Na construção de materiais compósitos compostos por fibras, como já foi referido anteriormente, existe um agente aglomerante, que tem como principais funções unir e proteger as fibras, conferir uma estrutura estável ao compósito e por sua vez distribuir a carga pelas fibras, a este aglomerante se dá o nome de matriz. Existem vários tipos de matrizes, tais como, cerâmicas, metálicas ou poliméricas onde a sua designação corresponde ao material utilizado. Por sua vez as matrizes poliméricas dividem-se em dois grupos: matrizes termoplásticas e matrizes termoendurecíveis [24].
2.6.1.
Matrizes termoplásticas
Os compósitos com matriz polimérica termoplástica, compostos, grande parte deles, por plásticos técnicos, têm como vantagem, relativamente aos polímeros termoendurecíveis, maior resistência ao impacto e química, baixa densidade, menor capacidade de absorver e libertar humidade, maior rigidez e tenacidade e baixo custo, em virtude de, contrariamente aos termoendurecíveis, estes são formados por macromoléculas, na ordem de 20/30nm que são mantidas nas suas posições através de ligações secundárias. Ao serem aquecidos, estas ligações são quebradas momentaneamente e este material passa a ser viscoso ou mesmo líquido, de modo a poder ser trabalhado e moldado facilmente. Após ser arrefecido, esse material restabelece as suas ligações químicas e o que outrora era viscoso ou líquido passa
11 ao estado sólido e ganha a forma por nós aplicada, o que faz deste tipo de compósito, excelente para a injeção e termoformação. Outra das suas grandes vantagens é ser reciclável, o que não acontece nos termoendurecíveis, pois não podem ser reprocessados, mas também sofrem de uma grande desvantagem, pois não é fácil juntar reforços a este tipo de compósito, porque não é de fácil impregnação [25].
2.6.2.
Matrizes termoendurecíveis
Os compósitos de matriz termoendurecível, após serem processados e curados, admitem uma forma final, impossibilitando assim, de serem processados novamente, sendo esta uma das maiores desvantagens em relação aos termoplásticos e relativamente à sua reciclagem [9].
Estes compósitos são compostos por uma estrutura tridimensional molecular de ligações cruzadas criadas após a sua polimerização, designado neste tipo de compósitos por cura. Com o aumento do número de ligações, aumenta também a sua rigidez e estabilidade térmica da matriz.
Para ocorrer a cura, algumas resinas necessitam de calor ou pressão, por outro lado, outras apenas à temperatura ambiente iniciam o seu processo de cura. Após a cura e para melhorar as suas propriedades mecânicas, pode ser efetuado um segundo tratamento designado de pós-cura a elevadas temperaturas.
Outra das vantagens deste tipo de matriz é a baixa viscosidade antes da cura, isto permite uma maior impregnação das fibras e por conseguinte mais fácil processamento [26].
2.7. Técnicas de processamento de
compósitos
No processamento dos materiais compósitos existe um vasto leque de técnicas de processamento com diferentes especificidades. A seleção de um processo de fabrico está dependente do tipo de materiais a processar, das propriedades que se pretende obter nos componentes finais, das dimensões e da complexidade dos componentes a processar [17].
12 • Processamento em molde aberto, que consiste em fabricar componentes com bom acabamento em apenas uma face e que tem como vantagens, o processamento de componentes de grandes dimensões e/ou geometrias complexas.
• Processamento em molde fechado, que consiste em fabricar componentes com bom acabamento nas duas faces. Este tipo de processos já apresentam uma capacidade de reprodutibilidade maior que os processos de molde aberto. Pelo facto de serem processados em molde fechado, a emissão de gases é reduzida significativamente [9].
Nos compósitos reforçados com fibras, a geometria mais frequente na sua construção são as típicas estruturas delgadas, devido a esse facto, o processo de fabrico mais utilizado para a compactação de fibras continuas ou curtas, passa pelo processo de moldação manual. Este processo, caracterizado pelo baixo custo e investimento quando comparado com processos inerentes, consiste na impregnação das fibras com a resina através de um pincel [27].
Devido aos avanços da tecnologia e aos exigentes requisitos das indústrias, outras técnicas e processos foram desenvolvidos, para colmatar as falhas resultantes do processo anteriormente referido. Exemplo disso, é o processo de moldação por vácuo, que ao incluir uma bomba de vácuo no processo, a pressão atmosférica é utilizada como auxílio na compactação e por vezes na remoção do excesso de resina, resultando assim num compósito com melhores propriedades mecânicas [2].
