Neste trabalho foi desenvolvido o processo RTM (Resin Transfer Molding) de produção de laminados reforçados de fibra de vidro e de carbono para uso aeronáutico. Na fase inicial do desenvolvimento foi utilizado um molde didático com visores em vidro para permitir a visualização do escoamento da resina através das camadas dos laminados de fibra de vidro. Em seguida, várias placas reforçadas de fibra de carbono foram moldadas em um molde de alumínio. Corpos-de-prova obtidos dessas placas foram testados em ensaio de flexão a quatro pontos e cisalhamento interlaminar. A fim de se verificar a qualidade dos laminados, foi realizado ainda ensaio físico-químico para avaliação da porcentagem volumétrica em fibras e vazios e o conteúdo em peso de resina. Finalmente, as características físicas e as propriedades mecânicas dos laminados moldados via RTM foram comparadas às dos laminados obtidos em autoclave. Os bons resultados obtidos mostraram que o RTM pode ser um processo promissor para a indústria aeronáutica.

Os compósitos termoestruturais, como por exemplo, as gargantas de tubeira de foguetes, e proteções térmicas re-irradiativas são manufaturadas mediante a utilização de preformas, portanto são materiais com solicitações termo-mecânicas extremas. O esqueleto dessas preformas é por sua vez montado pela utilização de varetas. Estas varetas são moldadas com fibra de reforço (usualmente fibras de carbono), pelo processo de pultrusão. A utilização dessa tecnologia permite a concepção e manufatura de preformas complexas e de dimensões as mais diversas possíveis, permitindo assim uma flexibilidade no projeto do componente a ser obtido. Este trabalho visa, mediante a utilização de técnicas de cálculo que combinam as propriedades individuais dos constituintes do compósito (fibras de reforço e matriz) e as características geométricas da preforma, obter as propriedades elásticas médias de um determinado grupo de compósitos termo-estruturais com configurações de reforço 3D e 4D. As propriedades foram calculas tendo-se por base as propriedades dos componentes individuais à temperatura ambiente. As propriedades elásticas obtidas serão então comparadas às dos grafites sintéticos utilizados atualmente na concepção de gargantas de tubeiras de veículos lançadores.

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.

Os polímeros inorgânicos conhecidos como geopolímeros são aluminossilicatos que têm excelentes propriedades físicas e químicas para uma vasta gama de aplicações, incluindo os elementos estruturais e não estruturais, materiais para conter e imobilizar resíduos tóxicos, perigosos e radioativos, cerâmicos refratários anti-chama e resistentes para construção civil, aeronaves e indústria de energia nuclear. Como material estrutural, quando utilizado em um ambiente com radiação ionizante, pode também servir como blindagem a essa radiação. Neste caso, a adição de substâncias com propriedades de absorção de certos tipos de radiação pode melhorar o desempenho do geopolímero como material de blindagem à radiação ionizante, tais como: substâncias de número atômico elevado que promovem a absorção fotoelétrica ou elementos com uma elevada seção de choque de captura de nêutrons térmicos. Nesta dissertação o geopolímero G20 puro (proporção Si:Al de 20:1) e com aditivo de cloreto de cádmio e cloreto de bário na proporção de 10 % em massa tem as suas propriedades de blindagem à radiação ionizante de origem cósmica avaliada, visando a sua aplicação como blindagem a esta radiação no espaço e na atmosfera terrestre. Considerando o alto custo e as dificuldades para a obtenção de fontes de radiação com a composição e a energia da RC existente no espaço e na atmosfera da Terra em altitudes voos de aeronaves de alto teto operacional, a metodologia utilizada na avaliação deste material como blindagem foi a realização de experimentos de irradiação com fontes radioativas convencionais, sob condições controladas e em geometrias simples cujos resultados são previstos teoricamente e, em seguida, a simulação computacional para fluxos isotrópicos de partículas de alta energia da radiação cósmica no espaço e na atmosfera. Assim, experimentos de transmissão em geometria de feixe estreito colimado foram realizadas com uma fonte radioativa de nêutrons composta de 241Am-Be e um conjunto de fontes convencionais de radiação gama, a fim de certificar a descrição microscópica da blindagem de geopolímero puro e aditivado a ser utilizada nas simulações computacionais (materiais e seções de choque) e sua eficácia como blindagem (coeficientes de transmissão). Com base nesta descrição da blindagem, simulações de Monte Carlo foram realizados avaliando em particular a radiação secundária produzida por lâminas de geopolímero (puro e com 10 % em peso de CdCl2 ou BaCl2) submetidos à fluência de um espectro típico de radiação cósmica aprisionada incidente em um satélite de baixa órbita (LEO) e o espectro de partículas típico na atmosfera a 10 km de altitude. O efeito principal da adição de BaCl2, no material de base geopolimérico é a remoção mais eficaz de radiação gama e de elétrons secundários com energias abaixo de 200 keV. O efeito principal da adição de CdCl2 no material de base geopolímero é o mesmo para o primeiro aditivo e, ainda, acrescido da redução da transmissão de nêutrons térmicos. No entanto, para a redução da dose devido à radiação cósmica primária, estes efeitos não foram significativos, uma vez que a maior contribuição para a dose da RC é devida a partículas ionizantes de alta energia transmitidas e, também, devido à radiação secundária com energia acima de 1 MeV produzida no material de blindagem. Portanto, para a blindagem da RC no espaço, independentemente dos aditivos, o geopolímero têm o comportamento similar ao do alumínio, sem grandes vantagens sobre este material de referência. O mesmo se aplica ao uso aeronáutico, exceto a remoção de nêutrons térmicos, quando da adição de cádmio.

