Predição de vida em fadiga de compósitos estruturais baseado em análises dinâmico-mecânicas - Brocks, Thatiane [UNESP] (2015)
O aprofundamento no conhecimento das propriedades dos compósitos, especialmente aquelas com função estrutural, tem se mostrado necessário como uma forma de segurança à indústria de transportes na aplicação de compósitos em estruturas primárias. Considerando o esforço cíclico como responsável por 90% das falhas mecânicas de componentes em serviço, o estudo dos efeitos deste tipo de carregamento sobre as propriedades mecânicas do compósito e seus mecanismos de falha se faz necessário. Estudos recentes têm mostrado que a combinação entre técnicas de análise mecânica e térmica é muito útil no estudo do comportamento mecânico dos compósitos de matriz polimérica, pois considera-se também o efeito da relaxação das cadeias poliméricas sobre seu comportamento mecânico. A análise dinâmico-mecânica (DMA) é uma das técnicas mais sensíveis na detecção de movimentação molecular causada pela incidência de temperatura, frequência ou uma combinação de ambos, por este motivo foi a técnica determinada como ideal para a relação com os resultados de resistência à fadiga em função de tensão e temperatura apresentados neste trabalho. Esta relação, DMA-Fadiga, é ainda pouco explorada devido à dificuldade em relacionar parâmetros viscoelásticos e propriedades mecânicas, portanto, o ineditismo deste trabalho está em definir uma relação que contribua com a predição de vida em fadiga de um compósito carbono/epóxi. O desenvolvimento do trabalho consistiu inicialmente na confecção de laminados compósitos pelo processo de RTM (do inglês, resin transfer molding) a partir de uma matriz epóxi aeronáutica monocomponente (Prism EP2400 do fabricante Cytec) e reforço não tramado (NCF) de fibras de carbono quadriaxial (0°/+45°/-45°/90°) empilhados de forma a atingir uma fração volumétrica de fibras maior que 50%. O compósito produzido foi submetido à análises dinâmico-mecânicas isotérmicas entre -70°C e 220°C, em intervalos de 10°C, nas frequências de 0,01; 0,05; 0,2; 0,5; 1; 5; 28; 40 e 100 Hz. Os conjuntos de resultados obtidos foram trabalhados para construção de curvas STT (superposição tempo-temperatura) para E’, E” e tan delta (tδ), tanto para a resina quanto para o compósito. Estes dados permitiram a construção da STT de resistência interfacial para três temperaturas de referência, sendo elas: 0 °C, temperatura ambiente (~25 °C) e 80 °C. O compósito foi submetido à testes de fadiga em flexão em todas as três temperaturas de referência citadas. Durante o teste de fadiga o decaimento do Módulo de Young foi monitorado, permitindo determinar o momento de início de delaminação para cada carga e temperatura de teste aplicados. Os resultados mostraram que a resistência à fadiga diminui com o aumento da temperatura devido ao aumento da ductilidade da matriz, o que facilita o surgimento de trincas e consequente delaminação do compósito. Testes de flexão estática foram realizados após a fadiga, uma vez que o critério de falha adotado não levou o corpo de prova à ruptura final, permitindo a determinação da resistência residual do material após determinado grau de decaimento do modulo de Young, que neste estudo pode ser relacionado com a delaminação do compósito. As fraturas foram analisadas com auxílio de um microscópio eletrônico de varredura e mostraram que temperaturas mais altas causam maior deformação na matriz, corroborando com os resultados do teste de fadiga. Dentre os resultados obtidos com DMA, a curva STT de E’ mostrou maior correlação com o comportamento em fadiga do compósito, uma vez que mostra uma tendência da resistência à delaminação e por este motivo foi o parâmetro dinâmico-mecânico escolhido para ser relacionado com a vida em fadiga. Outro dado escolhido foi o decaimento do valor do módulo de Young, uma vez que é função do crescimento da delaminação e afeta diretamente a vida em fadiga do compósito. Portanto, este trabalho propõe um método de predição de vida em fadiga baseado na relação entre o tempo de estabilidade de E’ e a vida em fadiga de um compósito, uma vez que, conhecendo-se E’ é possível ter uma ideia aproximada da vida em fadiga do compósito.