Produtos fabricados por compactação de pós necessitam de grande controle de seus parâmetros de produção para garantir suas propriedades finais. Assim, são necessários estudos de correlação entre as variáveis de processo e suas implicações no produto visando aperfeiçoar seu controle. Processos de compactação unidirecionais geram diferentes regiões de densidade na peça, o que implica na variação de suas propriedades [Sinka, 2004; Fu, 2001; Srivatsan, 2002]. Materiais de fricção são incluídos neste grupo, por serem compósitos particulados, a base de materiais orgânicos e grande percentual de inorgânicos, fabricados por este processo em moldes rígidos [Casaril, 2007]. Assim, o objetivo deste trabalho é entender este problema via o estudo de um modelo teórico de compactação que apresenta uma expressão da densidade da peça como função da pressão aplicada, do coeficiente de atrito entre partículas e entre o pó compactado e a matriz. Os resultados apresentam uma relação coerente das tendências entre resultados teóricos e experimentais de densidade como função da espessura do produto. / Uniaxial powder compaction is largely used to manufacture several products. Some products are compacted with rigid molds that can generate different compaction sites on parts [Sinka, 2004; Fu, 2001]. These sites are generally related to properties variation into a product [Srivatsan, 2002]. Friction materials are classified as particulate composites that are produced with this process [Casaril, 2007]. This work identifies the friction material density behavior generated with uniaxial compaction as a function of part thickness. Density profiles were measured of different friction materials and different process. Results showed that there are friction materials that present this behavior and some that do not.

Neste trabalho apresenta-se um programa computacional para análise de cascas laminadas de materiais compostos reforçados por fibras com consideração de viscoelasticidade e falhas progressivas. O modelo numérico baseia-se em uma descrição cinemática incremental Lagrangeana Total e em elementos finitos tridimensionais degenerados deduzidos para a análise de cascas. A formulação apresentada permite realizar análises lineares e não lineares de estruturas laminadas feitas de materiais elásticos e viscoelásticos lineares, com deslocamentos arbitrariamente grandes e pequenas deformações. Para análise não linear utilizam-se os métodos de Newton-Raphson e de Controle por Deslocamentos Generalizados. A análise de falhas progressivas é realizada através de modelos de degradação da rigidez do material e as falhas nas lâminas são detectadas por meio dos critérios de falha macroscópicos de Hashin, Lee e Máxima Deformação. São consideradas falhas nas fibras, na matriz e por delaminação. Apresentam-se, ainda vários exemplos de aplicações da presente formulação, como análise de flexão e flambagem para estruturas de materiais elásticos e viscoelásticos com consideração de falhas progressivas e não linearidades geométricas. / This work presents a computational program for the progressive failure analysis in laminated composite shells reinforced by fibers. The numerical model is based on a Total Lagrangean incremental description and a degenerated three-dimensional finite element derived for shell analysis. The formulation is applied to linear and non-linear analysis of composite structures made of elastic and linear viscoelastic materials with arbitrarily large displacements and small strains. Newton-Raphson and Generalized Displacement Control Methods are used in nonlinear analysis. The progressive failure analysis is accomplished using material stiffness degradation models and the layer failures are detected by macroscopic failure criteria of Hashin, Lee and maximum strain. Fiber failure, matrix failure and delamination are considered. Several examples of the application of the present formulation are presented, like bending and buckling of structures made of elastic and viscoelastic materials with progressive failures and non linear analysis.

Produtos fabricados por compactação de pós necessitam de grande controle de seus parâmetros de produção para garantir suas propriedades finais. Assim, são necessários estudos de correlação entre as variáveis de processo e suas implicações no produto visando aperfeiçoar seu controle. Processos de compactação unidirecionais geram diferentes regiões de densidade na peça, o que implica na variação de suas propriedades [Sinka, 2004; Fu, 2001; Srivatsan, 2002]. Materiais de fricção são incluídos neste grupo, por serem compósitos particulados, a base de materiais orgânicos e grande percentual de inorgânicos, fabricados por este processo em moldes rígidos [Casaril, 2007]. Assim, o objetivo deste trabalho é entender este problema via o estudo de um modelo teórico de compactação que apresenta uma expressão da densidade da peça como função da pressão aplicada, do coeficiente de atrito entre partículas e entre o pó compactado e a matriz. Os resultados apresentam uma relação coerente das tendências entre resultados teóricos e experimentais de densidade como função da espessura do produto. / Uniaxial powder compaction is largely used to manufacture several products. Some products are compacted with rigid molds that can generate different compaction sites on parts [Sinka, 2004; Fu, 2001]. These sites are generally related to properties variation into a product [Srivatsan, 2002]. Friction materials are classified as particulate composites that are produced with this process [Casaril, 2007]. This work identifies the friction material density behavior generated with uniaxial compaction as a function of part thickness. Density profiles were measured of different friction materials and different process. Results showed that there are friction materials that present this behavior and some that do not.

