Há alguns anos, o tema compósitos poliméricos vem sendo discutido em excelentes livros, mas a grande maioria deles encontra-se em outra língua, principalmente em inglês. Porém, por se tratar de um assunto tecnologicamente estratégico para o Brasil e por ter aplicações em diversas áreas, tais como engenharia, telecomunicações, energia, medicina, entre outras, contribuições em português tornam-se cada vez mais importantes, para melhor difundir o conhecimento desses materiais em nosso país. Assim, a presente obra procura levar ao leitor um texto direto, mas não superficial, rico em experiências, descrito de forma prática, mas sem ser maçante, com ilustrações e tabelas que podem ser consultadas a qualquer momento por estudantes, professores, pesquisadores ou profissionais da área de compósitos, na busca de soluções de problemas de seu dia-a-dia.

Em seus seis capítulos, a obra procura resumir de forma didática o vasto campo de conhecimento que se desenvolveu e que se aprimora continuamente há cerca de quatro décadas na área de compósitos poliméricos. Assim, são abordados conceitos e experimentos indispensáveis à compreensão do tema, envolvendo matrizes poliméricas, reforços, fabricação e processamento, caracterizações física, química e mecânica, fadiga, condicionamento higrotérmico de compósitos poliméricos, compósitos metal-polímero-fibra e suas principais aplicações. Todos os ensaios e testes apresentados foram baseados em normas internacionais e possuem referências, permitindo que os ensaios sejam reproduzidos e estudados com maior aprofundamento do tema. Enfim, o objetivo desta obra é dar ao leitor conhecimento técnico sobre o vasto e surpreendente campo de trabalho dos compósitos poliméricos.

APRESENTAÇÃO

A pesquisa aplicada em materiais é sempre necessária, visando novas aplicações e inovações nas diferentes áreas da ciência. Assim, é preciso um esforço contínuo nesse sentido, de modo que novos desafios sejam cumpridos, atendendo aos requisitos de serviço e de segurança exigidos no uso final dos materiais.

Este livro apresenta vários conceitos teóricos, experimentais e tecnológicos referentes à área de materiais compósitos poliméricos de uso estrutural. A importância desta área é crescente em diferentes setores da ciência e tecnologia e o conteúdo disponibilizado nesta obra procura contribuir para a consolidação de seu estudo e emprego no Brasil, como uma ferramenta na arte de pensar, correlacionar e abordar o processamento de compósitos estruturais, sua caracterização e aplicação.

Com isto, os autores apresentam de maneira prática e fácil a estudantes, pesquisadores e fabricantes, informações que contribuem para um maior entendimento do processamento e comportamento de materiais compósitos poliméricos estruturais. Todos os resultados apresentados neste livro foram gerados pelo grupo de estudos de materiais compósitos da Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial, formado pelos autores com a contribuição de alunos de graduação, pós-graduação e por pesquisadores internos e externos à instituição. Todos os dados disponibilizados foram previamente avaliados na forma de trabalhos técnico-científicos por especialistas nacionais e internacionais da área e representam uma experiência de mais de 10 anos acumulada pelos autores, que compõem o grupo de estudo de materiais compósitos.

Em consequência da multidisciplinaridade de informações disponibilizadas, o conteúdo deste volume apresenta uma série gradual de situações relativas a materiais compósitos. Isto motivará o acesso de químicos, físicos e de engenheiros mecânicos, químicos e de materiais à compreensão objetiva do processamento e dos comportamentos mecânico e físico-químico desses materiais, com diferentes enfoques na otimização e no entendimento de seus processamentos.

Nesse contexto, a presente obra é constituída por seis capítulos, que por sua vez encontram-se divididos em subitens. No Capítulo 1 encontram-se os aspectos fundamentais, teoria e definições para o bom entendimento de todos os temas abordados na obra. O Capítulo 2 faz uma abordagem da área de materiais compósitos poliméricos, com uma projeção de sua utilização em diferentes áreas. Já o Capítulo 3 é composto por 8 subcapítulos, que apresentam uma coletânea de estudos realizados em matrizes e reforços de última geração, utilizados como matérias-primas para a produção de compósitos estruturais. Desta forma, vários tipos de matrizes, sendo estas tanto termorrígidas como termoplásticas, de reforços e técnicas de obtenção de laminados estruturais são apresentados. O Capítulo 4 mostra estudos de processamento envolvendo compósitos poliméricos com matrizes termorrígidas e termoplásticas. O Capítulo 5 também se encontra dividido em 19 subcapítulos, que tratam de estudos mecânicos realizados em compósitos poliméricos, objetivando avaliar e quantificar as propriedades mecânicas mais comuns, como: resistências à tração, ao cisalhamento interlaminar, à compressão, ao impacto, resistência à fratura, dentre outras. Finalmente, o Capítulo 6 apresenta uma coletânea de estudos realizados em uma nova classe de materiais compósitos, denominada metal-fibra.

