Uma introdução aos compósitos reforçados com fibra

O que são compósitos?

Compósitos ou compósitos reforçados com fibra consistem em pelo menos dois materiais macroscopicamente diferenciáveis que são combinados com o objetivo básico de melhorar as propriedades do material. Uma estrutura de fibra é geralmente embutida em uma resina (material da matriz) e depois curada.

Para conseguir isso, fibras e feixes de fibras são processados em um tecido ou trama. A maioria dos métodos para fabricar tecidos a partir de fibras são originários da indústria têxtil, portanto, a maior parte da terminologia usada neste campo também é usada no contexto do processamento de fibras de reforço em tecidos. As fibras determinam a força e a rigidez do compósito. Um material no qual as fibras alinhadas foram incorporadas pode ser muito mais forte na direção da fibra do que o mesmo material sem fibras. O aumento da rigidez é menos pronunciado quando a força é exercida perpendicularmente à orientação das fibras. A força nesta direção é menor, pois as fibras agem como concentradoras de estresse. Na prática, fibras alinhadas em diferentes direções são frequentemente incorporadas.

Existem muitos projetos possíveis *:

          

       Fibras unidirecionais                          Fibras bidirecionais                              Fibras curtas

O gráfico abaixo mostra a contribuição da fibra para a força de um compósito:

*Nanocompósitos usam fibras muito pequenas na faixa de nanômetros como material de reforço.  


Quais materiais compõem os compósitos?

As fibras comumente usadas incluem, por exemplo:

  • Fibra de vidro (GFRP)
  • Fibra de carbono (CFRP)
  • Fibra de aramida (AFRP)
  • Fibra cerâmica
  • Fibra de polímero
  • Fibra mineral
  • Fibra natural (NFRP)

As resinas utilizadas incluem resina epóxi, resina de poliéster e resina de poliuretano.

Quais são os campos de aplicação de compósitos?

  • Indústria aeroespacial (fuselagem, componentes de acionamento, componentes aerodinâmicos, etc.)
  • Automotivo (componentes de chassi, componentes aerodinâmicos)
  • Grandes carrocerias de veículos (trens, caminhões e ônibus)
  • Marítimo (estruturas do casco)
  • Turbinas eólicas (pás do rotor)
  • Equipamentos esportivos
  • Infraestruturas e edifícios (reparação de edifícios, pontes GFRP)
  • Engenharia médica (próteses, mesas de raios X)

Por que os compósitos são usados?

  • Excelente relação força/peso e maior eficiência de combustível
  • Alta resistência e propriedades de flexão elástica
  • Formabilidade livre de materiais (resistência, rigidez, resistência térmica, elétrica, forma, função)
  • Resistência à temperatura
  • Resistência química
  • Alta resistência à corrosão

Por que é necessário realizar medições de deformação em compósitos?

A caracterização de estruturas e materiais compósitos é extremamente importante para garantir sua durabilidade durante o uso. Diferentes testes são realizados para conseguir isto. É essencial medir a deformação do componente. A tensão no material é um fator crítico que determina o efeito e a durabilidade dos danos.

  1. Determinação de parâmetros de durabilidade de componentes/estruturas no banco de ensaios ou no campo

  2. Determinação das propriedades do material de amostras de teste padronizadas. Existem muitos padrões de teste diferentes para materiais compósitos que envolvem o uso de strain gauges. Testes típicos incluem, por exemplo:

  • Ensaios de flexão (3 pontos, 4 pontos)
  • Ensaios de tração
  • Ensaios de cisalhamento (interlaminar)
  • Lap shear (teste adesivo)
  • Furo aberto/Furo preenchido
  • Compressão após impacto
  • Testes de compressão
  • Ensaios de flexão por impacto com barra entalhada
  • Ensaios de rolamentos

Desafios do teste em compósitos

Métodos/ferramentas sofisticados são necessários para calcular o comportamento estrutural. As propriedades mecânicas são dependentes da direção (resistência, módulo de elasticidade, razão de Poisson, etc.), e muitos compósitos de fibras se comportam contrariamente aos materiais metálicos: Os materiais têm diferentes propriedades de rigidez em diferentes direções (ortotropia).

