Comportamento mecânico de compósitos de fibra de vidro/epoxy nano-reforçados

Palavras-chave: nanocompósitos,fibra de vidro,nano-argila,nanotubos de carbono,fratura interlaminar,fadiga,modelação numérica da delaminação,nanocomposites,glass fibre,carbon nanotube

Os materiais compósitos laminados de matriz polimérica têm propriedades vantajosas tendo por isso uma ampla variedade de aplicações. Estes materiais são porém suscetíveis de sofrerem delaminações que podem debilitar consideravelmente as estruturas. Na direção da espessura do laminado as fibras não funcionam como um reforço efetivo, pelo que a resistência entre camadas é sempre menor que a resistência no plano. Neste trabalho estudam-se compósitos de fibra de vidro do tipo E, costurada sob a forma de tecido equilibrado tri-direcional e matriz epoxídica modificada com nano-argila montmorilonita organicamente modificada (OMMT) ou nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNT). A adição destes nanomateriais pretende melhorar as propriedades interfaciais e assim contribuir para melhorar o comportamento mecânico destes materiais. No fabrico dos compósitos trifásicos foi utilizado o processo de moldagem assistida a vácuo a partir do empilhamento de dez camadas de fibra de vidro previamente impregnadas com resina nano-modificada. Para caracterizar e comparar a Tenacidade à Fratura Interlaminar dos compósitos, fibra de vidro/epóxido foram realizados ensaios de Fratura Interlaminar, com solicitações de carga em Modo I, Modo II e Modo Misto I/II. De uma forma geral a modificação da matriz com nanopartículas resultou numa melhoria da Tenacidade à Fratura Interlaminar independentemente do modo de solicitação. Foi ainda avaliada a influência da nano-argila e do hidro-envelhecimento na Tenacidade à Fratura Interlaminar e no crescimento de fendas subcríticas. Os resultados de descoesão subcrítica, apresentados sob a forma de curvas da/dt versus G, mostraram que o envelhecimento promovido pela água nos compósitos com nano-argila reduz a Tenacidade à Fratura Interlaminar em Modo I. Por outro lado, a dispersão da nano-argila na matriz promove uma diminuição significativa da velocidade de crescimento da fenda subcrítica. Foram ainda observadas as superfícies de Fratura Interlaminar dos compósitos através de microscopia eletrónica e os mecanismos de ruina foram analisados e discutidos. Os efeitos da modificação da matriz com nanopartículas sobre o comportamento à fadiga dos compósitos, fibra de vidro/epóxido foram avaliados através de ensaios realizados com cargas cíclicas a amplitude constante, de tração-tração e de flexão em três pontos. A evolução do dano foi controlada pela variação da flexibilidade e variação de temperatura dos compósitos. Os resultados são apresentados, sob a forma de curvas de gama de tensão versus o número de ciclos até à rotura (Ds-Nf) e razão de fadiga versus número de ciclos até à rotura (Ds/sut versus Nf). De um modo geral a adição de nanopartículas à matriz epoxídica resultou em variações pouco significativas da resistência à fadiga. No entanto a razão de fadiga aumentou com a presença de nano-argila e nanotubos de carbono de parede múltipla na matriz epoxídica sugerindo que ambas as nanopartículas podem agir como barreiras à propagação de fendas por fadiga. Como complemento foi efetuado um estudo numérico, com recurso ao programa de elementos finitos MARC-MENTAT 2013. Foram desenvolvidos modelos numéricos usando elementos de interface coesivos para previsão da delaminação em provetes DCB e MMB de compósitos de fibra de vidro/epóxido, solicitados em Modo I e Modo Misto I/II, respetivamente. Para os provetes DCB as previsões numéricas foram comparadas com resultados experimentais tendo-se observado uma boa concordância em termos de curvas carga-deslocamento e comprimento de fenda-deslocamento. Quanto aos provetes MMB, foram identificados dois estágios de propagação da fenda. Numa primeira fase a velocidade de propagação da fenda é elevada, até se atingir o ponto de aplicação da carga de compressão. Para além do ponto referido a velocidade de propagação da fenda diminui significativamente.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias