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O uso de diferentes reforços em uma única matriz permite expandir ainda mais a gama de propriedades de materiais compósitos, incluindo a resistência ao impacto, em comparação ao uso de um único reforço. Assim, o objetivo desta tese é investigar a influência da hibridização de laminados de fibras de aramida com fibras de vidro de alto desempenho, fabricados por infusão a vácuo, na permeabilidade, em diferentes carregamentos mecânicos, em situações de impacto balístico e na resposta a ensaios de indentação quase estática (QSI), visando melhorar a processabilidade dos laminados e a capacidade de absorção de impacto e resistência a penetração. Primeiramente, foram estudados cinco diferentes laminados de vidroR/aramida/epóxi, com cinco camadas. Foram realizadas medidas de permeabilidade aparente no plano dos reforços e ensaios mecânicos (tração, compressão, flexão e short beam) dos compósitos finais. No estudo posterior, laminados vidro-S2/aramida/epóxi foram produzidos com 12 camadas, sendo cinco híbridos, um com apenas aramida (K12) e outro com vidro-S2 (Gl12). Um laminado de vidro-S2 extra foi produzido com 18 camadas (Gl18). Os ensaios de impacto balístico foram realizados de acordo com a EN 1522 FB3, foram determinas as curvas balísticas para obtenção da velocidade limite balística (VBL). No terceiro estudo, laminados de vidro-S2/aramida/epóxi foram produzidos em oito configurações diferentes, com fibras de aramida ([K]4S), com fibras de vidro-S2 ([G]8S), e seis híbridos, [G6K5], [G8K4] [G10K3], [K2G4]S, [G2K]S2 e [G4K2]S, mantendo uma espessura de ≈4 mm. O efeito da hibridização e do empilhamento foi investigado nas propriedades de flexão, short beam, análises dinâmicomecânicas (DMA), e QSI. A hibridização melhorou a qualidade final dos laminados, com redução da quantidade de vazios (%Vv). A inclusão de tecidos de vidro-R aumentou a permeabilidade em relação à aramida, e um efeito sinérgico foi identificado. A inclusão de tecidos de vidro-R fornece uma maior resistência e rigidez em tração e flexão, e maiores resistências a compressão e short beam, sendo os valores mais altos para o laminado puro de vidro-R. Analisando os impactos balísticos ≈430 m/s, tanto o K12 quanto o Gl18 foram perfurados, mas o laminado Gl18 absorveu maior energia , com uma espessura inferior ao laminado K12 (205 J e 177 J, respectivamente). O híbrido com três camadas de vidro-S2 e nove de aramida (Gl3K9) foi capaz de absorver maior energia (190 J) em comparação ao K12, apesar de apresentar menor espessura e densidade de área. Os laminados com seis camadas de vidroS2 e seis de aramida, G6K6, [GlK]6 e K6G6, apresentaram desempenho semelhante em relação à velocidade limite balística, com um pequeno aumento na Eabs quando a aramida estava na superfície de impacto. Diferenças significativas nas propriedades mecânicas e dinâmicomecânicas (efeito do empilhamento) foram observadas para os híbridos [K2G4]S, [G2K]2S, [G4K2]S e [G8K4]. O fator de adesão (A), obtido através dos resultados dos ensaios de DMA, apresentou a correlação mais próxima com a capacidade de absorção de energia dos laminados. Um efeito híbrido positivo foi observado para os laminados com fibras de vidro-S2 na superfície superior ([G6K5] e [G8K4]) nos ensaios de QSI, o laminado [G6K5] apresentou uma resistência à penetração e energia absorvida (9,9 kN e 55 J, respectivamente) maior que a dos laminados puros [G]8S (5,9 kN e 41 J) e [K]4S (8,6 kN e 46 J). Ao todo, a hibridização dos laminados de aramida com vidro pode levar a uma processabilidade aprimorada por infusão a vácuo e permitir uma gama de propriedades mecânicas, sendo uma alternativa na expansão das aplicações para laminados rígidos de aramida. E a hibridização de laminados de aramida com vidro-S2 pode aumentar a capacidade de absorção de impacto e a resistência à penetração, otimizando a aplicação em componentes submetidos a cargas de impacto balístico e de baixa velocidade mantendo a capacidade de suporte de cargas. Using different reinforcements in a single matrix allows you to further expand the range of properties of composite materials, including impact resistance, compared to using a single reinforcement. Thus, the objective of this thesis is to investigate the influence of the hybridization of laminates of aramid fibers with high-performance glass fibers, manufactured by vacuum infusion, on the permeability values, under different mechanical loads, in ballistic impact situations and in response to quasi-static indentation (QSI) tests, aiming to improve the processability of laminates and the impact absorption capacity and penetration resistance. First, five different R-glass/aramid/epoxy laminates with five layers were studied. Apparent in-plane permeability measurements were carried out in the reinforcements and mechanical tests (traction, compression, bending and short beam) of the final composites. In the subsequent study, S2-glass/aramid/epoxy laminates were produced with 12 layers, five of which were hybrids, one with only aramid (K12) and the other with S2-glass (Gl12). An extra S2-glass laminate was produced with 18 layers (Gl18). Ballistic impact tests were performed in accordance with EN 1522 FB3, ballistic curves were determined to obtain the ballistic limit velocity (VBL). In the third study, S2-glass/aramid/epoxy laminates were produced in eight different