This work verses about contributions in the optimization of laminated fiber reinforced composites. At first, it is presented a new solution concept to Discrete Material Optimization (DMO) problems based on Sequential Approximate Optimization (SAO) techniques, employing new compliance approximations in terms of intermediate variables which are explicit functions of the DMO weights. The proposed methodology improves significantly the quality of the approximations and consequently the general convergence characteristics of several DMO compliance minimization (stiffness maximization) problems. Then, it is presented a Hierarchical Optimization scheme for laminated composite structures, considering simultaneous design of macroscopic (structural) and microscopic (material) levels. The macroscopic level takes into account orientations and fiber volume fractions of unidirectional composite layers. The microscopic level considers the cross-sectional size and shape of the reinforcement fibers, assuming them elliptical. Both levels are coupled and the objective is to minimize compliance under a total fiber volume fraction constraint. It is shown that changes in the shape of the fibers permit to increase structural stiffness. An assessment of microstructural stresses is also included and shows the fibers'; shape influence on layers'; stress concentrations.

Este trabalho trata da obtenção e caracterização de compósitos de tecido de fibras de carbono de trama simples 1x1 (Plain Weave) impregnados com quatro tipos de matrizes poliméricas termoplásticas: poli(propileno) isotático (PP), copolímero de poli(propileno)-poli(etileno) (PP/PE), copolímero PP/PE com o agente de acoplamento AM1 e copolímero PP/PE com agente elastomérico AM2. As matrizes poliméricas foram caracterizadas pelas técnicas de calorimetria exploratória diferencial (DSC), termogravimetria (TG), análise térmica dinâmico-mecânica (DMTA), reologia, absorção no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), microscopia óptica com estágio de aquecimento e difração de raios X. Os resultados obtidos nestas análises foram correlacionados e apoiaram a proposição de um ciclo térmico de processamento dos laminados por moldagem por compressão a quente. Os laminados são formados por quinze camadas de tecido de fibra de carbono 0o/90o . As quatro famílias de laminados processadas foram avaliadas por ultra-som mostrando que a consolidação das amostras não resultou em falhas de compactação. A determinação do teor de FC nos laminados, cerca de 60% (v/v), e as análises microestruturais por microscopia óptica de luz polarizada (MOLP) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) confirmam o adequado estabelecimento dos parâmetros de processamento dos laminados. Os ensaios mecânicos mostram que o laminado FC-PP/PE-AM1 apresenta valores mais baixos de resistência ao impacto e mais altos de resistência à tração. As análises por MEV destas amostras fraturadas por impacto e por tração revelam uma boa adesão na interface entre fibra-matriz, atribuída ao agente AM1 que melhorou a interface reforço-matriz. Os laminados FC-PP/PE-AM2 apresentam valores mais baixos de resistência à tração e mais altos de impacto, indicando que o aditivo AM2 tenacificou a matriz. Os laminados de PP-PE e PP (sem modificadores na formulação) apresentam os valores mais baixos de resistência mecânica.

A alta performance termo-mecanica dos compositos de carbono reforcados com fibras de carbono (CRFC) tem feito com que estes materiais sejam utilizados na industria aeroespacial, principalmentecomo insertos de gargantas de motor-foguete e discos de freios de aeronaves. Devido as condicoes extremas de temperatura e pressao, asfibras de carbono devem ser dispostas no composito, no minimo, em tres direcoes ortogonais (3D) para evitar, dentre outros fenomenos prejudiciais, delaminacoes durante o uso e a fabricacao do material.A Divisao de Materiais do IAE vem, ao longo dos ultimos anos, desenvolvendo processos e caracterizando materias-primas nacionais para obtencao de CRFC-3D de aplicacao aeroespacial. Esforcos tambem tem sido feitos para caracterizar os compositos obtidos, uma vez que nao existem normas de ensaios padronizadas para estes materiais.No presente trabalho, o CRFC-3D foi obtido por processo de densificacao liquida, a baixa pressao, com resina fenolica e piche nacionais. Para a caracterizacao mecanica destes compositos, foram feitos ensaios de cisalhamento interlaminar, e de flexao em quatro pontos. As superficies de fratura foram analisadas por microscopia eletronica de varredura (MEV). O CRFC-3D obtido foi, ainda, submetido a ensaio de resistencia a ablacao, com temperatura de chama aproximadamente de 2250 graus centigrados. Os resultados foramcomparados com os obtidos com compositos importados (inserto de tubeira e disco de freio), e divergente produzido no CTA. Foi observado, na faixa de massa especifica investigada, que as propriedades mecanicas dos CRFC obtidos sao extremamente sensiveis aos ciclos de densificacao.

