Cork to enhance damage tolerant composite systems

Cork to enhance damage tolerant composite systems Pedro Miguel Cardoso Queirós [email protected] Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Ramo de Projeto e Construção Mecânica Orientador: Prof. Doutor António Torres Marques (FEUP) Coorientador: Dr. Paulo Nóvoa (FEUP) Porto, setembro de 2016 ii © Pedro Miguel Queirós, 2016 iii “Tudo o que tu podes alcançar está à distância da tua coragem para arriscar.” - Raul Minh’alma iv Página intencionalmente deixada em branco. v RESUMO Os materiais compósitos laminados possuem uma elevada eficiência estrutural, mas esta é bastante comprometida pela baixa resistência a cargas de impacto. Por esse motivo decidiu-se estudar um método de melhorar a tolerância ao dano de materiais compósitos laminados através da introdução de filmes de cortiça entre camadas de fibra de vidro. Fabricaram-se oito placas laminadas com configurações diferentes, fazendo-se variar o número de filmes de cortiça e a sua posição entre quatro camadas de fibra de vidro. O objetivo foi perceber qual a influência da posição e quantidade dos filmes de cortiça na melhoria da tolerância ao dano de um compósito. As placas foram de seguida divididas em dezenas de provetes e realizados ensaios de tração, flexão, impacto, indentação e tração após impacto. Depois de analisados os resultados constatou-se que a introdução da cortiça reduz substancialmente as propriedades mecânicas do material, o que era previsível. Concluiu-se ainda que após impactos de dois e quatro joules as placas com cortiça apresentaram reduções inferiores de propriedades mecânicas, quando comparadas com a placa de referência sem cortiça. Palavras-chave: Impacto; Cortiça; Laminados; Tolerância ao dano. vi Página intencionalmente deixada em branco. vii ABSTRACT Laminated composite materials have a high structural efficiency, but it is greatly affected by the relatively low resistance to impact loads. For this reason it was decided to study a method to enhance the damage tolerance of laminated composites by introducing cork films between glass fiber layers. Eight laminated plates with different configurations were manufactured, making it vary the number of cork films and their position among four glass fiber layers. The aim was to understand the influence of the position and quantity of cork films to enhance damage tolerance of a composite. The plates were then divided into dozens of specimens and carried out tensile, bending, impact, indentation and traction after impact tests. After analyzing the results it was found that the introduction of cork substantially reduces the mechanical properties of the material, which was predictable. It was also concluded that after impact of two and four joules, the plates with cork showed less reduction of the mechanical properties when compared to the reference plate without cork. Keywords: Impact; Cork; Laminates; Damage tolerance. viii Página intencionalmente deixada em branco. ix AGRADECIMENTOS O meu sincero agradecimento ao meu orientador Prof. Doutor António Torres Marques pela atenção e disponibilidade que demonstrou sempre que precisei, bem como as sugestões e correções que melhoraram este trabalho. Agradecer ao meu coorientador Dr. Paulo Nóvoa que foi um verdadeiro braço direito ao longo dos meses em que estive a realizar este trabalho, estando presente do início ao fim deste percurso. Quero agradecer à minha mãe por nunca ter desistido do sonho de ver os seus filhos formados. Esta dissertação é também para ela o culminar de muitos anos de esforço. Por fim um agradecimento à Amorim Cork Composites (ACC), especialmente ao Eng. Lino Rocha, pela contribuição para este trabalho com a oferta do filme de aglomerado de cortiça. E ainda à Andreia Durães, do INEGI, pela sua disponibilidade em facilitar a realização dos ensaios de forma concertada com o planeamento do trabalho experimental. xvi Figura 67 - Comparação dos resultados de indentação agrupados por nível de energia. ................................................................................................ 77 Figura 68 - Esquemas de fixação para impacto numa placa plana (esquerda)28 e numa placa curva (direita)29. ............................................. 78 Figura 69 - Sequência de produção do casquilho (2x). ................................... 79 Figura 70 - Sequência de produção do impactor............................................. 79 Figura 71 - Curva Tensão vs Deformação (C0). .............................................. 80 Figura 72 - Curva Tensão vs Deformação (1C2). ............................................ 81 Figura 73 - Curva Tensão vs Deformação (3C4). ............................................ 82 Figura 74 - Curva Tensão vs Deformação (2C3). ............................................ 83 Figura 75 - Curva Tensão vs Deformação (C2C). ........................................... 84 Figura 76 - Curva Tensão vs Deformação (C3C). ........................................... 85 Figura 77 - Curva Tensão vs Deformação (C23C). ......................................... 86 Figura 78 - Curva Tensão vs Deformação (C2C3C). ...................................... 87 Figura 79 - Comparação da tensão máxima e módulo de elasticidade à tração após impacto. ................................................................................. 88 Figura 80 - Tensão máxima e módulo de elasticidade à tração, com e sem impacto (2J). ............................................................................................. 89 Figura 81 - A - Provetes TAI impactados (8J); B - Provete posicionado no suporte fabricado propositadamente para o ensaio; C - Provete tracionado após impacto. .......................................................................... 91 xvii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Especificações das placas. ............................................................. 28 Tabela 2 - Especificações dos provetes de cada ensaio. ................................ 35 Tabela 3 - Velocidade do ensaio de flexão para cada placa. .......................... 38 Tabela 4 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa C0. ............. 39 Tabela 5 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa 1C2. ........... 40 Tabela 6 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa 3C4. ........... 41 Tabela 7 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa 2C3. ........... 42 Tabela 8 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa C2C. ........... 43 Tabela 9 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa C3C. ........... 44 Tabela 10 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa C23C. ....... 45 Tabela 11 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa C2C3C. .... 46 Tabela 12 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa C0. ........... 51 Tabela 13 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa 1C2. ......... 52 Tabela 14 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa 3C4. ......... 53 Tabela 15 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa 2C3. ......... 54 Tabela 16 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa C2C. ........ 55 Tabela 17 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa C3C. ........ 56 Tabela 18 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa C23C. ...... 57 Tabela 19 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa C2C3C. .... 58 Tabela 20 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C0. ............ 62 Tabela 21 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa 1C2. .......... 63 Tabela 22 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa 3C4. .......... 64 Tabela 23 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa 2C3. .......... 65 Tabela 24 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C2C. .......... 66 xviii Tabela 25 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C3C. .......... 67 Tabela 26 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C23C. ........ 68 Tabela 27 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C2C3C. ..... 69 Tabela 28 - Valores médios de indentação para a placa C0, em mm. ............ 74 Tabela 29 - Valores médios de indentação para a placa 1C2, em mm. .......... 75 Tabela 30 - Valores médios de indentação para a placa 3C4, em mm. .......... 75 Tabela 31 - Valores médios de indentação para a placa 2C3, em mm. .......... 75 Tabela 32 - Valores médios de indentação para a placa C2C, em mm. .......... 75 Tabela 33 - Valores médios de indentação para a placa C3C, em mm. .......... 76 Tabela 34 - Valores médios de indentação para a placa C23C, em mm. ........ 76 Tabela 35 - Valores médios de indentação para a placa C2C3C, em mm. ..... 76 Tabela 36 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa C0. .................... 80 Tabela 37 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa 1C2. .................. 81 Tabela 38 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa 3C4. .................. 82 Tabela 39 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa 2C3. .................. 83 Tabela 40 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa C2C. .................. 84 Tabela 41 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa C3C. .................. 85 Tabela 42 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa C23C. ................ 86 Tabela 43 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa C2C3C. ............. 87 Tabela 44 - Redução da tensão máxima e módulo de elasticidade após um impacto de 2J. ........................................................................................... 90 Tabela 45 - Redução da tensão máxima e módulo de elasticidade após um impacto de 4J. ........................................................................................... 90 Tabela 46 - Redução da tensão máxima e módulo de elasticidade após um impacto de 8J. ........................................................................................... 