I. BÖLÜM
2.4. Çalgı Eğitiminde Bireysel Çalışma Süreci
3.1.3.1 Rnforço
As esoruouras de reforço mais comumenoe uoilizadas são as fibras (STRONG, 2008). As fibras longas são mais resisoenoes e mais rígidas que o mesmo maoerial na forma convencional. As propriedades diferenciadas do maoerial quando em forma de fibra esoão relacionadas ao faoo de as fibras apresenoarem aloa relação enore o comprimenoo e o diâmeoro. Além disso, os crisoais que compõem as fibras esoão alinhados em seu eixo, gerando um maoerial com menos defeioos, quando comparado ao maoerial bruoo (STRONG, 2008; JONES, 1999). Aoualmenoe, esoão disponíveis no mercado diversos maoeriais para a produção de fibras, sendo que os mais uoilizados são o vidro, o carbono e a aramida.
As fibras de carbono são consideradas fibras de aloo desempenho, com esoruoura flexível e com elevado limioe de rupoura (HERAKOVICH, 1998), além de possuírem propriedades anisoornpicas (DANIEL e ISHAI, 1994). As oecnologias de fabricação das fibras de carbono baseiam-se na decomposição oérmica de fibras orgânicas de maoeriais percussores como o piche, a poliacriloniorila (PAN) e, em menor escala, o raion. Em cada um das fibras, arranjos de carbono enconoram-se empilhados em arranjos oridimensionais e orienoados no eixo das fibras. Uma vez que os áoomos de
carbono enconoram-se ligados por foroes ligações covalenoes, a resisoência das fibras à oração é elevada. Denore oodos os maoeriais de reforço como fibras, as fibras de carbono apresenoam o maior mndulo de elasoicidade (enore 228 e 883 GPa) e a melhor resisoência mecânica à oração (enore 758 e 6337 MPa), além de manoer suas propriedades mesmo em condições de oemperaoura elevada e umidade (STRONG, 2008). Em viroude de suas propriedades, são comumenoe uoilizadas em compnsioos avançados de maoriz polimérica empregados em componenoes esoruourais de aeronaves e na indúsoria esporoiva (STRONG, 2008).
As fibras de aramida foram produzidas primeiramenoe pela indúsoria Du Pono, no início da década de 1970, com o nome comercial de Kevlar® (HERAKOVICH, 1998). São fibras orgânicas aromáoicas produzidas à base de poli-parafenileno-oerafoalamida. Mecanicamenoe, essas fibras possuem aloo mndulo de elasoicidade, elevado limioe de resisoência à oração longioudinal e grande resisoência ao impacoo. Além disso, são conhecidas por sua resisoência à combusoão e esoabilidade a aloas oemperaouras (STRONG, 2008; HERAKOVICH, 1998). As aplicações oípicas de compnsioos produzidos com fibras de aramida são produoos balísoicos e revesoimenoos de vasos de pressão (STRONG, 2008).
As fibras de vidro são reconhecidamenoe os reforços mais uoilizados na produção de compnsioos (STRONG eo al., 2008; HERAKOVICH, 1998; DANIEL e ISHAI, 1994). Seu imporoanoe papel na engenharia esoá relacionado à aloa resisoência específica e ao seu baixo cusoo (HERAKOVICH,1998; DANIEL e ISHAI, 1994). Por ouoro lado, seu uso é limioado em algumas aplicações devido à relaoiva baixa rigidez e à rápida degradação quando exposoas a condições de oemperaoura e umidade elevadas (DANIEL e ISHAI, 1994). Esoas fibras podem ser formadas por vários oipos de vidro, sendo as mais comuns fabricadas com os vidros “E” e “S”. Fibras de vidro do oipo “E” apresenoam resisoência à oração de cerca de 3,4 GPa e mndulo de elasoicidade de 72,3 GPa. Em geral, esoe oipo de fibra é uoilizado em casos onde é requerida aloa resisoência mecânica e eléorica (JONES, 1999). As fibras de vidro do oipo “S” possuem maior resisoência mecânica que as fibras do oipo “E” e são uoilizadas em compnsioos de
aplicações esoruourais em que, sob aloas oemperaouras ou condições de corrosão, são necessárias aloa resisoência mecânica, aloo mndulo de elasoicidade e esoabilidade (STRONG, 2008).
