Um material compósito pode ser definido como uma combinação macroscópica de, pelo menos, dois materiais distintos, possuindo uma fronteira reconhecível entre eles. Dado o interesse destes materiais em aplicações estruturais, a definição é restrita aos materiais que contêm um reforço (fibras ou partículas) suportado por um material aglomerante (matriz).
Tipicamente, os materiais compósitos apresentam uma fase descontínua de fibras ou partículas, mais rígida e resistente que a fase contínua da matriz. Para justificar o termo reforço, deve existir, geralmente, uma fracção volúmica expressiva da fase descontínua.
Os materiais compósitos classificam-se de diversas maneiras. Um dos esquemas mais simplificados é a separação em tipos de reforço – reforçado com partículas ou reforçado com fibras. Os compósitos reforçados com fibras podem ainda ser divididos em compósitos com fibras contínuas ou descontínuas.
Os reforços são considerados como partículas se todas as suas dimensões são aproximadamente iguais. Esferas e flocos são exemplos típicos de partículas reforçadoras. Existem, no entanto, partículas poliméricas que em vez de reforçarem, modificam o volume do material. Estas partículas, normalmente utilizadas por questões de preço do material, não são consideradas como partículas reforçadoras.
Os compósitos reforçados com fibras contêm reforços com uma das dimensões muito maior do que as outras duas, ou seja, com um comprimento superior à secção da fibra.
Um compósito é considerado reforçado com fibras descontínuas ou curtas se as suas propriedades variam com o comprimento da fibra. Por outro lado, um compósito diz-se reforçado com fibras contínuas, quando, por alteração do comprimento da fibra, não se alteram as características elásticas do compósito. Existem mesmo fibras contínuas com dimensão semelhante à dimensão global da peça em material compósito.
Embora existam muitos tipos de compósitos, por razões que se prendem com tradição, custo e desenvolvimento, a exposição centra—se em compósitos reforçados com fibras continuas ou descontínuas de matrizes orgânicas (resinas).
Os compósitos reforçados com fibras foram desenvolvidos com base nas necessidades da indústria aeroespacial, não satisfeitas pelos materiais convencionais (aço, alumínio, e suas ligas). As ligas de alumínio com alta resistência e boa rigidez para baixo peso, constituíram materiais fundamentais para estruturas de aviões durante anos. Problemas com corrosão e fadiga nestas ligas promoveram na Segunda Guerra Mundial o desenvolvimento de novos materiais para aplicações estruturais. No fim da guerra já os compósitos reforçados com fibras de vidro eram utilizados em motores de foguetes fabricados por enrolamento filamentar.
Actualmente, uma enorme variedade de aplicações utilizam compósitos de fibra de vidro a preços competitivos.
Finalmente, em situações de carregamento com orientação preferencial, e em que o peso seja crítico, estes compósitos podem ser “trabalhados” para as direcções de carga, com poupança de material em direcções onde o reforço seja dispensável.
Numa estrutura constituída por materiais compósitos produzem-se roturas ao nível micro e macroscópico. A previsão exacta destas roturas por métodos numéricos torna-se muito difícil, devido aos variados parâmetros envolvidos, como as interfaces matriz-reforço, características da matriz e do reforço, organização dos reforços, empilhamento das camadas, etc.
As abordagens na análise de tensões em componentes estruturais situam-se em três escalas:
Micro, em que as fibras e a matriz são fases elásticas independentes
– Mini, em que cada camada ou lâmina individual é tratada como um corpo elástico ortotrópico homogéneo independente
– Macro, em que a estrutura ou laminado de materiais compósitos é tratada como um corpo elástico anisotrópico homogéneo.
No projecto estrutural de materiais compósitos, são consideradas as duas últimas escalas.
Os modelos mais correntes determinam propriedades homogéneas da camada, equivalentes às propriedades das fibras e da matriz, ou propriedades homogéneas equivalentes do laminado, a partir das propriedades das camadas.
A análise em resistência é difícil de realizar por várias razões. Ao homogeneizar as propriedades das fibras e da matriz em propriedades equivalentes, traduz-se em média as contribuições dos componentes para o conjunto. No entanto, se para a rigidez este conceito funciona razoavelmente, em termos de resistência o problema é mais complicado, dado que a iniciação da rotura é produzida por defeitos distribuídos ao acaso, e imprevisivelmente, na estrutura. Geralmente iniciados pelo próprio processo de transformação, estes defeitos originam regiões de altas tensões demasiado numerosas para serem modeladas, funcionando como núcleos de rotura.
Fonte: Engenharia Civil