No que diz respeito ao processamento dos materiais compósitos de matriz termoendurecível com fibras curtas, têm uma grande vantagem, pelo facto de ser possível obter geometrias complexas através de processos que permitem altas taxas de produção como é o caso dos processos de RTM ou moldação por compressão. Por outro lado, ao ser processado o seu teor de fibra terá de ser mais reduzido, de modo a permitir uma maior processabilidade [24].
13
2.7.1.
Moldação Manual
Como referido anteriormente, este é um processo simples e relativamente barato, não automatizado e utilizado para pequenas séries. Neste processo, a construção do compósito é realizada de forma manual, posicionando e impregnando cada camada em molde aberto com o auxílio de uma ferramenta manual (pincel, rolo, etc), como ilustra a Figura 4 [24].
Figura 4 - Moldação manual [28]
Este, é um processo que pode ter elevados custos de produção, embora tenha um custo de investimento baixo, requer muita mão-de-obra o que acaba por encarecer o produto final [24].
Vantagens:
• Simplicidade – Esta é uma das principais vantagens, pois para este tipo de processo a mão-de-obra necessária é pouco qualificada;
• Investimento inicial reduzido;
• Geometrias com poucas restrições – É possível construir componentes com diversas geometrias com raios de curvatura superiores a 5mm e espessuras superiores a 1mm.
Desvantagens:
• Elevada necessidade de mão-de-obra;
• Elevada necessidade de perfecionismo do operador; • Baixa produtividade;
• Bom acabamento superficial apenas numa face; • Heterogeneidade do teor de fibra;
14 Com a facilidade na execução de compósitos através deste processo, foi possível aumentar a procura deste tipo de materiais, embora os primeiros componentes tivessem um comportamento mecânico um pouco aquém das espectativas, limitando assim, as suas aplicações para fins apenas estéticos. Aliado às desvantagens deste tipo de processo, podemos incluir o tipo de cura realizada à resina, que na maioria dos casos, é efetuada com recurso a endurecedores de cura a frio, o que limita as propriedades mecânicas do compósito para qualquer tipo de aplicação, que não estética [2].
2.7.2.
Moldação manual por projeção
O processo de moldação manual por projeção, embora com uma maior produtividade e uma maior homogeneidade na mistura, é um processo que tem por base os mesmos princípios do processo de moldação manual. A moldação manual por projeção ou Spray-up, consiste na projeção de resina e fibra, simultaneamente, através de uma pistola. Esta pistola faz o corte e projeção do reforço, normalmente fibroso alimentado por rolo, sob a forma de filamento, simultaneamente com a resina e por meio de ar comprimido. Após a projeção da mistura (Matriz e reforço), esta pode ganhar bolsas de ar no seu interior ou pode até haver uma falha na impregnação das fibras, de modo a evitar estes dois inconvenientes, é passado um rolo para compactar e tentar uniformizar a mistura. Este processo pode ser repetido por várias camadas até obtermos a espessura final pretendida (Figura 5) [28].
15
2.7.3.
Moldação manual assistida por vácuo
A moldação por contacto manual assistido por vácuo é um complemento que visa ajudar a moldação manual e que consiste na aplicação de vácuo no interior do molde que passou pelo processo referido anteriormente (Figura 6). Este processo, comparativamente à moldação manual, permite a obtenção de duas faces lisas, redução das bolhas de ar promovidas pela mistura da resina catalisada e remoção de excesso de resina, conseguindo assim percentagens de fibra até 70%, resultando assim, em compósitos com um desempenho mecânico superior [9].
Figura 6 - Moldação manual assistida por vácuo: a) Esquema de montagem de vácuo (adaptado) [30]; b)Exemplo de saco de vácuo
2.7.4.
Processo de moldação por compressão
A moldação por compressão é um processo que pode ser executado a frio ou a quente. A diferença entre eles consiste, essencialmente, no processo de cura. Neste processo não é necessária a mistura prévia da resina com o reforço. Basta colocar as fibras na cavidade do molde e de seguida a resina, após o fecho do molde, é aplicada uma carga no mesmo e a matriz vai impregnar o material de reforço. O material resultante deste processo apresenta uma boa compactação e uma baixa percentagem de porosidade, ainda assim, é possível o aparecimento de alguns poros que podem ser “eliminados” com recurso ao sistema de vácuo, aumentando a complexidade e custo do molde, mas resultando assim num bom acabamento final [31].
