Analise de Falhas em Compósitos Poliméricos Reforcados por Fibras - Artigo Cientifico

54 Polímeros Ciência e Tecnologia JanMar 98 Avaliação dos Modos de Falha sob Impacto de Compósitos de Matriz Polimérica Reforçados por Fibras Marcelo M M Naglis e José R M dAlmeida Resumo Neste trabalho é feita uma avaliação dos modos de falha de compósitos de matriz polimérica refor çados por fibras de vidro carbono ou aramida submetidos a carregamento dinâmico Os compósitos unidirecionais analisados foram fabricados por prensagem e cura à vácuo de lâminas de préimpregnados A energia total absorvida na fratura mostrou uma correlação inversamente proporcional ao módulo elástico das fibras usadas como reforço Os compósitos com fibras de carbono falharam de um modo frágil Para estes compósitos o comportamento ao impacto pode ser modelado usandose uma análise puramente elástica Para os compósitos com fibras de vidro a falha foi controlada por um mecanismo misto de cisalhamento ao longo da interface fibramatriz e tensão normal trativa atuando perpendicularmente às fibras O modelo elástico empregado para simular o comportamento ao impacto subestima a energia absorvida por estes compósitos porém a diferença entre os valores experimentais e os calculados não ultrapassou 20 A falha dos compósitos com fibras aramidas foi atribuída principalmente ao componente de tensão trativa atuando perpendicular mente às fibras Nestes compósitos foi observado arrancamento superficial nas fibras aramidas e o compor tamento ao impacto não obedece o modelo elástico empregado Palavraschave Compósitos carregamento dinâmico fractografia C O M U N I C A Ç Ã O T É C N I C O C I E N T Í F I C A Introdução Compósitos são fabricados associandose reforços e matrizes de todos os tipos de materiais metálicos cerâmicos e não metálicos especiais como carbono boro e silício12 Atualmente os compósitos vêm sen do aplicados nos mais diversos setores industriais para substituir materiais metálicos convencionais como o aço e o alumínio O espectro de aplicações coberto pelos compósitos e em particular pelos compósitos de matriz polimérica abrange desde empregos não estruturais tal como placas de sinalização de trânsito em poliéster reforçado por fibras de vidro até aplica ções com alto comprometimento mecânico como por exemplo na empenagem vertical de grandes aviões Marcelo M M Naglis e José R M dAlmeida Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Rua Marquês de São Vicente 225 CEP 22453900 Rio de Janeiro RJ de transporte de passageiros que é fabricada em epoxi reforçado por fibras de carbono eou aramida134 Uma extensa relação das mais diversas aplicações industri ais de diferentes tipos de compósitos pode ser encon trada na literatura especializada5 Qualquer que seja a aplicação desejada a estrutu ra ou o componente estará submetida a esforços está ticos eou dinâmicos que podem resultar em danos que levem o material a falhas prematuras Particularmente importante de ser analisado é o comportamento sob carregamento dinâmico porque sob taxa de defor mação elevada a fratura do material pode ocorrer de modo preferencialmente frágil6 Neste trabalho é feita uma comparação entre o modo de falha de compósitos de matriz polimérica 55 Polímeros Ciência e Tecnologia JanMar 98 reforçados por fibras de vidro carbono ou aramida submetidos a alta taxa de deformação Os micromecanismos de falha atuantes em cada compósito são analisados e é feita uma correlação entre os valores médios de energia absorvida as ca racterísticas das fibras usadas como reforço e a morfologia das superfícies de fratura Materiais e Procedimentos Experimentais Compósitos unidirecionais foram fabricados por prensagem e cura à vácuo de laminas de préimpreg nados obtidas por processo de bobinagem filament winding Para a fabricação destas lâminas as fibras usadas na forma de filamentos contínuos foram en roladas em um mandril cilíndrico previamente recoberto por um filme de poliéster termoplástico e impregnado pela resina epoxi préformulada