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 oligossilsesquioxanos (OS) são estruturas oligoméricas de silsesquioxanos (fórmula unitária RSiO3/2) que apresentam propriedades híbridas, definidas pela presença do segmento inorgânico (Si-O-Si) inerte e de um segmento orgânico (R-Si) reativo. A modificação de resinas epoxídicas com a introdução de OS possibilita a obtenção de materiais híbridos cujas propriedades mecânicas e térmicas são superiores às apresentadas pelo sistema epoxídico isoladamente. Neste trabalho, sintetizou-se OS contendo funcionalidade epoxídica, a partir do precursor GPTMS (3-glicidoxipropil trimetoxisilano), via condensação hidrolítica catalisada por ácido (ácido fórmico) ou por base (hidróxido de tetrametil amônio). A introdução do OS na resina epoxídica DGEBA (diglicidil éter de bisfenol A) foi conduzida após (mistura de OS na DGEBA, por agitação) e durante (síntese de OS em DGEBA como solvente) o procedimento da síntese. As massas molares médias dos OS obtidos por diferentes rotas de síntese foram determinadas por SEC e apresentaram valores próximos ao da estrutura em gaiola cúbica conhecida como T8. Análises por FT-IR, 29Si e 1H NMR indicaram que o OS proveniente da catálise ácida apresentou estruturas incompletamente condensadas, enquanto o produto da catálise básica apresentou majoritariamente estruturas completamente condensadas. Avaliações térmicas conduzidas por DSC convencional, MT-DSC e TGA indicaram que, quando adequadamente incorporados na matriz epoxídica, os OS obtidos por diferentes rotas de síntese apresentaram efeitos muito semelhantes, tanto em relação à diminuição da temperatura de transição vítrea, quanto em relação à melhoria na estabilidade térmica, independentemente do catalisador utilizado na síntese e da estrutura final do OS formado.

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.

A simulação da combustão da Dinitramida de Amônio (ADN) com o binder Polibutadieno Líquido Hidroxilado (HTPB) é um trabalho inédito realizado por meio do programa Chemkin 4.1. O modelo de reator "Transient or steady-state perfectly stirred reactor" (PSR) foi utilizado no modo transiente de simulação. O mecanismo de combustão proposto, é composto por 164 diferentes reações elementares e seus respectivos parâmetros cinéticos de Arrhenius. Neste trabalho a pressão do sistema e a fração molar da ADN e HTPB foram variadas, observando-se a maiores pressões há mais consumo dos reagentes e menos formação dos produtos apesar de pouco perceptível. Já com o aumento na fração molar dos reagentes, para quantidades estequiométricas 2:1, há consumo completo dos reagentes, enquanto a proporções de 1:1, os reagentes não são completamente consumidos. Os dados do comportamento do sistema obtidos no processo de combustão, considerando a fração molar das espécies químicas presentes no mecanismo da ADN/HTPB foram compilados e analisados. Através de estudos a partir de fontes da literatura, também foi possível verificar o comportamento do propelente através das técnicas de análise térmica de Análise Termogravimétrica (TGA) e Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC).

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.

O reforço em estruturas de madeira é necessário em vários edifícios com interesse cultural e histórico. Compósitos com fibra têm sido utilizados no reforço de elementos estruturais de madeira. Carbono e fibras de vidro são as fibras mais usadas como reforço. Porém, fibras naturais são uma importante alternativa considerando as seguintes vantagens: abundância, biodegradabilidade e o baixo custo comparadas com as fibras de vidro ou fibras de carbono. As fibras têxteis e os fios de sisal foram caracterizados por ensaios de tração. Um novo tecido de sisal industrializado foi desenvolvido com base nos tecidos usados em compósitos estruturais com o objetivo de melhorar o alinhamento das fibras e reduzir as deformações transversais. Ensaios de tração foram utilizados para avaliar os compósitos de sisal com matrizes epóxi e poliuretanas derivadas do óleo de mamona. Os ensaios de flexão e cisalhamento foram utilizados para avaliar a resistência e a rigidez. Também foram analisadas as interfaces entre a madeira e os compósitos e avaliados os modos de ruptura. Os resultados mostraram que os compósitos de epóxi e sisal são suficientemente rígidos e resistentes para reforçar estruturas de madeira. / Many buildings of cultural and historical interest require reinforcement of their timber structures. This research focuses on fiber-reinforced composites to repair and reinforce such structural elements of wood as an alternative for carbon and glass fibers, which are the materials most commonly used for purposes of reinforcement. Natural fibers are an important alternative, offering several advantages such as their abundant availability, biodegradability and low cost compared with glass or carbon fibers. Sisal In the study reported here, textile sisal fibers and cords were characterized under tensile testing. A new sisal textile was designed based on an industrially manufactured textile for advanced composite arrangements to improve the fibers’ alignment and reduce transverse deformations. Composites consisting of a combination of sisal, commercial epoxy and polyurethane based on castor oil resin matrixes were tensile tested. The effect of sodium hydroxide (10%) treatments on the sisal was also evaluated. The composite material was subjected to bending and shear tests to determine its strength and stiffness, and its wood-composite interface and failure modes were investigated. The results showed that the new Sisal Fiber-Reinforced Plastic (SFRP) is sufficiently strong and stiff to serve as a reinforcement of timber structures.