Na moldação por compressão a frio, a sua cura é efetuada à temperatura ambiente, onde são, habitualmente, utilizadas resinas de poliésteres insaturados às quais se associam sistemas catalíticos bastante ativos e fortemente exotérmicos, de modo a que assegurem o aquecimento progressivo do molde, onde as temperaturas se situam numa gama entre os
16 30ºC e os 45ºC e permite ciclos de produção médios, cerca de 4 a 12 peças por hora. Esta tecnologia pressupõe um investimento relativamente baixo em equipamentos, pelo facto das temperaturas e pressões utilizadas no processamento serem relativamente baixas (pressões inferiores a 4 bar). Os equipamentos mais relevantes serão uma prensa de baixa pressão e os moldes poderão ser fabricados com materiais de baixa resistência mecânica.
Na moldação por compressão a quente, as temperaturas utilizadas no processamento de componentes, são mais elevadas, na ordem dos 80ºC a 170ºC, o que origina ciclos de moldação mais rápidos comparativamente ao processo a frio. Para este tipo de processamento, já é necessário moldes metálicos, devido às pressões utilizadas serem mais elevadas (pressões entre os 5 e 150 bar) e uma prensa hidráulica com pratos aquecidos. As especificações do material a processar, o tempo de cura da resina, a temperatura do molde e a complexidade e espessura da peça a moldar, são algumas das variáveis que influenciam o tempo de processamento entre o fecho do molde e a sua abertura, este tempo pode variar entre 2 a 4 minutos por peça. Como processo de elevado volume de produção, este é um dos mais económicos. O acabamento superficial e o possível esmagamento das fibras, devido a pressões de processamento excessivas, são algumas das desvantagens deste tipo de tecnologia [32], [33].
2.7.5.
RTM (Resin Transfer Molding)
O processo de RTM pertence aos processos designados de processos de molde fechado onde, neste caso, é possível executar componentes com frações volúmicas de fibra na ordem dos 60%. O processo consiste na colocação do reforço na cavidade do molde, que posteriormente é fechado com a outra metade do mesmo, para posteriormente, com recurso a pressão, ser injetada a mistura composta por resina, cargas, catalisador e outros possíveis compostos, como podemos verificar na Figura 7. De seguida inicia-se o processo de cura no interior do molde que tem uma duração de 6 a 30 minutos, em função dos parâmetros de processamento selecionados, tais como, catalisador, temperatura, materiais, entre outros [24].
O RTM possibilita o processamento de componentes próximos da sua forma final com bom acabamento nas duas superfícies, pelo facto de ser um processo de molde fechado. Este processo comparativamente com o processamento por injeção e por compressão, permite a
17 utilização de reforços nos mais variados formatos e assim criar componentes estruturais. Permite produzir componentes com custos inferiores pelo facto de o custo das ferramentas ser menos dispendioso. Neste processo temos como variáveis o fluxo de resina, o processo de cura e a transferência de calor [9], [24].
Figura 7 - Processo de RTM [34]
2.7.6.
Equipamentos de auxílio ao
processamento
Como descrito anteriormente, a moldação manual é a base de todos os tipos de processamento, isto é, comparativamente aos restantes processos, adicionámos equipamentos ou melhorámos técnicas que visam o melhoramento do compósito, tanto a nível estético como de performance. Com as elevadas exigências da indústria aeronáutica, na década de 1940 foram introduzidos os materiais compósitos para a construção de estruturas primárias de grande responsabilidade. Mas estes compósitos tinham lacunas, tais como a baixa resistência às tensões de corte interlaminar (<50MPa em compósitos epóxi com fibras de carbono). De forma a colmatar esta necessidade, foram introduzidas as autoclaves e os hidroclaves no processo de fabrico dos compósitos [27], [33], [35].
Com o uso de autoclaves Figura 8 (A), é possível combinar três elementos distintos, temperatura, pressão e vácuo, no fabrico de peças preformadas. De uma forma geral, na utilização deste tipo de equipamento, o material é sujeito a três fases ou ciclos distintos: Um aumento gradual, um estágio a valores constantes e uma diminuição gradual. Isto é, numa fase inicial, o objetivo será baixar a viscosidade da resina para eliminação de voláteis e facilitar o escoamento da mesma de modo a homogeneizar o compósito mesmo para teores
18 de fibra elevados. As fases seguintes serão a cura e consolidação do componente, onde o fator mais relevante é a pressão [24].
