Comportamento térmico, mecânico e morfológico dos compósitos de polietileno de alta densidade reforçados com fibras de celulose do bagaço de cana de açucar

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Caracterização mecânica e térmica de compósitos naturais modificados com ciclodextrina e fibras vegetais utilizando como matriz uma resina termofixa DGEBA/TETA

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS

Análise estatística da vida em fadiga de compósitos estruturais pela distribuição de Weibull

Nowadays technological trend is based on finding materials that could support low weight with satisfactory mechanical properties and for this reason composite material became a very attractive topic in research projects all over the world. Due to its heterogenic properties, this type of material shows scatter in mechanical test results, especially in cyclic loading. Therefore it is important to predict its fatigue strength behaviour by statistic analysis, once fatigue causes approximately 90% of the failure in structural components. The present work aimed to investigate the fatigue behaviour of the Twill/Cycom 890 composite, which is carbon fiber reinforced with polymeric resin as matrix and manufactured via RTM process (Resin Transfer Molding). All samples were tested in different tensile level in triplicate in order to associate these values. The statistical analysis was conducted with Two-Parameter Weibull Distribution and then evaluated the fatigue life results for the composite. Weibull graphics were used to determine the scale and shape parameters. The S-N curve for the Twill/Cycom composite was drawn and indicated the number of cycles to occur the first damages in this material. The probability of failure was associated with material reliability, as shown in graphics for the different tensile levels and fatigue life. In addition, the laminate was evaluated by ultrasonic inspection showing a regular impregnation. The fractographic analysis conducted by SEM showed failure mechanisms for polymeric composites associated to cyclic loadings ... (Complete abstract click electronic access below)

Obtenção e caracterização de compósitos via RTM com alta fração de fibras de carbono processados à temperatura ambiente

After confirming the high specific mechanical properties of composite materials by scientific studies conducted over the last decades, one of the challenges of this new class of materials is the ability to achieve mass production at a more affordable cost, which has become indispensable. The Resin Transfer Molding (RTM) is an excellent method for manufacturing composite materials. Despite being a process widely used by international companies in the production of high performance structural composites, only a short time the national aviation industry has shown interest in implementing this type of processing to more complex structures and greater structural responsibility. In aeronautical projects, the reproducibility and the relative low cost of this process, several studies have been performed in Brazil for learning and perfecting this technique. This process is suitable for producing polymer components both simple as complex geometry, and allows to achieve consistent thickness, with high quality finish and without limiting range. Polymeric composite components for the high mechanical stress applications such as aircraft structures, satellites, etc., require a strict control of volume fractions of the composite constituents, beyond the knowledge of their mechanical and thermal properties. Therefore, in this experimental work degree study on the mechanical, thermal and of porosity composites processed by RTM processed characterization was performed. This characterization was performed targeting a possible aerospace application of this composite material. For the production of composites, process equipment (RTM RTM injector Radius 2100cc) was used. The processed carbono/epoxy composites were characterized via flexure tests mechanically and thermally analysis via DMA, DSC and TGA. To determine the volume fraction of fibers, the composite samples were analyzed via matrix digestion (ASTM D3171) ... (Complete abstract click electronic access below)

Fadiga em compósitos 5HS carbono/epóxi processados via RTM: relação entre cargas axiais no plano e modos de delaminação

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Estudo do efeito da cristalinidade nas propriedades mecânicas de compósitos termoplásticos com aplicações aeronáuticas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Obtenção e caracterização de amido termoplástico e de suas misturas com polipropileno.

