Preliminary study on the production of functionally graded materials by friction stir processing

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Otimização de placas compósitas laminadas utilizando redes neuronais e enxames de partículas

Trabalho Final de mestrado para obtenção do grau de Mestre em engenharia Mecância

Multiobjective design of viscoelastic laminated composite sandwich panels

The optimal design of laminated sandwich panels with viscoelastic core is addressed in this paper, with the objective of simultaneously minimizing weight and material cost and maximizing modal damping. The design variables are the number of layers in the laminated sandwich panel, the layer constituent materials and orientation angles and the viscoelastic layer thickness. The problem is solved using the Direct MultiSearch (DMS) solver for multiobjective optimization problems which does not use any derivatives of the objective functions. A finite element model for sandwich plates with transversely compressible viscoelastic core and anisotropic laminated face layers is used. Trade-off Pareto optimal fronts are obtained and the results are analyzed and discussed.

Stress Ratio Effects on the fatigue Properties of Biaxially Loaded Tubular FRP-Specimens – Experimental Study

In this work tubular fiber reinforced specimens are tested for fatigue life. The specimens are biaxially loaded with tension and shear stresses, with a load angle β of 30° and 60° and a load ratio of R=0,1. There are many factors that affect fatigue life of a fiber reinforced material and the main goal of this work is to study the effects of load ratio R by obtaining S-N curves and compare them to the previous works (1). All the other parameters, such as specimen production, fatigue loading frequency and temperature, will be the same as for the previous tests. For every specimen, stiffness, temperature of the specimen during testing, crack counting and final fracture mode are obtained. Prior to testing, a study if the literature regarding the load ratio effects on composites fatigue life and with that review estimate the initial stresses to be applied in testing. In previous works (1) similar specimens have only been tested for a load ratio of R=-1 and therefore the behaviour of this tubular specimens for a different load ratio is unknown. All the data acquired will be analysed and compared to the previous works, emphasizing the differences found and discussing the possible explanations for those differences. The crack counting software, developed at the institute, has shown useful before, however different adjustments to the software parameters lead to different cracks numbers for the same picture, and therefore a better methodology will be discussed to improve the crack counting results. After the specimen’s failure, all the data will be collected and stored and fibre volume content for every specimen is also determinate. The number of tests required to make the S-N curves are obtained according to the existent standards. Additionally are also identified some improvements to the testing machine setup and to the procedures for future testing.

Liquid crystal mobility and PDLC memory effects

Dissertation presented at Faculdade de Ciências e Tecnologia of Universidade Nova de Lisboa to obtain the Degree of Master in Chemical and Biochemical Engineering

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.

Sol-gel-based biosensing applied to medicinal science

Biosensors have opened new horizons in biomedical analysis, by ensuring increased assay speed and flexibility, and allowing point-of-care applications, multi-target analyses, automation and reduced costs of testing. This has been a result of many studies merging nanotechnology with biochemistry over the years, thereby enabling the creation of more suitable environments to biological receptors and their substitution by synthetic analogue materials. Sol-gel chemistry, among other materials, is deeply involved in this process. Sol-gel processing allows the immobilization of organic molecules, biomacromolecules and cells maintaining their properties and activities, permitting their integration into different transduction devices, of electrochemical or optical nature, for single or multiple analyses. Sol-gel also allows to the production of synthetic materials mimicking the activity of natural receptors, while bringing advantages, mostly in terms of cost and stability. Moreover, the biocompatibility of sol-gel materials structures of biological nature allowed the use of these materials in emerging in vivo applications. In this chapter, biosensors for biomedical applications based on sol-gel derived composites are presented, compared and described, along with current emerging applications in vivo, concerning drug delivery or biomaterials. Sol-gel materials are shown as a promising tool for current, emerging and future medical applications. - See more at: http://www.eurekaselect.com/127191/article#sthash.iPqqyhox.dpuf