Figura 8 - Equipamentos de auxílio no processamento de compósitos: (A) Autoclave, (B) Hidroclave [36]
Desta forma, combinando pressão, uma atmosfera inerte e vácuo, em simultâneo, foi possível melhorar a resistência às tensões de corte interlaminar, para valores aproximados de 70-80MPa em compósitos bidirecionais, com a possibilidade de processamento de geometrias complexas e de grandes dimensões, solicitados pela indústria aeronáutica [37].
No caso dos hidroclaves Figura 8 (B), o funcionamento é idêntico às autoclaves, mas a pressão é obtida através de água. Este possibilita aumentos mais significativos na resistência a tensões de corte, comparativamente às autoclaves possibilitando aumentos das frações de fibra na construção do compósito [35].
19
2.8. Compósitos de matriz epóxi com fibras
curtas
2.8.1.
Propriedades mecânicas
Podemos definir propriedades mecânicas como sendo as características que determinam a resposta do material aos esforços mecânicos sofridos. Existem diversos fatores tais como, a temperatura, a estrutura do material, o peso molecular, as condições de ensaio, a preparação da amostra, entre outros, que influenciam nas propriedades mecânicas do compósito final, assim sendo e segundo os autores Estevão Freire, Elisabeth Monteiro e Julio Cyrino, podemos afirmar que [38]:
“A previsão de propriedades mecânicas em compósitos de fibra curta é dificultada, devido ao largo espectro de comprimentos e orientações que as fibras apresentam, que são consequência do processamento do compósito [39]” [7].
Neste tipo de compósitos de fibras curtas as propriedades finais dos compósitos não dependem só das propriedades físicas e mecânicas dos materiais, mas também da orientação, do comprimento e da quantidade de fibras. De acordo com o gráfico da Figura 9, onde temos o comprimento das fibras no eixo das abcissas e a resistência do compósito no eixo das ordenadas, podemos verificar as várias influências que as variáveis do processo apresentam no compósito. A elevada quantidade de fibras ou a sua orientação mais cuidada, elevam o gráfico na vertical resultando assim num aumento da resistência do compósito, assim como o maior ou menor comprimento das fibras que provoca um aumento ou decréscimo, respetivamente, da resistência do compósito ao longo da curva em “S” [40].
Figura 9 - Principais fatores que afetam a resistência mecânica dos compósitos reforçados com fibras curtas
20
2.8.2.
Aplicações
Este tipo de materiais compósitos, podem ser aplicados nas mais diversas indústrias, tais como aeroespacial, aeronáutica, automóvel, construção, desportiva, militar, entre outras. Após alguma pesquisa, não são encontrados muitos exemplos concretos acerca de aplicações já realizadas para este tipo específico de compósitos, mas existem alguns exemplos idênticos que se pode referir [41].
Uma das aplicações, já realizadas, muito idêntica ao material em estudo, é o material estudado pela Callaway Golf, a Automobili Lamborghini e a Universidade de Washington, e apelidado pelas mesmas de “Forged composite”. Um material estudado e desenvolvido para a aplicação nos braços de suspensão (Figura 10 (Esq.)) e cockpit do automóvel da Lamborghini, modelo Sesto elemento apresentado em 2010 no salão automóvel de Paris (Figura 10 (Drt.)).
Figura 10 - (Esq.) Braço de suspensão do Lamborghini Sesto Elemento construído em “Forged Composite” [41]; (Drt.) Lamborghini Sesto Elemento [42]
Para o processamento deste material (Forged Composite) são utilizadas fibras curtas de carbono com L=25,4mm distribuídas aleatoriamente entre duas camadas de resina viniléster e o seu processamento é idêntico ao dos compósitos pré-impregnados, ou seja, a fibra é comprimida entre as duas camadas de resina através de rolos. Neste compósito em especial é utilizado uma fração mássica de 53% de fibras curtas de carbono. Este material é processado para ser posteriormente comprimido a quente com temperaturas entre os 132C e os 160C, pressões na ordem dos 69 a 103 bar e num tempo de cura entre 3 a 5 minutos. A carga é aplicada entre 60% a 70% do molde [41].
Esta tecnologia permitiu a construção dos primeiros braços de suspensão em fibra de carbono, substituindo os antigos braços em alumínio forjado, conseguindo baixar o peso dos componentes finais em 27%, assim como, baixou o tempo de produção dos componentes, desde o material simples até à peça acabada, para apenas 6 minutos de processamento (este
21 tempo não inclui os processos de maquinação para inserção da rótula, nem a instalação dos casquilhos e da rótula (Figura 11) [41].