91 xix ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÓNIMOS BVID – Barely Visible Impact Damage INEGI – Instituto de Ciência e Inovação em Engenharia Mecânica e Engenharia Industrial FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto PVA – Álcool polivinílico TAI – Tração Após Impacto 𝑏 – Largura do provete (m) ℎ – Espessura do provete (m) 𝑣 – Velocidade do ensaio de flexão (m/s) 𝜎𝑓 – Tensão à flexão (MPa) ɛ𝑓 – Deformação à flexão (%) E – Módulo de elasticidade (GPa) 𝜎𝑡 – Tensão à tração (MPa) ɛ𝑡 – Deformação à tração (%) 𝐿0 – Distância entre as duas agarras do extensómetro (m) 𝛥𝐿0 – Incremento da distância entre as duas agarras do extensómetro (m) xx Página intencionalmente deixada em branco. Capítulo 1 Introdução 1 1 INTRODUÇÃO A competitividade é o combustível da inovação. Nesse sentido, e no âmbito da engenharia mecânica e de materiais, urge uma necessidade das empresas desenvolverem novos materiais que consigam conjugar baixa densidade com boas propriedades específicas e bom desempenho, sem descurar das questões económicas que se pretende sempre serem as mais vantajosas. Quando se trata de grandes produções em série estes aspetos ganham ainda mais relevância, como é o caso da indústria automobilística. E é neste caso que os compósitos têm uma importante palavra a dizer e onde têm proliferado em grande escala. Não só na indústria automobilística mas também na aeronáutica. Especialmente nestas duas indústrias, pelo facto dos seus produtos estarem em constante movimento, seja a altas ou baixas velocidades, estarão constantemente sujeitos a situações de impacto. Situações essas que vão desde um impacto de uma bola no capô do carro ao impacto de um bando de pássaros na asa de um avião a alta velocidade. Por esse motivo, as análises da resistência ao impacto (capacidade de um material não sofrer danos permanentes) e da tolerância ao dano (capacidade de um material manter as suas funções operacionais após sofrer danos permanentes) são de extrema importância. Com intenção de melhorar a tolerância ao dano das estruturas compósitas, que compõem grande parte dos veículos construídos atualmente, têm sido estudados e experimentados diversos tipo de materiais. Um deles é precisamente a cortiça. Sendo ela um material natural de elevada versatilidade que concentra propriedades muito específicas como baixa densidade, alta compressibilidade e flexibilidade, isolamento térmico e acústico, torna-se num material de elevado interesse no que à tolerância ao dano diz respeito. Nesse sentido, o presente trabalho pretende avaliar a importância da cortiça na melhoria da tolerância ao dano de estruturas compósitas, neste caso laminados, a impactos de baixa velocidade. Com essa finalidade foi necessário definir objetivos e estruturar devidamente a ordem de trabalhos. Capítulo 1 Introdução 2 1.1 OBJETIVOS O objetivo deste trabalho é perceber de que forma a cortiça pode melhorar a tolerância ao dano de um material compósito. Com esse objetivo em mente, decidiu-se produzir sete placas laminadas com um, dois e três filmes de cortiça e com sequências de empilhamento distintas, e uma oitava placa de referência sem qualquer filme de cortiça. Depois de ensaiadas todas as placas e analisados os resultados pretendeu-se saber se as soluções com filmes de cortiça são ou não vantajosas em termos de tolerância ao dano e, se sim, qual ou quais as configurações que reúnem o maior número de aspetos positivos. De uma forma colateral pretende-se também saber qual a influência da introdução da cortiça num laminado e de que forma se pode tirar benefícios dela, nomeadamente no processo de deteção do dano. 1.2 ESTRUTURA Capítulo 1 – Introdução ao tema e exposição dos objetivos desta experiência; Capítulo 2 – Levantamento bibliográfico dos conceitos teóricos inerentes a este trabalho; Capítulo 3 – Descrição do procedimento experimental efetuado, mais concretamente o processo de fabrico e corte das placas laminadas; Capítulo 4 – Descrição dos ensaios realizados para a caracterização do material, exposição dos resultados obtidos nesses ensaios e análise detalhada dos mesmos; Capítulo 5 – Apresentação das conclusões que foram possíveis retirar deste estudo experimental, bem como a sugestão de possíveis trabalhos futuros. Capítulo 2 Fundamentação teórica 3 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 MATERIAIS COMPÓSITOS A constante evolução das tecnologias e a crescente competitividade dos produtos e dos mercados levam à necessidade de uma boa combinação dos materiais tradicionais (metálicos, cerâmicos e poliméricos). Desta forma surgiram os materiais compósitos. Os materiais compósitos são compostos por duas ou mais fases numa escala macroscópica, cujo desempenho mecânico e propriedades são projetados para serem superiores às dos materiais constituintes quando atuam de forma independente. Uma das fases é normalmente descontínua, mais dura e mais resistente, e é chamada de reforço. A fase menos rígida e menos resistente é contínua e é designada de matriz1. As propriedades dos compósitos são função das propriedades das fases que os constituem, das suas quantidades relativas, e da geometria da fase descontínua. "Geometria da fase descontínua", neste contexto, refere-se à forma e ao tamanho das fibras, assim como à sua distribuição e orientação2. Os objetivos do processo de fabrico de materiais compósitos são:  Conseguir um produto consistente, controlando a espessura, volume e orientação das fibras;  Minimizar os espaços vazios;  Reduzir tensões residuais internas;  Usar processos menos dispendiosos. Para atingir estes objetivos é necessário definir:  Material e sua configuração;  Ferramentas;  Processos3. Mais à frente, no capítulo 3, estes pontos serão exemplificados quando se expuser o procedimento experimental aplicado no contexto deste trabalho. Capítulo 2 Fundamentação teórica 4 Os sistemas compósitos podem ser divididos em três grupos (ver Figura 1): compósitos reforçados com partículas, compósitos reforçados com fibras, e compósitos estruturais. A fase descontínua para compósitos reforçados por partículas é equiaxial, ou seja, as dimensões das partículas são aproximadamente as mesmas em todas as direções. Para os compósitos reforçados por fibras, a fase descontínua tem a geometria de uma fibra, ou seja, tem uma elevada razão entre o comprimento e o diâmetro. Por fim os materiais compósitos estruturais são combinações de materiais compósitos e homogéneos (apresentam as mesmas propriedades em todas as partes)2. 2.1.1 Compósitos estruturais Os compósitos estruturais, que são o foco deste trabalho, são compostos tanto por materiais homogéneos como por materiais compósitos, como referido anteriormente, cujas propriedades dependem não apenas dos materiais constituintes, mas também do design geométrico dos vários elementos estruturais. Os dois tipos de compósitos estruturais mais comuns são as estruturas sandwich e os laminados2. O presente trabalho é especificamente sobre laminados. No entanto, serão referidas também as estruturas sandwich uma vez que estas apresentam na sua composição estruturas que podem ser consideradas laminados (as camadas Compósitos Reforçado com partículas Particulas grandes Reforçado por dispersão Reforçado com fibras Contínuo (alinhado) Descontínuo (curto) Alinhado Orientado aleatoriamente Estrutural Laminados Estruturas sandwich Figura 1 - Esquema classificativo dos diferentes tipos de compósitos2. Capítulo 2 Fundamentação teórica 5 exteriores). Além do facto de serem o grande “rival” dos laminados no mundo dos compósitos e como tal ser importante comparar as características mecânicas e funcionais de ambos para um melhor entendimento da aplicabilidade do presente estudo. Estruturas Sandwich As estruturas sandwich são projetadas para serem vigas ou painéis com uma elevada rigidez e resistência. Um painel formado por uma estrutura sandwich é composto por duas lâminas ou faces exteriores que estão adesivamente ligadas a um núcleo bastante mais espesso. As lâminas exteriores são feitas de um material rígido e forte, como ligas de alumínio, materiais plásticos reforçados com fibras, ou aço, conferindo desta forma uma elevada rigidez e resistência a toda a estrutura. O núcleo é bastante mais espesso para resistir a esforços de tração e tensões de compressão. O material que constitui o núcleo é leve e com um baixo módulo de elasticidade. Estes materiais podem ser espumas poliméricas (poliuretanos, por exemplo), madeira, ou estruturas em “favos de mel”, como se pode ver na Figura 2. Este tipo de núcleo é bastante popular e consiste em células hexagonais ligadas entre si e formadas por uma película fina, normalmente uma liga de alumínio ou um polímero de aramida. A rigidez deste tipo de núcleo depende do tamanho da célula, espessura da parede celular, e o material a partir do qual o “favo de mel” é feito2. Figura 2 - Imagem esquemática de um painel em estrutura sandwich com um núcleo em favo de mel 2. Capítulo 2 Fundamentação teórica 12 pode resultar num importante leque de soluções empreendedoras para a economia portuguesa. São apresentadas, de seguida, algumas das características da cortiça para um melhor entendimento das possíveis vantagens da sua aplicação. A cortiça é um material de origem vegetal retirado da casca do sobreiro, sendo um tecido de suberose composto por células mortas. Pode ser descrita como um tecido homogéneo de células de paredes finas com disposição regular e sem espaço intercelular. Uma estrutura que se assemelha a um favo de mel12. Esta configuração celular permite que mais de 50% do seu volume seja ar, o que a torna muito leve (pesa apenas 0,16 gramas por centímetro cúbico)13. Tal explica a baixa densidade e a elevada compressibilidade, flexibilidade e capacidade de isolamento, características deste material. As suas células consistem em formações de geometria idêntica à de um prisma hexagonal12. Composição química O grande segredo da cortiça reside na mistura de gases semelhante ao ar, que preenche cada uma das células, e na percentagem de suberina contida nas suas paredes. A elevada percentagem gasosa de cada célula é responsável pela elevada leveza, compressibilidade e elasticidade. Desta forma, a cortiça pode ser comprimida até metade do seu tamanho, sem perder qualquer flexibilidade13. Estas características são muito interessantes no que respeita a situações de impacto. Figura 7 - Composição química da cortiça13. Capítulo 2 Fundamentação teórica 13 Aglomerados de cortiça Abordar o tema dos aglomerados de cortiça é essencial neste trabalho tendo em conta que a cortiça utilizada em compósitos aparece geralmente sob a forma de um aglomerado. Estes aglomerados são produzidos através da ligação de grãos de cortiça, conseguida com o uso de ligantes, como por exemplo