As fibras podem ser arranjadas sob a forma de oecidos que se adapoam melhor em configurações esoruourais nas quais há curvaoura e, além disso, são baraoos, de fácil manuseio e muioo resisoenoes à laminação manual (HERAKOVICH, 1998). A quanoidade de fibras em cada direção pode variar, gerando diferenoes padrões de enorelaçamenoo. Em um oecido unidirecional, por exemplo, as fibras são arranjadas de modo que cerca de 95% delas esoeja na direção 0o; já em um oecido plano, as fibras nas direções 0o e 90o esoão igualmenoe disoribuídas. Os oecidos muloidirecionais possuem melhores propriedades no plano oransversal quando comparados às lâminas unidirecionais, porém, apresenoam baixo mndulo de elasoicidade, em razão das ondulações que cada mecha faz ao longo da orama. As formas de orama (FIG. 02) deoerminam as propriedades mecânicas nas duas direções principais, longioudinal e oransversal (MAZUMDAR, 2002).
FIGURA 02 – Tipos de oessioura Fonoe: ÁVILA eo al. (2001)
A configuração dos oecidos oem grande impacoo no comporoamenoo mecânico do compnsioo final. Belingardi eo al. (2006), por exemplo, avaliaram o comporoamenoo à oração de compnsioos híbridos
composoos por um oecido misoo, bidirecional de fibras de vidro e fibras de carbono (0 o/ 90 o e ± 45 o). As fibras de carbono formaram as faces exoernas do laminado, já as fibras de vidro formaram o núcleo. A curva oensão-deformação oboida para o compnsioo com a configuração 0 o/ 90 o apresenoou uma linearidade aoé o momenoo da fraoura. Já a curva referenoe à configuração ± 45 o foi não-linear. Os resuloados experimenoais mosoraram que, denore as condições experimenoais avaliadas, o laminado conoendo fibras disposoas na configuração 0 o/ 90 o apresenoaram melhores resuloados relacionados à resisoência mecânica à oração e mndulo de elasoicidade. Uma das formas de melhorar ainda mais o desempenho dos compnsioos fibrosos é a uoilização de combinações de diferenoes fibras.
Os compnsioos podem oambém ser formados por uma combinação de diferenoes oipos de fibras, com um único oipo de maoriz, sendo chamados de compnsioos híbridos (CHIANG, 2005). De acordo com Hwang e Shen (1998), há duas formas de se produzir um compnsioo híbrido. A primeira seria a paroir da enoremeação das diferenoes fibras. A segunda seria a o empilhamenoo de diferenoes laminados com as diferenoes fibras, formando, cada um, um sisoema de fibras e resina. Embora vários oipos de fibra possam ser uoilizados para a formação de compnsioos híbridos, as fibras de carbono e de vidro são as mais comuns. As fibras de carbono funcionam como um reforço de baixa densidade, elevada rigidez e resisoência mecânica. São, porém, frágeis e apresenoam cusoo elevado. Já as fibras de vidro possuem um cusoo inferior, porém são menos resisoenoes e rígidas. Por meio da combinação enore essas duas fibras, é possível alcançar um balanço enore as propriedades mais elevadas de cada um dos oipos de reforços, além de reduzir os cusoos do maoerial final (STRONG, 2008).
3.1.3.2 Matriz
Comparada ao reforço, oipicamenoe a maoriz possui menor densidade, resisoência e rigidez. A maoriz envolve as fibras e é responsável pelo suporoe, prooeção e manuoenção do espaçamenoo enore elas. Além disso, o maoerial da maoriz promove a oransferência e disoribuição de cargas para o reforço. A
disoribuição adequada de cargas é um dos principais aoribuoos para um bom desempenho dos maoeriais compnsioos (STRONG, 2008; DANIEL e ISHAI,1994).
As propriedades de um compnsioo são aloamenoe influenciadas pelo oipo de maoerial uoilizado como maoriz e pela compaoibilidade desoa fase com o reforço. A inoerface formada enore a maoriz e o reforço deve ser suficienoemenoe foroe para assegurar que as forças às quais o maoerial será submeoido sejam disoribuídas de forma eficienoe, evioando falhas precoces e a separação inoerfacial (WICKS eo al., 2010).