Este trabalho apresenta conceitos da fabricação de compósitos com o objetivo de avaliar a influência das condições do processo de fabricação nas propriedades mecânicas do laminado. É comum utilizar ensaios mecânicos para determinar as propriedades do produto final a fim de otimizar e adicionar confiabilidade ao projeto e o objetivo deste trabalho é estudar uma das fontes de variação das características em compósitos estruturais, que é o processo de cura. Embora pela regra das misturas se considere que a relação ponderada entre os elementos de matriz e reforço resulte na propriedade final do laminado, é necessário entender que existe influência do processo de fabricação para a obtenção deste potencial. O processo de cura é uma das etapas mais importantes na fabricação de componentes em polímeros reforçados e consiste na utilização de certo nível de energia que propicia a polimerização da matriz e formação da estrutura monolítica do material compósito. Para a simulação desta variação, através de ensaios laboratoriais são definidas condições de cura que reflitam uma diferença razoável de temperatura de transição vítrea. Com a definição dos parâmetros de cura, laminados bi diagonais são fabricados por processo de moldagem por transferência de resina assistida por vácuo e as características mecânicas destes laminados são mensuradas em ensaios que seguem padrões normalizados pela ISO em condições de tração, compressão e flexão. Os resultados destes ensaios são comparados entre si, a fim de direcionar o projetista em compósitos para a relevância e impacto do processo produtivo na vida do componente. / This work introduces manufacturing concepts for composites parts targeting to evaluate the influence of manufacturing process conditions in the final mechanical properties of the laminates. It is usual to utilize mechanical tests to define and predict properties of the actual component aiming to optimize and add reliability to the design. The main purpose of this study is to evaluate one of the main sources of variation that becomes form the curing process. Although from the mixture rules is possible to consider the final product property as the weighted relation between matrix and reinforcement properties, its needed to understand that the manufacturing process affects the achievement of this potential. Curing is one of the most important steps on the composites manufacturing and consists in the use of some source of energy to start matrix polymerization and formation of a monolithic structure with at least two phases from when becomes the composites concept. To simulate this variation through laboratorial tests, firstly the curing condition was defined to reflect a reasonable difference of glass transition temperature between the samples. After the definition of the curing condition bi diagonal laminate panels were prepared through vacuum assisted resin transfer molding and their mechanical characteristics evaluated by laboratory tests following international ISO standards in tensile, compression and flexural trials. Results of the tests are compared for the purpose of guiding composites designers for the relevance of manufacturing process and its impact on the component life.

Foram estudados compósitos poluméricos e vidros fluoroindatos utilizando as espectroscopias de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) pulsada e Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE). O estudo de RMN do 1H nos compósitos baseado no polímero polióxido de etileno e partículas de carbono permitiu diferenciar as mobilidades das cadeias poluméricas e identificar as contribuições destas fases. A partir das medidas de RPE foi possível sugerir uma interpretação das interações entre as partículas de carbono nos compósitos. Nos vidros fluoroindatos foi estudado o processo de cristalização, sendo acompanhada sua influência na relaxação nuclear do 19F. A cristalização foi observada por RPE nos vidros dopados com Cu2+, Mn2+ e Gd3+, sendo verificadas as alterações locais causadas por este processo. / Polymeric composites and fluoroindate glasses were studied using pulsed Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopies. Study of the composite formed by the polymer poly-ethylene oxide and carbon particles allowed us to distinguish the mobilities of polimeric chains and to identify the contributions from different phases. From EPR measurements it was possible to suggest an interpretation of the interactions between carbon particles in the composites. The main objective in the fluoroindate glasses study was to follow the crystallzation process. The 19F NMR measurements allowed to the observation of the influence of this process in the nuclear relaxation. The crystallization was also tracked by EPR spectroscopy in the doped glasses with the paramagnetic ions Cu2+, Mn2+ and Gd3+. This was accomplished by observing the local alterations caused by that process.

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.