Assim, caro leitor, cientes de que os temas abordados evidentemente não se esgotam nesta obra, convidamos todos a refletir sem pressa e ultrapassar o próprio texto, dando asas à criatividade, colaborando com as discussões técnicas e científicas sobre os compósitos poliméricos e, assim, contribuir para o enriquecimento desta tecnologia junto à nossa sociedade.

SOBRE O AUTOR

Mirabel Cerqueira Rezende
Química graduada pelo Instituto de Química de Araraquara/Unesp (1980). Mestre em Química (Físico-Química) pelo Instituto de Química de São Carlos/USP (1985). Doutora em Engenharia Química pela Escola Politécnica da USP (1991). Pesquisadora titular da Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial. Bolsista de Produtividade em Pesquisa 1B do CNPq. Atua nas linhas de pesquisa da área de Engenharia Aeroespacial, com ênfase em Materiais e Processos para Engenharia Aeronáutica e Aeroespacial, atuando principalmente nos seguintes temas: processamento e caracterização de compósitos poliméricos estruturais, processamento e caracterização de materiais absorvedores de micro-ondas, novos materiais, materiais carbonosos e polímeros.

Michelle Leali Costa
Química graduada pelo Instituto de Química da Universidade de Brasília (1995). Mestre em Ciências pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA (1998). Doutora em Ciências, Área de Física e Química de Materiais Aeronáuticos pelo ITA (2002) e dois pós-doutorados em Engenharia Aeroespacial pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço. Pesquisadora colaboradora da Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial. Professora colaboradora da pós-graduação da Unesp - Guaratinguetá. Atua nas áreas de Engenharia Aeroespacial, com ênfase em Físico-Química de Materiais, trabalhando nos seguintes temas: compósitos poliméricos estruturais, análise térmica, reologia, processamento e caracterização de compósitos estruturais, propriedades mecânicas e condicionamento higrotérmico.

Edson Cocchieri Botelho
Químico graduado pelo Instituto de Química de Araraquara/Unesp (1995). Mestre em Física pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA (1998). Doutor em Engenharia Aeronáutica e Mecânica pelo ITA (2002) e pós-doutorado pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço (2005). Bolsista de Produtividade em Pesquisa 2 do CNPq. Professor assistente doutor da Unesp em Guaratinguetá. Pesquisador colaborador da Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial. Atua nas áreas de Engenharia Aeroespacial, com ênfase em compósitos avançados, materiais poliméricos e carbono vítreo, trabalhando nos seguintes temas: compósitos poliméricos, reologia, compósitos híbridos, processamento e compósitos estruturais.

ÍNDICE

Apresentação, 17

1 - Materiais compósitos poliméricos, 19
1.1 - O que são compósitos, 21
1.2 - Fibras e matrizes, 24
1.3 - Matrizes termorrígidas, 27
1.4 - Matrizes termoplásticas, 28
1.5 - Interface, 31
1.6 - Pré-impregnados, 33
1.7 - Laminados, 34
1.8 - Efeitos ambientais, 37
1.9 - Mecanismos de absorção da umidade, 39
1.10 - Danos em compósitos, 40
1.11 - Conclusão, 41
1.12 - Referências, 41

2 - Compósitos estruturais em aplicações de engenharia, 47
2.1 - Introdução, 49
2.2 - Setor aeroespacial, 51
2.3 - Transporte, 57
2.4 - Indústria da construção civil, 58
2.5 - Engenharia eólica, 58
2.6 - Células combustível, 59
2.7 - Outras aplicações, 60
2.8 - Olhando para o futuro, 60
2.9 - Referências, 61

