Laminado compósito a base de tecido híbrido: anisotropia, furo concêntrico, fratura mecânica e análise por MEF

Constituídos de uma fase aglutinante (matriz) e outra (reforços) que lhes conferem sustentabilidade e capacidade de suporte de carga, os materiais compósitos encontram-se cada vez mais consagradamente estabelecidos no meio tecnológico, tanto das pesquisas quanto do uso industrial, em face da variedade de suas aplicações, possibilidades de utilização e configurações sempre inovadoras de concepção. Matrizes e reforços ligam-se sem fusão permitindo a conservação de suas características particulares, mas conferem novas propriedades ao novo material, que originam, possibilitando a preparação deste, segundo conformação desejada para uma finalidade determinada. Neste sentido, no trabalho de pesquisa que ora se apresenta, foi idealizado um compósito laminado a base de uma resina polimérica termofixa do tipo Epóxi Éster Vinílica, reforçada com 8 (oito) camadas de um tecido híbrido bidirecional constituído por fibras kevlar na direção urdume e fibras de carbono na direção trama; esse material compósito foi definido como LC (Laminado Compósito a base de tecido híbrido bidirecional carbono/kevlar). O estudo do comportamento mecânico desse compósito laminado LC foi realizado segundo enfoques experimental, analítico e numérico com o objetivo geral de determinar suas respectivas propriedades mecânicas (principalmente, resistência última e módulo elástico), levando em conta a propriedade de anisotropia do tecido híbrido e a presença de descontinuidade geométrica (furo circular concêntrico). No caso da descontinuidade geométrica, foram determinados os parâmetros “ao” e “do” correspondentes, respectivamente, aos critérios de falha ASC (Average Stress Criterion) e PSC (Point Stress Criterion), os quais caracterizam as distâncias da região de concentração de tensões na vizinhança do furo. O enfoque numérico consistiu em analisar o comportamento de dois modelos numéricos semi-empíricos propostos, simulados pelo Método dos Elementos Finitos (MEF) e, respectivamente, referenciados como IFA-CTPF/SF, para os grupos de corpos de prova sem furo, ou como IFA-CTPF/CF, para os grupos de corpos de prova com presença de furo concêntrico. A partir do critério de falha PSC, os resultados obtidos para propriedades e parâmetros averiguados, tanto sob o enfoque analítico quanto sob o enfoque numérico, apresentam-se coerentemente consistentes com os dados experimentais, nas duas direções consideradas para solicitação do laminado LC (direção fibras de carbono ou direção fibras kevlar); resultados análogos, provenientes da aplicação do critério de falha ASC sob enfoque numérico, não se mostraram tão satisfatórios em face dos dados experimentais correspondentes ou dos oriundos da avaliação sob enfoque analítico. Todo o estudo do comportamento mecânico foi com base no ensaio de tração uniaxial. A caracterização física do laminado LC foi feita mediante ensaios de Densidade Volumétrica e Calcinação, este último para obtenção dos teores (em termos percentuais) dos parâmetros microestruturais (matriz, fibras e vazios). A análise da fratura mecânica foi realizada a partir da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), com o objetivo de identificar os danos originados em suas microestruturas.Composite materials consist of an agglutinative phase (matrix) and another (reinforcements) that provides them with sustainability and load bearing capacity. Their multiple applications, possible uses and always innovative conceptions mean they are being increasingly used in technological fields, in both research and industrial use. Matrices and reinforcements bind without fusion, conserving their particular characteristics, but providing novel properties to the new material formed for a given purpose. In this respect, the present study designed a based epoxy vinyl ester thermoset polymer resin laminate composite, reinforced with eight layers of a bidirectional hybrid fabric consisting of Kevlar fibers in the warp direction and carbon fibers in the weft direction; this composite material was denominated CL (carbon/Kevlar bidirectional hybrid fabric-based composite laminate). The mechanical behavior study of this CL laminate composite was conducted using an experimental, analytical and numerical approach with the general aim of determining its mechanical properties (primarily ultimate tensile strength and modulus of elasticity), considering the anisotropy of the hybrid fabric and the presence of geometric discontinuity (circular hole). In the event of geometric discontinuity, distances characteristics “ao” and “do”, corresponding to the Average Stress Criterion (ASC) and Point Stress Criterion (PSC), were determined, characterizing the extent of stress concentration around the hole. Numerical focus consists of analyzing the behavior of two proposed semiempirical models, simulated using the finite element method (FEM) and referenced respectively as HA-SFFP/H (Influence of the Concentric Hole/Anisotropy in the Stress Field and Failure Prevention), for the test specimens with concentric hole and HA-SFFP/O for the test specimens without concentric hole (original condition). The entire mechanical behavior study was based on the uniaxial tensile test. The physical characterization of the CL laminate was conducted using volumetric density and calcination tests, the latter to obtain levels (percentages) of microstructural parameters (matrix, fibers and voids). Mechanical fracture analysis was carried out using a scanning electron microscope (SEM), in order to identify microstructural damage. In general, anisotropy and the presence of a circular hole directly influenced the results. The semiempirical models proposed were satisfactory in their predictions, mainly the model based on the Point Stress Criterion.2018-07-2