Estudo da resistência de juntas adesivas em L entre alumínio e material compósito

As ligações adesivas são frequentemente utilizadas na fabricação de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça, a fim de proporcionar uma união estrutural que, teoricamente, deve ser pelo menos tão resistente como o material de base. As juntas adesivas têm vindo a substituir métodos como a soldadura, e ligações parafusadas e rebitadas, devido à facilidade de fabricação, menor custo, facilidade em unir materiais diferentes, melhor resistência, entre outras características. Os materiais compósitos reforçados com fibra de carbono são amplamente utilizados em muitas indústrias, tais como de construção de barcos, automóvel e aeronáutica, sendo usados em estruturas que requerem elevada resistência e rigidez específicas, o que reduz o peso dos componentes, mantendo a resistência e rigidez necessárias para suportar as diversas cargas aplicadas. Embora estes métodos de fabricação reduzam ao máximo as ligações através de técnicas de fabrico avançadas, estas ainda são necessárias devido ao tamanho dos componentes, limitações de projecto tecnológicas e logísticas. Em muitas estruturas, a combinação de compósitos com metais tais como alumínio ou titânio traz vantagens de projecto. Este trabalho tem como objectivo estudar, experimentalmente e por modelos de dano coesivo (MDC), juntas adesivas em L entre componentes de alumínio e compósito de carbono epóxido quando solicitados a forças de arrancamento, considerando diferentes configurações de junta e adesivos de ductilidade distinta. Os parâmetros geométricos abordados são a espessura do aderente de alumínio (tP2) e comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica permitiu o estudo da distribuição das tensões, evolução do dano, resistência e modos de rotura. Os testes experimentais validam os resultados numéricos e fornecem mecanismos de projecto para juntas em L. Foi mostrado que a geometria do aderente em L (alumínio) e o tipo de adesivo têm uma influência directa na resistência de junta.

Caraterização das propriedades mecânicas de um adesivo estrutural de alta ductilidade

A tecnologia de ligação por adesivos estruturais tem vindo a ser utilizada ao longo de várias décadas, permitindo solucionar diversos problemas associados a técnicas chamadas "tradicionais" de ligação, como a soldadura, a rebitagem ou a ligação aparafusada. Esta é uma alternativa viável para substituir as ligações mecânicas, devido a diversos fatores como o menor peso estrutural, menor custo de fabricação e capacidade de união de diferentes materiais. O crescente recurso a materiais compósitos em diversas indústrias, nomeadamente a aeronáutica e naval, levaram ao consequente aumento da aplicação de ligações adesivas, por serem indicadas como forma de união destes materiais, onde é de enaltecer a sua elevada resistência à fadiga. Uma junta adesiva está maioritariamente sujeita a esforços de corte e arrancamento e portanto o conhecimento dos módulos de elasticidade à tração (E) ou corte (G) do adesivo, e ainda as resistências máximas à tração e ao corte, não é suficiente quando se pretende prever o comportamento da mesma. Na verdade, torna-se necessário abranger na análise a plastificação progressiva verificada nas juntas adesivas antes da rotura, sendo necessário o conhecimento de parâmetros tais como a taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração (GIc) e corte (GIIc). Este trabalho pretende estudar um adesivo estrutural recentemente lançado no mercado, carecendo portanto da sua caracterização, para facilitar a previsão da resistência de estruturas adesivas ligadas com o mesmo. São 4 os ensaios a realizar: ensaios à tração de provetes em bruto, ensaios ao corte com a geometria Thick Adherend Shear Test (TAST), ensaios Double-Cantilever Beam (DCB) e ensaios End-Notched Flexure (ENF). Com a realização dos ensaios referidos, serão determinadas as propriedades mecânicas e de fratura à tração e ao corte, e serão fornecidos os parâmetros para a previsão da resistência de juntas adesivas com este adesivo por uma variedade de métodos, desde métodos analíticos mais expeditos até aos métodos numéricos mais avançados existentes atualmente. Os resultados foram de encontro aos disponibilizados pelo fabricante, sempre que estes se encontravam disponíveis, obtendo-se discrepâncias bastante reduzidas nos diversos parâmetros determinados.

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.