confor me mostrado na Figura 1 Terminada a bobinagem de cada lâmina uma quan tidade préfixada de resina foi vertida sobre as fibras enroladas no mandril e espalhada com auxílio de um rolo compressor Após esta operação que serve tam bém para remover o excesso de resina recobrese as fibras impregnadas com um novo filme de poliéster A lâmina de préimpregnado é então cortada longitudi nalmente removida do mandril e armazenada sob bai xa temperatura a fim de retardar o processo de cura da matriz polimérica Figura 1 Os compósitos foram ob tidos pelo empilhamento das lâminas após se retirar os filmes protetores de poliéster Usouse como matriz uma resina epoxi básica diglicidil éter do bisfenolA DGEBA tendo como endurecedor uma amina aromática metileno dianilina A razão resinaendurecedor empregada foi de 10027 partes em peso e o ciclo de cura foi de 3 horas a 100 oC seguido de 2 horas a 175 oC conforme sugerido pelo fabricante da resina Como reforço foram usadas fi bras de vidro carbono ou aramida em frações volumétricas de 50 50 e 65 respectivamente As fibras de vidro e aramidas empregadas foram respec tivamente do tipo E e Kevlar49 A fibra de carbono foi a Sigrafil HS6 As frações volumétricas de fibra e matriz foram determinadas por análise quantitativa empregandose o método de contagem de pontos7 Os compósitos fabricados foram submetidos a en saio de impacto do tipo Charpy ou seja de flexão em três pontos Estes ensaios foram feitos baseados na norma ASTM D256 Foram empregados corpos de prova não entalhados com as dimensões médias conforme mostrado na Tabela 1 Os corpos de prova foram usinados de modo a terem as fibras orientadas unidirecionalmente e paralelas ao seu comprimento A distância entre os batentes da máquina de ensaio L foi de 40 mm de modo que a taxa de deformação média imposta às amostras e calculada a partir das equações da elasticidade8 foi de 20s1 No mínimo cinco corpos de prova foram ensaiados para cada tipo de compósito analisado As superfícies de fratura foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura usandose elé trons secundários e uma aceleração do feixe de elé trons entre 1520 kV Para evitar acúmulo de carga as amostras analisadas foram previamente recobertas com uma camada condutora de carbono Resultados Experimentais Os resultados experimentais obtidos no ensaio de impacto estão mostrados na Tabela 2 Podese observar que houve uma grande diferença entre os valores expe rimentais da energia absorvida por impacto U0obtidos Figura 1 Representação esquemática do processo de fabricação de pré impregnados Tabela 1 Dimensões em milímetros dos compósitos analisados tis o Comp Comp ir mento Largur a w spe ss ur a t E div ro 76 2 45 5 22 ara m di a 76 2 45 0 43 c ra bono 76 2 45 0 71 ó 56 Polímeros Ciência e Tecnologia JanMar 98 em função do tipo de fibra empregado e que estes valo res apresentam uma dependência inversamente propor cional ao módulo de elasticidade das fibras O aspecto macroscópico da fratura dos compó sitos está mostrado na Figura 2 Podese observar que apenas o compósito com fibras de carbono foi com pletamente fraturado Figura 2a Este modo de fratu ra é típico de falha comandada por tensões normais De fato conforme mostrado na Figura 3 a superfície de fratura destes compósitos apresenta duas regiões características de falha por tensão normal sob tração região A e compressiva região B respectivamen te9 Na região A da Figura 3 observamse fibras ou grupo de fibras sacadas da matriz em uma morfologia típica de falha sob tração910 Além dis to a morfologia observada indica qualitativamente que uma boa resistência interfacial foi desenvolvida tendo em vista que o comprimento das fibras sacadas não é grande9 Na região B da Figura 3 observase uma superfície significativamente mais plana o que caracteriza a falha compressiva desta região Nas Figuras 4a e b estão mostradas com maior detalhe as características morfológicas observadas nas regiões sob tração e sob compressão respectiva mente Para este compósito apenas