Este trabalho está dividido em: obtenção e caracterização de amido termoplástico (TPS); estudo do envelhecimento do TPS e blendas de PP/TPS. O estudo do TPS, foi realizado utilizando amido de milho, 30% em massa de glicerol e outros componentes que variam entre as amostras. Primeiramente foi realizado um planejamento estatístico para obter a composição ótima de TPS. Foram escolhidos cinco parâmetros de entrada: 2 de composição (umidade e teor de ácido cítrico) e 3 de processamento (temperatura, velocidade dos rotores e tempo), visando obter um TPS com propriedades térmicas e mecânicas superiores. De acordo com os resultados de infravermelho, termogravimetria, microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram escolhidas 2 composições. Estas foram calandradas e confeccionadas para obtenção dos corpos de prova de tração. Os resultados dos ensaios mecânicos mostraram que amostras com teor de ácido cítrico de aproximadamente 2% em massa apresentam os maiores valores de módulo de elasticidade e resistência à tração. Com estes resultados foram realizadas novas composições com outros ácidos carboxílicos: adípico, málico e tartárico e amostras sem ácidos. As curvas de torque indicaram que as amostras sem ácido carboxílico e com ácido adípico perdem água durante o processamento. Analisando os resultados verifica-se que o TPS com os ácidos málico e tartárico apresentam melhores propriedades mecânicas e térmicas. Também foi analisado o envelhecimento, e notou-se que com o tempo as amostras tendem a perder plastificante, modificando suas propriedades mecânicas e sua cristalinidade. Entretanto, durante o intervalo de um ano, as amostras de TPS com ácido málico e tartárico não sofreram perda significativa de plastificante. Por último, foram obtidas blendas de PP reciclado com TPS nas composições 50/50, 60/40 e 70/30 em massa, respectivamente, com e sem adição de ácidos: cítrico, málico e tartárico e anidrido maleico. As amostras foram caracterizadas por FTIR, DRX, reometria capilar, MEV e por teste de resistência à tração. Micrografias obtidas por MEV indicaram que todas as composições estudadas possuem morfologia predominantemente co-contínua. A presença dos ácidos, geralmente, reduz os valores das propriedades mecânicas da blenda de PP com TPS e a adição de PP-g-MA é mais efetiva nas blendas sem adição de ácido. Ao analisar o envelhecimento das blendas com adição de ácidos tartárico e málico, notou-se que as propriedades mecânicas não foram alteradas em função do tempo de estocagem.

Painéis compósitos de betão leve: comportamento estrutural

Os sucessivos avanços tecnológicos permitem a criação de novos materiais de construção com características otimizadas ao uso que lhes é designado. Nesta categoria enquadram-se os materiais compósitos e mais concretamente os painéis compósitos de betão aligeirado de EPS com revestimento superficial de placas Megapan® estudados neste documento. Neste documento faz-se uma abordagem aos conceitos de material compósito e uma breve análise histórica do seu uso. Descreve-se também sucintamente as características gerais dos painéis em estudo e exemplifica-se algumas aplicações do material até à presente data. São analisados testes de resistência efetuados ao material estudado e efetua-se a caracterização mecânica do mesmo. Verifica-se neste estudo que os painéis de betão aligeirado de EPS com revestimento superficial de placas Megapan® possuem resistências mecânicas que permitem a sua utilização como parte integrante de um sistema estrutural. Sugere-se uma solução construtiva para uma estrutura que utilize os painéis estudados como elemento estrutural e os respetivos pormenores construtivos. É também sugerida uma metodologia de cálculo para dimensionar a estrutura analisada.

Influência da absorção de umidade no comportamento mecânico nos compósitos poliméricos híbridos Kevlar/vidro quando imerso em água do mar e petróleo