3 - Matrizes e reforços, 63
3.1 - Resinas bismaleimidas: obtenção e potencial de aplicação no setor aeroespacial, 65
3.1.1 - Introdução, 65
3.1.2 - Considerações iniciais, 66
3.1.3 - Preparação/obtenção, 67
3.1.4 - Propriedades mecânicas, 71
3.1.5 - Cargas, reforços e adjuvantes, 78
3.1.6 - Processamento e concepção de peças, 79
3.1.7 - Produtos, fabricantes e nomes comerciais, 81
3.1.8 - Conclusão, 81
3.1.9 - Referências, 82
3.2 - Estudo da influência do diluente reativo PGE na cinética de cura da resina epóxi em compósitos estruturais, 83
3.2.1 - Introdução, 83
3.2.2 - Materiais e métodos, 84
3.2.3 - Resultados e discussões, 87
3.2.4 - Conclusão, 93
3.2.5 - Referências, 93
3.3 - Análise reológica de resinas fenólicas e furfurílicas utilizadas no processamento de materiais carbonosos, 94
3.3.1 - Introdução, 94
3.3.2 - Materiais e métodos, 95
3.3.3 - Resultados e discussões, 95
3.3.4 - Conclusão, 100
3.3.5 - Referências, 100
3.4 - Polímeros termoplásticos de alto desempenho e a sua utilização na obtenção de compósitos estruturais, 101
3.4.1 - Introdução, 101
3.4.2 - Polímeros termoplásticos de alto desempenho, 102
3.4.3 - Obtenção de CMP termoplástica utilizado a moldagem por compressão a quente, 107
3.4.4 - Conclusão, 109
3.4.5 - Referências, 109
3.5 - Síntese da poliamida 6/6 por polimerização interfacial com impregnação simultânea de cabos de fibras de carbono, 111
3.5.1 - Introdução, 111
3.5.2 - Mecanismos de reação, 111
3.5.3 - Materiais e métodos, 113
3.5.4 - Resultados e discussões, 114
3.5.5 - Conclusão, 121
3.5.6 - Referências, 121
3.6 - Síntese do poli(ácido âmico) para aplicação como interfase em compósitos termoplásticos de alto desempenho, 121
3.6.1 - Introdução, 122
3.6.2 - Materiais e métodos, 127
3.6.3 - Resultados e discussões, 129
3.6.4 - Conclusão, 133
3.6.5 - Referências, 133
3.7 - Estudo do comportamento de cristalização do poli(sulfeto de fenileno), 134
3.7.1 - Introdução, 134
3.7.2 - Materiais e métodos, 136
3.7.3 - Resultados e discussão, 137
3.7.4 - Conclusão, 144
3.7.5 - Referências, 145
3.8 - Tratamento superficial de fibras de carbono, 145
3.8.1 - Introdução, 145
3.8.2 - Materiais e métodos, 146
3.8.3 - Propriedades mecânicas, 147
3.8.4 - Caracterização das superfícies, 147
3.8.5 - Resultados e discussões, 148
3.8.6 - Conclusão, 159
3.8.7 - Referências, 159

4 - Processamento de compósitos, 161
4.1 - Métodos de estudo da cinética de polimerização de resinas epóxi, 163
4.1.1 - Introdução, 164
4.1.2 - Cinética de polimerização, 164
4.1.3 - Materiais e métodos, 167
4.1.4 - Escolha do método a ser utilizado, 171
4.1.5 - Conclusão, 172
4.1.6 - Referências, 173
4.2 - Estabelecimento do ciclo de cura de pré-impregnados aeronáuticos, 174
4.2.1 - Introdução, 174
4.2.2 - Materiais e métodos, 175
4.2.3 - Resultados e discussões, 176
4.2.4 - Conclusão, 185
4.2.5 - Referências, 185
4.3 - Processamento de laminados de compósitos poliméricos avançados com bordas moldadas, 186
4.3.1 - Introdução, 186
4.3.2 - Processamento de compositos poliméricos avançados, 187
4.3.3 - Materiais e métodos, 192
4.3.4 - Resultados e discussões, 193
4.3.5 - Conclusão, 196
4.3.6 - Referências, 196
4.4 - Avaliações térmicas, cristalográfica e reológica de compósitos de fibras de carbono/poliamida, 197
4.4.1 - Introdução, 197
4.4.2 - Materiais e métodos, 199
4.4.3 - Resultados e discussões, 200
4.4.4 - Conclusão, 210
4.4.5 - Referências, 210
4.5 - Obtenção de compósitos de fibra de carbono/poliamida 6/6 pelo processo de pultrusão reativa, 211
4.5.1 - Introdução, 211
4.5.2 - Aspectos econômicos do processo de pultrusão reativa, 213
4.5.3 - Pultrusão reativa da poliamida 6/6, 215
4.5.4 - Aplicações, 218
4.5.5 - Conclusão, 219
4.5.6 - Referências, 219