Estudo da Delaminação em Compósitos de Epóxido Reforçado com Borracha e Fibras Naturais

Nos últimos anos, a utilização dos materiais compósitos tem vindo a tornar-se cada vez mais comum em várias indústrias, onde se verifica uma ascensão na procura pelos mesmos. Características como o baixo peso aliado à sua alta resistência e rigidez permitem que estes materiais possuam diversas aplicações em variadas áreas, desde a medicina, aeronáutica, indústria automóvel e aeroespacial, até à indústria eletrónica. Hoje em dia, o uso de desperdícios sólidos de borracha e fibras naturais na produção de materiais compósitos é, mais que uma opção, uma necessidade ambiental. De forma a reduzir as enormes quantidades de desperdícios, foi criado um material compósito constituído por uma resina termoendurecível reforçada com esses dois tipos de desperdícios. Parâmetros de fabrico como a percentagem de borracha, o tamanho das partículas de borracha, a percentagem de fibras de cana-de-açúcar e o comprimento dessas fibras foram variados, com o objetivo de estudar a influência destes dois materiais nas propriedades mecânicas do compósito. Apesar da maior parte dos compósitos serem fabricados na forma de uma peça funcional quase pronta a ser utilizada, por vezes é necessário recorrer à maquinação de furos. Apesar das muitas técnicas de furação existentes, os defeitos resultantes deste processo aplicado aos materiais compósitos são ainda muito comuns. Desses defeitos o que mais se destaca é sem dúvida a delaminação. Trinta e seis provetes de epóxido reforçado com borracha e fibra de cana-de-açúcar foram fabricados e furados, de modo a possibilitar o estudo das propriedades mecânicas do material compósito, assim como a análise da zona danificada durante a furação. Diferentes condições de furação, como tipos de broca e velocidades de avanço diferentes, foram impostas aos provetes de forma a variar o mais possível a zona de dano de uns furos para os outros. Parâmetros como a área de dano ou ainda o fator de delaminação provam ser muito úteis na caracterização e quantificação do dano na zona periférica de um furo. Recorrendo a técnicas de processamento de imagem foi possível obter esses parâmetros. O processamento e análise de imagem pode ser feito através de vários métodos. O método utilizado neste trabalho foi o software MATLAB® associado a ferramentas de processamento de imagem. Depois de feita a análise dos furos foram realizados ensaios de esmagamento a todos os provetes. Este passo permitiu assim avaliar de que forma os parâmetros de furação influenciam a resistência mecânica do material, e se a avaliação realizada aos furos é um método viável para a avaliação da extensão de dano nesses furos.

Caracterização de perfis pultrudidos Híbridos

A pultrusão é uma técnica já sobejamente conhecida de produção de perfis de secção constante, tais como barras, cantoneiras, perfis estruturais ou tubos, em materiais compósitos de matriz polimérica. A necessidade de, em determinadas aplicações, utilizar perfis que proporcionem melhor isolamento térmico, melhor isolamento acústico ou possuam um momento de inércia ligeiramente superior, sem que o peso próprio seja significativamente afectado, levou à produção de perfis pultrudidos híbridos, com núcleos baseados em pré-formas ou na alimentação contínua de resíduos. Realizados os protótipos seguindo as metodologias acima descritas, urge verificar se as propriedades dos perfis híbridos correspondem às expectativas inicialmente neles depositadas, através de testes destrutivos e não-destrutivos. Assim, foram realizados testes à tracção, à compressão e à flexão, no intuito de verificar os ganhos conseguidos e poder analisar o valor-acrescentado trazido por estes novos perfis em termos estruturais. Estes valores, depois de devidamente validados, permitirão a sua inserção em bases de dados agregadas a programas de cálculo estrutural, que efectuam de forma automática o dimensionamento de estruturas baseadas em perfis desta natureza. Complementarmente, foram realizados testes de isolamento térmico e acústico, com vista a quantificar a melhoria conseguida nestas propriedades, extremamente importantes em determinados tipos de aplicações ligadas à construção civil e obras públicas.

Production of aluminium based composites reinforced with embedded NiTi by friction stir welding

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Tensile and bond characterization of natural fibers embeeded in inorganic matrices

Innovative composite materials made of continuous fibers embedded in mortar matrices have been recently received attention for externally bonded reinforcement of masonry structures. In this regards, application of natural fibers for strengthening of the repair mortars is attractive due to their low specific weight, sustainability and recycability. This paper presents experimental characterization of tensile and pull-out behavior of natural fibers embedded in two different mortar-based matrices. A lime-based and a geopolymeric-based mortar are used as sustainable and innovative matrices. The obtained experimental results and observations are presented and discussed.

Mechanical analysis of asphalt mixtures produced with waste plastic modified binders

This work compares the viscoelastic properties of an asphalt binder (70/100 pen) modified with different waste plastics and the mechanical properties of the resultant asphalt mixtures. Two different plastic wastes were used, namely recycled HDPE and EVA. Three different polymer modified binders were produced with these plastic wastes: i) 5% HDPE modified binder (P5); ii) 5% EVA modified binder (E5) and; iii) a modified binder with 4% of EVA and 2% HDPE (E4P2). Asphalt mixtures were produced with these modified binders, and their mechanical properties were analysed and compared with a conventional mixture produced with a 30/50 pen bitumen. It was possible to conclude that these recycled polymers are able to improve the mechanical performance of the asphalt mixtures used in road paving.

