Compósitos multiescala de fibras de poliaramida com nanoaditivos de carbono para aplicações em impacto e eletromagnéticas

Abstract

A demanda por materiais com propriedades mecânicas aprimoradas, mais leves e capazes de desempenhar mais de uma função ao mesmo tempo, tem crescido durante os últimos anos, principalmente nos setores militar, aeroespacial e de telecomunicações. Para obter a combinação destas características em um único material, faz-se necessário a utilização de um compósito, combinando propriedades de reforços fibrosos e outras cargas juntamente com uma matriz. Este trabalho visa estudar a utilização de compósitos multiescala, produzidos com resina epóxi, fibras de poliaramida (Kevlar) e nanocargas de carbono: nanotubos de carbono e nanoplaquetas de grafite, para desenvolvimento de materiais resistentes ao impacto em alta velocidade e com características de absorção de radiação eletromagnética. Foram produzidos laminados por dispersão das nanocargas na resina e deposição das nanocargas diretamente sobre o tecido para posterior processo de infusão. Os compósitos resultantes foram avaliados em ensaios de impacto em ensaios de drop weight (baixa velocidade), balísticos (alta velocidade) e com relação às suas propriedades eletromagnéticas em ensaio de Arco NRL e guia de ondas. Os resultados mostram que a adição das nanocargas foi bem-sucedida pelo processo de deposição direta no tecido. A concentração de 2% em massa de fibra de nanopartículas combinadas apresentou mais de 90% de absorção da radiação em uma estreita faixa de frequência, mas a concentração de 1%, quando distribuída de maneira crescente através das camadas foi a mais consistente nos resultados de absorção. Para os ensaios de impacto, o acréscimo de 1% com gradiente de concentração entre as camadas também apresentou melhores resultados, enquanto que a adição acima disso de nanocargas causou decréscimo nas propriedades. Conclui-se que para obter o melhor resultado nas duas aplicações, o uso das nanopartículas distribuídas com um gradiente crescente de concentração foi a mais efetiva.

The need for electromagnetic radiation absorbing materials has grown over the past few years, especially in the military, aerospace and telecommunications sectors. Furthermore, the development of bulletproof materials has also grown exponentially on the military and civil sectors. The combination of both of these characteristics in a material that also has light weight and viable manufacturing still requires a lot of research. To obtain all of these properties in a material, it’s necessary to make use of a composite, combining properties of fibrous reinforcement and the properties of other types of fillers used along with a matrix. The purpose of this study is to present the use of multiscale composites, manufactured using epoxy resin, aramid fiber (Kevlar) and carbon nanofillers: carbon nanotubes and graphene nanoplatelets, to develop high velocity impact resistance materials (ballistic protection) along with electromagnetic radiation absorbing properties. The results show that the addition of the nanoparticles was succeful depositing directly on the fabric. The 2 wt% concentration of nanoparticles combined presented more than 90% of radiation absorption in a narrow range of frequency, but the 1 wt%, when spread increasingly over the layers, showed the more consistent results of absorption. For the impact tests, the addition of 1%, spread over the layers, also showed the better results. while the further addition of nanoparticles resulted in a decrease in the properties. This study concluded that the most suitable concentration of nanofillers for both applications is the one with 1 wt% spread increasingly over the layers.