o poliuretano, sendo depois a mistura compactada sob ação de pressão e temperatura. O granulado provém da cortiça virgem e da cortiça que não apresenta qualidade para o fabrico de rolhas. A cortiça, depois de triturada e convertida num granulado, é classificada e separada de acordo com o tamanho de grão e densidade. Estes granulados podem ser usados como um produto final em várias aplicações ou, como neste caso, usados como matéria-prima para a produção de um aglomerado. Depois de triturada, classificada e separada a cortiça é depois compactada em moldes, em regra, paralelepipédicos, que são depois cortados sob a forma de lâminas e alvo de processos de acabamento superficial14. O resultado de testes experimentais revelou que o desempenho dos aglomerados de cortiça depende, essencialmente, do tamanho de grão, da densidade e do processo utilizado na ligação dos grãos. Em função da aplicação, estes parâmetros podem ser ajustados de modo a obter as propriedades obtidas, nomeadamente propriedades superiores às dos materiais convencionais14. Figura 8 - Lâminas de aglomerado de cortiça27. Capítulo 2 Fundamentação teórica 14 Aplicações da cortiça As aplicações da cortiça vão muito mais além das tão conhecidas rolhas. No ramo da indústria ela é utilizada como isolamento acústico e vibrático. É usada em máquinas, como compressores, prensas hidráulicas, turbinas, geradores e motores. Como isolamento vibrático pode ser aplicada entre o maciço de fundação e a laje onde se instala a máquina, ou aplicada diretamente entre a base da máquina e o pavimento ao qual está ligada. O aglomerado de cortiça também é utilizado no revestimento de tubagens. A sua utilização neutraliza os dois principais inimigos de instalações frigoríficas, que são o calor e a humidade15. Desempenha igualmente um papel relevante na construção de pontes e autoestradas, nos caminhos-de-ferro, nas barragens, nos aeroportos e na geração de energia. No caso da energia eólica, a cortiça é incorporada nas pás das turbinas, como se pode observar na Figura 9. Também é utilizada no controlo da poluição, seja integrada em produtos absorventes de óleos, solventes orgânicos ou projetada em grânulos por ar comprimido, para renovar monumentos e fachadas de prédios. Pela sua capacidade de resistência ao choque, está a ser testada também em equipamentos à prova de bala13. Um aspeto de especial interesse no contexto deste trabalho. Para o futuro, os bem-sucedidos testes de utilização da cortiça na exploração do espaço alimentam novas expetativas, que passam pela aplicação de compósitos de cortiça num programa interplanetário13. Figura 9 - Cortiça nas pás de turbinas13. Capítulo 2 Fundamentação teórica 15 2.3 COMPÓSITOS HÍBRIDOS Os compósitos híbridos e os biocompósitos, que serão abordados no subcapítulo seguinte, estão intimamente relacionados com o tema do presente trabalho, tendo como elemento comum a aplicação da cortiça. O comportamento dos compósitos híbridos resulta de uma soma ponderada das vantagens e desvantagens inerentes aos componentes que o constituem. Com a aplicação de um compósito hibrido pretende-se que as vantagens de um dos materiais compense as desvantagens do outro, conseguindo-se desta forma um bom equilíbrio custo/desempenho16. Uma vez que a sustentabilidade do mundo, o crescimento económico e a melhoria da qualidade de vida das pessoas dependem muito do uso de produtos alternativos na arquitetura e construção, este tipo de compósitos ganha especial interesse e importância pela possibilidade de incorporação de resíduos industriais convencionalmente chamados de materiais verdes. Em trabalhos de R. Eires, J.P. Nunes et al17, compósitos feitos de pasta de papel e granulado de cortiça, incorporando pequenas quantidades de aglutinantes poliméricos e aditivos minerais, foram submetidos a testes para determinar as suas propriedades físicas e mecânicas. Concluiu-se que compósitos de granulados de cortiça e pasta de papel demonstraram ter propriedades adequadas para diversas aplicações nãoestruturais na construção, tais como revestimentos de paredes e tetos. Figura 10 - Placa feita de grânulos de cortiça e pasta de papel17. Capítulo 2 Fundamentação teórica 16 2.4 BIOCOMPÓSITOS Os biocompósitos são materiais compósitos que contêm uma ou mais fases derivadas a partir de uma origem biológica. Em termos do reforço pode-se considerar fibras de plantas, tais como o algodão e linho. Em termos de matriz, esta pode ser à base de polímeros, de preferência derivados de recursos renováveis18. Trabalhos recentes de Emanuel M. Fernandes, Vitor M. Correlo et al19 que consistiram na preparação de biocompósitos resultantes da combinação de diferentes poliésteres alifáticos biodegradáveis com cortiça, concluíram que a introdução da cortiça reduz a densidade de alguns poliésteres, apresenta uma boa ligação física com as matrizes de poliéster de base biológica, e a sua adição não compromete significativamente as propriedades mecânicas à tração. Estes resultados sugerem que os biocompósitos à base de cortiça e polímero são uma alternativa viável para desenvolver materiais compósitos mais sustentáveis, como por exemplo peças para o interior dos automóveis. Figura 11 - Comparação dos valores do módulo de elasticidade e tensão máxima entre diferentes polímeros no estado puro e com cortiça19. A aplicação de biocompósitos é cada vez maior e mais abrangente, muito por causa de pressões da União Europeia para o uso crescente de materiais recicláveis. É o caso da indústria automobilística onde a diretiva europeia de fim de vida de veículo impôs que desde 2015 os veículos automóveis fossem constituídos por 95% de material reciclável, sendo 85% desse material reciclado através de reutilização ou reciclagem mecânica e 10% reciclado através de recuperação de energia ou reciclagem térmica20. Capítulo 2 Fundamentação teórica 17 2.5 PROCESSOS DE FABRICO DE UM COMPÓSITO Depois de analisados os sistemas compósitos num contexto geral e cada um dos elementos constituintes dos mesmos, com especial foco nos mais relevantes para este trabalho, é o momento de perceber como é feita a ligação de todos estes elementos para a produção de um composto com as características tão específicas como as de um sistema compósito. As propriedades finais destes sistemas não se determinam apenas em função das características individuais de cada elemento constituinte, mas também, e muito, pelo modo como estes são produzidos. Em todos os processos de fabrico de sistemas compósitos, desde os que incorporam tecnologias mais simples às mais avançadas, existe um conjunto de limitações, nomeadamente no que diz respeito à capacidade de produção, tamanho, forma geométrica, qualidade estrutural, homogeneidade da peça, possibilidade de automatização e custo adicional. Existem diversos processos de fabrico tais como moldação manual, por projeção, por vácuo, pultrusão, enrolamento filamentar, entre outros. Neste subcapítulo serão apenas abordados os processos efetivamente aplicados nesta experiência, são eles a moldação manual e moldação por vácuo. Processos estes que serão analisados com maior detalhe no capítulo 4. 2.5.1 Moldação manual A moldação manual (hand lay-up) é um método de moldação aberta apropriado para fazer uma grande variedade de produtos compósitos desde muito pequenas a muito grandes dimensões. A cadência de produção é bastante limitada, mas é possível melhorá-la através do uso de moldes múltiplos. A moldação manual é o método mais simples de moldação de compósitos, permitindo um baixo investimento em equipamentos, processamento simples, e uma ampla gama de tamanhos de peças, além de que as alterações de design são facilmente conseguidas. Com operadores qualificados são obtidos bons índices de produção e qualidade21. Capítulo 2 Fundamentação teórica 18 Figura 12 - Processo de moldação manual21. Primeiramente é aplicada no molde uma camada de desmoldante e de seguida uma de resina usando uma pistola de pulverização, um rolo de pintura ou uma trincha, sendo de seguida aplicada a primeira camada de fibra. O rolo de pintura ou a trincha são usados para consolidar o laminado, molhando completamente o reforço e removendo o ar aprisionado. As camadas subsequentes do laminado são adicionadas para atingir a espessura pretendida segundo uma determinada sequência. No que respeita aos moldes utilizados estes podem apresentar dimensões bastante diferentes e são de relativo baixo custo quando comparados com moldes aplicados noutros processos de fabrico de compósitos21. 2.5.2 Moldação por vácuo A moldação por vácuo consiste em aplicar o efeito de vácuo, por exemplo, a um compósito que foi produzido por moldação manual. Ao reduzir a pressão no interior do saco de vácuo a pressão atmosférica externa exerce força sobre o saco. Essa pressão remove o ar retido e o excesso de resina, compactando desta forma a estrutura compósita. Estruturas fabricadas pelo processo de moldação manual acabam por se tornar ricas em resina, e a aplicação do vácuo pode eliminar este problema. Além disso, se o processo for bem realizado, consegue-se ainda uma molhagem uniforme da fibra e uma melhoria da ligação das camadas do núcleo do compósito21. Capítulo 2 Fundamentação teórica 19 Figura 13 - Moldação por vácuo21. A forma mais simples de moldação por vácuo baseia-se na aplicação de um saco de vácuo que consiste numa película flexível (PVA, poliamida, ou polietileno) sobre o compósito, selar os bordos e aplicar o vácuo. Uma forma mais avançada deste processo, e que foi a usada nesta experiência, baseia-se na aplicação de uma película desmoldante ao longo do compósito, e de seguida uma camada de um material absorvente para absorver o excesso de resina e distribuir o efeito de vácuo. É, ainda, colocado um pedaço do material absorvente à entrada do tubo de vácuo para que, com a sucção do ar, o saco de vácuo não obstrua o canal, e por fim é colocado o saco e aplicado o vácuo21. 