Elastômeros com resistência química e mecânica elevada em altas temperaturas têm sido utilizados em Bombas de Cavidade Progressiva (BCP) para levantamento artificial de petróleo e o uso de fibras aramidas é uma alternativa promissora para modificação da performance destes materiais. O objetivo deste estudo é avaliar o efeito de fibras aramidas nas propriedades da borracha Nitrílica (NBR) e da borracha Nitrílica Hidrogenada (HNBR). Os pré-dispersos de fibra de aramida, Rhenogran® P91-40/NBR e Rhenogran® P95-50/HNBR foram incorporados nos elastômeros em misturador aberto e fechado em condições usuais de preparação de compostos de borracha. Os compostos nitrílicos com fibra aramida foram avaliados com relação às propriedades reométricas, físicoquímicas, mecânicas, dinâmicas, térmicas e morfológicas. Os materiais apresentaram aumentos significativos nos valores de módulo elástico e resistência ao rasgo, em relação aos compostos de referência. Pela análise dinâmico-mecânica, verificou-se que o processamento dos compostos nitrílicos reforçados influencia na orientação da fibra na matriz elastomérica e nas propriedades dos compósitos. Tanto a análise morfológica quanto a análise dinâmico-mecânica revelou que houve boa adesão mecânica entre a fibra aramida e as matrizes elastoméricas NBR e HNBR. Este estudo demonstrou que o uso da polpa de aramida em baixos alongamentos cria um novo campo de aplicação para a concepção de materiais com alta resistência. / Elastomers with high chemical resistance and mechanical properties at high temperatures have been used in Progressive Cavity Pumps (PCP) for oil artificial lifting applications and aramid fibres may be an alternative route to rich reinforced material with better performance. The aim of this study is to improve the Nitrile Rubber (NBR) and Hydrogenated Nitrile Rubber (HNBR) properties by using aramid fibers. The aramid fibers masterbatches Rhenogran® P91-40/NBR and Rhenogran® P95-50/HNBR were dispersed in these elastomers in open and closed mixer under usual process conditions of the rubber compounds. The fiber-reinforced composites were evaluated regarding their rheometric, physico-chemical, mechanical, dynamic, thermal and morphological properties. The materials showed significant increases in elastic modulus and tear strength values, compared to the reference compounds. The dynamic mechanical behavior of the reinforced nitrile composites showed that the process influences the fibers orientation in the elastomeric matrices and on the final properties. Both morphological and dynamic-mechanical analyzes showed that there was a good mechanical adhesion between aramid fibers and NBR/HNBR elastomeric matrices. This study demonstrated that the use of aramid pulp at low elongations creates a new application field for the materials design with high strength.

