foram determinados aplicando-se as equações empíricas 4.1 e 4.2
desenvolvidas por Azevedo (2017), conforme citadas na revisão bibliográfica.
𝜎Rf
𝜎of= 1 − 𝑒
−(𝑑
𝛽)
𝛼
(4.1)
𝐸Rf
𝐸of= 1 − 𝑒
−(𝑑
𝛽)
𝛼
(4.2)
Aplicando as equações aos dados obtidos nos ensaios de flexão já
discutidos no item anterior, obteve-se os valores para as constantes
apresentadas na Tabela 4.6. Comparando os valores é possível verificar que o
laminado MHVK2x76 possui um menor valor de , indicando que o valor residual
de 63,2 % da tensão e do módulo deste laminado para dois impacto de 76 J se
concentra em aproximadamente em 3 mm e 12 mm respectivamente, enquanto
que para o MHVK4x61 o valor residual de 63,2% da resistência e rigidez são em
aproximadamente 14 e 17 mm, respectivamente.
Tabela 4.6: Constantes e obtidas para resistência e módulo após impacto
Tensão Residual (Rf /of) Módulo Residual (ERf/Eof)
α β α β
4 x 61 J 1,23 13,87 1,18 16,65
2 x 76 J 0,333 3,16 0,765 11,77
Nas Figuras 4.16 e 4.17 apresentam-se os dados obtidos nas equações
em relação aos dados experimentais do compósito aqui estudado, onde serão
comparados resistência e módulo após impacto.
De acordo com a Figura 4.16, o compósito MHVK2x76 possuiu uma
perda maior da tensão em relação ao MHVK4x61. Mesmo assim, apesar dessa
parcela de perda de tensão, o material apresentou boa resistência ao impacto
65
Rayane Dantas da Cunha
para os dois níveis de energia estudados, pois teve pequenas perdas nas
propriedades. Essa afirmativa é possível pois ao analisar toda a curva
apresentada, especificamente a distância máxima da borda do impactador que
é de 67 mm, verifica-se que o MHVK4x61 alcança 99% da resistência original e
o MHVK2x76 atinge 93%.
Quando se faz a análise para uma reparação da área danificada pelo
impacto, é verificado no gráfico que a uma distância de 45 mm em relação à
borda do impactador, por exemplo, terá 90% das propriedades do material.
Figura 4.16: Curvas da tensão residuais das amostras MHVK4x61 e MHVK2x76 em
função da distância da borda do impactador
0 10 20 30 40 50 60 70
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
R
f /
of
Distância em relação à borda (mm)
4 x 61 J Dados Exp.4 x 61 J
2 x 76 J Dados Exp.2 x 76 J
Apresenta-se na Figura 4.17 as curvas dos módulos residuais do
MHVK4x61 e MHVK2x76, em que se têm comportamentos diferentes. Pode-se
verificar que o compósito MHVK não possui grandes perdas significativas do
módulo de elasticidade, apresentando apenas uma perda maior quando
submetido a dois impactos com a energia de 76 J em relação aos quatro
impactos de 61 J. Visto que ao analisar todo o comportamento da curva é
possível ver que na distância máxima à borda do impactador (67 mm), o
MHVK4x61 atinge aproximadamente 99% da rigidez original, e o MHVK2x76
alcança 97%. Além disso, com uma distância de aproximadamente 45 mm em
66
Rayane Dantas da Cunha
relação à borda do impactador, com impactos com energia abaixo de 2 x 76 J, o
material poderá ser reparado e terá 90% das suas propriedades, ou seja, pode-
se quantificar a distância em que poderá retirar o dano provocado pelo impacto.
Figura 4.17: Curvas do módulo residual das amostras MHVK4x61 e MHVK2x76 em
função da distância da borda do impactador
0 10 20 30 40 50 60 70
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
ER
f /E
of
Distância em relação à borda (mm)
4 x 61 J Dados Exp.4 x 61 J
2 x 76 J Dados Exp.2 x 76 J
Resultados diferentes a estes foram encontrados por Santos (2018) ao
analisar o compósito híbrido submetido a dois impactos com energia de 46 J,
verificou-se que este material alcança somente 82% da resistência original e
84% da sua rigidez, à distância máxima da borda do impactador (67 mm),
mostrando que o impacto diminuiu as propriedades deste material em toda a
extensão do corpo de prova, além de ser um material que suporta menor energia
de impacto (perfuração completa com dois golpes de 46 J) quando comparado
com o MHVK2x76. Assim, o material apresentado aqui, além de possuir maior
resistência ao impacto, ainda possui a possibilidade de ser reparado.
Por fim, é interessante comentar que o principal motivo para estas
propriedades obtidas no laminado que utiliza mechas híbridas se deve à boa
aderência fibra/matriz da fibra de vidro. Enquanto que o Kevlar possui baixa
aderência fibra/matriz (facilitando a formação de delaminação) o vidro, que é
67
Rayane Dantas da Cunha
colocado na mesma mecha que o Kevlar e trançado em forma de tecido
bidirecional, suporta o carregamento evitando a propagação do dano e
concentrando o mesmo próximo ao ponto do impacto, visualizado na
microscopia eletrônica de varredura.
Capítulo 5
Conclusões
69
Rayane Dantas da Cunha
5. CONCLUSÕES
A partir dos resultados apresentados, pode-se concluir que:
- A densidade volumétrica do MHVK está de acordo com os compósitos
híbrido de fibras de Vidro/Kevlar a base de matriz termofixas;
- A fração de fibras no compósito está de acordo com o esperado como
encontrado em outros trabalhos da literatura;
- O MHVK suporta três impactos com energia de 61 J e atinge perfuração
no quarto golpe, mesmo assim, apresentou danos pequenos possíveis
de reparo estrutural;
- O MHVK absorve energia de um impacto com 76 J e atinge perfuração
no segundo golpe, mesmo assim o dano provocado pelos impactos
podem ser reparados;
- As formas de danos no MHVK para ambas as energias, foram as trincas
na matriz, desaderência fibra/matriz, delaminação fibra/matriz, ruptura de
fibras, perfuração dos CPs;
- Os corpos de prova à 17 mm de distância da borda do impactador,
submetido a dois impactos com energia de 76 J apresentaram menor
perda da resistência e rigidez do que os submetidos a quatro impactos
com 61 J;
- A utilização do tecido de mecha híbrida Vidro/Kevlar tem uma influência
significativa na resistência ao impacto e tolerância ao dano;
- O dano foi de forma local para ambas as situações (MHVK4x61 e
MHVK2x76);
- A medida que se distancia da borda do impactador demonstrou que a
resistência e a rigidez de flexão foram pouco alteradas;
- A uma distância de aproximadamente 45 mm em relação à borda do
impactador, com impactos de energia abaixo de 2 x 76 J, o estudo indica
que pode ser realizado um pequeno reparo restaurando a resistência e a
rigidez de flexão do material.
70
Rayane Dantas da Cunha
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