Estudo de delaminação em compósitos de matriz polimérica

A aplicação do material compósito é neste momento bastante vasta, graças à combinação das suas características específicas, tais como, maior resistência específica e módulos específicos e melhor resistência à fadiga, quando comparados com os metais convencionais. Tais características, quando requeridas, tornam este material ideal para aplicações estruturais. Esta caminhada de sucesso iniciou desde muito cedo, quando o material compósito já era utilizado para fabrico de armas pelos mongóis e na construção civil pelos hebreus e egípcios, contudo, só a partir dos meados do século XX é que despertou interesses para aplicações mais modernas. Atualmente os materiais compósitos são utilizados em equipamentos domésticos, componentes elétricos e eletrónicos, passando por materiais desportivos, pela indústria automóvel e construção civil, até indústrias de grande exigência e visibilidade tecnológica como a aeronáutica, espacial e de defesa. Apesar das boas características apresentadas pelos materiais compósitos, no entanto, estes materiais têm tendência a perderem as suas propriedades quando submetidas a algumas operações de acabamento como a furação. A furação surge da necessidade de ligação de peças de um mesmo mecanismo. Os furos obtidos por este processo devem ser precisos e sem danos para garantir ligações de alta resistência e também precisas. A furação nos materiais compósitos é bastante complexa devido à sua heterogeneidade, anisotropia, sensibilidade ao calor e pelo facto de os reforços serem extremamente abrasivos. A operação de furação pode causar grandes danos na peça, como a delaminação a entrada, defeitos de circularidade do furo, danos de origem térmica e a delaminação à saída que se apresenta como o mais frequente e indesejável. Com base nesses pressupostos é que este trabalho foi desenvolvido de forma a tentar obter processos simples para determinação e previsão de danos em polímeros reforçados com fibras (de carbono neste caso) de forma a precavê-los. De forma a conseguir estes objetivos, foram realizados ensaios de início de delaminação segundo a proposta de Lachaud et al. e ensaios de pin-bearing segundo a proposta de Khashaba et al. Foram também examinadas extensões de danos de acordo com o modelo de Fator de delaminação ajustado apresentado por Davim et al. A partir dos ensaios, de pin-bearing, realizados foram analisadas influências do material e geometria da broca, do avanço utilizado na furação e de diferentes orientações de empilhamentos de placas na delaminação de laminados compósitos e ainda a influências dessas variáveis na força de rutura por pin-bearing. As principais conclusões tiradas daqui são que a delaminação aumenta com o aumento do avanço, o que já era esperado, as brocas em carboneto de tungsténio são as mais recomendas para a furação do material em causa e que a delaminação é superior para a placa cross-ply quando comparada com placas unidirecionais. Para a situação de ensaios de início de delaminação foram analisadas as influências da variação da espessura não cortada por baixo da broca/punção, de diferentes geometrias de brocas, da alteração de velocidade de ensaio e diferentes orientações de empilhamentos de placas na força de início de delaminação. Deste ensaio as principais conclusões são que a força de início de delaminação aumenta com o aumenta da espessura não cortada e a influência da velocidade de ensaio altera com a variação das orientações de empilhamento.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Electrospun Polyaniline-Reduced Graphene Oxide Composite Nanofibers Based High Sensitive Ammonia Gas Sensor

