Análise da resistência ao cisalhamento de compósitos com matriz polimérica utilizados na indústria aeroespacial

Abstract

Resumo: A indústria aeronáutica e aeroespacial demanda a utilização de materiais estruturais que sejam resistentes, rígidos e pouco suscetíveis a corrosão. Essa necessidade impulsionou a busca de materiais com melhores propriedades específicas. Dentre os materiais de engenharia com essas características os materiais compósitos obtidos de fibras de carbono/matriz polimérica são essenciais em aplicações de alto desempenho na indústria aeroespacial. Estes são caracterizados pelo empilhamento de camadas de lâminas individuais constituídas de reforço e matriz, usualmente polimérica. A utilização desses materiais tem ganhado frentes antes restritas a materiais metálicos convencionais devido à combinação eficiente de baixa massa, resistência mecânica e módulo elástico. A característica construtiva laminar impõe restrições na aplicação desses materiais onde esforços de cisalhamento são presentes em estruturas. Sendo assim, deve-se avaliar de forma sistemática essa propriedade almejando atender limites de resistência especificados para uso estrutural. No presente trabalho foram caracterizados compósitos obtidos com fibras de carbono obtidas a partir de poliacrilonitrila (PAN) e Rayon, e matriz resina fenólica. A preparação dos materiais compósitos foi realizada por processo de laminação a vácuo e prensagem, sob ciclo de temperatura controlado. Os compósitos obtidos foram caracterizados pela fração em volume de fibras e microscopia ótica para avaliação da microestrutura. As características desses reforços influenciam sobremaneira na resistência mecânica. Foram obtidas propriedades sob esforço de cisalhamento interlaminar em modo viga curta bi-apoiada e cisalhamento no plano em modo Iosipescu. Os valores analíticos obtidos situaram-se na faixa de 20-100 MPa, e foram comparados a simulação numérica por elementos finitos.

Abstract: The aeronautical and aerospace industry demands the use of structural materials that are resistant, rigid and not susceptible to corrosion. This need stimulated the search for materials with better specific properties. Among the engineering materials with these characteristics composite materials obtained from carbon fibers / polymer matrix are essential in high performance applications in the aerospace industry. These are characterized by stacking layers of individual blades constituted of reinforcement and matrix, usually polymeric. The use of these materials has gained fronts previously restricted to conventional metallic materials due to the efficient combination of low mass, mechanical strength and elastic modulus. The laminar constructive characteristic imposes restrictions on the application of these materials where shear stresses are present in structures. Therefore, this property should be evaluated systematically aiming to meet resistance limits specified for structural use. In the present work were characterized composites obtained with carbon fibers obtained from polyacrylonitrile (PAN) and Rayon, and phenolic resin matrix. The preparation of the composite materials was carried out by a process of vacuum lamination and pressing, under a controlled temperature cycle. The obtained composites were characterized by fiber volume fraction and optical microscopy for microstructure evaluation. The characteristics of these reinforcements greatly influence the mechanical resistance. Interlaminar shear stress properties were obtained in bi-supported short beam mode and shear in the plane in Iosipescu mode. The obtained analytical values were in the range of 50-100 MPa, and the numerical simulation by finite elements was compared.