Comportamento mecânico e balístico de laminados híbridos de aramida/vidro

Abstract

O uso de diferentes reforços em uma única matriz permite expandir ainda mais a gama de propriedades de materiais compósitos, incluindo a resistência ao impacto, em comparação ao uso de um único reforço. Assim, o objetivo desta tese é investigar a influência da hibridização de laminados de fibras de aramida com fibras de vidro de alto desempenho, fabricados por infusão a vácuo, na permeabilidade, em diferentes carregamentos mecânicos, em situações de impacto balístico e na resposta a ensaios de indentação quase estática (QSI), visando melhorar a processabilidade dos laminados e a capacidade de absorção de impacto e resistência a penetração. Primeiramente, foram estudados cinco diferentes laminados de vidroR/aramida/epóxi, com cinco camadas. Foram realizadas medidas de permeabilidade aparente no plano dos reforços e ensaios mecânicos (tração, compressão, flexão e short beam) dos compósitos finais. No estudo posterior, laminados vidro-S2/aramida/epóxi foram produzidos com 12 camadas, sendo cinco híbridos, um com apenas aramida (K12) e outro com vidro-S2 (Gl12). Um laminado de vidro-S2 extra foi produzido com 18 camadas (Gl18). Os ensaios de impacto balístico foram realizados de acordo com a EN 1522 FB3, foram determinas as curvas balísticas para obtenção da velocidade limite balística (VBL). No terceiro estudo, laminados de vidro-S2/aramida/epóxi foram produzidos em oito configurações diferentes, com fibras de aramida ([K]4S), com fibras de vidro-S2 ([G]8S), e seis híbridos, [G6K5], [G8K4] [G10K3], [K2G4]S, [G2K]S2 e [G4K2]S, mantendo uma espessura de ≈4 mm. O efeito da hibridização e do empilhamento foi investigado nas propriedades de flexão, short beam, análises dinâmicomecânicas (DMA), e QSI. A hibridização melhorou a qualidade final dos laminados, com redução da quantidade de vazios (%Vv). A inclusão de tecidos de vidro-R aumentou a permeabilidade em relação à aramida, e um efeito sinérgico foi identificado. A inclusão de tecidos de vidro-R fornece uma maior resistência e rigidez em tração e flexão, e maiores resistências a compressão e short beam, sendo os valores mais altos para o laminado puro de vidro-R. Analisando os impactos balísticos ≈430 m/s, tanto o K12 quanto o Gl18 foram perfurados, mas o laminado Gl18 absorveu maior energia , com uma espessura inferior ao laminado K12 (205 J e 177 J, respectivamente). O híbrido com três camadas de vidro-S2 e nove de aramida (Gl3K9) foi capaz de absorver maior energia (190 J) em comparação ao K12, apesar de apresentar menor espessura e densidade de área. Os laminados com seis camadas de vidroS2 e seis de aramida, G6K6, [GlK]6 e K6G6, apresentaram desempenho semelhante em relação à velocidade limite balística, com um pequeno aumento na Eabs quando a aramida estava na superfície de impacto. Diferenças significativas nas propriedades mecânicas e dinâmicomecânicas (efeito do empilhamento) foram observadas para os híbridos [K2G4]S, [G2K]2S, [G4K2]S e [G8K4]. O fator de adesão (A), obtido através dos resultados dos ensaios de DMA, apresentou a correlação mais próxima com a capacidade de absorção de energia dos laminados. Um efeito híbrido positivo foi observado para os laminados com fibras de vidro-S2 na superfície superior ([G6K5] e [G8K4]) nos ensaios de QSI, o laminado [G6K5] apresentou uma resistência à penetração e energia absorvida (9,9 kN e 55 J, respectivamente) maior que a dos laminados puros [G]8S (5,9 kN e 41 J) e [K]4S (8,6 kN e 46 J). Ao todo, a hibridização dos laminados de aramida com vidro pode levar a uma processabilidade aprimorada por infusão a vácuo e permitir uma gama de propriedades mecânicas, sendo uma alternativa na expansão das aplicações para laminados rígidos de aramida. E a hibridização de laminados de aramida com vidro-S2 pode aumentar a capacidade de absorção de impacto e a resistência à penetração, otimizando a aplicação em componentes submetidos a cargas de impacto balístico e de baixa velocidade mantendo a capacidade de suporte de cargas.