Ammonia is an important gas in many power plants and industrial processes so its detection is of extreme importance in environmental monitoring and process control due to its high toxicity. Ammonia’s threshold limit is 25 ppm and the exposure time limit is 8 h, however exposure to 35 ppm is only secure for 10 min. In this work a brief introduction to ammonia aspects are presented, like its physical and chemical properties, the dangers in its manipulation, its ways of production and its sources. The application areas in which ammonia gas detection is important and needed are also referred: environmental gas analysis (e.g. intense farming), automotive-, chemical- and medical industries. In order to monitor ammonia gas in these different areas there are some requirements that must be attended. These requirements determine the choice of sensor and, therefore, several types of sensors with different characteristics were developed, like metal oxides, surface acoustic wave-, catalytic-, and optical sensors, indirect gas analyzers, and conducting polymers. All the sensors types are described, but more attention will be given to polyaniline (PANI), particularly to its characteristics, syntheses, chemical doping processes, deposition methods, transduction modes, and its adhesion to inorganic materials. Besides this, short descriptions of PANI nanostructures, the use of electrospinning in the formation of nanofibers/microfibers, and graphene and its characteristics are included. The created sensor is an instrument that tries to achieve a goal of the medical community in the control of the breath’s ammonia levels being an easy and non-invasive method for diagnostic of kidney malfunction and/or gastric ulcers. For that the device should be capable to detect different levels of ammonia gas concentrations. So, in the present work an ammonia gas sensor was developed using a conductive polymer composite which was immobilized on a carbon transducer surface. The experiments were targeted to ammonia measurements at ppb level. Ammonia gas measurements were carried out in the concentration range from 1 ppb to 500 ppb. A commercial substrate was used; screen-printed carbon electrodes. After adequate surface pre-treatment of the substrate, its electrodes were covered by a nanofibrous polymeric composite. The conducting polyaniline doped with sulfuric acid (H2SO4) was blended with reduced graphene oxide (RGO) obtained by wet chemical synthesis. This composite formed the basis for the formation of nanofibers by electrospinning. Nanofibers will increase the sensitivity of the sensing material. The electrospun PANI-RGO fibers were placed on the substrate and then dried at ambient temperature. Amperometric measurements were performed at different ammonia gas concentrations (1 to 500 ppb). The I-V characteristics were registered and some interfering gases were studied (NO2, ethanol, and acetone). The gas samples were prepared in a custom setup and were diluted with dry nitrogen gas. Electrospun nanofibers of PANI-RGO composite demonstrated an enhancement in NH3 gas detection when comparing with only electrospun PANI nanofibers. Was visible higher range of resistance at concentrations from 1 to 500 ppb. It was also observed that the sensor had stable, reproducible and recoverable properties. Moreover, it had better response and recovery times. The new sensing material of the developed sensor demonstrated to be a good candidate for ammonia gas determination.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

As the prostate cancer (PCa) progresses, sarcosine levels increase both in tumor cells and urine samples, suggesting that this metabolite measurements can help in the creation of non-invasive diagnostic methods for this disease. In this work, a biosensor device was developed for the quantification of sarcosine via electrochemical detection of H2O2 (at 0.6 V) generated from the catalyzed oxidation of sarcosine. The detection was carried out after the modification of carbon screen printed electrodes (SPEs) by immobilization of sarcosine oxidase (SOX) on the electrode surface. The strategies used herein included the activation of the carbon films by an electrochemical step and the formation of an NHS/EDAC layer to bond the enzyme to the electrode, the use of metallic or semiconductor nanoparticles layer previously or during the enzyme immobilization. In order to improve the sensor stability and selectivity a polymeric layer with extra enzyme content was further added. The proposed methodology for the detection of sarcosine allowed obtaining a limit of detection (LOD) of 16 nM, using a linear concentration range between 10 and 100 nM. The biosensor was successfully applied to the analysis of sarcosine in urine samples.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

XIX Meeting of the Portuguese Electrochemical Society - XVI Iberic Meeting of Electrochemistry

