Comportamento de anéis carbono/epóxi produzidos por enrolamento filamentar sob compressão e condicionamento higrotérmico
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2019Author
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Academic level
Master
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Subject
Abstract in Portuguese (Brasil)
Materiais compósitos possuem excelentes propriedades mecânicas específicas, entretanto, por em geral apresentarem alto grau de anisotropia e complexos modos de falha, o entendimento de sua vida em serviço ainda é um desafio. Esses materiais apresentam um comportamento dependente do tempo, principalmente quando estão submetidos a carregamentos transversais, com uma resposta viscoelástica dependente do tempo, da temperatura, do tipo de carregamento e da carga aplicada. Dentro deste contexto, esse ...
Materiais compósitos possuem excelentes propriedades mecânicas específicas, entretanto, por em geral apresentarem alto grau de anisotropia e complexos modos de falha, o entendimento de sua vida em serviço ainda é um desafio. Esses materiais apresentam um comportamento dependente do tempo, principalmente quando estão submetidos a carregamentos transversais, com uma resposta viscoelástica dependente do tempo, da temperatura, do tipo de carregamento e da carga aplicada. Dentro deste contexto, esse trabalho visa avaliar à curto e longo-prazo o comportamento em compressão e condicionamento higrotérmico de anéis de carbono/epóxi fabricados por enrolamento filamentar. Cilindros com diâmetros de 50,8 mm e 136 mm, ambos com ângulos de enrolamento [±60], [±75] e [±90], e empilhamentos [±60/±90], [±75/±90] e [±90/±90] foram fabricados e analisados. Para a realização dos ensaios de compressão sob condicionamento higrotérmico, foi projetado e construído um equipamento dedicado. Esses ensaios foram executados a partir do carregamento compressivo radial sob uma carga constante (25% da carga máxima para cada configuração de anéis) durante 240 h. Três cenários foram considerados: (i) carregamento mecânico; (ii) carregamento mecânico com amostras imersas em água à temperatura ambiente; e (iii) carregamento mecânico com amostras imersas em água a 40 °C. Ensaios quase estáticos de compressão radial, compressão axial e tração circunferencial foram executados antes e após o ensaio de compressão radial à longo-prazo para determinação das propriedades residuais. As propriedades mecânicas mostraram dependência da relação diâmetro/espessura (d/h) e do ângulo de enrolamento. Foi verificado uma absorção máxima de água à temperatura ambiente de 0,51% para as amostras [±60], e de 1,81% para os espécimes [±60/±90] em água a 40 °C. A Tg do material foi entre 101 e 103 °C, que reduziu para 88 - 93 °C após o envelhecimento térmico. As propriedades residuais de resistência à compressão radial, compressão axial e tração circunferencial após os testes de compressão higrotérmicos à 40 °C reduziram para 85%, 90% e 88%, respectivamente. Os principais modos de falha observados foram delaminação e ruptura de fibras. Ademais, o equipamento proposto foi adequado para a análise do comportamento higro-termomecânico de tubos compósitos à longo-prazo. ...
Abstract
Composite materials have high specific mechanical properties, however, due to their high degree of anisotropy and complex failure modes, knowing their life service is still challenging. These materials exhibit a time-dependent behavior, especially when subjected to transverse loading, with a time-dependent viscoelastic response, temperature, type of loading and applied load. In this context, this work aims at evaluating the short and long-time mechanical behavior in compression and hygrothermal ...
Composite materials have high specific mechanical properties, however, due to their high degree of anisotropy and complex failure modes, knowing their life service is still challenging. These materials exhibit a time-dependent behavior, especially when subjected to transverse loading, with a time-dependent viscoelastic response, temperature, type of loading and applied load. In this context, this work aims at evaluating the short and long-time mechanical behavior in compression and hygrothermal conditioning of carbon/epoxy rings produced by filament winding (FW). Cylinders with diameters of 50.8 mm and 136.0 mm, both wound at [±60], [±75] and [±90], and with stacking sequences of [±60/±90], [±75/±90] and [±90/±90] were produced and analyzed. In order to perform compression tests under hygrothermal conditioning, a dedicated equipment was designed and fabricated. These tests were performed using a constant radial compressive load (25% of the maximum load for each ring configuration) for 240 h. Three scenarios were considered: (i) mechanical loading; (ii) mechanical loading combined with immersion in water at room temperature; and (iii) mechanical loading combined with immersion in water at 40 °C. Radial compression, axial compression and quasi-static circumferential tensile tests were performed before and after the long-term radial compression test to determine the residual properties. The mechanical properties showed dependence on the diameter/thickness ratio (d/h) and the winding angle. The water uptake at room temperature was 0.51% for the samples [±60], and of 1.81% for the specimens [±60/±90] in water at 40 °C. The Tg of the material was found to be between 101 and 103 °C, which reduced to 88 - 93 °C after the thermal aging. The residual properties of radial compression, axial compression and circumferential tensile properties after the hygrothermal compression at 40 °C were reduced to 85%, 90% and 88%, respectively. The main failure modes were delamination and fiber rupture. Moreover, the proposed equipment was suitable for determining the long-term thermomechanical behavior of composite tubes under hygrothermal conditioning. ...
Institution
Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Escola de Engenharia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais.
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