Este trabalho apresenta a aplicação dos conceitos da mecânica da fratura para materiais de fricção, especificamente sobre a tenacidade à fratura de materiais compósitos de fricção e sua utilização como requisito de projeto de componentes para a indústria automobilística. O conceito de tenacidade à fratura foi abordado como propriedade de desempenho e requisito de aplicação no projeto de novos materiais de fricção com objetivo de mitigar a ocorrência de falhas em serviço por quebra do componente. Foi proposto um método de medição para a tenacidade à fratura dos materiais de fricção, baseado na norma pertinente, ASTM D5045-99. O método foi validado através da caracterização de cinco materiais de fricção, atualmente utilizados na montagem de sistemas de freio destinados a veículos pesados de transporte de carga e passageiros, para os mercados brasileiro, da América Latina e dos Estados Unidos, e pelo confronto dos resultados obtidos, com expectativas de resultados baseados na literatura existente. Foram realizados os testes de medição da tenacidade à fratura em função da temperatura. As análises fractográficas mostraram um padrão de superfície de fratura típica para materiais compósitos de matriz frágil, carregada com componentes granulados, particulados e fibrosos, onde o padrão de propagação da fratura se assemelhou à fratura intergranular dos metais. Verificou-se, através dos resultados quantitativos, que a tenacidade à fratura dos materiais de fricção apresenta um decaimento exponencial em função da temperatura, diferente dos materiais metálicos, por exemplo, que apresentam aumento da tenacidade à fratura quando testados em temperaturas mais elevadas. Esse comportamento diferenciado dos materiais de fricção está diretamente associado à estrutura fundamental dos termorrígidos, e a rede de ligações químicas entre cadeias. Foi escolhida uma abordagem probabilística para análise dos resultados, com foco no conceito de projeto robusto. O modelo de Weibull foi utilizado na análise de probabilidade de falha a partir da determinação do valor de KIC de cada um dos materiais caracterizados, correspondente ao critério de probabilidade de falha admitida em projeto. Adicionalmente, foi possível estabelecer um equacionamento do comportamento da tenacidade à fratura dos materiais de fricção em função da temperatura, o qual pode ser utilizado como ferramenta de pesquisa e desenvolvimento de materiais de fricção. A tenacidade à fratura dos materiais de fricção em função da temperatura foi correlacionada, através da análise de elementos finitos, com os esforços em serviço do componente de fricção no sistema de freio, possibilitando a estimativa do tamanho de trinca máximo admissível para o componente de fricção submetido a tais esforços. Além disso, foi realizada a correlação da propriedade de tenacidade à fratura dos materiais de fricção com suas respectivas resistências à compressão. Verificou-se que para todos os cinco materiais, a relação entre KIC e resistência à compressão obedece a uma função linear crescente. Esta correlação entre tenacidade à fratura e resistência à compressão tem grande utilidade para indústria, visto que o ensaio de resistência à compressão é de fácil implementação e poderia ser utilizado como controle de qualidade indireto para tenacidade à fratura. / This work presents the application of fracture mechanics concepts to friction materials, specifically related to composite friction materials fracture toughness and its utilization as a design requirement for components to automotive industry. Fracture toughness concept has been treated as a performance characteristic and application requirement in the design of new friction materials, with the purpose of mitigating service failures due to component breakage. A method was proposed to measure fracture toughness of friction materials, based on adequate standard, ASTM D5045-99. It was validated through characterization of five friction materials, currently used in assembling brake systems for heavy vehicles used for goods transportation as well as for passengers, in Brazilian, Latin American and United States markets, and by comparing results obtained with expected data base of available literature. Fracture toughness measurements were carried out as a function of temperature. Fractographic analyses have shown a fracture surface pattern, typical for composite materials with fragile matrix, filled with granulated, particulate and fibrous components, and the fracture propagation pattern has shown similarities with metals intergranular fracture. It was observed, based on quantitative results obtained, that fracture toughness of friction materials assumes an exponential drop as a function of temperature, different from metallic materials, for example, which show a fracture toughness increase when evaluated at higher temperatures. This unusual behavior of friction materials is directly associated to the structure of thermosetting materials, and its chemical bonds between molecular chains. Probabilistic approach was defined for results analyses, based on concept of robust design. Additionally, an equation has been established that represents fracture toughness behavior of friction materials as a function of temperature, which can be used as a tool for research and development of friction materials. Fracture toughness of friction materials, associated with temperature has been correlated, through finite element analysis, with stresses on friction component during brake system service, allowing the estimation of maximum admissible crack length on the friction component working under those stresses. Complementarily, a correlation of fracture toughness of friction materials with their respective compression strength has been made. It was verified that, for all materials evaluated, relation between KIC and compression strength is represented by a directly proportional linear function. The correlation between fracture toughness and compression strength has extensive usage for industry, as compression strength test can be easily implemented, and could be used as an indirect quality control parameter for fracture toughness.