um dos corpos de prova ensaiados apresentou delaminação ao longo do eixo neutro e em apenas uma das duas metades fra turadas resultantes Conforme mostrado nas Figuras 2b e 2c os compósitos com fibras de vidro ou aramida apresen taram extensiva delaminação e não sofreram ruptura Tabela 2 Energia absorvida no ensaio de impacto Figura 2 Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos ensaiados a Compósito com fibra de carbono b com fibra de vidro e c com aramida Figura 3 Superfície de fratura do compósito epoxifibra de carbono Na região A observase o aspecto de fratura característico da falha por tensão normal sob tração Podese ver fibras sacadas da matriz Na região B a fratura plana indica que a falha ocorreu por compressão Figura 4 Compósito epoxicarbono a Detalhe da região de falha sob tração Observase uma superfície com grande diferença de relevo b Região de falha sob compressão A fratura é contida preferencialmente em um único plano Compó tis o U0 k J m 2 Vf GPa E div ro 319 20 50 70 3 ara m di a 216 24 65 125 3 c ra bono 84 12 50 230 3 Figura 5 Características das superfícies delaminadas a e b Marcas de cisalhamento cúspides na matriz epoxi para os compósitos com fibras de vidro e carbono respectivamente c e d Falha por tensão normal para os mesmos compósitos Figura 6 Aspecto da superfície delaminada para o compósito reforçado por fibras aramidas A superfície de fratura é predominantemente lisa indicando uma falha preferencial por tensão normal Figura 7 Aspecto da fibra aramida destacando o arrancamento de fibrilas superficiais Podese observar também fibras deformadas plasticamente Figura 8 Aspecto geral da fratura do compósito reforçado por fibras aramidas mostrando a existência de fibrilas unindo as diversas superfícies do compósito 59 Polímeros Ciência e Tecnologia JanMar 98 A energia elástica absorvida até o ponto de ten são máxima pode ser calculada pela relação18 c 2 m calc 6 E tb L U σ 4 onde Ec é o módulo de elasticidade do compósito Na Tabela 3 estão mostrados os valores calcula dos para a energia elástica dos compósitos ensaia dos o módulo elástico dos compósitos Ec tensão normal máxima σm e para melhor comparação os valores de energia obtidos experimentalmente e pre viamente listados na Tabela 2 Na Tabela 3 estão listados também os valores de σm e Ec empregados nos cálculos Os valores do módulo de elasticidade dos compósitos foram calculados pela regra das mis turas usandose valores mostrados na Tabela 2 para o módulo de elasticidade das fibras3 e o valor expe rimentalmente obtido para o módulo da matriz epoxi E 278 GPa19 Os valores das tensões máximas dos compósitos foram retirados da bibliografia620 Podese observar que existe dentro do erro expe rimental uma boa correlação entre o valor calculado e o medido para os compósitos reforçados com fibras de carbono Este resultado indica que neste compósito praticamente toda a energia consumida no processo de impacto é armazenada sob a forma de energia de deformação elástica De fato conforme já observado na análise fractográfica Figuras 2 e 3 a falha deste compósito ocorreu preferencialmente por efeito da ten são normal Como as fibras de carbono são materiais essencialmente frágeis apresentando uma capacidade de deformação plástica muito limitada9 e como mos trado na Figura 2 praticamente não houve delaminação e arrancamento de fibra não existem mecanismos efi cientes de absorção de energia de deformação plástica neste compósito Assim a falha dos compósitos refor çados por fibras de carbono pode ser satisfatoriamente descrita pelo modelo elástico Para o compósito reforçado por fibras de vidro houve uma diferença maior entre o valor calculado pelo modelo elástico e o valor experimentalmente me dido Este resultado era esperado pois conforme mos trado na Figura 2 uma parcela importante de energia é consumida devido a delaminação que ocorre neste compósito Ou seja o modelo elástico subestima necessariamente a capacidade de absorção de ener gia do compósito reforçado com fibras de vidro Po rém a partir dos dados mostrados nas Tabelas 2 e 3 podese ver que uma parcela importante da energia total consumida está associada a energia de defor mação elástica Este resultado concorda com as cur vas tensão vs deformação para compósitos unidirecionais de fibra de vidro que apresentam um comportamento essencialmente linear até a ruptura21 Por outro lado o modelo empregado não descreve o comportamento do compósito reforçado por fibras aramidas Este resultado concorda também com a aná lise fractográfica que mostra a presença extensiva de delaminação e com o fato de que as fibras aramidas apre sentam um modo complexo de falha Sob compressão elas se deformam plasticamente antes de se romper e sob tração podem sofrer múltiplas fraturas axiais22 Estas características acarretam na presença de múlti plos mecanismos de absorção de energia para estes compósitos Além disto a energia total associada à cri ação de superfícies delaminadas em um compósito re forçado por fibras é proporcional à fração volumétrica de fibras e a razão σfτ onde σf é a tensão de ruptura da fibra e τ é a tensão de cisalhamento na interface fibra matriz23 Como o valor de σf das fibras aramidas é ele vado322 e o valor de τ é baixo tendo em vista que as fibras aramidas apresentam uma baixa resistência interfacial1322 a energia associada a delaminação nes tes compósitos deve ser alta Assim é possível enten der qualitativamente porque os compósitos reforçados por fibras aramidas não podem ser analisados empre gandose um modelo puramente elástico A falha do modelo elástico em simular o com portamento do compósito com fibras aramidas pode ria ser esperada tendo em vista que estas fibras são materiais tenazes empregados em proteções indivi duais ou em blindagens2425 Entretanto deve ser aqui ressaltado que as condições de contorno aplicáveis para descrever o comportamento das fibras aramidas quando submetidas a impacto balístico são bem dis tintas das condições empregadas neste trabalho As sim sendo uma correlação direta entre os mecanismos de absorção de energia para os dois casos não é apli cável De fato o regime de taxa de deformação im posta a estes compósitos de cerca de 101 s1 está no limite inferior do comportamento dinâmico e por tanto o comportamento global do compósito ainda Tabela 3 Valores calculados para a energia de impacto valores calculados pela equação 4 Compó tis o U c cla J m k 2 U0 k J m 2 Ec GPa σm GPa div ro 263 319 20 3 46 0 21 6 ara m di a 140 216 24 8 22 1 31 6 c ra bono 78 84 12 11 46 7 11 20 60 Polímeros Ciência e Tecnologia JanMar 98 pode ser modelado empregandose considerações de equilíbrio estático26 Para as condições de contorno de impacto balístico quanto a taxa de deformação assume valores entre 104 a 105 s1 o comportamento deve ser modelado em função da propagação de on das plásticas ou cisalhantes no material26 Conclusões A energia absorvida sob impacto Charpy de compósitos de matriz epoxi reforçados por fibras de vidro carbono ou aramida varia inversamente com o módulo de elasticidade das fibras Os compósitos car bonoepoxi sofreram ruptura total e seu comportamento pode ser analisado por um modelo puramente elásti co Para os compósitos vidroepoxi e aramidaepoxi ocorre delaminação Este mecanismo aumenta a capa cidade de absorção de energia destes compósitos e portanto causa um desvio entre os valores experimen tais e os preditos pelo modelo elástico Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq pela bolsa de ini ciação científica no âmbito do PIBIC para MMMNaglis Referências Bibliográficas 1 GibsonRF Principles of Composite Materials Mechanics McGrawHill Singapore 1994 2 ReinhartTJ Introduction to Composites in Engineered Materials Handbook vol1 Composites ASM International Metals Park EUA 1987 pp2734 3 ChawlaKK Composite Materials Science and Engineering SpringerVerlag Berlin 1987 4 McCartyJE Composites vol24 p361 1993 5 QuinlivanJT Chairman Applications and Experience Section 12 in 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