Using different reinforcements in a single matrix allows you to further expand the range of properties of composite materials, including impact resistance, compared to using a single reinforcement. Thus, the objective of this thesis is to investigate the influence of the hybridization of laminates of aramid fibers with high-performance glass fibers, manufactured by vacuum infusion, on the permeability values, under different mechanical loads, in ballistic impact situations and in response to quasi-static indentation (QSI) tests, aiming to improve the processability of laminates and the impact absorption capacity and penetration resistance. First, five different R-glass/aramid/epoxy laminates with five layers were studied. Apparent in-plane permeability measurements were carried out in the reinforcements and mechanical tests (traction, compression, bending and short beam) of the final composites. In the subsequent study, S2-glass/aramid/epoxy laminates were produced with 12 layers, five of which were hybrids, one with only aramid (K12) and the other with S2-glass (Gl12). An extra S2-glass laminate was produced with 18 layers (Gl18). Ballistic impact tests were performed in accordance with EN 1522 FB3, ballistic curves were determined to obtain the ballistic limit velocity (VBL). In the third study, S2-glass/aramid/epoxy laminates were produced in eight different configurations, with aramid fibers ([K]4S), with S2-glass fibers ([G]8S), and six hybrids, [G6K5], [G8K4] [G10K3], [K2G4]S, [G2K]S2 and [G4K2]S, maintaining a thickness of ≈4 mm. The effect of hybridization and stacking sequence was investigated on properties of flexure, short beam, dynamic-mechanical analysis (DMA), and QSI. Hybridization improved the final quality of the laminates, with a reduction in the voids content (%Vv). The inclusion of R-glass fabrics increased permeability relative to aramid, and a synergistic effect was identified. The inclusion of R-glass fabrics provides greater strength and stiffness in tensile and flexure, and greater compressive and short beam strengths, the highest values being for pure R-glass laminate. Analyzing ballistic impacts ≈430 m/s, both K12 and Gl18 were perforated, but the Gl18 laminate absorbed more energy, with a lower thickness than the K12 laminate (205 J and 177 J, respectively). The hybrid with three layers of S2-glass and nine of aramid (Gl3K9) was able to absorb higher energy (190 J) compared to K12, despite having lower thickness and areal density. Laminates with six layers of S2-glass and six layers of aramid, G6K6, [GlK]6 and K6G6, performed similarly with regard to ballistic limit velocity, with a small increase in Eabs when the aramid was on the impact surface. Significant differences in mechanical and dynamicmechanical properties (stacking effect) were observed for the hybrids [K2G4]S, [G2K]2S, [G4K2]S and [G8K4]. The adhesion factor (A), obtained through the results of the DMA tests, presented the closest correlation with the energy absorption capacity of the laminates. A positive hybrid effect was observed for laminates with S2-glass fibers on the upper surface ([G6K5] and [G8K4]) in the QSI tests, the laminate [G6K5] showed a penetration resistance and absorbed energy (9.9 kN and 55 J, respectively) greater than that of the pure laminates [G]8S (5.9 kN and 41 J) and [K]4S (8.6 kN and 46 J). Altogether, hybridization of aramid laminates with glass can lead to improved processability by vacuum infusion and allow for a range of mechanical properties, being an alternative in expanding applications for rigid aramid laminates. And the hybridization of aramid laminates with S2-glass can increase the impact absorption capacity and penetration resistance, optimizing the application in components subjected to low velocity and ballistic impact loads while maintaining load bearing capacity.