5 - Propriedades mecânicas, 221
5.1 - Estudo de tack de pré-impregnados, 223
5.1.1 - Introdução, 223
5.1.2 - Materiais e métodos, 226
5.1.3 - Resultados e discussões, 227
5.1.4 - Conclusão, 241
5.1.5 - Referências, 241
5.2 - Avaliação das propriedades mecânicas de algumas famílias de compósitos carbono/epóxi utilizados no setor aeronáutico, 241
5.2.1 - Introdução, 241
5.2.2 - Materiais e métodos, 243
5.2.3 - Resultados e discussões, 245
5.2.4 - Conclusão, 256
5.2.5 - Referências, 257
5.3 - Análise fractográfica de compósitos carbono/epóxi caracterizados em resistência ao cisalhamento interlaminar, 258
5.3.1 - Introdução, 258
5.3.2 - Materiais e métodos, 258
5.3.3 - Resultados e discussões, 259
5.3.4 - Conclusão, 265
5.3.5 - Referências, 266
5.4 - Efeito da interface nas propriedades de impacto e de tração de compósitos de matrizes de polipropileno reforçadas com fibra de carbono, 266
5.4.1 - Introdução, 266
5.4.2 - Materiais e métodos, 267
5.4.3 - Resultados e discussões, 269
5.4.4 - Conclusão, 279
5.4.5 - Referências, 279
5.5 - Efeito higrotérmico sobre as propriedades de cisalhamento de compósitos de fibras de carbono/epóxi, 280
5.5.1 - Introdução, 280
5.5.2 - Materiais e métodos, 280
5.5.3 - Resultados e discussões, 282
5.5.4 - Conclusão, 288
5.5.5 - Referências, 288
5.6 - Processamento e efeito higrotérmico no comportamento viscoelástico de compósitos de fibras de vidro/epóxi, 289
5.6.1 - Introdução, 289
5.6.2 - Materiais e métodos, 289
5.6.3 - Resultados e discussões, 292
5.6.4 - Conclusão, 296
5.6.5 - Referências, 297
5.7 - Resistência à tração de laminados carbono/epóxi com bordas moldadas e usinadas, 297
5.7.1 - Introdução, 297
5.7.2 - Materiais e métodos, 299
5.7.3 - Resultados e discussões, 304
5.7.4 - Conclusão, 310
5.7.5 - Referências, 310
5.8 - Influência do condicionamento ambiental na resistência à tração de compósitos de carbono/epóxi reparados, 311
5.8.1 - Introdução, 311
5.8.2 - Materiais e métodos , 312
5.8.3 - Resultados e discussões, 315
5.8.4 - Conclusão, 318
5.8.5 - Referências, 318
5.9 - Comportamento mecânico de compósitos de fibras de carbono/poliamida, 319
5.9.1 - Introdução, 319
5.9.2 - Materiais e métodos, 319
5.9.3 - Resultados e discussões, 323
5.9.4 - Conclusão, 331
5.9.5 - Referências, 331
5.10 - Caracterização mecânica via ensaios de cisalhamento interlaminar e de mecânica da fratura de compósitos de poliamida/fibra de carbono, 331
5.10.1 - Introdução, 331
5.10.2 - Materiais e métodos , 332
5.10.3 - Resultados e discussões, 337
5.10.4 - Conclusão, 341
5.10.5 - Referências, 341
5.11 - Conteúdo crítico de vazios em compósitos poliméricos , 342
5.11.1 - Introdução, 342
5.11.2 - Materiais e métodos , 344
5.11.3 - Resultados e discussões, 346
5.11.4 - Conclusão, 355
5.11.5 - Referências, 356
5.12 - Efeito dos vazios na absorção de umidade por compósitos poliméricos, 357
5.12.1 - Introdução, 357
5.12.2 - Materiais e métodos, 357
5.12.3 - Resultados e discussões, 359
5.12.4 - Conclusão, 365
5.12.5 - Referências, 366

6 - Compósitos híbridos, 367
6.1 - Avaliação da adesão de laminados de fibras contínuas-epóxi/alumínio, 369
6.1.1 - Introdução, 369
6.1.2 - Materiais e métodos , 370
6.1.3 - Resultados e discussões, 373
6.1.4 - Conclusão, 377
6.1.5 - Referências, 378
6.2 - Comportamento viscoelástico de laminados metal/fibra a partir do método de vibração livre, 379
6.2.1 - Introdução, 379
6.2.2 - Materiais e métodos, 379
6.2.3 - Resultados e discussões, 381
6.2.4 - Conclusão, 387
6.2.5 - Referências, 387
6.3 - Efeito higrotérmico no comportamento vibracional de compósitos híbridos metal/fibras de vidro/epóxi, 387
6.3.1 - Introdução, 387
6.3.2 - Materiais e métodos, 388
6.3.3 - Resultados e discussões, 388
6.3.4 - Conclusão, 395
6.3.5 - Referências, 396