Utilização de Cabos de alta Temperatura em linhas Aéreas em Média Tensão

A presente dissertação teve como objetivo fazer uma análise da viabilidade técnica da utilização dos condutores de alta temperatura nas linhas aéreas de MT, identificar vantagens, analisar inconvenientes, e estabelecer um comparativo a custos médios com as soluções convencionais. Foi efetuado o estudo de um caso real da EDP Distribuição que consistia na necessidade do aumento da capacidade de transporte de energia da linha aérea a 15 kV Espinho-Sanguedo. Neste foi ponderada a solução onde se poderia efetuar passagem de linha simples para linha dupla em alumínio-aço (AA) 160 mm2 ou a solução alternativa e inovadora de substituição dos condutores existentes por condutores de alta temperatura ACCC 182 mm2. Para isso foram efetuados cálculos e também criada uma ferramenta de apoio à decisão, para validação dos mesmos, com o intuito de mais tarde poder ser aplicada nas linhas aéreas em Média Tensão em todo o país e, sempre que necessário, se possa fazer um estudo de ponderação técnica de forma sistemática e estruturada. Neste trabalho estão identificadas as vantagens, foram relatados os inconvenientes, e estabeleceu-se um comparativo a custos médios da utilização de condutores de alta temperatura com as soluções convencionais. Antes de poder ser realizado um estudo do caso concreto da Linha aérea Espinho-Sanguedo foi necessário um aprofundamento do estado da arte no que diz respeito à comparação entre o cabo de alta temperatura ACCC e o cabo convencional ACSR, sendo este o mais utilizado nas linhas aéreas em MT. Os cabos de alta temperatura trouxeram inovações neste tema de transporte de energia, e como tal surgiu a necessidade de um estudo mais aprofundado da sua constituição, destacando o seu núcleo formado pelo compósito de fibra de carbono e fibra de vidro. Foi também analisado vantagens e desvantagens do cabo de alta temperatura e até mesmo situações onde a sua aplicação poderá ser vantajosa, de modo a tirar proveito das suas caraterísticas em que se destacam altas temperaturas de funcionamento e flechas reduzidas. Para elaborar um projeto de uma linha aérea em média tensão é necessário considerar a legislação em vigor, os aspetos ambientais e económicos, respeitando e garantindo as premissas do cálculo elétrico e mecânico. Economicamente este tipo de cabo (ACCC) é mais dispendioso do que os convencionais, no entanto o estudo realizado permitiu perceber que a sua implementação técnica é vantajosa em linhas aéreas de elevada capacidade de transporte de energia, sobretudo nos casos onde serão necessárias instalar linhas duplas ou linhas simples de seções elevadas. Devido às suas caraterísticas mecânicas, estes cabos permitem melhorar as linhas na sua dimensão, podendo diminuir o número de apoios a instalar, podendo diminuir a robustez dos apoios e permitir maior facilidade na montagem. Estas vantagens traduzem-se em menores impactos ambientais e permitem sobretudo reduzir os constrangimentos com os proprietários dos terrenos onde os apoios são implantados.

Re-Use Assessment of Thermoset Composite Wastes as Aggregate and Filler Replacement for Concrete-Polymer Composite Materials: A case study regarding GFRP pultrusion wastes

Glass fibre-reinforced plastics (GFRP), nowadays commonly used in the construction, transportation and automobile sectors, have been considered inherently difficult to recycle due to both the cross-linked nature of thermoset resins, which cannot be remoulded, and the complex composition of the composite itself, which includes glass fibres, polymer matrix and different types of inorganic fillers. Hence, to date, most of the thermoset based GFRP waste is being incinerated or landfilled leading to negative environmental impacts and additional costs to producers and suppliers. With an increasing awareness of environmental matters and the subsequent desire to save resources, recycling would convert an expensive waste disposal into a profitable reusable material. In this study, the effect of the incorporation of mechanically recycled GFRP pultrusion wastes on flexural and compressive behaviour of polyester polymer mortars (PM) was assessed. For this purpose, different contents of GFRP recyclates (0%, 4%, 8% and 12%, w/w), with distinct size grades (coarse fibrous mixture and fine powdered mixture), were incorporated into polyester PM as sand aggregates and filler replacements. The effect of the incorporation of a silane coupling agent was also assessed. Experimental results revealed that GFRP waste filled polymer mortars show improved mechanical behaviour over unmodified polyester based mortars, thus indicating the feasibility of GFRP waste reuse as raw material in concrete-polymer composites.

Sustainability Improvement of a composite materials’ industry through recycling and re-engineering process approaches

Recent Advances in Mechanics and Materials in Design

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.