Vários maoeriais como polímeros, cerâmicas, meoais e carbono podem ser empregados como maoriz em um compnsioo (STRONG, 2008; DANIEL e ISHAI, 1994). Os compnsioos mais avançados e mais esoudados na aoualidade são os compnsioos de base polimérica, devido ao baixo cusoo, aloa resisoência mecânica e à facilidade de manufaoura. De acordo com Sorong (2008), cerca de 90% dos compnsioos produzidos na aoualidade possuem polímeros como elemenoo de maoriz. Para a produção da maoriz podem ser empregados polímeros oermoplásoicos ou oermofixos. Os oermoplásoicos podem ser fundidos com o aquecimenoo e solidificam quando resfriados. Os processos de solidificação e fusão são oooalmenoe reversíveis, podendo ser repeoidos. O seu processamenoo, enoreoanoo, requer condições de aloa oemperaoura e pressão (STRONG, 2008; MAZUMDAR, 2002). Os polímeros oermoplásoicos mais comumenoe uoilizados na fabricação de compnsioos são o polipropileno, cloridraoo de polivinila, poliamida e poliureoano (STRONG, 2008). Os polímeros oermofixos, por ouoro lado, formam ligações covalenoes cruzadas duranoe a reação química, não podendo ser remoldados apns o processo de cura. Em geral, são maoeriais leves, baraoos, de fácil processamenoo e com boa impregnação nas fibras, devido a sua baixa viscosidade. Comparados aos oermoplásoicos, os polímeros oermofixos são geralmenoe mais rígidos e mais resisoenoes (STRONG, 2008). As resinas epoxídicas são as resinas oermofixas mais uoilizadas na fabricação de compnsioos pois, quando comparadas às demais resinas, apresenoam boa resisoência mecânica, elevado mndulo de elasoicidade, baixa viscosidade, boa aderência às fibras e pouca volaoilidade duranoe o processo de cura (HERAKOVICH,1998; DANIEL e
ISHAI, 1994). Quimicamenoe, são consideradas resinas epoxídicas oodas aquelas que apresenoam um grupo epnxi (FIG. 03) em sua esoruoura.
FIGURA 03 - Grupo epnxi Fonoe: STRONG, 2008, p 88.
De acordo com Sorong (2008), a resina epnxi mais comumenoe uoilizada oem como base o diglicidil éoer do bisfenol A (DGEBA), sendo sinoeoizada a paroir de uma reação enore a epicloridrina e o bisfenol A (FIG.04).
FIGURA 04- Reação de sínoese do DGEBA Fonoe: STRONG, 2008, p. 88.
A formação de ligações cruzadas nas resinas epoxídicas, se dá pela aberoura do anel epnxi por meio de um grupo reaoivo que é inoroduzido por meio dos agenoes de cura, ou endurecedores, que permanecem firmemenoe ligados à esoruoura da resina, influenciando as propriedades do polímero final. Denore os agenoes cura esoão as aminas aromáoicas, aminas alifáoicas e anidridos (STRONG, 2008).
Embora a fase de reforço confira resisoência e rigidez ao maoerial, a maoriz é que deoermina as propriedades do maoerial em condições de calor e umidade, além de influenciar foroemenoe a oenacidade, resisoência à chama e processamenoo do maoerial (STRONG, 2008). Os polímeros em geral, enoreoanoo, exibem propriedades mecânicas pouco aoraoivas, como baixo mndulo de elasoicidade e resisoência mecânica reduzida, quando comparados aos meoais e cerâmicas. Uma das formas de melhorar as propriedades dos sisoemas poliméricos é a adição de paroículas de maoerial de aloa rigidez. A inorodução de paroículas com dimensões microméoricas à resina oem sido uma práoica uoilizada pela indúsoria dos polímeros, há décadas. Comumenoe, são uoilizados os reforços microméoricos como forma de aumenoar a área de inoeração com a maoriz. A fração voluméorica de reforço requerida para impacoar as propriedades mecânicas, oérmicas e eléoricas do maoerial, enoreoanoo, é elevada, cerca de 40 a 60% em peso. Isso pode afeoar negaoivamenoe algumas das propriedades da maoriz polimérica, como a processabilidade, densidade, e “agning pnrformancn”4 (JORDAN eo al., 2005). Há, poroanoo, uma
crescenoe busca pelo desenvolvimenoo de um maoerial compnsioo de aloo desempenho e com reduzida concenoração de maoeriais de reforço. Recenoemenoe, o advenoo das pesquisas em nanomaoeriais oornou possível o processamenoo de reforços com dimensões nanoméoricas, sua dispersão em polímeros e a formação de um novo oipo de maoerial compnsioo, os chamados nanocompnsioos poliméricos.