The polymer matrix composite materials are being used on a large scale in the most different industrial fields such as aerospace, automotive, oil, among others, since the industrial perspectives is currently working with materials which have a good mechanical performance at high service life and cost / benefit. Thus, the determination of the mechanical properties is indispensable for the characterization of waste resulting in greater expansion of this type of material. Thus, this work will be obtained three plates laminated with tereftálica polymeric matrix reinforced by a bidirectional woven E-glass and kevlar both industrially made, where the plates are manufactured by manual lamination process (hand lay-up), all laminates have five enhancement layers, the first hybrid laminate will consist of bidirectional woven E-glass fiber, kevlar fiber interspersed with layers, is formed by the second bidirectional woven kevlar fiber at the ends of the laminate (two layers), and in the center the glass fiber fabric (three layers), the third plate is composed of only the bidirectional woven E-glass fiber. Then were prepared specimens (CP) by standard, to determine the mechanical properties of tensile and bending in three points. After fabrication of the specimens, they were immersed in oil and seawater. After that, there was a comparison of the mechanical properties for the test condition in the dry state. Showing that there was a considerable increase in the properties studied because the effect of hybridization in laminates.

Compósitos de polímero-cerâmica para condensadores incorporados

A necessidade de produção de dispositivos eletrónicos mais eficientes e a sua miniaturização tem sido um dos principais desígnios da indústria eletrónica. Assim surgiu a necessidade de melhorar o desempenho das designadas placas de circuito impresso, tornando-as simultaneamente mais flexíveis, com menos ruído, mais estáveis face a variações bruscas de temperatura e que permitam operar numa vasta gama de frequências e potências. Para tal, uma das estratégias que tem vindo a ser estudada é a possibilidade de incorporar os componentes passivos, nomeadamente condensadores, sob a forma de filme diretamente no interior da placa. Por forma a manter uma elevada constante dielétrica e baixas perdas, mantendo a flexibilidade, associada ao polímero, têm sido desenvolvidos os designados compósitos de matriz polimérica. Nesta dissertação procedeu-se ao estudo do comportamento dielétrico e elétrico da mistura do cerâmico CaCu3Ti4O12 com o copolímero estireno-isoprenoestireno. Foram preparados filmes com diferentes concentrações de CCTO, recorrendo ao método de arrastamento, em conjunto com o Centro de Polímeros da Eslováquia. Foram também preparados filmes por spin-coating para as mesmas concentrações. Usaram-se dois métodos distintos para a preparação do pó de CCTO, reação de estado sólido e sol-gel. Foi realizada a caraterização estrutural (difração de raios-X. espetroscopia de Raman), morfológica (microscopia eletrónica de varrimento) e dielétrica aos filmes produzidos. Na caracterização dielétrica determinou-se o valor da constante dielétrica e das perdas para todos os filmes, à temperatura ambiente, bem como na gama de temperatura entre os 200 K e os 400 K, o que permitiu identificar existência de relaxações vítreas e subvítreas, e assim calcular as temperaturas de transição vítrea e energias de ativação, respetivamente. Foram realizados testes de adesão e aplicada a técnica de análise mecânica dinâmica para o cálculo das temperaturas de transição vítrea nos filmes preparados pelo método de arrastamento. Estudou-se ainda qual a lei de mistura que melhor se ajusta ao comportamento dielétrico do nosso compósito. Verificou-se que é a lei de Looyenga generalizada a que melhor se ajusta à resposta dielétrica dos compósitos produzidos.

Painéis compósitos de betão leve: comportamento estrutural

Os sucessivos avanços tecnológicos permitem a criação de novos materiais de construção com características otimizadas ao uso que lhes é designado. Nesta categoria enquadram-se os materiais compósitos e mais concretamente os painéis compósitos de betão aligeirado de EPS com revestimento superficial de placas Megapan® estudados neste documento. Neste documento faz-se uma abordagem aos conceitos de material compósito e uma breve análise histórica do seu uso. Descreve-se também sucintamente as características gerais dos painéis em estudo e exemplifica-se algumas aplicações do material até à presente data. São analisados testes de resistência efetuados ao material estudado e efetua-se a caracterização mecânica do mesmo. Verifica-se neste estudo que os painéis de betão aligeirado de EPS com revestimento superficial de placas Megapan® possuem resistências mecânicas que permitem a sua utilização como parte integrante de um sistema estrutural. Sugere-se uma solução construtiva para uma estrutura que utilize os painéis estudados como elemento estrutural e os respetivos pormenores construtivos. É também sugerida uma metodologia de cálculo para dimensionar a estrutura analisada.