As abordagens de cálculo anteriores para estes materiais só podem ser aplicadas a casos específicos (por exemplo, Tsai Wu). Não há método de cálculo universal nem padrão para componentes semelhantes às diretrizes da FKM para componentes metálicos. Uma vez que estas são estruturas laminadas, isso também se aplica ao uso de laminados quase-isotrópicos. Muitos métodos para realizar cálculos em materiais compósitos já foram desenvolvidos.

Outro desafio é converter o sinal de deformação em estresse mecânico.

 

  • Mecanismos de dano/falha são complexos
    • Quebra de fibra intermediária
    • Delaminação
    • Rachaduras correm paralelamente às fibras
  • As tolerâncias de fabricação são, em geral, mais difíceis de controlar
    • Orientação da fibra
    • Deslocamento da matriz
    • Compostos de fibras intermediárias
    • Acumulações de resina
    • Corpos estranhos
    • Porosidades
    • Variações de lote

  • Mais caro que os materiais metálicos convencionais
  • Sensível à temperatura
  • Sensível à luz UV
  • Difícil de reciclar
  • Altos custos de investimento (produção)
  • Além disso, a resposta termoelástica deve ser considerada:

  • Condutividade térmica reduzida: Os materiais compósitos têm uma condutividade térmica mais baixa que os metais convencionais
  • Diferenças nas tensões residuais do coeficiente térmico (por exemplo, estruturas híbridas) e comportamento anisotrópico do material

Quais strain gauges a HBM recomenda para medições em compósitos?

Depende do caso de teste:

  • Recomendamos o uso da série Y (deformação máxima de 5%) para testes estáticos, de alta tensão e de referências
  • Recomendamos o uso da série M (tensão máxima de 1%) para testes de carga alternada

Recomendamos o uso de nossos strain gauges pré-cabeados da série para compósitos que mostrem uma resposta crítica às temperaturas típicas de solda.

Alguns strain gauges para materiais compósitos estão disponíveis em estoque.

  • Os strain gauges lineares são frequentemente usados em testes estruturais e de amostras
  • As rosetas T são usadas, por exemplo, para determinar a razão de Poisson
  • Rosetas com 3 grades de medição também são usadas; no entanto, isso é recomendado apenas com materiais homogêneos para determinar as principais tensões e suas direções
  • Você já conhece o nosso extensômetro LI66 integrável??

Selecionando o comprimento da grade de medição

Um strain gauge integra a deformação abaixo da superfície e uma deformação média é medida.

O comprimento correto da grade de medição depende do objetivo do teste. Comprimentos de grade de 6 mm e 10 mm são soluções populares para medições de deformação em compósitos.

Em princípio, a mesma regra se aplica à seleção dos extensômetros: O comprimento do extensômetro deve exceder a distância da fibra em pelo menos o fator 5. A largura do extensômetro também deve cobrir várias fibras.

Podem ocorrer picos de deformação locais devido a não homogeneidades do material. Neste caso, cadeias de strain gauges podem ser usadas para determinar o gradiente de deformação.

Frequentemente, os picos de tensão entre as fibras são um múltiplo da tensão média. Como consequência, o extensômetro pode ser sobrecarregado em alguns pontos, seu alongamento máximo sendo atingido ou excedido, embora o amplificador mostre uma deformação muito menor. Portanto, existe o risco de sobrecarga do SG (permanentemente danificado) em pontos individuais ou de falha de toda a instalação. Este problema pode ser eliminado com a inserção de uma fina película de poliamida entre o strain gauge e a peça de trabalho. O filme é colado entre o componente e o extensômetro e realiza integração preliminar, isto é, "distribui" os picos de estresse sob a grade de medição do extensômetro. Por causa das camadas mais espessas resultantes, o filme só deve ser usado se se espera uma alta deformação.

Resistência do Strain Gauge

A HBM recomenda o uso de strain gauges de 1000 ohm em materiais de resfriamento lento. Strain gauges de 350 ohm também podem ser usados como alternativa. No entanto, é recomendável verificar se há um aumento de temperatura não admissível no extensômetro ou no compósito.

Tensão de excitação

A tensão em cada strain gauge é convertida em calor. Materiais pouco condutores, como compósitos de fibra, mostram um aquecimento do sensor e componente na superfície. Para garantir uma medição estável, o fluxo de calor Q deve corresponder à potência aplicada P.

