12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Por que o conhecimento sobre anisotropia é crucial ao projetar peças compostas de alto desempenho
Os materiais compostos reforçados com fibra, que combinam as propriedades das fibras e de uma matriz de polímero, existem há décadas. Há diferentes maneiras de incorporar a fibra à matriz termoplástica: fibras orientadas aleatoriamente, fibras contínuas unidirecionais ou tecido multidirecional. A orientação das fibras adicionadas desempenha um papel importante no que diz respeito às propriedades da peça. Saiba por que o comportamento anisotrópico do compósito é favorável e como medi-lo com o TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
Os materiais compostos reforçados com fibra, que combinam as propriedades das fibras e de uma matriz de polímero, existem há décadas. Os compósitos de matriz de fibra são mais rígidos, têm um ótimo desempenho de resistência em relação ao peso e têm uma DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade muito menor do que suas contrapartes metálicas. Isso os torna até 60% mais leves do que, por exemplo, o aço; uma característica muito desejável quando se trata de componentes para o setor de mobilidade e, em particular, para o setor automotivo, em que a redução do peso é importante para melhorar a eficiência do combustível ou aumentar o alcance dos carros elétricos. Outra vantagem que torna os compostos de matriz de fibra muito interessantes para o setor automotivo é sua resistência à corrosão.
Os compostos de matriz termoplástica reforçados com fibras de vidro têm DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade mais alta e módulo mais baixo do que os compostos reforçados com fibra de carbono, mas têm um custo muito mais baixo, o que é um fator importante para o setor automotivo. O material puro de polipropileno (PP), mas também com reforço de fibras curtas e contínuas, é amplamente usado para peças automotivas devido às suas excelentes propriedades mecânicas, capacidade de moldagem e baixo custo. As aplicações são, por exemplo, estojos e bandejas, para-choques, revestimentos de para-lamas, acabamentos internos, painéis de instrumentos e acabamentos de portas. Outras características positivas do PP são a alta resistência química, a boa resistência a intempéries, a capacidade de processamento e o equilíbrio entre impacto e rigidez, o que explica o fato de ser um dos polímeros mais usados no mercado.
Compostos quase isotrópicos e anisotrópicos
Há diferentes maneiras de incorporar a fibra à matriz termoplástica - fibras orientadas aleatoriamente, fibras contínuas unidirecionais ou tecido multidirecional, veja a Figura 1. A orientação das fibras adicionadas desempenha um papel importante no que diz respeito às propriedades da peça. Embora as fibras orientadas aleatoriamente aumentem a resistência e a rigidez em comparação com o polímero puro até certo ponto, a adição de fibras orientadas em uma direção preferencial aumenta significativamente o desempenho nessa direção da peça. Essa orientação preferencial confere ao composto propriedades anisotrópicas, ou seja, as propriedades na orientação da fibra são dominadas pelas propriedades da fibra e, perpendicularmente a ela, as propriedades da matriz são mais pronunciadas. O conhecimento desse comportamento anisotrópico é necessário para o projeto e a produção desses componentes compostos. Embora a anisotropia das propriedades mecânicas seja a primeira coisa que vem à mente de todos, o comportamento de expansão do material também difere dependendo da direção da fibra.
Quando a anisotropia de um material é ignorada ou não é conhecida, ela pode causar grandes problemas no produto final. Por exemplo, as superfícies planas podem se deformar ou, pior ainda, formar rachaduras ou quebrar.
Análise termomecânica - um método para determinar a anisotropia em compósitos
Usando o método de análise termomecânica (TMA), as alterações dimensionais e, portanto, aCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE de polímeros reforçados com fibras, podem ser determinadas em diferentes direções do material. Para esse estudo, as amostras foram preparadas na Neue Materialien Bayreuth. Três camadas de uma fita PP-GF UD foram empilhadas umas sobre as outras e pré-consolidadas em uma prensa de correia dupla em três zonas de aquecimento de 180 a 190°C. Em seguida, a peça bruta foi pré-aquecida em um forno de convecção por 10 minutos e transferida para uma prensa quente com uma temperatura de molde de 80°C. Lá, uma pressão de 10 bar foi aplicada por 5 minutos durante a solidificação. A espessura resultante é de 1 mm. Embora a fita tenha um conteúdo médio de volume de fibra de 45 vol%, as variações locais na placa foram medidas entre 40-50 vol% de GF.
Para as medições de TMA em NETZSCH Analyzing & Testing, amostras de 25 x 5 mm foram cortadas da placa em duas direções diferentes: 0° na direção da fibra e 90° na direção da fibra.
As amostras foram medidas com o novo TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. Após uma etapa inicial de resfriamento, a temperatura foi aumentada de -70 a 140°C a uma taxa de aquecimento de 5 K/min. O coeficiente de expansão térmica foi calculado usando a análiseCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE média (m. CTE), que calcula a inclinação entre dois pontos de dados. Todas as condições de medição estão resumidas na tabela a seguir:
Tabela 1: Condições de medição
| Suporte da amostra | Expansão, feito de SiO2 |
| Carga da amostra | 50 mN |
| Atmosfera | N2 |
| Taxa de fluxo de gás | 50 ml/min |
| Faixa de temperatura | -70...300°C a uma taxa de aquecimento de 5 K/min |
Exemplo: Anisotropia em PP-GF-UD
Esse material apresenta diferentes CTEs, dependendo da direção em que o material é medido. ACoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE desses tipos de compostos é uma mistura entre a matriz e a fibra contida nela. Portanto, aCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE desses materiais difere consideravelmente dependendo da direção. Os resultados da medição daCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE para o PP-GF nas duas direções diferentes da fibra são mostrados no gráfico abaixo. A curva vermelha representa a medição na direção da fibra 0°. O baixo valor de CTE está na faixa do CTE do vidro e mostra que essa direção de medição é dominada pela baixa expansão térmica das fibras de vidro. O mesmo material medido a 90° em relação à direção da fibra (curva preta) é dominado pela matriz de polipropileno. Ele apresenta um CTE muito mais alto e exibe a conhecida Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transição vítrea (Tg) do polipropileno a -7°C, não observável na curva vermelha.
Na matriz, a direção dominante do CTE de um composto segue a regra da mistura:
Onde α é oCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. coeficiente de expansão térmica linear (CTE), v é a fração de volume e os índices f e m denotam as fibras e a matriz, respectivamente. Supondo que o CTE medido na direção de 0° da fibra seja o mesmo que αf e o CTE da matriz de polipropileno, αm= 1,6×10-4K-1 (não medido aqui), a fração de volume da fibra de vidro no composto medido é calculada como
O estudo mostrou a importância de analisar o coeficiente de expansão térmica de materiais compostos de alto desempenho com base na direção da fibra.
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Sobre a Neue Materialien Bayreuth GmbH
arcANeue Materialien Bayreuth GmbH é uma empresa não acadêmica que desenvolve vários materiais novos para construções leves, desde polímeros e compostos reforçados com fibras até metais, incluindo também o processamento. Eles fornecem soluções orientadas para aplicações, otimizando os materiais disponíveis e os processos de produção.