configurations, with aramid fibers ([K]4S), with S2-glass fibers ([G]8S), and six hybrids, [G6K5], [G8K4] [G10K3], [K2G4]S, [G2K]S2 and [G4K2]S, maintaining a thickness of ≈4 mm. The effect of hybridization and stacking sequence was investigated on properties of flexure, short beam, dynamic-mechanical analysis (DMA), and QSI. Hybridization improved the final quality of the laminates, with a reduction in the voids content (%Vv). The inclusion of R-glass fabrics increased permeability relative to aramid, and a synergistic effect was identified. The inclusion of R-glass fabrics provides greater strength and stiffness in tensile and flexure, and greater compressive and short beam strengths, the highest values being for pure R-glass laminate. Analyzing ballistic impacts ≈430 m/s, both K12 and Gl18 were perforated, but the Gl18 laminate absorbed more energy, with a lower thickness than the K12 laminate (205 J and 177 J, respectively). The hybrid with three layers of S2-glass and nine of aramid (Gl3K9) was able to absorb higher energy (190 J) compared to K12, despite having lower thickness and areal density. Laminates with six layers of S2-glass and six layers of aramid, G6K6, [GlK]6 and K6G6, performed similarly with regard to ballistic limit velocity, with a small increase in Eabs when the aramid was on the impact surface. Significant differences in mechanical and dynamicmechanical properties (stacking effect) were observed for the hybrids [K2G4]S, [G2K]2S, [G4K2]S and [G8K4]. The adhesion factor (A), obtained through the results of the DMA tests, presented the closest correlation with the energy absorption capacity of the laminates. A positive hybrid effect was observed for laminates with S2-glass fibers on the upper surface ([G6K5] and [G8K4]) in the QSI tests, the laminate [G6K5] showed a penetration resistance and absorbed energy (9.9 kN and 55 J, respectively) greater than that of the pure laminates [G]8S (5.9 kN and 41 J) and [K]4S (8.6 kN and 46 J). Altogether, hybridization of aramid laminates with glass can lead to improved processability by vacuum infusion and allow for a range of mechanical properties, being an alternative in expanding applications for rigid aramid laminates. And the hybridization of aramid laminates with S2-glass can increase the impact absorption capacity and penetration resistance, optimizing the application in components subjected to low velocity and ballistic impact loads while maintaining load bearing capacity.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2022. Inseridos num contexto de desenvolvimento sustentável, os países buscam constantemente alternativas para reduzir os impactos ambientais causados pela construção civil, especialmente pela produção do cimento Portland, uma vez que esta é a principal causa das emissões de CO2 na atmosfera. Dentre estas alternativas, destacam-se os polímeros inorgânicos ou geopolímeros, que são materiais que, quando submetidos a soluções alcalinas, endurecem devido à polimerização. As matérias primas para a produção dos geopolímeros são provenientes de composições químicas ricas em sílica e alumina. O desenvolvimento desses materiais tem ganhado espaço no cenário mundial das pesquisas nos últimos anos, principalmente pela proposta menos poluente em sua produção e aplicações como materiais leves e multifuncionais através da incorporação de poros na estrutura. Em contrapartida, a formação porosa dessa matriz gera uma queda brusca em sua resistência mecânica. Dessa forma, a introdução de fibras para reforço aparece como uma interessante alternativa para a viabilidade do uso desses elementos na construção civil. Nesta pesquisa, será utilizado o metacaulim como fonte principal de aluminossilicato, enquanto a adição do pó de alumínio em diferentes granulometrias terá a função de um agente formador de poros. A solução ativadora alcalina será composta pelo hidróxido de sódio juntamente com o silicato de sódio. As fibras de vidro serão adicionadas com o intuito de reforço para as pastas geopoliméricas. Os resultados demonstram que o pó de alumínio em sua granulometria fina e o seu efeito, quando comparado com o pó de alumínio grosso, contém influência direta na porosidade, consistência, densidade e resistência mecânica. Dessa forma, pastas geopoliméricas porosas reforçadas com fibras foram produzidas e valores de resistência à flexão aos 28 dias de curas alcançaram 0,93 MPa com valores de densidade de 0,38 g/cm3 e maior valor de capacidade de absorção de água (110,13%). Em relação à condutividade térmica, o menor valor encontrado está alinhado com a amostra 0,35P.Af+0,5Fb, resultando em 106,09 mW/mK, mostrando que o pó de alumínio, juntamente com a incorporação das fibras de vidro como reforço, podem ser utilizados em aplicações que requeiram materiais leves, isolantes térmicos e multifuncionais. Abstract: The focus on sustainable development has motivated a collective effort from all countries to seek alternatives to reduce the environmental impact of civil construction. This is especially critical since the production of Portland cement is one of the main causes of CO2 emissions in the atmosphere. Among these alternatives, inorganic polymers or geopolymers are of particular interest since they are materials that harden due to polymerization when exposed to alkaline solutions. The raw materials for the production of geopolymers come from chemical compounds rich in silica and