P = Q

O gráfico abaixo mostra o processo de aquecimento de uma grade de medição de extensômetro de 350 ohms em um material de resfriamento lento:

O calor nos pontos de medição ocorre facilmente com os metais; particularmente com alumínio, é possível uma alta transferência de calor. Os compósitos têm uma condutividade térmica consideravelmente mais baixa.

Certifique-se de começar a medir os compósitos somente após uma certa fase de aquecimento, quando o sistema de medição atingir um estado estável.

Os seguintes valores podem ser usados para aplicações em quartos de ponte com uma tensão de excitação de 5 V:

  • A fase de aquecimento é de aproximadamente 3 a 4 minutos para instrumentos de medição de 1000 ohm
  • A fase de aquecimento é de aproximadamente 5 a 6 minutos para instrumentos de medição de 120/230 ohm

Com materiais com pouca refrigeração, como compósitos, a HBM recomenda o uso de uma tensão de excitação baixa <2,5 V. Tensões de excitação mais altas resultam em um aquecimento significativo e constante do extensômetro. Esse calor pode se acumular no material. O gráfico abaixo mostra as diferenças entre 0,5, 2,5, 5 e 10 V de tensão de excitação (DC) para uma grade de extensômetros de 350 ohms:

Recomendação para materiais compósitos (experiência):

  • 0,5 V para materiais com baixa condutibilidade e baixa refrigeração

  • 1 V a 2,5 V para testes em compósitos comuns

Correspondência de resposta à temperatura em aplicações de quarto de ponte

As aplicações de um quarto de ponte requerem uma combinação ideal de resposta de temperatura do extensômetro devido às variações de temperatura que ocorrem durante medições de longo prazo. Nesse caso, a resposta da temperatura correspondente ao strain gauge deve se ajustar melhor ao coeficiente de expansão térmica para minimizar os sinais de tensão térmica.

Deve-se notar, no entanto, que, devido às tolerâncias de fabricação (enrolamento da fibra, produção de camadas, orientação da fibra, método de fabricação (automático ou manual)), as propriedades do material também podem diferir e, portanto, apenas uma correspondência aproximada da resposta à temperatura pode ser possível. alcançado, dependendo do composto de fibra.

É geralmente recomendado o uso de strain gauges com o número de código 6 para medições em compósitos (α = 0,5 · 10-6 / K). Isso pode variar em alguns casos:

Limpeza da superfície

  • Recomenda-se cautela ao tratar plásticos com solventes, pois eles podem causar expansão ou corrosão por estresse (por exemplo, o uso de acetona é crítico). Existe um risco de inchaço devido à umidade ou corrosão por estresse.
  • Gás branco e álcool isopropílico podem ser considerados em grande parte críticos, principalmente devido ao curto tempo de contato.
  • Em casos críticos, sempre deve ser feito um teste preliminar, porque não é possível fazer previsões claras devido ao grande número de plásticos modificados. Isso também se aplica ao uso do agente de limpeza RMS1.
  • Se possível, nenhum solvente deve ser usado para limpar a superfície. Agentes de limpeza alternativos incluem:
    • Água deionizada
    • Éter de petróleo
    • Sabonete

Desbaste de superfície

  • Recomendamos a preparação do ponto de medição da seguinte forma: passe uma lixa (tamanho de grão 400), depois use água para enxaguar (idealmente: água deionizada)
  • O agente desmoldante e o material de enchimento de epóxi precisam ser removidos (tamanho de grão 400)
  • Torne áspera a superfície para ativar a função (melhore as propriedades de ligação da superfície)
  • A ativação do plasma de superfície também é opcionalmente possível para melhorar as propriedades de ligação

Atenção: As fibras da camada inferior não devem ser danificadas pelo desbaste excessivamente profundo!

Selecionando o adesivo e a colagem

Todos os adesivos de cura a frio da linha de produtos da HBM podem ser usados para instalar extensômetros.

  • Z70 para superfícies homogêneas
  • X60 para superfícies ásperas
  • X280 para altas temperaturas (observe: Recomenda-se pós-cura à temperatura, consulte as instruções)

 

Com as fibras direcionadas, é essencial alinhar corretamente o strain gauge devido ao comportamento do material ortotrópico:

Certifique-se de alinhar exatamente o strain gauge no material:

Strain gauge da série Y, fixado antes da ligação:

Strain gauge tipo 1-LY41-6-350, instalado profissionalmente em um material CFRP com adesivo X60:

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