2.6 IMPACTO A BAIXA VELOCIDADE Depois de produzidos e aplicados no produto final, que por norma estará em constante movimento, os sistemas compósitos estarão permanentemente suscetíveis a situações de impacto. Estes materiais têm uma resistência ao impacto razoável caso a tensão aplicada seja na direção da fibra. Noutras direções eles tendem a ser fracos e a ter uma baixa resistência ao impacto, embora seja um aspeto que depende muito da matriz do material. Pequenos esforços na direção transversal ou tensões inesperadas, devido a um impacto, podem facilmente causar danos. Por sua vez estes danos podem ter origem em diferentes fontes, tais como a presença de uma carga estática, fadiga, impactos Capítulo 2 Fundamentação teórica 20 de baixa energia durante o fabrico ou durante o serviço, e ainda em fatores ambientais como a humidade e corrosão. O impacto de baixa energia, em particular, pode ser potencialmente perigoso, pois pode produzir extensas delaminagens subsuperficiais que não são visíveis na superfície do laminado. Provou-se que a presença de danos internos provoca perdas substanciais na resistência e rigidez dos componentes22. 2.6.1 Tipos básicos de dano Os danos em materiais compósitos ocorrem em diferentes escalas. A nível microscópico, quase não observável, pode-se referir a descolagem fibra/matriz, e a nível macroscópico a fissuração e delaminagem23. Nos subcapítulos seguintes abordar-se-á de uma forma mais profunda cada um dos principais tipos básicos de dano que ocorrem nos materiais compósitos. Descolagem fibra/matriz A maioria das boas propriedades dos materiais compósitos devem-se a uma forte ligação entre a fibra e a matriz. Quando esta ligação não é suficientemente forte, um dos principais danos que podem ocorrer é a descolagem fibra/matriz (ver Figura 14). No entanto, desde que haja boa molhagem entre a matriz e as fibras, e não haja nenhuma porosidade, é raro não existir uma boa ligação entre as fibras e a matriz. Este dano é causado, por exemplo, por fendas causadas pela contração da resina ou tensões térmicas geradas durante o arrefecimento (ou ainda uma combinação de ambos). Tais defeitos são muitas vezes difíceis de detetar, merecendo por isso um especial cuidado e atenção23. Figura 14 - Descolagem entre a fibra e a matriz 23 . Capítulo 2 Fundamentação teórica 21 Fissuração da matriz Um dos principais mecanismos de dano dos laminados é a fissuração da matriz, o que é observado em primeiro lugar nas camadas com um ângulo maior entre as fibras e a direção da carga. Depois de iniciada uma fenda transversal na matriz, esta pode propagar-se rapidamente de um lado ao outro da camada24. A velocidade com que a fenda se propaga depende da proximidade com outras fendas, mas não depende do comprimento da mesma, exceto para comprimentos curtos23. Rotura das fibras Os compósitos reforçados com fibras são fabricados a partir de feixes de fibras e o tipo de falha de cada fibra dentro do feixe não será o mesmo. Isto deve-se aos diferentes diâmetros das fibras; defeitos introduzidos nas fibras durante o fabrico das mesmas, ou defeitos introduzidos durante o fabrico do compósito (por exemplo arranhões acidentais na superfície da fibra). Assim sendo, as fibras irão romper a diferentes tensões aplicadas, provocando rotura de fibras isoladas. Quando o compósito é sujeito a esforços elevados, a concentração de tensões provocada pela rotura de fibras isoladas poderá provocar a rotura de fibras adjacentes e consequentemente do próprio compósito23. Em muitos compósitos, as fibras são revestidas por um material que diminui a probabilidade da rotura de uma fibra provocar a rotura de fibras adjacentes. Isto consegue-se através da formação de uma "região de interface” em torno das fibras que tende a isolar os efeitos da quebra. É também importante notar que as fissuras da matriz numa camada pode causar rotura de fibras numa camada adjacente. Quando a matriz e as fibras têm rigidez e resistência comparáveis, as fibras podem romper muitas vezes ao longo do seu comprimento antes da fratura do compósito. Nesta situação, a rotura das fibras pode causar uma perda significativa de rigidez e resistência3. Capítulo 3 Procedimento experimental 28 camadas, presente na Tabela 1, esta é ordenada de baixo para cima. Deve referir-se ainda que a placa 1C2 é equivalente da 3C4 e a placa C2C é equivalente da C3C. Têm designações distintas para pôr em evidência o facto de a cortiça estar mais próxima da superfície com melhor acabamento, ou seja da camada 4, que é a que ficou junto ao molde (3C4 e C3C), ou mais próxima da superfície com pior acabamento, ou seja a camada 1 (1C2 e C2C). Tabela 1 - Especificações das placas. Placa Nº de filmes de cortiça Configuração C0 0 [(+/-45) / (+/-45)]s 1C2 1 [(+/-45) / (+/-45) / (-/+45) / cortiça / (-/+45)] 3C4 1 [(+/-45) / cortiça / (+/-45) / (-/+45) / (-/+45)] 2C3 1 [(+/-45) / (+/-45) / cortiça / (-/+45) / (-/+45)] C2C 2 [(+/-45) / (+/-45) / cortiça / (-/+45) / cortiça / (-/+45)] C3C 2 [(+/-45) / cortiça / (+/-45) / cortiça / (-/+45) / (-/+45)] C23C 2 [(+/-45) / cortiça / (+/-45)]s C2C3C 3 [(+/-45) / cortiça / (+/-45) / cortiça / (-/+45) / cortiça / (-/+45)] C0 3C4 1C2 2C3 C2C C3C C23C C2C3C Figura 18 - Imagens reais das oito placas produzidas. Capítulo 3 Procedimento experimental 29 3.1.1 Preparação dos filmes de cortiça Foram cortados vários filmes de cortiça (X300 E05A) com as dimensões ligeiramente superiores às pretendidas para a placa e foram depois inseridos numa estufa a uma temperatura de 60 °C durante 24 horas com o objetivo de reduzir a humidade para melhorar a impregnação da resina. Até à data da sua utilização no fabrico das placas os filmes foram mantidos num saco plástico selado, para reduzir ao máximo o contacto com impurezas, partículas soltas e humidade. Figura 19 - Corte de filmes de cortiça. 3.1.2 Preparação da chapa-molde Para permitir uma fácil desmoldação de cada uma das placas laminadas foi necessário uma preparação prévia da chapa-molde. Esta preparação consistiu em fazer uma limpeza da chapa com álcool e acetona com a ajuda de panos e raspadores para retirar restos de resina endurecida da moldação anterior. De seguida colocou-se fita-cola de papel a toda a volta da chapa-molde para que, depois de retirada, houvesse uma área sem cera onde se pudesse colar o saco de vácuo. Depois aplicou-se cera sobre a chapa, deixou-se atuar durante cinco minutos e, por fim, efetuou-se o polimento, removendo o excesso de cera com um pano limpo. Este processo foi repetido mais duas vezes. Capítulo 3 Procedimento experimental 30 Figura 20 - Aplicação de cera na chapa-molde. 3.1.3 Preparação da resina A resina de epóxido utilizada foi a Biresin® CR92 e o endurecedor foi o Biresin® CH92-4, produzidos pela Sika®. Após a pesagem da fibra de vidro a ser utilizada em cada placa procedeu-se à preparação da resina de epóxido que foi aplicada numa razão de 7/3. Por exemplo, se a fibra a utilizar numa placa pesasse 150g (a massa de cortiça foi desprezada) seriam aplicados 350g de uma mistura de resina e endurecedor. A razão da mistura resina/endurecedor indicada pelo fabricante é 100/28. Assim, em 350g de mistura de resina e endurecedor, 76,5g seriam de endurecedor. A mistura foi depois homogeneizada com a ajuda de uma vareta. Figura 21 - Homogeneização da mistura resina/endurecedor. Capítulo 3 Procedimento experimental 31 3.1.4 Processamento dos laminados Após a preparação das camadas a aplicar, da chapa-molde e da resina procedeu-se à produção das placas laminadas pelo processo de moldação manual com saco de vácuo. Usar-se-á como exemplo a placa com mais camadas C2C3C cuja sequência de empilhamento é [(+/-45) / cortiça / (+/-45) / cortiça / (-/+45) / cortiça / (-/+45)]. Este processo pode ser descrito pelos seguintes passos: 1. Aplicou-se na chapa-molde uma camada da mistura resina/endurecedor, que será designada, daqui em diante, apenas como resina, com uma área ligeiramente maior do que a da placa laminada para garantir que toda a placa seria impregnada inferiormente. A quantidade de resina aplicada nesta primeira camada foi maior do que nas restantes para que a superfície inferior apresentasse um bom acabamento, estivesse bem impregnada e permitisse uma boa desmoldação (ver Figura 22). Figura 22 - Aplicação da primeira camada de resina. 2. Aplicou-se a primeira camada de fibra de vidro e, de seguida, pressionou-se toda a área da fibra com a trincha para que a resina em excesso da camada inferior impregnasse o máximo possível a fibra. Por fim, aplicou-se mais uma camada de resina para garantir uma boa impregnação em toda a área. Capítulo 3 Procedimento experimental 32 Figura 23 - Aplicação da fibra de vidro (esquerda) e impregnação da fibra por pressão (direita). 3. Procedeu-se à colocação da primeira camada de reforço interlaminar, neste caso um filme de cortiça, cujo processo foi idêntico ao referido no ponto anterior. No entanto, este exigiu especial atenção, porque apesar de o filme de cortiça possuir um ligante, que neste caso é o poliuretano, com boa compatibilidade com a resina de epóxido, a resina que atravessa os seus poros é essencial para a união às camadas adjacentes através de um mecanismo de ancoragem. É, por isso, essencial garantir uma boa impregnação destes filmes. 4. Repetiu-se o procedimento descrito nos dois pontos anteriores respeitando a sequência de empilhamento de cada uma das placas. Este procedimento resumiu-se em três passos: aplicação da fibra de vidro ou filme de cortiça; impregnação dos mesmos com a resina da camada inferior através de pressão e, por fim, adição de uma nova camada de resina. Este processo Figura 24 - Aplicação do filme de cortiça (esquerda) e impregnação do filme por pressão (direita). Capítulo 3 Procedimento experimental 33 teve de ser rápido uma vez que a resina começa a cura entre 15 a 20 minutos após a junção do endurecedor. Figura 25 - Impregnação da última camada da placa C2C3C. 5. Depois de bem impregnadas todas as camadas foi, então, aplicada uma camada de tecido peel ply, para facilitar a desmoldação superior da placa e absorver o excesso de resina. Por fim, foi adicionada uma camada de breather, um tecido esponjoso que promove uma boa distribuição do vácuo ao longo de toda a área da placa. Figura 26 - Aplicação do peel ply (esquerda), e aplicação do breather (direita). 6. Retirou-se a fita-cola de papel, colou-se o saco de vácuo e aplicou-se o vácuo durante cerca de 12 horas. Findo este período retirou-se o saco de vácuo e procedeu-se à desmoldação da placa. Capítulo 3 Procedimento experimental 34 Figura 27 - Colagem do saco de vácuo (esquerda), e desmoldação da placa (direita). 