Predição de vida em fadiga de compósitos estruturais baseado em análises dinâmico-mecânicas

Abstract

O aprofundamento no conhecimento das propriedades dos compósitos, especialmente aquelas com função estrutural, tem se mostrado necessário como uma forma de segurança à indústria de transportes na aplicação de compósitos em estruturas primárias. Considerando o esforço cíclico como responsável por 90% das falhas mecânicas de componentes em serviço, o estudo dos efeitos deste tipo de carregamento sobre as propriedades mecânicas do compósito e seus mecanismos de falha se faz necessário. Estudos recentes têm mostrado que a combinação entre técnicas de análise mecânica e térmica é muito útil no estudo do comportamento mecânico dos compósitos de matriz polimérica, pois considera-se também o efeito da relaxação das cadeias poliméricas sobre seu comportamento mecânico. A análise dinâmico-mecânica (DMA) é uma das técnicas mais sensíveis na detecção de movimentação molecular causada pela incidência de temperatura, frequência ou uma combinação de ambos, por este motivo foi a técnica determinada como ideal para a relação com os resultados de resistência à fadiga em função de tensão e temperatura apresentados neste trabalho. Esta relação, DMA-Fadiga, é ainda pouco explorada devido à dificuldade em relacionar parâmetros viscoelásticos e propriedades mecânicas, portanto, o ineditismo deste trabalho está em definir uma relação que contribua com a predição de vida em fadiga de um compósito carbono/epóxi. O desenvolvimento do trabalho consistiu inicialmente na confecção de laminados compósitos pelo processo de RTM (do inglês, resin transfer molding) a partir de uma matriz epóxi aeronáutica monocomponente (Prism EP2400 do fabricante Cytec) e reforço não tramado (NCF) de fibras de carbono quadriaxial (0°/+45°/-45°/90°) empilhados de forma a atingir uma fração volumétrica de fibras maior que 50%. O compósito produzido foi submetido à análises dinâmico-mecânicas isotérmicas entre -70°C e 220°C, em intervalos de 10°C, nas frequências de 0,01; 0,05; 0,2; 0,5; 1; 5; 28; 40 e 100 Hz. Os conjuntos de resultados obtidos foram trabalhados para construção de curvas STT (superposição tempo-temperatura) para E’, E” e tan delta (tδ), tanto para a resina quanto para o compósito. Estes dados permitiram a construção da STT de resistência interfacial para três temperaturas de referência, sendo elas: 0 °C, temperatura ambiente (~25 °C) e 80 °C. O compósito foi submetido à testes de fadiga em flexão em todas as três temperaturas de referência citadas. Durante o teste de fadiga o decaimento do Módulo de Young foi monitorado, permitindo determinar o momento de início de delaminação para cada carga e temperatura de teste aplicados. Os resultados mostraram que a resistência à fadiga diminui com o aumento da temperatura devido ao aumento da ductilidade da matriz, o que facilita o surgimento de trincas e consequente delaminação do compósito. Testes de flexão estática foram realizados após a fadiga, uma vez que o critério de falha adotado não levou o corpo de prova à ruptura final, permitindo a determinação da resistência residual do material após determinado grau de decaimento do modulo de Young, que neste estudo pode ser relacionado com a delaminação do compósito. As fraturas foram analisadas com auxílio de um microscópio eletrônico de varredura e mostraram que temperaturas mais altas causam maior deformação na matriz, corroborando com os resultados do teste de fadiga. Dentre os resultados obtidos com DMA, a curva STT de E’ mostrou maior correlação com o comportamento em fadiga do compósito, uma vez que mostra uma tendência da resistência à delaminação e por este motivo foi o parâmetro dinâmico-mecânico escolhido para ser relacionado com a vida em fadiga. Outro dado escolhido foi o decaimento do valor do módulo de Young, uma vez que é função do crescimento da delaminação e afeta diretamente a vida em fadiga do compósito. Portanto, este trabalho propõe um método de predição de vida em fadiga baseado na relação entre o tempo de estabilidade de E’ e a vida em fadiga de um compósito, uma vez que, conhecendo-se E’ é possível ter uma ideia aproximada da vida em fadiga do compósito.

The knowledge of composite properties, especially in the structural application case, have been considered extremely necessary in order to support the transportation industry into apply these materials. It is widely known that 90% of failures can be attributed to cyclic loading, so the study of fatigue effects on composites behavior and failure mechanisms become extremely necessary. Recent studies have shown that mechanical and thermal analysis techniques association is very usefull in order to determinate mechanical behavior of polymeric composites since the polymeric chain relaxation effects over that are also considerate. The dynamical mechanical analyzes (DMA) is the most sensitive technique for detection of molecular motion caused by temperature and/or frequency incidence over polymers, reason that classify the DMA as ideal to get results in order to relate with fatigue results in this study. The fatigue-DMA results correlation is not very explored because the difficulties involved in associates viscoelastic and mechanical properties, so, the originality of this study is define a correlation between fatigue and DMA results able to contribute with a carbon/epoxy composite fatigue life prediction. This work development has consisted initially in the composite laminates manufactured by RTM (resin transfer molding) process, using a one-part aeronautical epoxy resin (Prism EP2400 - Cytec) as matrix and a quadriaxial (0°/+45°/-45°/90°) carbon non crimp fabric (NCF) as reinforcement, stacked to reach a fiber volume fraction up to 50%. The manufactured composite was characterized regarding impregnation quality and thermal stability and using the DMA (dynamical mechanical analyses) in a isothermal form between -70 °C and 220 °C, at each 10 °C, for frequencies of 0,01; 0,05; 0,2; 0,5; 1; 5; 28; 40 and 100 Hz. Results obtained were used to plot the TTS (time-temperature superposition) curves for E’, E” and Tanδ for both, matrix and composite. These data were used to plot the interfacial strength TTS curve for three references temperatures: 0 °C, room temperature (~25 °C) and 80 °C. The composite was also tested under fatigue in the same three references temperature. During the fatigue tests the Young´s Modulus decreasing were monitored, allowing determine the delamination starts for each load applied on each test temperature. Results reveals that the composite fatigue resistance decreases with the temperature rise due to matrix ductility increasing which provides the cracks onset, followed by delamination process. Quasi-static flexural tests were carried out after fatigue tests, since the failure criterion adopted did not allow the samples failure. This fact allowed the residual flexural resistance ascertainment after fatigue. Fractures were observed using a scanning electronic microscope (SEM) and showed that highest temperatures induces highest deformations in the matrix, corroborating with the fatigue test results. Among the DMA results, the E’ TTS curve have showed the best correlation with the composite fatigue behavior due to the delamination resistance tendency showed and due to this it was the dynamical mechanical parameter choose to be related with the composite fatigue life. Thus, this work proposes a relation between E’ and the composite fatigue life as a time function for all of the three temperatures as a prediction fatigue life method.