Neste trabalho calculamos inicialmente as propriedades ópticas de filmes compósitos de Me-NiO e Me-CoO, sendo os metais Me = Au, Ag, Cu, Ni, Pd e Pt, a partir da teoria de meio efetivo de Maxwell Garnett. Este estudo teórico possibilitou avaliar a viabilidade de se obter experimentalmente um material colorido na região do espectro visível, com absorção seletiva numa estreita faixa de comprimentos de onda. Os resultados mostraram que o candidato ideal para tal fim é o compósito a base de Au. A partir deste resultado iniciou-se o crescimento de filmes finos compósitos de Au-NiO e Au-CoO, utilizando diferentes estratégias experimentais: (i) deposição por DC magnetron sputtering reativo, (ii) deposição do filme de NiO, por DC magnetron sputtering reativo e Au pelos métodos de sol-gel e dip coating e (iii) deposição de ambos os filmes, NiOxHy e Au, por sol-gel e dip coating. Os resultados mostraram uma seletividade pequena (-5-10%) nos filmes crescidos pelo método de sputtering, devido ao caráter atomístico desse tipo de técnica, que conduz à formação de pequenos aglomerados de Au (menores que -3 nm), ao invés de agregados com tamanhos da ordem de algumas dezenas de nanômetros, obtidos facilmente pelo método sol-gel. O crescimento na forma de multicamadas proporciona uma melhor seletividade, em torno de 1 5%. Pós-tratamentos térmicos em filmes compósito s obtidos unicamente por sputtering induzem a aglomeração do Au, mas destroem as propriedades eletrocrôrnicas. No caso de filmes de Au crescidos por sol-gel, a seletividade espectral, decorrente da presença do Au aumenta, indo de 15% a 20% em filmes depositados sobre a matriz óxida crescida por sputtering e por sol-gel, respectivamente. Mediante processos eletroquímicos, os filmes de NiOxHy crescidos por sol-gel e dip coating apresentaram os melhores resultados de variação de transmitância (70%), devido à maior porosidade desses filmes. / In this work we initially calculated the optical properties of cermet films of Me-NiO and Me-CoO, being the metals Me = Au, Ag, Cu, Ni, Pd and Pt, by means of the Maxwell Garnett effective medium theory. This theoretical study allowed evaluating the viability to obtain, experimentally, a colored material in the visible spectrum region, with selective absorption in a narrow range of wavelengths. The results showed that the ideal candidate for such goal is the Au cermet. Looking at this result, the growth of Au-NiO and Au-CoO thin films was initiated using different experimental strategies: (i) deposition by reactive DC magnetron sputtering, (ii) deposition of the NiO, film by reactive DC magnetron sputtering and Au by the sol-gel and dip coating methods and (iii) deposition of both films, NiOxHy and Au, by sol-gel and dip coating. The films grown by sputtering showed a small selectivity (-5-10%), due to the atomistic character of this type of technique. It leads to the formation of small clusters of Au (smaller than -3 nrn), instead of aggregates with sizes of the order of some tenths of nanometers, easily obtained by the sol-gel method. Better selectivity, around 15%, is obtained in films deposited as multilayers. Post thermal annealing of the cermet films grown by sputtering induces the agglomeration of Au, but destroys the electrochromic properties. In the case of Au films grown by sol-gel, the spectral selectivity increases, due to the presence of Au, going from 15% to 20% in films deposited on the oxide matrix, deposited by sputtering and sol-gel, respectively. Under electrochemical processes, the NiOxHy films grown by sol-gel and dip coating presented the highest transmission variation (70%), due to larger porosity of these films.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Estrutural, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor António Torres Marques

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Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Estrutural, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Tese de mestrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais - especialização em Fundição. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998