Tenacidade à fratura de laminados curvos envelhecidos fabricados por enrolamento filamentar

Abstract

Materiais compósitos poliméricos possuem excelentes propriedades mecânicas e anticorrosivas, principalmente quando reforçados por fibras contínuas, entretanto, seus complexos modos de falha tornam o projeto uma tarefa complicada. Dentre eles, a baixa resistência ao longo da espessura torna o material susceptível à falha entre as camadas, já que não há, em geral, reforços nesta direção para suportar tensões. Esse trabalho visa quantificar a tenacidade à fratura em Modo I de carregamento em materiais compósitos de fibras de vidro e carbono com resina epóxi fabricados por enrolamento filamentar com diferentes ângulos de enrolamento e o efeito do condicionamento higrotérmico nesta propriedade. Para isso, foram fabricados cilindros com diâmetro de 136 mm para ambos os materiais com ângulo de enrolamento de ±90°, ±75°, ±60° e ±45°, sendo estes ensaiados não-condicionados, ou após condicionamento em água à temperatura ambiente ou a 70 °C. A absorção de água foi monitorada, atingindo a estabilidade de absorção, mostrando-se dependente do material, temperatura e ângulo do enrolamento, a absorção máxima foi verificada nos corpos de prova enrolados no ângulo de ±45°, sendo 1,10% para o material vidro/epóxi e 1,74% para o carbono epóxi submersos em água em temperatura ambiente, enquanto em alta temperatura, foram obtidos 1,30% e 2,95%, respectivamente. A absorção de água dos materiais apresentou relação direta com o teor de vazios, nos valores de 3,2% para os corpos de prova vidro/epóxi laminados a ±45° e 3,41% para carbono/epóxi no mesmo ângulo. O condicionamento higrotérmico resultou na alterações nas propriedades térmicas dos materiais, os compósitos de carbono/epóxi e vidro/epóxi não-condicionados apresentaram Tg de 100 °C e 104 °C, os materiais condicionados à temperatura ambiente, apresentaram 89 °C para ambos, e para os materiais condicionados a 70 °C, os valores foram de 90 e 91 °C, respectivamente. Foi constatada a variação da tenacidade à fratura com relação ao ângulo de enrolamento, sendo a maior para enrolamento ±90° e a menor a ±45°. Quanto ao condicionamento higrotérmico, as amostras envelhecidas à temperatura ambiente apresentaram menor propensão à delaminação comparadas às envelhecidas a 70 °C. Constatou-se também valores mais elevados de tenacidade à fratura para as amostras carbono/epóxi quando comparados aos de vidro/epóxi de mesmo ângulo de enrolamento e condicionamento.

Polymer composite materials have exceptional mechanical and corrosive properties, especially when reinforced by continuous fibers, however, their fabrication by stacking fiber bundles in layers, with a high degree of anisotropy and complex failure modes, make their design an extremely complicated task. Among the different failure modes of this material, the high degree of anisotropy leads to failure between the layers, where there are no reinforcements to withstand the stresses arising from the various stresses submitted to the material. Within this context, this work aims to evaluate the Mode I fracture toughness in glass/epoxy and carbon/epoxy composite materials manufactured by filament winding, comparing the properties in terms of winding angle, material and hygrothermal conditioning. For this, cylinders with a diameter of 136 mm were manufactured for both materials at winding angles of ±90°, ±75°, ±60° and ±45, and the properties of the unconditioned specimens, conditioned in water, were analyzed at room temperature and in water at 70 °C. The water absorption was monitored, reaching the absorption stability, which is dependent on the material, temperature and winding angle, verifying maximum absorption always for the winding materials ±45°, being 1.10% for the glass/epoxy material and 1.74% for epoxy carbon submerged in water at room temperature, while at high temperature, 1.30% and 2.95% were obtained, respectively. The water absorption of the materials was directly related to the void content, in the values of 3.2% for the glass/epoxy specimens rolled at ±45° and 3.41% for carbon/epoxy at the same angle. The hygrothermal conditioning resulted in a change in the Tg of the materials, giving respectively 100 °C and 104 °C for the material with carbon and glass fibers, not conditioned, and 89 °C for both materials conditioned at room temperature and 90 °C. and 91 °C for those conditioned at a temperature of 70 °C. As for fracture toughness, reduction trends were observed regarding the winding, with the most resistant being the one with winding ±90° and the one with the lowest resistance ±45°, specimens less prone to delamination when conditioned in water at room temperature and more prone if conditioned at a temperature of 70 °C and also higher fracture toughness values in carbon/epoxy specimens, compared to glass/epoxy specimens of the same winding and conditioning angle.