Análise experimental de tensões em blocos compósitos sob furação

Em áreas da medicina há processos cirúrgicos que envolvem a furação do tecido ósseo, dependendo o seu sucesso da conjugação de diferentes parâmetros. O esforço de corte na furação pode provocar dano no tecido ósseo. Utiliza-se um procedimento experimental para verificar o dano em tecidos ósseos submetidos a furações. São utilizados materiais compósitos com características similares ao osso cortical. Para a avaliação do dano ósseo serão obtidas as deformações na superfície da estrutura.

Comportamento magnético de compósitos de matriz polimérica com adição de ferritas

Polymer matrix composites offer advantages for many applications due their combination of properties, which includes low density, high specific strength and modulus of elasticity and corrosion resistance. However, the application of non-destructive techniques using magnetic sensors for the evaluation these materials is not possible since the materials are non-magnetizable. Ferrites are materials with excellent magnetic properties, chemical stability and corrosion resistance. Due to these properties, these materials are promising for the development of polymer composites with magnetic properties. In this work, glass fiber / epoxy circular plates were produced with 10 wt% of cobalt or barium ferrite particles. The cobalt ferrite was synthesized by the Pechini method. The commercial barium ferrite was subjected to a milling process to study the effect of particle size on the magnetic properties of the material. The characterization of the ferrites was carried out by x-ray diffraction (XRD), field emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM) and vibrating sample magnetometry (VSM). Circular notches of 1, 5 and 10 mm diameter were introduced in the composite plates using a drill bit for the non-destructive evaluation by the technique of magnetic flux leakage (MFL). The results indicated that the magnetic signals measured in plates with barium ferrite without milling and cobalt ferrite showed good correlation with the presence of notches. The milling process for 12 h and 20 h did not contribute to improve the identification of smaller size notches (1 mm). However, the smaller particle size produced smoother magnetic curves, with fewer discontinuities and improved signal-to-noise ratio. In summary, the results suggest that the proposed approach has great potential for the detection of damage in polymer composites structures

Estudo sobre as potencialidades de compósitos à base de gesso e fibras de coco seco para aplicação na construção civil

The use of gypsum, one of the oldest building materials for the construction industry in the country has been experiencing a significant and steady growth, due to its low cost and some of its properties that confer comparative advantage over other binder materials. Its use comprises various applications including the coating of walls and the production of internal seals and linings. Moreover, the fibers are being increasingly incorporated into arrays fragile in an attempt to improve the properties of the composite by reducing the number of cracks, the opening of the same and its propagation velocity. Other properties, depending on the function of the component material or construction, among these thermal and acoustic performances, are of great importance in the context of buildings and could be improved, that is, having better performance with this embodiment. Conduct a comparative study of physico-mechanical, thermal and acoustic composite gypsum incorporating dry coconut fiber, in the form of blanket, constituted the main objective of this work. Improving the thermal and acoustic performances of precast gypsum, used for lining and internal vertical fences of buildings, was the purpose of development of these composites. To evaluate the effect of fiber content on the properties of the composites were used to manufacture the composite layer with different thicknesses. The composites were fabricated in the form of plates with dimensions of 500x500x24mm. To facilitate the comparative study of the properties were also made with material gypsum boards only. We then determined the physico-mechanical, thermal and acoustical plaster and composites. The results indicated that the composites were significant gains in relation to thermal performance and also acoustic, in certain frequency range, increasing the thickness of the blanket. Concerning other physical-mechanical properties, the results showed that although the compressive strength was lower than for the composite did not occur after a fracture catastrophic failure. The same trend was observed with regard to resistance to bending, since the composites have not suffered sudden rupture and still continued after the load supporting point of maximum load