Estudo da Produção de Towpregs e Transformação por Pultrusão

Durante as últimas décadas, os materiais compósitos têm substituído com sucesso os materiais tradicionais em muitas aplicações de engenharia, muito devido às excelentes propriedades que se conseguem obter com a combinação de materiais diferentes. Nos compósitos reforçados com fibras longas ou contínuas tem-se verificado, ao longo dos últimos anos, um aumento do uso de matrizes termoplásticas, fruto de várias vantagens associadas, como o facto de serem bastante mais ecológicas, comparativamente às termoendurecíveis. No entanto, este aumento está muito dependente do desenvolvimento de novas tecnologias de processamento, pois a elevada viscosidade dos termoplásticos, comparativamente aos termoendurecíveis, dificulta significativamente o processo. Muitos equipamentos de produção de termoplásticos são resultado de adaptações de equipamentos de produção de termoendurecíveis, onde normalmente é necessário adicionar fornos de pré-aquecimento. Neste trabalho, pretendeu-se produzir pré-impregnados de fibras contínuas com matriz termoplástica, por deposição a seco de polímero em pó sobre fibras de reforço (denominados por towpreg) para, posteriormente, serem transformados por pultrusão e caracterizados. As matérias-primas utilizadas foram: Polipropileno (PP) como matriz termoplástica e fibra de carbono como reforço. Por forma a melhorar as propriedades finais do compósito, foram otimizadas as condições de processamento na produção dos towpregs, estudando-se a influência da variação dos parâmetros de processamento no teor de polímero presente nestes, tendo como objetivo teores mássicos de polímero superiores a 30%. A condição ótima e a influência dos parâmetros de processamento foram obtidas com o auxílio do Método de Taguchi. Os perfis produzidos por pultrusão foram sujeitos a ensaios de flexão, de forma a obter as suas propriedades quando sujeitos a esse tipo de esforço. Foram também realizados ensaios de calcinação de forma a obter as frações mássicas de fibra e polímero presentes no compósito final. Sabidas as frações mássicas, converteramse em frações volúmicas e obtiveram-se as propriedades teoricamente esperadas através da Lei das Misturas e compararam-se com as obtidas experimentalmente. As propriedades obtidas foram também comparadas com as de outros compósitos pultrudidos.

Strength and damage analysis of composite-aluminium adhesively-bonded single-lap joints

With the need to find an alternative way to mechanical and welding joints, and at the same time to overcome some limitations linked to these traditional techniques, adhesive bonds can be used. Adhesive bonding is a permanent joining process that uses an adhesive to bond the components of a structure. Composite materials reinforced with fibres are becoming increasingly popular in many applications as a result of a number of competitive advantages. In the manufacture of composite structures, although the fabrication techniques reduce to the minimum by means of advanced manufacturing techniques, the use of connections is still required due to the typical size limitations and design, technological and logistical aspects. Moreover, it is known that in many high performance structures, unions between composite materials with other light metals such as aluminium are required, for purposes of structural optimization. This work deals with the experimental and numerical study of single lap joints (SLJ), bonded with a brittle (Nagase Chemtex Denatite XNRH6823) and a ductile adhesive (Nagase Chemtex Denatite XNR6852). These are applied to hybrid joints between aluminium (AL6082-T651) and carbon fibre reinforced plastic (CFRP; Texipreg HS 160 RM) adherends in joints with different overlap lengths (LO) under a tensile loading. The Finite Element (FE) Method is used to perform detailed stress and damage analyses allowing to explain the joints’ behaviour and the use of cohesive zone models (CZM) enables predicting the joint strength and creating a simple and rapid design methodology. The use of numerical methods to simulate the behaviour of the joints can lead to savings of time and resources by optimizing the geometry and material parameters of the joints. The joints’ strength and failure modes were highly dependent on the adhesive, and this behaviour was successfully modelled numerically. Using a brittle adhesive resulted in a negligible maximum load (Pm) improvement with LO. The joints bonded with the ductile adhesive showed a nearly linear improvement of Pm with LO.