Os compósitos carbono reforçados com fibras de carbono (CRFC) são materiais resultantes da união do reforço de fibras de carbono com uma matriz carbonosa. Essa combinação faz com que o material tenha propriedades termo-mecânicas para aplicações a altas temperaturas (1000o - 2800oC). Tais materiais têm sido utilizados, nas últimas três décadas, como gargantas de tubeiras de foguetes e freios em aeronaves militares e comerciais, aplicações estas onde as propriedades térmicas e a baixa massa específica (<2,0 g/cm3) são preponderantes. Este trabalho mostra o estudo para o estabelecimento de parâmetros de processamento de compósitos CRFC aplicados na área de elementos de fricção pelo método de prensagem a quente. Foram estabelecidas as condições de obtenção do reforço, um dos pontos críticos na obtenção dos freios, utilizando-se tecido e feltros de fibras de carbono em diferentes arranjos. Os feltros utilizados foram obtidos experimentalmente a partir de feltros de poliacrilonitrila como material precursor. Estes reforços, tecidos e feltros de fibra de carbono, foram impregnados em uma única etapa com resina fenólica resol aditada com grafite e negro de fumo, sendo em seguida carbonizados a 1000oC. As propriedades físicas e mecânica dos materiais obtidos foram correlacionados com os parâmetros de processamento. Os compósitos CRFC obtidos com diferentes arranjos do reforço apresentaram valores de massa específica aparente entre 0,80 e 1,4g/cm3 e a resistência ao cisalhamento interlaminar entre 1,6 e 5,6 MPa, sendo que o arranjo tecido/feltro mostrou-se o mais adequado para possíveis impregnações posteriores, por apresentar maior porcentagem de poros de transporte. As características finais do CRFC obtido são coerentes com um único processo de impregnação utilizando matriz de resina.

A utilização de materiais compósitos tem-se tornado cada vez mais frequente em função das excelentes propriedades físicas e estruturais, aliadas à baixa densidade que apresentam. O aumento dos campos de aplicação dos materiais compósitos somente foi possível devido à evolução dos reforços utilizados. A utilização de tecidos tri direcionais como reforços de materiais compósitos melhoram o desempenho e possibilitam sua utilização em campos cada vez mais exigentes, principalmente por reduzir a incidência de falhas por delaminação. Este estudo apresenta o desenvolvimento de um tecido multicamadas tri direcional em fibra de carbono, composto por 6 camadas entrelaçadas entre si, que possa ser utilizado como reforço de materiais compósitos. Utilizando-se o tecido desenvolvido neste trabalho, foram produzidos placas de compósitos pelo processo de saco de vácuo. As propriedades dos compósitos obtidos foram avaliadas por ensaios destrutivos e não destrutivos. Para avaliação das propriedades dinâmico-mecânicas, foi utilizado ensaio não destrutivo de vibração livre amortecida. Os resultados obtidos foram comparados com resultados reportados em literatura para compósitos similares. Para as propriedades de cisalhamento, foi utilizado ensaio de resistência ao cisalhamento, modo Iosipescu, que é um ensaio destrutivo. Os resultados obtidos também foram comparados com os reportados em literatura para compósitos similares. Apesar da baixa uniformidade apresentada pelo tecido, uma vez que o mesmo foi desenvolvido utilizando-se um tear artesanal, os resultados obtidos para os compósitos produzidos com o tecido desenvolvido neste trabalho se mostraram semelhantes aos obtidos em literatura. O que permite afirmar que o tecido multicamadas tri direcionais pode ser utilizado para a fabricação de peças estruturais.