A utilização de resinas epóxi na fabricação de materiais compósitos vem crescendo substancialmente nos últimos anos. O processo de pultrusão também acompanha esta tendência e a demanda por dados técnicos a respeito desta resina vem crescendo, sendo cada vez mais objeto de pesquisa em universidades e empresas. A pultrusão é um processo contínuo de fabricação de materiais compósitos. O processo consiste basicamente em duas etapas a saber: a impregnação, onde se tem a aplicação da mistura com resina, endurecedor e aditivos sobre as fibras; a cura do perfil, onde o material compósito passa pelo processo de reticulação, adquirindo sua forma final e suas diferentes propriedades mecânicas, físicas e químicas. O interesse deste trabalho reside especialmente sobre este tipo de resina pelo fato de que seu emprego no processo de pultrusão confere excelentes propriedades químicas e elétricas ao perfil fabricado. Dadas às características do processo de pultrusão, o conhecimento do comportamento da resina, do ponto de vista físico e cinético, é requisito básico para a obtenção de produtos de qualidade. Apresentando um comportamento diferenciado de resinas poliéster, as resinas epóxi possuem características especiais que tornam o seu uso no processo de pultrusão bastante desafiador. Através de ensaios térmicos (calorimetria exploratória diferencial – DSC- e análise termogravimétrica – TGA) foi possível verificar o comportamento das resinas epóxi misturadas com endurecedor As resinas estudadas apresentaram boa resistência térmica, com temperaturas de degradação superiores a 1500C. Quando testadas no DSC, as resinas apresentaram diferentes calores de reação para cada um das condições testadas, destacando-se a resina LY-553 como adequada para uso no processo de pultrusão. Testes verificando tempo de gel e viscosidade complementaram os dados, fornecendo informações úteis para o estudo das resinas na área de impregnação no processo de pultrusão. Estes testes confirmaram a aplicabilidade da resina LY-553 no processo de pultrusão, bem como qualificaram a resina GY-281 como uma possível alternativa para a produção de perfis pultrudados.

Materiais compósitos são empregados nos mais diversos tipos de estruturas (civis, mecânicas, aeronáuticas, etc.). A possibilidade de otimização de suas propriedades, frente às solicitações consideradas, representa uma grande vantagem na sua utilização. A teoria da homogeneização permite a avaliação da influência de detalhes microestruturais nas características do composto através do estudo de uma célula elementar. Os deslocamentos periódicos dessa célula são aproximados com expansões ortogonais polinomiais. A exatidão dos cálculos elásticos está associada ao grau dos polinômios utilizados. O procedimento numérico no modelo viscoelástico é incremental no tempo, utilizando-se de variáveis de estado, cuja implementação proporciona grande economia computacional, pois evita o cálculo de integrais hereditárias. A influência de diversos parâmetros físicos na constituição dos compósitos de fibras unidirecionais estudados é discutida e comparada com resultados obtidos com modelos em elementos finitos, tanto em elasticidade, quanto em viscoelasticidade sem envelhecimento. Para o caso de envelhecimento, no qual as características dos constituintes são variáveis com o tempo, é mostrada a resposta dos compósitos sob relaxação para diferentes instantes iniciais de carregamento em situações de "softening" (ou abrandamento) e "hardening" (ou endurecimento).

Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 21/11/2019. / Ingeniera Civil de Minas / La estimación de recursos corresponde a un paso fundamental dentro del desarrollo de un proyecto minero. Es a través de esta etapa que se define la potencialidad de un yacimiento para ser posteriormente explotado. Para ello se requiere información de muestreo, la cual es generalmente escasa para el volumen que se desea estimar. Frente a ello se utilizan distintas herramientas geoestadísticas que permiten generar modelos representativos del yacimiento a estudiar. Dicha información es obtenida desde campañas de sondaje, pero debe ser utilizada de manera adecuada. Para ello se debe homogeneizar el volumen que presenta la variable a estudiar a través de la compositación. La primera etapa de este proceso, consiste en definir un largo de compósito a partir de las características geoestadísticas y operaciones. Luego, se divide cada sondaje en trozos del largo anteriormente definido, y para cada uno de ellos se asocia una ley, la cual se obtiene ponderando las leyes de los testigos por el largo de los trozos que conforman ese compósito. El inicio de cada compósito está dado por el final del anterior. En este trabajo se plantea una nueva forma de compositar, generando compósitos traslapados. Esto quiere decir que se crean cadenas paralelas, donde el origen del primer compósito es desplazado, generando que los compósitos compartan zonas de los sondajes. De esta manera, se obtiene un mayor número de datos, pero con variabilidad cercana a la que se podría obtener a escala de operación. Se realizó un caso de estudio en un yacimiento de cobre-oro, para el cual se contaba con información de una campaña de sondajes y de pozos de tronadura. Se generaron compósitos de 17 metros de largo. En el caso traslapado además se incluyeron dos cadenas paralelas, las cuales estaban trasladadas 5 y 10 metros, respectivamente. El yacimiento presentaba más de una población, por lo cual los compósitos fueron divididos por tipos de roca. A cada uno de ellos se le asignó la categoría del pozo de tronadura más cercano. El estudio fue realizado en solamente uno de los tipos de roca. Como resultado del proceso se obtuvo casi el triple el número de compósitos generados en el caso traslapado con respecto a la cantidad disponible con metodología tradicional. Además, estos compósitos se encontraban a menores distancias. Gracias a ello, en la variografía traslapada, se puedo observar estructuras de menor alcance e incluirlas en el modelo variográfico, mejorando el ajuste. Con respecto a la estimación, los resultados no mostraron diferencias significativas; pero la validación de los compósitos traslapados obtuvo levemente mejores resultados. La utilización de estos compósitos traslapados puede ser favorable para la estimación de recursos. Esto se debe a que un mejor modelamiento variográfico puede cambiar una estimación y con ello la decisión de realizar o no un proyecto. Se plantea realizar este estudio con todas las zonas restantes del yacimiento y realizar este estudio nuevamente en otro yacimiento.

