Análise Falha Em Compósitos

Análise fractográfica do modo de falha de compósitos carbono/epóxi

Failure mode fractographic evaluation of carbon/epoxy composites

Franco, L.A.LI; Botelho, E.C.II; Cândido, G.M.III; Rezende, M.C.I

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RESUMO

A utilização de compósitos poliméricos na fabricação de aeronaves vem sendo cada vez mais intensa. Em função disso, a possibilidade de ocorrer falhas em serviço de um componente fabricado em compósito polimérico torna-se cada vez maior. A análise de falhas de materiais compósitos ainda é um tema pouco explorado, principalmente no Brasil, porém vem tornando-se cada vez mais importante em apoio à área de prevenção e investigação de acidentes aeronáuticos. Este trabalho teve como objetivo a caracterização de fraturas em laminados unidirecionais de fibra de carbono de módulo intermediário com sistema de resina epóxi modificada, tipo 8552, em resistência ao cisalhamento interlaminar nas condições ambiente e saturado de umidade em câmara higrotérmica. A análise fractográfica no plano de falha dos laminados foi realizada por microscopias óptica e eletrônica de varredura. A comparação dos resultados mostrou que o condicionamento higrotérmico afetou significativamente a região de interface da resina sem alterar a adesão interfacial fibra/resina. Os aspectos de fratura presentes na região de resina, como cristas de galo e escarpas, e do reforço foram detalhados, podendo-se assim estabelecer a direção de propagação da trinca e caracterizar o modo de falha, por ser do tipo misto (arrancamento e cisalhamento simultaneamente).

Palavras-chaves: fractografia, análise de falhas, compósitos, cisalhamento interlaminar, condicionamento ambiental.

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ABSTRACT

The use of polymeric composites in aircraft fabrication has been more and more intense. As a function of this fact, the possibility to occur service failures in components produced by using polymeric composites has increased more and more. The failure analyses in composite materials is still not much explored, principally in Brazil, but it has been very important in order to give subsidies to prevent aeronautical accidents. This work focuses the fracture characterization of intermediate modulus type unidirectional carbon fiber laminates impregnated with modified epoxy resin (code 8552), by using interlaminar shear test, in two conditions: ambient and saturated with moisture in an hygrothermal chamber. The fractographic analyses on the failure plane of the laminates were performed by optical and scanning electron microscopies. The comparison of results showed that the hygrothermal conditioning affects significantly the interface region but doesn't alter the fiber/matrix interfacial adhesion. The failure modes present in the resin region, such as hackles and scarps, and in the reinforcement were evaluated, being possible to establish the failure propagation direction and the failure mode that was characterized as a mixing of pull-out and shear modes.

Keywords: fractography, failures evaluation, composites, interlaminar shear, hygrothermal conditioning.

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1 INTRODUÇÃO

Devido aos compósitos poliméricos avançados apresentarem elevadas propriedades específicas, como resistência e rigidez combinadas com baixa massa específica, essa classe de materiais tem se tornado cada vez mais atrativa para o setor aeroespacial. Sempre que possível, a manufatura de componentes estruturais metálicos é substituída pelo processamento com materiais mais leves e que apresentam desempenho mecânico equivalente [1, 2]. Entretanto, a crescente utilização de componentes estruturais aeronáuticos em materiais compósitos poliméricos tem aumentado a possibilidade de ocorrência de acidentes e incidentes aeronáuticos, envolvendo peças fabricadas com esses materiais [3]. Nesse caso, a causa da falha deve ser investigada para prevenir futuras ocorrências e melhorar o projeto e/ou desempenho do componente ou estrutura. Muitas vezes, o componente em compósito é fabricado por processo de laminação de camadas de material pré-impregnado curado a vácuo em autoclave. No entanto, a complexidade de parâmetros envolvidos nessa técnica de processamento, como tipo e orientação do reforço e especificação da matriz polimérica, dificulta o estabelecimento de metodologias normalizadas para a análise de falhas da estrutura.

Um dos procedimentos utilizados para analisar os modos de falha em material compósito é por meio da avaliação da qualidade da adesão interfacial fibra-resina. Este conhecimento permite prever o comportamento do material em serviço quanto à possibilidade de ocorrência de falha na adesão dos constituintes do compósito [2]. Dentro deste contexto, uma das metodologias que vem sendo utilizada como ferramenta de controle da qualidade de compósitos poliméricos com fibras longas, com ampla aceitação para avaliar as propriedades de adesão interfacial fibra/resina, envolve ensaios de resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS). Este ensaio fornece a máxima resistência à adesão interfacial fibra/resina após o carregamento em três pontos e é muito utilizado em laminados unidirecionais devido à simplicidade, facilidade e baixo custo do preparo dos corpos-de-prova. A partir das superfícies de fratura do compósito, realiza-se a análise fractográfica, identificando os aspectos que indicam a direção de propagação da trinca e o modo de falha predominante na fratura do compósito [2].

Com base no que foi anteriormente exposto, este trabalho tem como objetivo identificar os modos de falha e os aspectos típicos das fraturas