Um motor-foguete a propelente sólido se caracteriza por operar internamente com altas temperaturas, altas pressões, altas taxas de erosão, grandes choques térmicos e com ausência de sistemas convencionais de resfriamento. Devido a esses fatores, há necessidade de proteger o tubo-motor e isto é feito por compósitos poliméricos ablativos e liners. Como material ablativo são utilizados os compósitos com matriz fenólica. Como reforço desses compósitos, foram utilizados tecidos de fibras de algodão, de amianto, de dióxido de silício e nos últimos 15 anos, quase que exclusivamente os tecidos de fibras de carbono. O objetivo deste trabalho foi obter e caracterizar pré-impregnados e compósitos carbono-fenólicos aditivados com nanopartículas de carbono, pois peças como os divergentes dos motores-foguete de alto desempenho dos boosters do Space Shuttle norte-americano utilizam esse material como proteção ablativa. Três tipos de nanopartículas de carbono foram utilizados como aditivo à matriz fenólica: grafite natural micronizado, negro de fumo tipo acetileno e negro de fumo tipo fornalha. Para o estudo foi projetada e fabricada uma impregnadeira de escala piloto. Nesse equipamento foram produzidos pré-impregnados (pre-pregs), com concentrações de 5, 10 e 15% (m/m) de aditivo. Nas mesmas condições, foi obtido também pre-preg sem aditivo. De cada concentração de aditivo foram prensados 9 placas de compósito que foram utilizadas como corpo-de-prova. Esses compósitos foram obtidos prensando os pre-pregs em uma prensa hidráulica, utilizando o processo de compressão à quente. Para caracterização dos aditivos e do tecido de fibras de carbono foram obtidos os espectros de difração de raios-X e Raman. Nos pre-pregs foram determinados: a concentração % mássica e volumétrica da matriz, reforço e aditivos; o escoamento e os voláteis. Nos compósitos foram determinados: a concentração % mássica e volumétrica da matriz, reforço e aditivos; o teor de vazios, a massa específica teórica e experimental, o coeficiente de transmissão de calor, o coeficiente de expansão térmica linear, a resistência ao cisalhamento Iosipescu e a resistência à ablação em maçarico oxiacetilênico e em tocha de plasma. Amostras do compósito foram examinadas por microscopia ótica para caracterização de trincas e vazios. Os resultados mostraram que a aditivação com nanopartículas de carbono, produziu compósitos ablativos com propriedades superiores ao material sem aditivação, entretanto, a aditivação da resina fenólica com nanopartículas de carbono impõe limites no processo de impregnação dos pre-pregs.

Este trabalho envolve o processamento de compósitos carbono/epóxi pelo uso da técnica VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding). A simulação do fluxo de resina na impregnação do reforço foi realizada pelo uso de um programa comercial, RTM-Worx, visando a obtenção de uma placa e de uma seção em C. Para a realização da simulação foram determinadas experimentalmente a viscosidade da resina epóxi utilizada e a permeabilidade e a fração volumétrica da preforma de tecido de carbono utilizada como reforço. Por meio da simulação do fluxo de resina foram analisadas três estratégias de posicionamento dos canais de injeção e de vácuo no molde para a obtenção de uma viga de seção C. A partir da seleção da melhor proposição este componente foi obtido experimentalmente. Os resultados obtidos mostram que o ensaio de permeabilidade unidirecional realizado apresentou-se adequado, com um bom ajuste linear dos dados. No entanto, os tempos de preenchimento estimados nas simulações foram menores que os experimentais (6% menor para a placa e 11% para a seção em C). Verificou-se ainda que apesar das aproximações feitas nos dados de entrada do programa RTM-Worx, os desvios das simulações foram relativamente pequenos e na faixa normalmente observada em trabalhos da literatura. A etapa de pré-formagem mostrou-se também fundamental para a qualidade final da peça.

O interesse na utilização de compósitos de matriz termoplástica tem crescido continuamente na indústria aeroespacial, demandando a necessidade de ampla investigação do comportamento mecânico desses materiais para verificação da viabilidade de sua aplicação no produto. A proposta deste trabalho é avaliar as influências da fadiga (4,0 × 104 e 8,0 × 104 ciclos) e das condições ambientais (-55C, 23C, e 82C/Umid) na resistência final à compressão do compósito termoplástico poli(sulfeto de fenileno) reforçado com fibra de carbono, por meio de ensaios de compressão com furo induzido (Open-Hole Compression - OHC). Análises do efeito da fadiga evidenciam que às temperaturas de -55 e 23C, as resistências OHC finais foram 6-13% e 5-10% maiores para os corpos-de-prova fadigados que para os não-fadigados; na análise pós-falha, observa-se uma maior quantidade de delaminações ao redor do furo para os corpos-de-prova que sofreram fadiga em comparação aos que não sofreram fadiga, possivelmente devido a separações das fibras e delaminações durante o ensaio de fadiga, causando a redução da concentração de tensão no furo e assim o aumento de sua resistência final. Na condição 82C/Umid, não há alteração na resistência OHC com a ciclagem: a temperatura próxima à temperatura de transição vítrea (Tg) associada à umidade pode ter resultado em amolecimento da matriz, sugerindo uma redução na separação das fibras durante a ciclagem, observando-se características de falha similares, apresentando mínima delaminação na região do furo. Análises do efeito da temperatura mostram que resistências OHC finais diminuem com o aumento da temperatura e nota-se uma maior quantidade de danos com a diminuição da temperatura de ensaio. Da condição 23C para 82C/Umid, a resistência à compressão do compósito diminui em 6-7%, 13-20% e 18-20% após 0 ciclos (estático), 4,0 × 104 e 8,0 × 104 ciclos, respectivamente, uma vez que a temperatura próxima à Tg da matriz, associada com umidade, resulta no seu amolecimento, reduzindo o suporte lateral às fibras 0, direcionando para uma falha devido à instabilidade da fibra. Por outro lado, uma baixa temperatura (-55C) melhora a resistência à compressão em 8-10%, 13-14% e 4-7% após 0 ciclos (estático), 4,0 × 104 e 8,0 × 104 ciclos, respectivamente, quando comparado com a condição 23C, podendo ser atribuído a interfaces fibra-matriz mais compactas aumentando a contribuição da fibra para resistência à compressão. Observam-se características de falhas por compressão, como bandas de torção e microflambagem das fibras fora-do-plano, nos corpo-de-prova pós-falha para todas as condições ambientais.