Wells turbine: fiberglass flanges

A introdução desta tese começa por realizar um enquadramento do projecto em mão, apresentando a central de energia das ondas em que se encontram os componentes em fibra de vidro a projectar. Esta central usa o princípio de variação de coluna de água, e encontra-se localizada na ilha do Pico, Açores. São de seguida apresentados os objectivos deste trabalho, que consistem na selecção de materiais de fabrico dos componentes, desenvolvimento de uma metodologia para projectar juntas aparafusadas em materiais compósitos, dimensionamento e comparação de duas juntas concorrentes em materiais compósitos: junta solicitada à tracção e junta solicitada ao corte, validação da análise e estudo das causas dos vários tipos de falha destas juntas. A parte I deste trabalho é o resultado da pesquisa bibliográfica efectuada para levar a cabo os objectivos definidos. Assim, começa por se fazer uma descrição dos materiais e processos de fabrico que mais se adequam ao presente projecto, nomeadamente fibra de vidro, resinas, tecidos, impregnação manual, RTM e infusão por vácuo. Daqui resultou que os materiais mais adequados para esta aplicação são fibra de vidro do tipo E e resina polyester devido ao seu baixo custo e larga utilização em aplicações estruturais marinhas. O processo de fabrico mais eficiente é a infusão por vácuo devido á sua vocação para pequenas séries de produção, a poupança que permite em termos de mão-de-obra, a complacência com normas de emissão de voláteis e as boas propriedades das partes produzidas. No capítulo II da parte I são discutidos os tópicos relacionados com juntas em materiais compósitos. Da pesquisa levada a cabo conclui-se que as grandes vantagens das juntas aparafusadas são a sua facilidade de montagem e desmontagem, facilidade de inspecção e capacidade de ligar quaisquer tipos de materiais. Quanto à furação de compósitos é importante referir a necessidade de utilizar ferramentas resistentes e parâmetros de maquinação que minimizem o dano infligido aos laminados. Isto é possível através da selecção de ferramentas com passos baixos que reduzam igualmente a dimensão do seu centro estático responsável pela força axial exercida sobre o laminado - principal factor causador de dano. Devem-se igualmente utilizar baixas velocidades de avanço e elevadas velocidades de rotação. É importante salientar a importância da realização de pré-furação, de utilização de um prato de suporte na superfície de saída do laminado e a existência de ferramentas especialmente concebidas para a furação de compósitos. Para detectar e quantificar o dano existente num furo destacam-se os métodos de inspecção ultrasónica e a radiografia. Quanto aos parâmetros que influenciaram o comportamento de juntas aparafusadas destacam-se os rácios largura/diâmetro, distância ao bordo/diâmetro, espessura/diâmetro, pré-tensão, fricção, sequência de empilhamento e respectivas proporções, dimensão das anilhas e folga entre o parafuso e o furo. A pesquisa efectuada visando metodologias de projecto fiáveis ditou a necessidade de utilizar métodos que permitiram determinar o parafuso mais carregado de uma junta, efectuar o cálculo de tensões no mesmo, e ainda métodos que permitam determinar a primeira falha que ocorre no laminado bem como a falha final no mesmo. O capítulo III da primeira parte descreve os métodos de análise de tensões necessários para as metodologias de projecto utilizadas. Aqui é apresentada a teoria clássica da laminação, um método para determinação do parafuso mais carregado, um método analítico baseado na teoria da elasticidade anisotrópica de um corpo e o método dos elementos finitos. O método para determinar o parafuso mais carregado - análise global - consiste num modelo bidimensional de elementos finitos em que 2 laminados coincidentes são modelados com elementos lineares de casca com 4 nós, sendo a extremidade de um laminado restringida em todos os graus de liberdade e a extremidade oposta do segundo laminado carregada com a carga pretendida. Os laminados são ligados através de elementos mola que simulam os parafusos, sendo a sua constante de rigidez previamente calculada para este