alumina. Worldwide research and development of these materials has accelerated in recent years since they present a less polluting option in their production and has a light and multifunctional characteristic due to the presence of pores in their structure. However, the same porous structure of the matrix generates a sharp drop in mechanical strength. Thus, techniques such as the introduction of fibers for reinforcement are used to increase the usability of these elements in civil construction. In this study, metakaolin was proposed as the main source of aluminosilicate, while the addition of aluminum powder in different particle sizes had the function of a pore-forming agent. The alkaline activating solution was composed of sodium hydroxide mixed with sodium silicate. Glass fibers were added in order to reinforce the geopolymeric pastes. Results demonstrated that the fine or coarse granulometry of aluminum powder had a direct effect on porosity, consistency, density and mechanical strength. Reinforced porous geopolymeric pastes presented flexural strengths of up to 0.93 MPa at 28 days of curing with density values of 0.38 g/cm³ and higher water absorption capacity value (110,13%). Regarding thermal conductivity, the lowest value found is in line with the sample 0.35P.Af+0.5Fb, resulting in 106,09 mW/mK. This demonstrated that aluminum powder geopolymers, with the incorporation of glass fibers as reinforcement, can be used in applications that require light materials, thermal insulation or multifunctional use.

Submitted by Fillip Cortat Alves (fillip.cortat@unesp.br) on 2022-01-18T14:46:53Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Fillip Cortat Alves.pdf: 11961522 bytes, checksum: 9612dd46729708d599a374933ea5be1b (MD5) Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2022-01-19T11:38:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alves_fc_me_guara.pdf: 11961522 bytes, checksum: 9612dd46729708d599a374933ea5be1b (MD5) Made available in DSpace on 2022-01-19T11:38:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alves_fc_me_guara.pdf: 11961522 bytes, checksum: 9612dd46729708d599a374933ea5be1b (MD5) Previous issue date: 2021-11-30 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) O desenvolvimento de compósitos de matrizes poliméricas reforçados com fibras sintéticas cresce e se destaca em diversos segmentos da indústria moderna, graças às suas propriedades, como baixa massa específica e elevada resistência mecânica específica. Para aplicações estruturais, uma investigação extensa dos compósitos é requerida, com o objetivo de garantir a segurança e o bom desempenho mecânico do material. No presente estudo, compósitos de fibra de vidro/resina epóxi manufaturados através da técnica de moldagem por transferência de resina (RTM) foram avaliados quanto à influência de diferentes teores de vazios no comportamento mecânico por meio de análise dinâmico-mecânica e ensaios de fluência. A microtomografia computacional de raios X (MCT) foi utilizada para reconstrução em 3D do compósito, de modo a determinar a posição e as características morfológicas dos poros. Os resultados mostraram que o conteúdo de vazios interfere na transferência de tensão, permitindo maior armazenamento de energia na região vítrea para as mostras menos porosas. Além disso, na região de transição vítrea, o menor conteúdo de vazio apresentou um decaimento mais abrupto da rigidez, devido à maior dissipação de energia em um menor intervalo de tempo. A tendência do comportamento de fluência é igualmente afetada pelo conteúdo e morfologia do vazio. Foram utilizados os modelos de ajuste de curva de Findley, Burger e Weibull para as curvas de fluência, e os resultados indicaram que os modelos se ajustaram bem às curvas experimentais de fluência. Os parâmetros obtidos por cada modelo foram relacionados ao comportamento viscoelástico dos compósitos e associados com os demais resultados deste estudo. The development of polymer composite reinforced with synthetic fibers grows and is becoming prominent in several modern industry segments, due to the low specific mass and high relative mechanical resistance. For structural application, an in-depth investigation of composites is required. In the present study, glass fiber/epoxy composites were manufactured by resin transfer molding (RTM) with different volume fraction of voids and evaluated by dynamic-mechanical analysis and the creep behavior. The X-ray computational microtomography (MCT) was used to reconstruct the composite in 3D to determine the pore's position and morphological characteristics. The dynamic-mechanical analyzes were performed over a wide temperature range and creep tested from different temperatures and stress levels. The results showed that the void content influences the transfer of tensions, allowing higher energy storage in the vitreous region. In addition, at the glass transition temperature, a more abrupt decay is observed due to higher energy dissipation in a shorter period. The creep behavior is also influenced by the content and morphology of the void. The Findley, Burger and Weibull curve fitting models were used for creep curves. The results indicated that the models fitted well to the experimental creep curves. The parameters obtained by each model were related to the composites viscoelastic behavior and associated with the other results of this study. CAPES: 88882.433472/2019-01