O uso de compósito carbono-carbono reforçado com fibras de carbono (CRFC) em altas temperaturas e ambientes antioxidantes pode ser viabilizado pela aplicação de um recobrimento cerâmico com gradiente de composição entre carbeto de boro (B4C) e carbeto de silício (SiC).A aplicação do recobrimento com gradiente de composição fornece a proteção em uma ampla faixa de temperaturas. Em temperaturas intermediárias esta ocorre pelo mecanismo de auto proteção, que envolve a oxidação de fases ricas em boro abaixo da superfície do recobrimento, formando vidros de boro e borosilicatos que selam as trincas inerentes ao tipo de recobrimento, e em altas temperaturas pela formação de uma fina camada de SiO2 resultante da oxidação do SiC na superfície. A conversão do carbono em carbetos cerâmicos, na superfície do compósito, se dá pela reação deste com as espécies gasosas oriundas das reações entre os componentes da mistura cementante, SiC + ZrB2 + Al2O3, que ocorrem em altas temperaturas com a conseqüente liberação de SiO, B2O e Al. Os gases reativos formam com o carbono as fases B4C, Al4C3, SiC e Al8B4C7 em temperaturas que vão de 1300 a 1600oC. As prováveis reações de formação dos gases reativos e as reações de conversão do carbono são propostas com base em analises por difração de raios-x e considerações termodinâmicas. A alumina (Al2O3) da mistura cementante é responsável pelas reações de dissociação e oxidação de SiC e ZrB2, atuando como elemento essencial para a formação do recobrimento funcionalmente ativo.

Em meio à crescente concorrência que existe no atual mercado de aviação, torna-se imprescindível aos construtores de aeronaves a constante busca por alternativas de projeto que permitam o aumento da eficiência das aeronaves, bem como a redução de custos de fabricação das mesmas. No projeto de estruturas aeronáuticas há crescente utilização de componentes produzidos com materiais compostos. Entre as principais razões para a utilização destes encontra-se a redução de peso, pois estes materiais geralmente apresentam relações resistência/peso e rigidez/peso superiores às dos materiais puramente metálicos utilizados nas estruturas aeronáuticas, tais como as ligas de alumínio. Não obstante, o potencial dos materiais compósitos em aplicações aeroespaciais comerciais só pode ser plenamente percebido se seus custos relativamente elevados são compensados, explorando sua aptidão inerente para a fabricação direta em grandes estruturas monolíticas, reduzindo significativamente os custos de produção. Desta forma o objetivo aqui proposto é o de avaliar a capacidade produtiva da fabricação de peças estruturais aeronáuticas, dos tipos longarinas e reforçadores, utilizando o processo de conformação a quente a partir de um laminado plano de carbono-epóxi obtido pela disposição manual ou automática das camadas de fibra de carbono. Este trabalho descreve o desenvolvimento do processo de conformação a quente com fibra de carbono pré-impregnada de resina epóxi em molde macho de alumínio, utilizando um dispositivo de conformação a quente com a capacidade de aquecer e conformar o material com auxílio do vácuo. O desenvolvimento deste processo foi divido em revisão bibliográfica, fabricação preliminar de corpos de prova e a fabricação de peças com o dispositivo de conformação a quente, além da estimativa de redução de tempo para a fabricação de uma longarina proposta em material composto, utilizando a conformação a quente e a laminação automática. O trabalho inclui procedimentos de teste e fabricação e os resultados que validam o desenvolvimento do processo de conformação a quente, os quais incluem a verificação da necessidade de aplicação de pré-vácuo para compactação nos painéis manualmente laminados utilizados no processo, a capacidade do aparelho de ultrassom de detectar possíveis defeitos internos gerados pelo processo e a produtividade conseguida pelo novo processo na confecção de peças estruturais aeronáuticas do tipo longarinas e reforçadores frente à técnica de laminação manual.