7. Após a desmoldação, as placas foram introduzidas numa estufa a uma temperatura de 80 °C durante 8 horas para o processo de pós-cura. Depois de prontas foram cortadas em função das dimensões normalizadas de provetes para diferentes tipos de ensaios e de acordo com um esquema previamente definido. Retirou-se o excesso de água, proveniente da máquina de corte, com ar comprimido. Por fim, identificou-se devidamente cada um dos provetes antes de serem introduzidos na estufa a uma temperatura de 60 °C durante 8 horas para remoção de resíduos de água resultantes do processo de corte. De notar que, durante todo este processo, duas placas tiveram de ser repetidas. A C0, correspondente ao laminado de referência, devido a um pequeno furo no saco de vácuo que levou a um enfraquecimento do efeito de vácuo e consequentemente a uma espessura anormal da placa, uma vez que não foi retirada toda a resina em excesso. E a placa C23C por má impregnação da Figura 28 - Corte da placa (esquerda), e placa com os primeiros cortes para provetes (direita). Capítulo 3 Procedimento experimental 35 camada mais inferior da mesma. Neste caso, porém, ambas as placas foram utilizadas, embora uma delas com menos provetes associados, por possuir menor área útil. O facto de existirem provetes provenientes de duas placas idênticas permitirá efetuar uma avaliação da repetibilidade do processo de fabrico. 3.2 PREPARAÇÃO DOS PROVETES Os provetes foram cortados com base nas dimensões normalizadas. No entanto, para alguns ensaios, as suas quantidades não são as normalizadas por limitações de área da placa que foram estipuladas pelo equilíbrio entre ensaios, tempo e custo inerentes à sua produção. Os provetes para os ensaios TAI (tração após impacto) não seguiram nenhuma norma, por se tratar de um ensaio cujas fundamentações bibliográficas estão ainda muito pouco aprofundadas. As quantidades, dimensões e normas utilizadas para a produção dos provetes de cada ensaio podem ser consultadas na Tabela 2. Tabela 2 - Especificações dos provetes de cada ensaio. Tipo Quantidade Dimensões (mm) Norma Flexão 5 (30xh*)x15 *espessura ISO 14125 Tração 5 250x25 ISO 527-4 Impacto 6 60x60 ASTM D 5628-96 TAI 4 150x25 - Capítulo 3 Procedimento experimental 36 Página intencionalmente deixada em branco. Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 37 4 ENSAIOS, RESULTADOS E ANÁLISE 4.1 ENSAIOS DE FLEXÃO Os ensaios de flexão foram baseados no método A (flexão em três pontos) da norma ISO 14125, e foram realizados numa máquina universal de ensaios INSTRON, modelo 4208, existente no Laboratório de Ensaios Mecânicos do INEGI. O apoio superior tinha 10 mm de diâmetro e os apoios inferiores 4 mm. A distância entre os apoios inferiores, sobre os quais foi colocado o provete, foi de 20xh, onde h é a espessura do provete em mm. A velocidade de avanço da cabeça também variou em função da espessura do provete segundo a equação (1), onde 𝐿 é a distância entre os apoios inferiores e ℎ é a espessura do provete, ambas igualmente expressas em mm. De referir que, para manter a taxa de deformação o mais próximo possível de 0.01 (1% por minuto), não se arredondou o valor calculado para o valor mais próximo contido na tabela da norma de ensaio. Os valores das diferentes velocidades utilizadas podem ser consultados na Tabela 3. A célula de carga utilizada foi de 1 KN. 𝑣 = 0,01𝐿2 6ℎ (𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛) (1) Estes ensaios permitem determinar as propriedades de flexão de materiais compósitos em formas retangulares cortados a partir de placas fabricadas. Foi utilizado o método A da norma ISO 14125, como já referido acima, que consiste num provete simplesmente apoiado em dois pontos e carregado no ponto central, como se pode ver na Figura 29. No sistema de controlo da máquina inserem-se os dados referentes a cada provete, como por exemplo a velocidade pretendida para o ensaio. Depois de efetuado esse passo, no computador, são adquiridos os resultados da força aplicada e do deslocamento. A força é medida pela célula de carga da máquina e o deslocamento pelo sensor de posição. Foram ensaiados cinco provetes para cada placa. No entanto, numa tentativa de reduzir o efeito da superfície dos provetes nos resultados (a superfície associada à chapa-molde é lisa e a associada ao peel ply é rugosa), os provetes 1,3 e 5 de Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 44 Resultados da placa C3C Figura 35 - Curva Tensão vs Deformação (C3C). O comportamento dos provetes da placa C3C sujeitos a um esforço de flexão foi bastante semelhante, apresentando deformações máximas e módulos de elasticidade bastante idênticos, não variando muito em torno dos 5% e dos 5 GPa respetivamente. Tabela 9 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa C3C. Provete L: Longitudinal T:Transversal Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σf (MPa) Deformação εf (%) Módulo Ef (GPa) 1 L 15.00 1.97 88.03 4.93 4.44 2 L 15.11 2.06 95.34 5.51 4.39 3 L 15.10 2.16 128.42 5.42 5.85 4 T 15.04 1.99 106.88 5.01 5.29 5 T 14.98 2.09 104.34 5.45 5.97 Valor médio 15.05 2.05 104.60 5.26 5.19 Desvio padrão 0.06 0.08 15.27 0.27 0.75 0 20 40 60 80 100 120 140 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 σf(MPa) ɛf(%) Tensão vs Deformação C3C Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 45 Resultados da placa C23C Figura 36 - Curva Tensão vs Deformação (C23C). Numa pequena análise da Figura 36 e da Tabela 10 é possível verificar que o módulo de elasticidade é muito idêntico em todos os provetes e, excetuando o provete 2, o mesmo se verifica para a deformação e tensão máxima dos restantes provetes. A cedência da placa C23C ocorre em média em torno dos 80 MPa. Tabela 10 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa C23C. Provete L: Longitudinal T:Transversal Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σf (MPa) Deformação εf (%) Módulo Ef (GPa) 1 L 14.84 2.07 84.35 3.10 4.85 2 L 14.43 2.11 97.96 5.52 4.47 3 L 14.75 2.06 73.90 3.04 4.74 4 T 14.98 2.09 79.06 4.36 4.45 5 T 14.78 2.08 83.27 4.24 4.03 Valor médio 14.76 2.08 83.71 4.05 4.51 Desvio padrão 0.20 0.02 8.97 1.02 0.32 0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 10 12 σf(MPa) ɛf(%) Tensão vs Deformação C23C Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 46 Resultados da placa C2C3C Figura 37 - Curva Tensão vs Deformação (C2C3C). Os resultados para a placa com mais filmes de cortiça foram bastante consistentes, com deformações máximas na ordem dos 4% e com tensões máximas sempre entre os 60 e os 70 MPa. Em termos de módulo de elasticidade à flexão os valores variam muito pouco em torno dos 4 GPa. Tabela 11 - Valores dos provetes dos ensaios de flexão da placa C2C3C. Provete L: Longitudinal T:Transversal Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σf (MPa) Deformação εf (%) Módulo Ef (GPa) 1 L 15.08 2.43 69.37 4.13 4.04 2 L 14.95 2.44 68.19 4.35 4.41 3 L 14.58 2.37 63.70 3.82 3.86 4 T 15.07 2.38 67.14 4.51 4.20 5 T 15.12 2.38 61.22 2.99 4.01 Valor médio 14.96 2.40 65.92 3.96 4.10 Desvio padrão 0.22 0.03 3.37 0.60 0.21 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 σf(MPa) ɛf(%) Tensão vs Deformação C2C3C Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 47 4.1.2 Análise dos resultados dos ensaios de flexão Antes de se iniciar a análise dos resultados obtidos nos ensaios de flexão deve referir-se que os provetes 2 e 4 (ensaiados do lado da superfície lisa, a camada mais inferior que ficou junto à chapa-molde aquando da moldação) da placa 1C2 e C2C foram trocados com os provetes 2 e 4 das placas homólogas 3C4 e C3C, respetivamente. Esta troca permitiu carregar os cinco provetes do mesmo lado, teoricamente, e ainda minimizar o efeito da superfície nos resultados. Os gráficos abaixo expressos foram baseados nos valores médios e desvio padrão da tensão máxima, deformação máxima e módulo de elasticidade apresentados no subcapítulo anterior. Pretende-se desta forma condensar a informação e promover uma melhor análise comparativa das diferentes placas. O aspeto que mais se destaca numa primeira análise da Figura 38 é a enorme discrepância de valores de tensão máxima entre a placa sem cortiça e as restantes com cortiça. Uma diferença de valores superior a 50%. Figura 38 - Tensão máxima média à flexão. No grupo das sete placas com cortiça também é percetível que, em média, a tensão máxima diminui com o aumento do número de filmes de cortiça no laminado. No entanto, como é visível, a diferença de valores máximos de tensão entre as placas com dois e três filmes e as placas com um filme é quase insignificante quando comparada com a diferença entre a placa com um filme e 0 50 100 150 200 250 300 C0 1C2 3C4 2C3 C2C C3C C23C C2C3C σmáx (MPa) Placa Tensão máxima à flexão Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 48 a placa de referência. O mesmo acontece com os valores do módulo de elasticidade, como se pode ver na Figura 39. Já havia sido referido no capítulo 3 que a resina que atravessa os poros do filme de cortiça é uma das principais responsáveis pela sua união às camadas adjacentes através de um mecanismo de ancoragem. Desta forma, as ligações cortiça/fibra são menos resistentes do que as ligações fibra/fibra e, portanto, mais suscetíveis a sofrerem delaminagem, motivo pelo qual há uma redução significativa das propriedades mecânicas. Através da conjugação de provetes entre as placas idênticas 1C2/3C4 e C2C/C3C, anteriormente referida, foi possível verificar que as placas que continham o(s) filme(s) de cortiça mais afastado(s) da camada onde era aplicado o carregamento apresentaram propriedades mecânicas mais elevadas do que as suas homólogas. O que aconteceu tanto na placa 3C4 em relação à 1C2 como na C3C em relação à C2C. Este facto pode ser explicado novamente pelo fenómeno de delaminagem. O aparecimento da delaminagem é mais suscetível quando o compósito está sujeito a forças de compressão, e mais ainda se as forças de ligação entre as camadas na região à compressão forem mais fracas do que as restantes. No caso das placas 1C2 e C2C estes dois aspetos são verificados quando comparadas com as suas homólogas. No caso da placa 1C2, por exemplo, o único filme de cortiça da placa está na região à compressão enquanto na 3C4 está na região à tração, não contribuindo tanto para a perda de resistência do laminado. Figura 39 - Módulo de elasticidade médio à flexão. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 C0 1C2 3C4 2C3 C2C C3C C23C C2C3C E (GPa) Placa Módulo de elasticidade à flexão Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 49 No caso da deformação dos provetes nos ensaios de flexão, a espessura foi determinante para os resultados obtidos. De uma forma geral os valores da deformação não variam tão significativamente quando comparados com os valores das outras duas grandezas medidas neste ensaio (tensão máxima e módulo de elasticidade). Por exemplo, a diferença máximo/mínimo é de cerca de 33%, para este caso, sendo a menor diferença máximo/mínimo entre as três grandezas analisadas. Apesar do aumento do número filmes de cortiça, que é um material bastante flexível, pressupor um aumento da deformação, isso não aconteceu porque o consequente aumento da espessura funcionou como entrave à deformação e compensou o efeito da introdução no compósito de um material flexível. Pela análise da Figura 40 pode verificar-se que as placas com maior número de filmes de cortiça, e consequentemente com maior espessura, apresentaram, em média, menor deformação. Figura 40 - Deformação máxima média à flexão. 0 2 4 6 8 10 C0 1C2 3C4 2C3 C2C C3C C23C C2C3C εmáx (%) Placa Deformação máxima à flexão Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 50 4.2 ENSAIOS DE TRAÇÃO Os ensaios de tração foram realizados com base nas normas ISO 527-1 e -4 e com a mesma máquina referida no subcapítulo 4.1 com os acessórios adequados para este tipo de ensaios. Utilizou-se uma velocidade de 2 mm/min e uma célula de carga de 5 KN. Para medição dos deslocamentos com precisão recorreu-se a um extensómetro INSTRON, com uma distância de referência de 50 mm e curso máximo de 5 mm (10%). Utilizaram-se provetes do tipo 2, referidos na norma acima indicada, sem furos. Dos cinco provetes de cada placa disponíveis para os ensaios de tração, três deles (e em alguns casos quatro) foram utilizados para determinação da tensão, deformação e módulo de elasticidade. Com os ficheiros correspondentes à aquisição de dados de força e deslocamento do extensómetro procedeu-se ao cálculo da tensão através da equação (4), onde 𝐹 é a força aplicada, em newtons, e 𝑏 e ℎ são a largura e espessura do provete, respetivamente, em mm. A deformação foi calculada através da equação (5), onde 𝐿0 é a distância entres as duas agarras do extensómetro e ∆𝐿0 é o incremento desta distância, igualmente em mm. O módulo de elasticidade foi calculado através do declive da curva tensãodeformação entre 0.05 e 0.25% de deformação. 𝜎𝑡=𝐹 𝑏ℎ (𝑀𝑃𝑎) (4) 𝜀𝑡=∆𝐿0 𝐿0 ×100 (%) (5) Figura 41 - Ensaio de tração. Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 51 4.2.1 Resultados obtidos nos ensaios de tração Resultados da placa C0 Figura 42 - Curva Tensão vs Deformação (C0). Como se pode ver na curva do provete 3 da Figura 42 houve um escorregamento do extensómetro durante o ensaio de tração. Nos restantes provetes, cortados longitudinalmente, os valores foram idênticos entre si. Tabela 12 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa C0. Provete L: Longitudinal T:Transversal Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σt (MPa) Deformação εt (%) Módulo Et (GPa) 1 L 25.00 1.21 104.89 7.61 8.76 2 L 24.98 1.21 108.71 7.54 9.28 3 T 25.10 1.11 116.25 5.98* 10.20 Valor médio 25.03 1.18 109.95 7.57 9.41 Desvio padrão 0.06 0.06 5.78 0.05 0.73 *Valor desprezado por escorregamento do extensómetro. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 σt(MPa) ɛt(%) Tensão vs Deformação C0 Provete 1 Provete 2 Provete 3 Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 52 Resultados da placa 1C2 Figura 43 - Curva Tensão vs Deformação (1C2). Para a placa 1C2 é percetível um comportamento distinto entre o par de provetes 1 e 2 e o par 3 e 4, apresentando este último valores consideravelmente inferiores de deformação e tensão máxima. Contudo o módulo de elasticidade é bastante idêntico em todos eles, variando pouco em torno dos 6.5 GPa. Tabela 13 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa 1C2. Provete L: Longitudinal T:Transversal Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σt (MPa) Deformação εt (%) Módulo Et (GPa) 1 L 25.41 1.59 71.80 8.31 6.32 2 L 24.97 1.61 71.39 9.62 6.20 3 T 25.39 1.50 55.95 6.29 6.60 4 L 24.84 1.49 53.14 6.46 6.76 Valor médio 25.15 1.55 63.07 7.67 6.47 Desvio padrão 0.29 0.06 9.91 1.59 0.26 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 2 4 6 8 10 12 σt(MPa) ɛt(%) Tensão vs Deformação 1C2 Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 53 Resultados da placa 3C4 Figura 44 - Curva Tensão vs Deformação (3C4). À semelhança da placa homóloga 1C2 também nesta é percetível um comportamento distinto entre o par de provetes 1 e 2 e o par 3 e 4. Desta vez com o primeiro par a apresentar menor deformação máxima e maior módulo de rigidez, no entanto com tensão máxima idêntica ao segundo par de provetes. Tabela 14 - Valores dos provetes dos ensaios de tração da placa 3C4. Provete L: Longitudinal T:Transversal Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σt (MPa) Deformação εt (%) Módulo Et (GPa) 1 L 25.05 1.60 74.72 5.13 7.07 2 L 25.05 1.58 79.48 4.67 7.31 3 T 24.50 1.70 80.28 7.22 6.59 4 L 25.02 1.64 75.47 7.77 6.85 Valor médio 24.90 1.63 77.49 6.20 6.96 Desvio padrão 0.27 0.05 2.80 1.53 0.31 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 σt(MPa) ɛt(%) Tensão vs Deformação 3C4 Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 60 Figura 51 - Módulo de elasticidade médio à tração. Ao contrário dos valores registados no módulo de elasticidade que apresentaram desvios padrões relativamente pequenos, os valores da deformação para cada placa são mais dispersos entre si, como se pode ver na Figura 52. No entanto, no cômputo geral, a diferença da deformação máxima entre placas não ultrapassa os dois pontos percentuais, além de que não é percetível nenhuma tendência nestes resultados quanto à relação entre a deformação máxima e a quantidade e/ou posição dos filmes de cortiça no laminado. Figura 52 - Deformação máxima média à tração. 0 2 4 6 8 10 C0 1C2/3C4 2C3 C2C/C3C C23C C2C3C E(GPa) Placa Módulo de elasticidade à tração 0 2 4 6 8 10 C0 1C2/3C4 2C3 C2C/C3C C23C C2C3C εmáx (%) Placa Deformação máxima à tração Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 61 4.3 ENSAIOS DE IMPACTO Os ensaios de impacto foram realizados na máquina de ensaios ROSAND – Instrumented Falling Weight Impact Tester, Type 5 H.V., que está disponível no Laboratório de Ensaios Tecnológicos da FEUP e permite estudar o comportamento de materiais submetidos a impactos de baixa velocidade através da queda de um peso. Estes ensaios foram baseados na norma ASTM D 5628-96. O impacto controlado é conseguido com a queda de um impactor com geometria variável acoplado ou não a uma massa adicional, sobre um provete, com uma determinada energia. Foram estudados três níveis de energia de impacto: 4, 6 e 8 J, tendo sido ensaiados dois provetes de cada placa por cada nível. As diferentes energias de impacto são conseguidas com base na massa do conjunto impactor + massa adicional (se necessário) e altura da queda. A máquina utilizada para a realização destes ensaios, e que é possível ver na Figura 53, é constituída por 3 partes principais: uma torre, onde ocorre a queda do peso, uma unidade de controlo e um programa de computador que faz a aquisição dos resultados durante o impacto. Os provetes são colocados num suporte cilíndrico e oco sob a torre e imobilizados por um braço mecânico cuja cabeça é igualmente cilíndrica e oca, permitindo desta forma simular uma situação de encastramento, caso seja esse o objetivo, como foi o caso. Durante o ensaio, um sistema pneumático “agarra” o impactor após o primeiro impacto para que não ocorram múltiplos impactos. A partir de um computador o operador controla a máquina. Esse computador possui um software que permite o controlo de várias variáveis, como por exemplo a frequência de aquisição de dados e a energia de impacto. Figura 53 - Ensaio de impacto. Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 62 4.3.1 Resultados obtidos nos ensaios de impacto Resultados da placa C0 Figura 54 - Curva Força vs Tempo dos ensaios de impacto na placa C0. Como se pode ver na Figura 54, pela irregularidade das curvas, os provetes sujeitos a impactos de maior energia quebraram, enquanto os restantes apresentaram algumas delaminagens (pequenas ondulações na curva). Tabela 20 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C0. Provete Força no pico (N) Deflexão no pico (mm) Deflexão final (mm) Energia no pico (J) Energia final (J) 4J 1 2407.42 4.68 1.26 3.97 1.87 2 2409.99 4.90 1.49 4.21 2.09 6J 3 2948.96 4.13 1.06 5.55 3.99 4 3079.85 5.65 2.16 6.05 3.55 8J 5 3600.86 5.96 2.51 7.46 5.05 6 3529.00 5.51 3.18 6.76 6.71 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Força (N) Tempo (s) Força vs Tempo Provete 1 (4J) Provete 2 (4J) Provete 3 (6J) Provete 4 (6J) Provete 5 (8J) Provete 6 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 63 Resultados da placa 1C2 Figura 55 - Curva Força vs Tempo dos ensaios de impacto na placa 1C2. No caso da placa 1C2 apenas os provetes impactados com 4J de energia não quebraram nem apresentaram indícios de delaminagem. Para impactos de 4J a placa absorveu 63% da energia, para impactos de 6J absorveu 83% e por fim para impactos de 8J absorveu 92%. Tabela 21 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa 1C2. Provete Força no pico (N) Deflexão no pico (mm) Deflexão final (mm) Energia no pico (J) Energia final (J) 4J 1 2140.50 5.21 2.19 4.24 2.62 2 2148.20 5.08 2.00 4.13 2.45 6J 3 2107.13 5.08 3.02 3.98 5.32 4 2625.57 5.56 2.61 5.43 4.59 8J 5 2741.07 5.87 4.12 6.03 7.76 6 3036.22 6.32 3.50 7.32 7.02 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 Força (N) Tempo (s) Força vs Tempo Provete 1 (4J) Provete 2 (4J) Provete 3 (6J) Provete 4 (6J) Provete 5 (8J) Provete 6 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 64 Resultados da placa 3C4 Figura 56 - Curva Força vs Tempo dos ensaios de impacto na placa 3C4. No caso da placa 3C4, cuja cortiça estava mais próxima da zona de impacto, os provetes impactados com maiores energias apresentaram fortes delaminagens, no entanto não apresentaram quebras significativas, como por exemplo na placa homóloga 1C2. Para impactos de 4J a placa absorveu 59% da energia, para impactos de 6J absorveu 61% e por fim para impactos de 8J absorveu 66%. Tabela 22 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa 3C4. Provete Força no pico (N) Deflexão no pico (mm) Deflexão final (mm) Energia no pico (J) Energia final (J) 4J 1 