Figura 11 - Braço de suspensão construído com fibras curtas de carbono, já com a instalação da rótula e respetivos casquilhos [41].
22
3. Materiais e procedimentos experimentais
De modo a elucidar o que foi realizado em laboratório, este capítulo vai dar a conhecer os materiais utilizados, as diversas técnicas de processamento e os ensaios realizados assim como os procedimentos relativos aos mesmos.
3.1. Materiais
Para a realização deste trabalho foi utilizada a resina epóxi de dois componentes Sicomin SR1500 com o respetivo endurecedor Sicomin SD2503 em conjunto com fibras curtas de carbono de 2mm (Apply Carbon CF-2mm), 4mm (Apply Carbon CF-6mm) e 6mm (Apply Carbon CF-6mm). Para a realização dos provetes para os diversos ensaios, foram processadas placas com frações em peso diferentes Tabela 1.
Tabela 1 - Lista de frações em peso de fibras curtas de carbono e resina
Designação Fibras Carbono Wf
[%] Resina SR1500 + Endurecedor SD2503 [%] Resina 0 100 2mm15% 15 85 2mm30% 30 70 2mm45% 45 55 4mm15% 15 85 4mm30% 30 70 4mm45% 45 55 6mm15% 15 85 6mm30% 30 70 6mm45% 45 55
3.1.1.
Resina Epóxi
Na elaboração dos exemplares para os diversos ensaios foi utilizado uma resina epóxi de dois componentes da marca Sicomin. A resina SR1500, com uma densidade de 1.13 g/cm3 a 20C e uma viscosidade de 5300±1000 mPa.s a 15C e o endurecedor SD2503, com uma densidade de 1.00 g/cm3 a 20C. A relação de mistura utilizada em peso foi de 100:33g com
23 uma posterior pós-cura de 24h a 23C em conjunto com mais um ciclo de 8h a 60C, resultando assim, nas seguintes propriedades teóricas:
• Módulo de elasticidade à flexão: 2,76 GPa • Resistência máxima à flexão: 123 MPa
• Temperatura de transição vítrea (Tg): 70-76C
3.1.2.
Fibras curtas
Foi nos anos 60, que um cientista britânico descobriu um tipo de fibras revolucionário ao qual designou de fibras de carbono. Estas fibras surgiram por meio de oxidação/carbonização de fios Rayon (seda), a uma temperatura de 2800ºC e com excelentes propriedades mecânicas, baixa densidade e elevada dureza. Devido ao elevado custo de produção destas fibras e à incerteza de existência de matérias-primas, o seu desenvolvimento e produção progrediu a um ritmo demasiado lento acabando por levar ao abandono do projeto, ficando a sua utilização restringida apenas para a indústria aeronáutica. Alguns anos mais tarde e ultrapassado o problema nos custos de produção, a sua utilização nas mais diversas áreas tem crescido, nomeadamente no fabrico estrutural. Nos dias de hoje, este tipo de fibras já é bastante utilizado e em alguns dos casos como substituto do aço e do alumínio [43].
Neste trabalho são utilizadas fibras de carbono curtas de dimensões distintas, 6mm, 4mm e 2mm (Figura 12) da empresa Procotex, previamente cortadas e com uma dispersão de comprimentos de ±0,5mm.
24
3.1.3.
Dispersão de fibras
Através da análise de experiências anteriores, foi possível constatar que a utilização das fibras curtas “agrupadas” como são adquiridas (Figura 13), poderia influenciar nas propriedades do material final. Isto é, no seu processamento, não era possível impregnar o interior desses aglomerados de fibras, acabando por ficar pequenas zonas sem o material ligante (resina), criando assim, pontos de rotura do material.
Figura 13 - Fibras "agrupadas"/sem tratamento de dispersão
De forma a colmatar este problema, foi elaborado um pequeno estudo pelo Eng. André Fonseca sobre a dispersão das fibras, onde foram elaborados ensaios a 4 solventes diferentes: água destilada, acetona, diclorometano e éter (Figura 14). Concluiu-se então que o solvente com melhores resultados na dispersão das fibras seria o diclorometano.
Figura 14 - Teste de dispersão de fibras com água destilada, acetona, diclorometano e eter
Embora a experiência tenha sido realizada numa proporção de 150ml de solvente para