Estudo comparativo da resistência à tração de juntas adesivas de sobreposição simples e dupla

O método de união com ligações adesivas está cada vez mais a ser utilizado na conceção de estruturas mecânicas, por causa das vantagens significativas desta técnica em comparação com as ligações tradicionais. De facto, as juntas com ligação adesiva estão sob investigação intensa há bastante tempo. Entre as vantagens, destaca-se a redução de peso e possibilidade de unir diferentes materiais, incluindo compósitos, sem danificar as estruturas a ligar. Os adesivos comerciais variam desde resistentes e frágeis (por exemplo, Araldite® AV138) a menos resistentes e dúcteis (por exemplo, Araldite® 2015). Uma nova família de adesivos de poliuretano combina elevada resistência e ductilidade (por exemplo, Sikaforce® 7888). Este trabalho compara o desempenho à tração dos três adesivos supracitados, em juntas de alumínio (Al6082-T651) de sobreposição simples e dupla, com variação dos valores de comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica de modelos de dano coesivo (MDC) foi realizada para analisar as tensões de arrancamento (oy) e as de corte (txy) na camada adesiva, para estudar a variável de dano do MDC durante o processo de rotura e para avaliar a capacidade MDC na previsão da resistência da junta. A análise da resistência e da variável de dano ajudou na compreensão das diferenças entre os adesivos no que se refere ao processo de rotura e resistência da junta. Observou-se que as juntas de sobreposição dupla apresentam uma distribuição de tensões bastante mais favorável relativamente às juntas de sobreposição simples, principalmente devido à eliminação da flexão do substrato interior. Como resultado, a resistência destas juntas foi tipicamente superior ao dobro da observada para as juntas de sobreposição simples, com exceção de algumas configurações de junta em que houve plastificação extensa ou mesmo rotura dos substratos por tração. O trabalho proposto permitiu também concluir que as previsões MDC são tipicamente precisas, e qual a família de adesivos é mais adequada para cada configuração de junta, com a clara vantagem para o Sikaforce® 7888. Como resultado deste trabalho, foram propostas diretrizes de conceção para juntas adesivas.

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.

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.

Damage assessment of fibre reinforced laminates

The use of solid wastes and natural fibres to the production of innovative composites is now a matter of environmental need. A set of hybrid composites constituted of waste rubber particles and sugarcane bagasse fibres into a thermoset composite material are drilled to determine the effect of rubber particle addition and size, sugarcane fibre addition and length and fibre chemical treatment on damage extension and related mechanical properties. Damage extension is determined by enhanced radiography for further damage measurement – diameter and areas – and correlated with mechanical test results — bearing test. The results demonstrated significant effect of the rubber and fibre additions on mechanical properties of the composites.

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.

Antiviral activity of the green marine alga Ulva fasciata on the replication of human metapneumovirus

We evaluated the antiviral activity of the marine alga, Ulva fasciata, collected from Rasa beach and Forno beach, Búzios, Rio de Janeiro, Brazil on the replication of human metapneumovirus (HMPV). The algae extracts were prepared using three different methodologies to compare the activity of different groups of chemical composites obtained through these different methodologies. Four out of the six extracts inhibited nearly 100% of viral replication. The results demonstrated that the majority of the extracts (five out of six) possess virucidal activity and therefore have the ability to interact with the extracellular viral particles and prevent the infection. On the other hand, only two extracts (from Forno beach, obtained by maceration and maceration of the decoction) were able to interact with cell receptors, hindering the viral entry. Finally, only the extract of algae collected at Forno beach, obtained by maceration presented intracellular activity. To our knowledge, this is a pioneer study on antiviral activity of marine algae against HMPV. It is also the first on antiviral activity against HMPV ever done in Brazil. The study also shows the effect of different environment factors and different chemical procedures used to obtain the extract on its biological properties.

Development and implementation of strategies for the incorporation of reinforcing elements in aluminium alloys by solid state processing

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica