Estudo do compósito híbrido de matriz polimérica reforçado com fibra de Carbono e liga de Níquel-Titânio

Mestrado de dupla diplomação com o Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca - CEFET/RJ O desenvolvimento de compósitos com a combinação de matrizes poliméricas reforçada com fibra de carbono e ligas com memória de forma (LMF) têm sido amplamente estudadas ao longo dos últimos anos com objetivo de, principalmente, melhorar propriedades mecânicas e controlar a forma e vibração do compósito. As LMF de Níquel e Titânio são utilizadas neste caso devido às propriedades especiais de efeito de memória de forma e superelasticidade. Neste trabalho realizou-se um estudo teórico e experimental sobre as propriedades termomecânicas, assim como, técnicas de caracterização da liga com memória de forma composta por NiTi. Para tal estudo, inicialmente fez-se análises metalográficas, uma análise por varrimento diferencial de calorimetria (DSC) e ensaios de tração a fim de se verificar respetivamente os contornos de grãos das amostras, as temperaturas de transformação de fase e propriedades mecânicas do fio de NiTinol. Para uma análise elementar do material, realizou-se o processo de digestão atómica que apresentou resultados com diferença de, aproximadamente, 10 % comparados às informações da composição química do fornecedor do fio. Este estudo também propõe a caracterização do compósito, obtido por diferentes frações volumétricas de fios da liga de NiTinol em uma matriz polimérica reforçada com fibra de carbono. Para caracterização realizou-se ensaios mecânicos experimentais de tração e os resultados obtidos foram comparados com as regras das Misturas de Voigt e Reuss, com um método matemático passo a passo proposto por Liu 1998 e, também, com uma simulação numérica por método dos elementos finitos (MEF) através do software Ansys® Workbench. As regras das mistura de Voigt e Reuss apresentaram as melhores estimativas para as propriedades do compósito híbrido estudado com erros percentuais menores que 1% em alguns casos. Os ensaios de tração mostraram que o acréscimo de fios na composição melhorou as propriedades de tensão e deformação máximas, porém concluiu-se que este aumento pode causar problemas de adesividade que faz com que os resultados caiam a medida que se aumenta a fração volumétrica de fios. The development of composites with the combination of carbon fiber reinforced polymeric matrix and embedded shape memory alloys (SMA) has been extensively studied over the last years aiming mainly to improve mechanical properties and to control the shape and vibration of the composite. SMA composed by Nickel and Titanium are used in this case due to the special properties of shape memory effect and super elasticity. Thus, this work is a theoretical and experimental study on the thermomechanical properties and characterization techniques of the shape memory alloy composed by NiTi. Initially, for such study, a metallographic analysis, a differential scanning calorimetry (DSC) test and stress-strain tests were performed to verify, respectively, the contours grain of the samples, the phase transformation temperatures and mechanical properties of the NiTinol wires. For an elementary analysis of the material, the atomic digestion process was performed, which showed results with a difference of approximately 10% compared to the information on the chemical composition of the wire supplier. This study also proposes the characterization of the composite, obtained by different volumetric fractions of NiTinol alloy wires in a polymeric matrix reinforced with carbon fiber. For this characterization, experimental mechanical tensile tests were carried out and the results obtained were compared with the rules of the mixture of Voigt and Reuss, with a numerical method step by step proposed by Liu 1998 and with a numerical simulation by finite element method (FEM) through the Ansys® Workbench software. The rules of the mixture of Voigt and Reuss presented the best estimates for the properties of the hybrid composite studied with percentage errors less than 1% in some cases. The tensile tests showed that the addition of wires in the composition improved the maximum stress and maximum deformation properties, however, it was concluded that the increase in the volumetric fraction of wires can cause adhesion problems that cause the decrease of the results.