Os principais objetivos deste estudo foram desenvolver e caracterizar compósitos de polipropileno com farinha de casca de arroz. Os compósitos foram preparados para obtenção de novos materiais com boas propriedades, permitindo o aproveitamento desse recurso natural abundante de baixo custo e densidade. Foi avaliada a adição de um agente de acoplamento comercial, baseado em PP modificado com anidrido maleico, visando melhorar as propriedades dos materiais obtidos. Os teores de farinha de casca de arroz utilizados foram de 10 a 40% em massa. Os compósitos foram preparados utilizando-se uma extrusora dupla-rosca, co-rotacional. Após peletização, corpos de prova foram moldados por compressão. Os materiais foram avaliados em relação ao seu comportamento térmico e mecânico. Outras propriedades foram estudadas através da determinação dos índices de fluidez, análises de TGA, DSC, DMA, microscopia eletrônica de varredura, densidade e testes de absorção de água. Com base nos resultados dos testes de tração, de impacto e DMA pode-se concluir que a farinha de casca de arroz atua como agente de reforço sobre a matriz polimérica, melhorando suas propriedades mecânicas. Após os testes de degradação térmica (TGA) observou-se que a massa de resíduo foi maior para as concentrações mais elevadas de casca, devido ao elevado teor de sílica desse material. Verificou-se também, pelos resultados de DSC, que o grau de cristalinidade e a temperatura de cristalização dos compósitos aumentaram na presença da casca de arroz, devido ao efeito nucleador dessa carga sobre a matriz polimérica. A adição do PP-AM como agente de acoplamento alterou algumas propriedades dos sistemas, demonstrando sua boa adesão interfacial, resultando em diminuição do índice de fluidez, aumento do módulo de armazenamento e perda, aumento da resistência à tração e redução do grau de absorção de umidade. / The main objectives of this study were to prepare and characterize polypropylene/rice husk flour composites. The composites were prepared viewing new materials with adequate properties, allowing the use of this low cost and low dense abundant natural resource. The addition of commercially PP modified with maleic anhydride was studied, aiming better properties in the composites. Rice husk flour levels varied from 10 to 40 by weight. The composites were prepared in a corotatory twin-screw extruder. After pelletizing samples were prepared by hot compression. The samples were analysed with respect to their thermal and mechanical behavior. Other properties were studied by means of melt flow index determinations, TGA, DSC, DMA, scanning electron microscopy, relative density and water adsorption analysis. Based on tensile and impact tests and DMA analysis it was possible to conclude that the rice husk flour behaved as a reinforcing filler for the PP matrix increasing the mechanical properties. After thermogravimetrical experiments (TGA) it was verified that higher residual masses were obtained for higher rice husk flour levels due to the high silica content of this material. By means of DSC analysis, it was also seen that the PP crystallinity and crystallization temperature increased in the presence of the filler due to its nucleating effect. The addition of PP modified with maleic anhydride affected some properties showing its adequate interfacial action. This was shown through the melt flow index reduction, the storage and loss modulus increase, the tensile strength increase and the lowering of the water adsorption.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009