2299.62 4.78 1.85 4.22 2.37 2 2284.22 4.78 1.82 4.16 2.37 6J 3 2974.62 5.40 2.16 5.93 3.49 4 2910.46 5.34 2.22 6.02 3.81 8J 5 3459.70 5.96 2.72 7.78 5.20 6 3500.77 6.02 2.74 7.91 5.31 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Força (N) Tempo (s) Força vs Tempo Provete 1 (4J) Provete 2 (4J) Provete 3 (6J) Provete 4 (6J) Provete 5 (8J) Provete 6 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 65 Resultados da placa 2C3 Figura 57 - Curva Força vs Tempo dos ensaios de impacto na placa 2C3. No caso da placa 2C3 apenas os provetes impactados com 4J de energia não quebraram nem apresentaram indícios de delaminagem. Para impactos de 4J a placa absorveu 65% da energia, para impactos de 6J absorveu 85% e por fim para impactos de 8J absorveu 93%. Tabela 23 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa 2C3. Provete Força no pico (N) Deflexão no pico (mm) Deflexão final (mm) Energia no pico (J) Energia final (J) 4J 1 2150.72 5.24 2.42 4.22 2.70 2 2173.81 5.17 2.22 4.14 2.48 6J 3 2612.75 5.67 3.06 5.48 5.02 4 2371.47 5.64 3.25 5.05 5.13 8J 5 2563.98 5.60 4.31 5.21 7.20 6 2361.22 5.38 4.11 4.73 7.68 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 Força (N) Tempo (s) Força vs Tempo Provete 1 (4J) Provete 2 (4J) Provete 3 (6J) Provete 4 (6J) Provete 5 (8J) Provete 6 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 66 Resultados da placa C2C Figura 58 - Curva Força vs Tempo dos ensaios de impacto na placa C2C. No caso da placa C2C apenas um dos provetes apresentou uma quebra visível, e nos provetes impactados com 4 e 6J os indícios de delaminagem foram impercetíveis. Para impactos de 4J a placa absorveu 65% da energia, para impactos de 6J absorveu 67% e por fim para impactos de 8J absorveu 85%. Tabela 24 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C2C. Provete Força no pico (N) Deflexão no pico (mm) Deflexão final (mm) Energia no pico (J) Energia final (J) 4J 1 2148.24 4.83 2.02 4.21 2.60 2 2155.82 5.01 2.16 4.25 2.59 6J 3 2741.08 5.65 2.64 5.96 4.01 4 2705.09 5.74 2.79 6.01 4.06 8J 5 2818.05 5.98 4.12 6.24 6.97 6 2946.31 6.48 3.77 7.55 6.63 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Força (N) Tempo (s) Força vs Tempo Provete 1 (4J) Provete 2 (4J) Provete 3 (6J) Provete 4 (6J) Provete 5 (8J) Provete 6 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 67 Resultados da placa C3C Figura 59 - Curva Força vs Tempo dos ensaios de impacto na placa C3C. À semelhança da placa homóloga C2C, no caso da placa C3C também apenas um dos provetes apresentou uma quebra visível e nos provetes impactados com 4 e 6J os indícios de delaminagem foram impercetíveis. Para impactos de 4J a placa absorveu 64% da energia, para impactos de 6J absorveu 66% e por fim para impactos de 8J absorveu 75%. Tabela 25 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C3C. Provete Força no pico (N) Deflexão no pico (mm) Deflexão final (mm) Energia no pico (J) Energia final (J) 4J 1 2217.52 4.70 2.07 4.15 2.59 2 2222.61 4.69 1.98 4.18 2.54 6J 3 2810.31 5.49 2.55 6.11 4.03 4 2818.09 5.61 2.62 6.03 3.89 8J 5 3357.03 6.03 2.95 7.98 5.50 6 3128.64 5.98 3.26 7.30 6.42 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 Força (N) Tempo (s) Força vs Tempo Provete 1 (4J) Provete 2 (4J) Provete 3 (6J) Provete 4 (6J) Provete 5 (8J) Provete 6 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 68 Resultados da placa C23C Figura 60 - Curva Força vs Tempo dos ensaios de impacto na placa C23C. No caso da placa C23C apenas um dos provetes apresentou uma ligeira quebra e nos restantes provetes os indícios de delaminagem foram impercetíveis. Para impactos de 4J a placa absorveu 63% da energia, para impactos de 6J absorveu 64% e por fim para impactos de 8J absorveu 66%. Tabela 26 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C23C. Provete Força no pico (N) Deflexão no pico (mm) Deflexão final (mm) Energia no pico (J) Energia final (J) 4J 1 2225.16 4.76 2.02 4.19 2.52 2 2227.76 4.76 1.99 4.23 2.51 6J 3 2869.33 5.31 2.29 6.01 3.76 4 2889.94 5.32 2.33 6.15 3.86 8J 5 3413.55 5.91 2.77 7.78 5.28 6 3508.45 5.88 2.75 7.98 5.34 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 Força (N) Tempo (s) Força vs Tempo Provete 1 (4J) Provete 2 (4J) Provete 3 (6J) Provete 4 (6J) Provete 5 (8J) Provete 6 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 69 Resultados da placa C2C3C Figura 61 - Curva Força vs Tempo dos ensaios de impacto na placa C2C3C. Por fim, para a solução com maior número de filmes de cortiça, a placa C2C3C, nenhum dos provetes impactados quebrou e os indícios de delaminagem foram impercetíveis. Para impactos de 4J a placa absorveu 67% da energia, para impactos de 6J absorveu 72% e para impactos de 8J absorveu 79%. Tabela 27 - Valores relevantes dos ensaios de impacto na placa C2C3C. Provete Força no pico (N) Deflexão no pico (mm) Deflexão final (mm) Energia no pico (J) Energia final (J) 4J 1 2060.87 4.89 2.35 4.06 2.66 2 2076.30 4.79 2.27 4.09 2.69 6J 3 2604.96 5.52 2.91 5.80 4.25 4 2546.08 5.83 3.21 5.98 4.40 8J 5 2869.38 6.44 3.98 7.62 6.39 6 2910.52 6.29 3.70 7.63 6.26 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 Força (N) Tempo (s) Força vs Tempo Provete 1 (4J) Provete 2 (4J) Provete 3 (6J) Provete 4 (6J) Provete 5 (8J) Provete 6 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 76 Tabela 33 - Valores médios de indentação para a placa C3C, em mm. 4J 6J 8J Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 Provete 6 11.95 11.97 11.98 11.89 11.93 11.95 12.01 12.13 12 12.02 12.03 12.07 C3C 12 12.05 12.01 12.01 12.04 11.91 Média 11.99 12.05 12.00 11.97 12.00 11.98 Centro 11.65 11.69 11.57 11.51 11.44 11.46 Indentação 0.34 0.36 0.43 0.46 0.56 0.52 Média p/Energia 0.35 0.45 0.54 Tabela 34 - Valores médios de indentação para a placa C23C, em mm. 4J 6J 8J Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 Provete 6 12.07 12.04 11.91 12 11.93 11.94 12.14 12.15 12.11 12.11 12.07 12.12 C23C 12.09 12.07 12.05 12.07 12.07 12.08 Média 12.10 12.09 12.02 12.06 12.02 12.05 Centro 11.8 11.82 11.65 11.74 11.58 11.57 Indentação 0.30 0.27 0.37 0.32 0.44 0.48 Média p/Energia 0.28 0.35 0.46 Tabela 35 - Valores médios de indentação para a placa C2C3C, em mm. 4J 6J 8J Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 Provete 6 12.25 12.2 12.19 12.15 12.15 12.15 12.34 12.32 12.37 12.3 12.27 12.24 C2C3C 12.29 12.35 12.3 12.35 12.3 12.3 Média 12.29 12.29 12.29 12.27 12.24 12.23 Centro 11.86 11.87 11.68 11.7 11.51 11.57 Indentação 0.43 0.42 0.61 0.57 0.73 0.66 Média p/Energia 0.43 0.59 0.69 Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 77 4.4.2 Análise dos resultados dos ensaios de indentação Pela análise da Figura 67, que representa a indentação permanente para cada uma das placas, é possível verificar de imediato dois aspetos: o primeiro é o aumento, em média, da indentação permanente com o aumento da energia de impacto. O segundo é que a placa que tem mais camadas de cortiça, a C2C3C, é a que apresenta maior indentação, destacando-se claramente. Este pode ser considerado um aspeto positivo a favor desta solução com três filmes de cortiça porque, como já foi referido, a identificação precoce do dano é um dos fundamentos da tolerância ao dano. Assim, ao apresentar uma grande indentação, facilitará a identificação da região danificada por inspeção visual. Após uma análise mais pormenorizada às restantes placas é possível concluir que, em média, quanto maior o número de camadas de cortiça na placa, maior é a sua indentação, tal como se previa, uma vez que a cortiça se trata de um material bastante compressível. De destacar também o facto de as placas 3C4 e C3C apresentarem, para todas as energias, indentações superiores às suas homólogas 1C2 e C2C, respetivamente. O que também seria de prever uma vez que o impacto ocorreu na face mais próxima da camada de cortiça. Figura 67 - Comparação dos resultados de indentação agrupados por nível de energia. 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 4J 6J 8J Indentação (mm) Energia (J) Indentação Permanente C0 1C2 3C4 2C3 C2C C3C C23C C2C3C Média Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 78 4.5 ENSAIOS DE TRAÇÃO APÓS IMPACTO (TAI) O ensaio TAI, que é muito menos comum do que o CAI (compressão após impacto), foi aplicado em detrimento deste último por se considerar ainda assim um eficaz indicador do dano por impacto no laminado, e utilizar provetes de menores dimensões relativamente aos utilizados ensaios de CAI normalizados, que implicaria o fabrico de placas consideravelmente maiores (ou múltiplas placas por configuração). Uma vez que os materiais foram caracterizados em tração, tais resultados em conjunto com os de TAI poderão ser utilizados para estabelecer um critério de avaliação de dano após impacto. Desta forma, e não considerando ligeiras diferenças nas dimensões dos provetes, a única variável será a existência ou não de impacto. Os ensaios de impacto foram realizados na mesma máquina referida no subcapítulo 4.3 e os ensaios de tração na mesma máquina referida no subcapítulo 4.2. Foram testados três níveis de energia: 2, 4 e 8 J, tendo sido ensaiados, para cada placa, dois provetes para o nível de energia de 2J e um provete para cada um dos restantes níveis. Para a realização do impacto nos provetes dos ensaios TAI foi feita uma adaptação dos sistemas de fixação utilizados para ensaios CAI e TAI esquematizados na Figura 68. Figura 68 - Esquemas de fixação para impacto numa placa plana (esquerda)28 e numa placa curva (direita)29. Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 79 Uma vez que os provetes para os ensaios TAI tinham apenas 25 mm de largura não era possível ter uma situação de encastramento na placa no momento do impacto, tendo em conta que o orifício do mecanismo de suporte e fixação da máquina utilizada nos ensaios tinha um diâmetro de 40 mm. Por esse motivo, foi necessário produzir propositadamente três peças: dois casquilhos, para reduzir o diâmetro do orifício de 40 para 20 mm (ver Figura 69), e um impactor com uma ponta semiesférica de 7 mm, uma vez que o impactor disponível no laboratório tinha um diâmetro demasiado grande para esta nova solução (ver Figura 70). Figura 69 - Sequência de produção do casquilho (2x). Figura 70 - Sequência de produção do impactor. Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 80 4.5.1 Resultados obtidos nos ensaios TAI Resultados da placa C0 Figura 71 - Curva Tensão vs Deformação (C0). Os provetes da placa C0 sujeitos a um impacto de 2J de energia apresentaram propriedades mecânicas mais elevadas nos ensaios de tração do que os sujeitos a impactos de maior energia. No entanto, o provete impactado com 8J apresentou propriedades mecânicas mais elevadas do que o impactado com 4J. Tabela 36 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa C0. Provete Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σt (MPa) Deformação εt (%) Módulo Et (GPa) 2J 1 24.90 1.26 96.38 5.35 8.24 2 25.01 1.18 95.65 4.46 7.90 4J 3 24.81 1.23 66.19 1.87 6.72 8J 4 24.87 1.18 76.29 2.59 7.76 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 7 σt(MPa) ɛt(%) Tensão vs Deformação C0 Provete 1 (2J) Provete 2 (2J) Provete 3 (4J) Provete 4 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 81 Resultados da placa 1C2 Figura 72 - Curva Tensão vs Deformação (1C2). Os provetes da placa 1C2 sujeitos a impactos de energia mais elevada apresentaram, como se previa, propriedades mecânicas mais baixas nos ensaios de tração. A tensão máxima reduziu cerca de 22% de 2 para 4J de energia de impacto e 35% de 4 para 8J. Já o módulo de elasticidade reduziu 22% de 2 para 4J de energia de impacto e 45% de 4 para 8J. Tabela 37 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa 1C2. Provete Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σt (MPa) Deformação εt (%) Módulo Et (GPa) 2J 1 24.93 1.56 73.82 5.72 6.21 2 24.33 1.51 56.75 4.38 5.53 4J 3 24.86 1.59 50.92 2.99 4.58 8J 4 24.80 1.55 33.24 2.19 2.50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 σt(MPa) ɛt(%) Tensão vs Deformação 1C2 Provete 1 (2J) Provete 2 (2J) Provete 3 (4J) Provete 4 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 82 Resultados da placa 3C4 Figura 73 - Curva Tensão vs Deformação (3C4). Os provetes da placa 3C4 sujeitos a impactos de energia mais elevada também apresentaram propriedades mecânicas mais baixas nos ensaios de tração. A tensão máxima reduziu cerca de 28% de 2 para 4J de energia de impacto e 9% de 4 para 8J. Já o módulo de elasticidade reduziu 15% de 2 para 4J de energia de impacto e 24% de 4 para 8J. Tabela 38 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa 3C4. Provete Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σt (MPa) Deformação εt (%) Módulo Et (GPa) 2J 1 23.61 1.53 59.79 3.25 5.54 2 24.98 1.55 75.23 5.13 6.06 4J 3 24.94 1.56 48.45 2.32 4.93 8J 4 24.74 1.57 44.20 2.47 3.76 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 σt(MPa) ɛt(%) Tensão vs Deformação 3C4 Provete 1 (2J) Provete 2 (2J) Provete 3 (4J) Provete 4 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 83 Resultados da placa 2C3 Figura 74 - Curva Tensão vs Deformação (2C3). Os provetes da placa 2C3 sujeitos a impactos de energia mais elevada também apresentaram propriedades mecânicas mais baixas nos ensaios de tração. A tensão máxima reduziu cerca de 22% de 2 para 4J de energia de impacto e 27% de 4 para 8J. Já o módulo de elasticidade reduziu 22% de 2 para 4J de energia de impacto e 35% de 4 para 8J. Tabela 39 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa 2C3. Provete Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σt (MPa) Deformação εt (%) Módulo Et (GPa) 2J 1 25.05 1.55 52.49 4.27 5.84 2 24.73 1.55 68.01 5.69 5.96 4J 3 24.82 1.55 47.07 2.90 4.63 8J 4 24.77 1.59 34.43 2.17 3.01 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 σt(MPa) ɛt(%) Tensão vs Deformação 2C3 Provete 1 (2J) Provete 2 (2J) Provete 3 (4J) Provete 4 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 84 Resultados da placa C2C Figura 75 - Curva Tensão vs Deformação (C2C). Os provetes da placa C2C sujeitos a um impacto de 2J de energia apresentaram propriedades mecânicas mais elevadas nos ensaios de tração do que os sujeitos a impactos de maior energia. No entanto o provete 3, impactado com 4J, apresentou uma tensão máxima inferior à do provete 4, impactado com 8J, o que se deveu a uma quebra anómala do provete 3, próxima dos 3% de deformação. Tabela 40 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa C2C. Provete Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σt (MPa) Deformação εt (%) Módulo Et (GPa) 2J 1 24.97 2.07 59.91 4.16 4.51 2 22.87 2.01 54.51 4.39 4.88 4J 3 24.91 2.09 43.60 1.94 3.92 8J 4 24.80 1.95 46.48 3.98 2.24 0 10 20 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 6 7 σt(MPa) ɛt(%) Tensão vs Deformação C2C Provete 1 (2J) Provete 2 (2J) Provete 3 (4J) Provete 4 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 85 Resultados da placa C3C Figura 76 - Curva Tensão vs Deformação (C3C). No caso da placa C3C (cuja posição da cortiça era mais próxima da zona de impacto) não se verificou uma variação significativa na tensão máxima atingida pelos provetes quando ensaiados à tração. Já o módulo de elasticidade foi substancialmente mais afetado, reduzindo cerca de 2% de 2 para 4J de energia de impacto e 24% de 4 para 8J. Tabela 41 - Valores dos provetes dos ensaios TAI da placa C3C. Provete Largura b (mm) Espessura h (mm) Tensão σt (MPa) Deformação εt (%) Módulo Et (GPa) 2J 1 25.16 2.00 44.31 2.39 4.17 2 21.59 2.05 55.85 5.41 4.72 4J 3 24.94 2.12 49.83 2.78 4.36 8J 4 24.80 2.09 49.18 3.17 3.33 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 7 σt(MPa) ɛt(%) Tensão vs Deformação C3C Provete 1 (2J) Provete 2 (2J) Provete 3 (4J) Provete 4 (8J) Capítulo 4 Ensaios, resultados e análise 92 Página intencionalmente deixada em branco. Capítulo 5 Conclusão 93 5 CONCLUSÃO Esta dissertação teve como principal objetivo a avaliação da influência da cortiça numa estrutura compósita, neste caso um laminado, nomeadamente no que diz respeito ao comportamento ao impacto e na tolerância ao dano. A execução deste trabalho dividiu-se em três fases: a primeira fase consistiu na produção das placas e posterior preparação dos provetes, que decorreu nas instalações do INEGI; a segunda fase foi a realização dos ensaios, que se dividiu entre o INEGI e o Laboratório de Ensaios Tecnológicos da FEUP; por fim, a terceira fase consistiu no tratamento dos dados e análise dos resultados. O facto do número de provetes para alguns ensaios ter de ser reduzido em relação ao estipulado pelas normas seguidas, pode ter influenciado ligeiramente os resultados e conclusões finais, que se apresentam de seguida:  Após analisados os resultados dos ensaios de flexão em três pontos concluiu-se que, como seria de esperar, a placa sem qualquer cortiça apresentava as propriedades mecânicas mais elevadas. Dentro do grupo das soluções com cortiça as que tinham os filmes de cortiça mais afastados da zona de carregamento eram as que apresentavam propriedades mecânicas mais elevadas, que foi o caso da 3C4 e C3C. A placa C2C3C revelou-se a solução com as propriedades mecânicas menos vantajosas;  No que respeita aos ensaios de tração, a posição dos filmes de cortiça perde alguma importância. Neste ensaio, também sem surpresas, a placa de referência apresentou propriedades mecânicas mais elevadas, e a placa com o maior número de filmes de cortiça, as mais baixas. Dentro do grupo das soluções com cortiça, as placas com um só filme apresentaram propriedades mecânicas mais elevadas do que as restantes;  Nos ensaios de impacto concluiu-se que a existência de filmes de cortiça próximos da zona de impacto foi determinante para a existência ou não de quebra do provete, e que as placas 1C2 e 2C3 foram as que mais energia de impacto absorveram. Neste aspeto, a placa C2C3C também Capítulo 5 Conclusão 94 apresentou bons resultados além do facto de ter registado a maior indentação de todas as placas. Este pormenor é de extrema importância porque ao apresentar maior indentação após um impacto permitirá detetar o dano mais facilmente por inspeção visual, ganhando assim especial relevo em questões de tolerância ao dano. Como se sabe, o dano invisível é o mais perigoso;  Nos ensaios de tração após impacto, e em termos de perda de propriedades, as soluções com cortiça revelaram-se, de uma forma geral e para os impactos de 2 e 4J, uma boa solução. Estas soluções apresentaram, em média, perdas inferiores às da placa de referência C0. No conjunto dos ensaios nestas duas energias a placa C2C3C revelou-se a mais vantajosa ao ser a que melhor preservou as suas propriedades mecânicas após o impacto. Conclui-se então que a principal desvantagem da introdução da cortiça num compósito laminado é a redução considerável das suas propriedades mecânicas. E a principal vantagem é que, segundo os resultados obtidos, a introdução da cortiça num laminado atenua a redução das suas propriedades mecânicas após um impacto de baixa energia. A desvantagem desta redução pode ser compensada aumentando o número de camadas de fibra de vidro nas placas com cortiça, com o objetivo de atingir os valores pretendidos. Naturalmente que tem de novo outra desvantagem que é o aumento do preço e da dimensão da estrutura, faltando apenas conseguir um bom equilibro entre estes aspetos. 5.1 TRABALHOS FUTUROS Tendo em conta os resultados obtidos, as análises feitas e as conclusões tiradas sugerem-se os seguintes trabalhos futuros, tanto para consolidar os resultados obtidos neste trabalho como para lhes dar seguimento:  Realização de ensaios TAI com maior número de provetes, em mais níveis de energia e com as dimensões mais semelhantes aos provetes de Capítulo 5 Conclusão 95 tração, para melhorar o coeficiente de comparação. E ainda a realização de ensaios de compressão após impacto;  Experimentar uma solução com a cortiça na camada exterior, uma placa com a configuração 1234C;  Aplicação de um tratamento químico adequado na superfície da cortiça para melhorar as forças de ligação e consequentemente diminuir a influência negativa que tem nas propriedades mecânicas do laminado;  Aproximar as propriedades mecânicas de uma placa com cortiça às de uma placa sem cortiça acrescentando camadas de fibra e, uma vez eliminada a discrepância de valores de propriedades entre placas com e sem cortiça, impactar ambas as placas e avaliar de novo a redução de propriedades;  Experimentar um equilíbrio entre a placa C0 e a C2C3C. Capítulo 5 Conclusão 96 Página intencionalmente deixada em branco. Capítulo 6 Bibliografia 97 6 BIBLIOGRAFIA 1. Daniel, I. M. & Ishay, O. Engineering Mechanics Of Composite Materials. (Oxford University Press, 2006). 2. Callister, W. & Rethwisch, D. 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