Innovative methodologies for the enhancement of the flexural strengthening performance of NSM CFRP technique for RC beams

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil

Desenvolvimento de estruturas fibrosas com comportamento auxético

Tese de Doutoramento Engenharia Têxtil

Dispersion of fillers in viscoelastic polymer matrices using Eulerian-Lagrangian approaches

Understanding the behavior of c omplex composite materials using mixing procedures is fundamental in several industrial processes. For instance, polymer composites are usually manufactured using dispersion of fillers in polymer melt matrices. The success of the filler dispersion depends both on the complex flow patterns generated and on the polymer melt rheological behavior. Consequently, the availability of a numerical tool that allow to model both fluid and particle would be very useful to increase the process insight. Nowadays there ar e computational tools that allow modeling the behavior of filled systems, taking into account both the behavior of the fluid (Computational Rheology) and the particles (Discrete Element Method). One example is the DPMFoam solver of the OpenFOAM ® framework where the averaged volume fraction momentum and mass conservation equations are used to describe the fluid (continuous phase) rheology, and the Newton’s second law of motion is used to compute the particles (discrete phase) movement. In this work the refer red solver is extended to take into account the elasticity of the polymer melts for the continuous phase. The solver capabilities will be illustrated by studying the effect of the fluid rheology on the filler dispersion, taking into account different fluid types (generalized Newtonian or viscoelastic) and particles volume fraction and size. The results obtained are used to evaluate the relevance of considering the fluid complex rheology for the prediction of the composites morphology

Understanding the dispersion of fillers in polymer matrices

Understanding the mixing process of complex composite materials is fundamental in several industrial processes. For instance, the dispersion of fillers in polymer melt matrices is commonly employed to manufacture polymer composites, using a twin-screw extruder. The effectiveness of the filler dispersion depends not only on the complex flow patterns generated, but also on the polymer melt rheological behavior. Therefore, the availability of a numerical tool able to predict mixing, taking into account both fluid and particles phases would be very useful to increase the process insight, and thus provide useful guidelines for its optimization. In this work, a new Eulerian-Lagrangian numerical solver is developed OpenFOAM® computational library, and used to better understand the mechanisms determining the dispersion of fillers in polymer matrices. Particular attention will be given to the effect of the rheological model used to represent the fluid behavior, on the level of dispersion obtained. For the Eulerian phase the averaged volume fraction governing equations (conservation of mass and linear momentum) are used to describe the fluid behavior. In the case of the Lagrangian phase, Newton’s second law of motion is used to compute the particles trajectories and velocity. To study the effect of fluid behavior on the filler dispersion, several systems are modeled considering different fluid types (generalized Newtonian or viscoelastic) and particles volume fraction and size. The results obtained are used to correlate the fluid and particle characteristics on the effectiveness of mixing and morphology obtained.

Determination of the magnetostrictive response of nanoparticles via magnetoelectric measurements

It is successfully demonstrated that nanoparticle’s magnetostriction can be accurately determined based on the magnetoelectric effect measured on polymeric-composite materials. This represents a novel, simple and versatile method for the determination of particle’s magnetostriction at their nano-sized and dispersed state, which is, up to date, a difficult and imprecise task.

Polymer composites and blends for battery separators: State of the art, challenges and future trends

In lithium ion battery systems, the separator plays a key role with respect to device performance. Polymer composites and polymer blends have been frequently used as battery separators due to their suitable properties. This review presents the main issues, developments and characteristics of these polymer composites and blends for battery separator membrane applications. This review is divided into two sections regarding the composition of the materials: polymer composite materials, subdivided according to filler type, and polymer blend materials. For each category the electrolyte solutions, ionic conductivity and other relevant physical-chemical characteristics are described. This review shows the recent advances and opportunities in this area and identifies future trends and challenges.

Influence of oxygen plasma treatment parameters on poly(vinylidene fluoride) electrospun fiber mats wettability

Electrospun poly(vinylidene fluoride) (PVDF) fiber mats find applications in an increasing number of areas, such as battery separators, filtration and detection membranes, due to their excellent properties. However, there are limitations due to the hydrophobic nature and low surface energy of PVDF. In this work, oxygen plasma treatment has been applied in order to modify the surface wettability of PVDF fiber mats and superhydrophilic PVDF electrospun membranes have been obtained. Further, plasma treatment does not significantly influences fiber average size (~400 ± 200 nm), morphology, electroactive -phase content (~80-85%) or the degree of crystallinity (Xc of 42 ± 2%), allowing to maintain the excellent physical-chemical characteristics of PVDF. Plasma treatment mainly induces surface chemistry modifications, such as the introduction of oxygen and release of fluorine atoms that significantly changes polymer membrane wettability by a reduction of the contact angle of the polymer fibers and an overall decrease of the surface tension of the membranes.