fim. O método analítico modela o contacto assumindo uma distribuição de pressão cosinoidal ao longo de metade do furo, e é válido para laminados simétricos e quasi-isotrópicos. O método dos elementos finitos é o que mais factores permite ter em conta, sendo os modelos tridimensionais com um elemento por camada os que melhor modelam o estado de tensões experienciado por uma junta aparafusada em materiais compósitos. O tópico de análise de falha é abordado no capítulo 4 da primeira parte. Aqui são apresentados os resultados do world wide failure exercice que compara vários critérios de falha existentes até 2004, fazendo-se referência a desenvolvimentos recentes que têm ocorrido nesta área. O critério de Puck surge como aquele que permite previsões de falha mais exactas. O critério de falha de Hashin 3D foi o escolhido para o presente trabalho, devido à sua facilidade de implementação num modelo de elementos finitos, à sua capacidade para detectar modos de falha subcríticos e à sua utilização em trabalhos anteriores que apresentaram previsões de falha muito próximas dos dados experimentais. Também neste capítulo se apresentaram os vários tipos de falha de uma junta aparafusada em materiais compósitos, apresentando as causas de cada uma. Por fim, na última secção, apresenta-se o método de dano progressivo que se desenvolveu para prever a primeira falha final do laminado. Este é muito interessante tendo permitido previsões de falha muito próximas dos resultados experimentais em trabalhos anteriores. Este método é iterativo e encontra-se dividido em 3 passos: Análise de tensões, análise de falha utilizando o critério de Hashin 3D e degradação de propriedades, de acordo com o tipo de falha detectada. Para além dos passos referidos, existe ainda um quarto responsável pelo fim da análise que consiste na aferição da existência ou não de falha final e respectivo tipo de falha (por pressão de contacto, por tensão ou por esforços de corte). No capítulo V da primeira parte é apresentado o resultado de uma pesquisa das normas de teste necessárias para obter as propriedades dos materiais requeridas para a aplicação dos métodos descritos neste trabalho. A parte II deste trabalho consiste na aplicação dos métodos apresentados na parte I ao caso concreto em estudo. Os softwares Microsoft Excel, Matlab e ANSYS foram utilizados para este fim. A junta começa por ser dimensionada estimando a espessura necessária do componente e o número e características dos parafusos. De seguida foi feita uma análise global à flange em estudo determinando a força suportada pelo parafuso mais carregado. Após esta análise desenvolveu-se um modelo tridimensional de elementos finitos da zona em que se encontra o parafuso mais carregado, utilizando elementos sólidos lineares e isoparamétricos de 8 nós e uma malha gerada pelo método directo. Aplicou-se a este modelo o algoritmo de dano progressivo descrito na primeira parte. Começou por se incluir explicitamente o parafuso, anilhas, pré-tensão e a modelação dos vários contactos com fricção posteriormente simplificado o modelo restringindo radialmente os nós da porção carregada do furo, excluindo os factores mencionados inicialmente. Procurou-se validar o modelo utilizando o método de cálculo de tensões descrito na primeira parte, desenvolvendo um programa em Matlab para o efeito. Tal não foi possível tendo-se incluído a tentativa realizada em anexo. Para efeitos de dimensionamento, desenvolveu-se um modelo de elementos finitos de duas dimensões da junta em causa, utilizando elementos de casca lineares de quatro nós isoparamétricos com uma espessura unitária. Através da análise de tensões efectuada com este modelo, e utilizando um método combinado programado em linguagem paramétrica, foi possível dimensionar as duas juntas concorrentes pretendidas. Este método combinado consistiu no cálculo de tensões em pontos localizados sobre uma curva característica e utilização de um critério de falha quadrático para cálculo da espessura necessária para a junta. O dimensionamento ditou que a junta solicitada à tensão necessita de pelo menos 127% das camadas e do custo de uma junta solicitada ao corte equivalente.