Processamento por infusão a vácuo de compósitos espessos aramida/epóxi e análise do desempenho sob impacto

Abstract

Em aplicações que requerem solicitações de impacto, compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de aramida se destacam, principalmente em relação aos metais, devido a propriedades como alta resistência e rigidez específicas, que dão origem a sistemas mais leves e de alta performance. Quando voltados para aplicações de impacto, principalmente a alta velocidade, tais compósitos são, em sua maioria, moldados por compressão ou autoclave, a partir de pré-impregnados. No entanto, tais combinações de processamentos e matéria-prima acarretam em estruturas de elevado custo, tornando a infusão a vácuo uma opção atrativa, além de permitir a obtenção de peças grandes e complexas, dimensionalmente acuradas e partes integradas. Porém, a obtenção de um compósito espesso reforçado por fibra de aramida com elevado desempenho ao impacto por tal método de fabricação ainda é um desafio. Neste contexto, este trabalho aborda o efeito da espessura no processamento por infusão a vácuo de compósitos aramida/epóxi e seu desempenho em aplicações que requerem solicitações de impacto (baixa e alta velocidade) Para isso, foram produzidos compósitos com 5, 8, 13, 18, 23 e 28 camadas de aramida e caracterizados por ultrassom C-scan, microscopia ótica, densidade, teor de constituintes, testes mecânicos (flexão, short beam e indentação quase-estática) e cargas de impacto de baixa e alta velocidade (drop-weight e balístico). Todos os compósitos apresentaram boa homogeneidade na distribuição da matriz ao longo do reforço, com um teor de fibra de ≈60%, e valores de resistência short beam elevados (17,3 - 23,6 MPa). A performance sob impacto (baixa e alta velocidade) foi comparável à de compósitos fabricados por compressão ou autoclave, tendo os compósitos a partir de 18 camadas resistido ao projétil 9 mm Luger FMJ e o de 28 camadas resistido ao projétil .357 Magnum FMJ, podendo ser classificados como nível FB2 e FB3, respectivamente, de acordo com a norma europeia EN 1522. Portanto, o processamento de infusão a vácuo mostrou ser uma alternativa adequada para produzir compósitos espessos de aramida/epóxi (até 12 mm), substituindo rotas de processamento mais caras.

In applications that require impact solicitations, polymer matrix composites reinforced with aramid fiber stand out, especially in relation to metals, due to properties such as high specific strength and stiffness, which give rise to lighter and high-performance systems. When used for impact applications, especially at high speed, such composites are mostly molded by compression or autoclaved, from prepregs. However, such combinations of processing and raw material lead to high cost structures, making vacuum infusion an attractive option, as well as allowing the production of large, complex, dimensionally accurate and integrated parts. Nonetheless, obtaining a thick composite reinforced by aramid fiber with high impact performance by such manufacturing method is still a challenge. In this context, this work addresses the effect of the thickness in the vacuum infusion processing of aramid/epoxy composites and its performance in applications that require impact solicitations (low and high speed) For this, composites with 5, 8, 13, 18, 23 and 28 layers of aramid were produced and characterized by ultrasonic C-scan, optical microscopy, density, constituent content, mechanical tests (flexion, short beam and quasi-static indentation) and low- and high-speed impact loads (drop-weight and ballistic). All composites presented good homogeneity in the matrix scattering along the reinforcement, with a fiber content of ≈ 60%, and high short beam resistance values (17.3 - 23.6 MPa). The performance under impact (low and high speed) was comparable to that of composites processed by compression or autoclave, the composites with 18 layers resisted to the 9 mm Luger FMJ projectile and the one with 28 layers resisted to the .357 Magnum FMJ projectile, being classified as level FB2 and FB3, respectively, according to the European standard EN 1522. In summary, vacuum infusion processing proved to be a suitable alternative to produce thick aramid/epoxy composites (up to 12 mm), replacing more expensive processing routes.