Estudo numérico-experimental da permeabilidade transversal de pré-formas fibrosas

Abstract

Um conhecimento aprofundado do comportamento da matriz polimérica no estado líquido escoando através de reforços fibrosos traz benefícios na fabricação de materiais compósitos principalmente ao considerarmos esse escoamento na direção transversal ao plano dos reforços. Isso é devido ao avanço na utilização de compósitos de maior espessura que trouxe, por sua vez, esse desafio tecnológico. Assim, para otimizar a etapa de impregnação dos reforços, que leva ao aumento da qualidade final desses compósitos e a redução de custos, deve-se conhecer as principais componentes da permeabilidade dos reforços. Esse desafio motivou a pesquisa desse trabalho de forma a avançar o conhecimento com relação a componente transversal da permeabilidade, Kzz, e como ela é afeta pelas características dos reforços em uma ampla faixa de frações volumétricas de fibra (Vf). Para tanto, um equipamento de medição de Kzz foi projetado, construído e utilizado no ensaio de diferentes reforços. Parâmetros de teste como a espessura da pré-forma e o fluido de trabalho foram avaliados, seguido do efeito do tipo de reforço e do Vf, bem como ensaios de permeabilidade no plano e compressão de camadas empilhadas de tecidos também foram realizadas para contribuir com o entendimento do efeito das características dos reforços no Kzz. As mantas de fibras curta apresentaram os maiores valores de permeabilidade, enquanto dentre os tecidos aqueles com arquitetura menos compacta, e de menor tex, foram os que apresentaram maior Kzz. Além disso, foi verificado uma mudança importante de comportamento no escoamento transversal com relação ao Vf. Para teores de fibra de até 50% os espaços entre os feixes em uma mesma camada de reforço, bem como o alinhamento desses espaços em camadas adjacentes, leva a elevados valores de Kzz. Por outro lado, quando o teor de fibra é maior do que 50% há aumento da compressão que desalinha feixes e diminui o Kzz. A partir daí, a elevada compressão dos reforços faz com que o caminho preferencial seja através dos feixes que de forma que a permeabilidade se reduz significativamente. Visando complementar e aprofundar o estudo, adaptou-se uma metodologia numérica usando o método de volumes finitos e resolvendo as equações de conservação da massa e quantidade de movimento em conjunto com a lei de Darcy para obter a solução do escoamento. Após os testes de independência de malha, os resultados numéricos foram comparados aos experimentais e, dada a proximidade desde, foi definida a possibilidade de utilizar essa metodologia adpatada para realização de novos estudos do escoamento transversal em meios fibrosos.

A further investigation on the behavior of the polymer matrix in the liquid state flowing through fibrous reinforcements brings benefits in the manufacture of composite materials, especially when considering this flow in the transverse direction to the reinforcement plane. This is due to the advance in the use of thicker composites, which, in turn, brought this technological challenge. Thus, to optimize the reinforcement impregnation step, which leads to an increase in the final quality of these composites and a reduction in costs, the main components of the reinforcement permeability must be known. This challenge motivated the research of this work in order to advance the knowledge regarding the transversal component of permeability, Kzz, and how it is affected by the characteristics of the reinforcements in a wide range of fiber volume fractions (Vf). For this purpose, a Kzz measurement equipment was designed, built and used to test different reinforcements. Test parameters such as preform thickness and working fluid were evaluated, followed by the effect of reinforcement type and Vf, as well as in-plane permeability and compression tests of stacked layers of fabrics were also performed to contribute to the understanding the effect of reinforcement characteristics on Kzz. The short fiber mats had the highest permeability values, while among the fabrics those with less compact architecture, and with lower tex, were the ones with the highest Kzz. In addition, an important change in the behavior of the transversal flow was verified in relation to Vf. For fiber contents of up to 50%, the spaces between the bundles in the same reinforcement layer, as well as the alignment of these spaces in adjacent layers, lead to high Kzz values. On the other hand, when the fiber content is greater than 50%, there is an increase in compression, which misaligns bundles and decreases Kzz. From there, the high compression of the reinforcements makes the preferential path through the beams, so that the permeability is significantly reduced. Aiming to complement and deepen the study, a numerical methodology was adapted using the finite volume method and solving the mass and momentum conservation equations together with Darcy's law to obtain the flow solution. After the mesh independence tests, the numerical results were compared to the experimental ones and, given the proximity since, the possibility of using this adapted methodology to carry out new studies of the transversal flow in fibrous media was defined.