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Um estudo sobre a soldadura de compósitos pps/fibra de carbono submetidos a meio ácido, com ânálises mecânicas e microestruturais. Os materiais compósitos são amplamente utilizados na indústria aeronáutica e automobilística devido às suas propriedades únicas, como resistência mecânica, rigidez, resistência a altas temperaturas e redução de peso. O documento destaca o uso de termoplásticos reforçados com fibra de carbono, como o pps, que tem ganho espaço no mercado devido às suas características estruturais, principalmente resistência à corrosão. O estudo analisa a eficiência da soldadura por oxiacetileno de compósitos pps/fibra de carbono após serem submetidos a meio ácido e testados por meio do método de lap shear.
Tipologia: Teses (TCC)
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Monografia apresentada à Faculdade de Tecnologia de Pindamonhangaba para graduação, no Curso Superior de Tecnologia em Mecânica - Processos de Soldagem. Área de Concentração: Soldagem e Corrosão Orientador: Prof. Me. Marcelo Bergamini de carvalho Co-Orientador: Profª Drª Ana Beatriz R. M. Abrahão
Pindamonhangaba, 02 de julho de 2019 Dedicamos aos nossos familiares que com paciência e muita compreensão, souberam aceitar a redução do nosso tempo de nos dedicar aos estudos.
Em primeiro lugar agradecemos a Deus por nos dar forças e motivação para enfrentarmos os desafios e ultrapassar os obstáculos, Ao orientador, Prof. Me. Marcelo Bergamini de Carvalho, que foi nosso grande mestre, que com sua experiência nos deu estímulos necessários para a procura do conhecimento nesse caminho, A co-orientadora, Profª. Drª. Ana Beatriz R. M. Abrahão, pelo auxilio e contribuição para o trabalho, sendo de suma importância, A Faculdade de tecnologia de Pindamonhangaba-FATEC pela contribuição de laboratórios e materiais para realização do trabalho.
Fatec Pindamonhangaba OLIVEIRA, João Vitor S; SILVA, Rafael O. Estudo de Juntas Soldadas de Compósitos PPS/ fibra de carbono Submetido a Meio Ácido. São Paulo. FATEC. 2019. Resumo Os materiais compósitos são amplamente utilizados na indústria aeronáutica e automobilística, por essa união combinar caracteristicas incomuns, como resistência mecânica, rigidez, resistência a elevadas temperaturas, e principalmente a redução de peso, ou seja, a massa do compósito, sendo essa a propiedade que a difere dos materiais metálicos. Uma das dificuldades para aplicação dos materiais compósitos PPS/fibra de carbono em escala industrial é conseguir a união desses componentes. Neste sentido vem-se estudando a junção desses materiais por processos de soldagem. Existem inúmeros ensaios para avaliar a eficiência de soldagem para materiais compósitos, cada um com uma determinada aplicação, dentre os ensaios mais indicados pela literatura, destaca-se o ensaio de Lap Shear. Este trabalho visa fazer o estudo de parâmetros na soldagem de compósitos de PPS- Fibra de carbono, avaliando suas propiedades mecânicas quando submetida ao condicionamento em meio ácido. PALAVRAS-CHAVES: Soldagem, Compósito, Solda por Oxi-gás.
Fatec Pindamonhangaba OLIVEIRA, João Vitor S; SILVA, Rafael O. Study of Welded Joints os Composites PPS/Carbon Fiber Subjected to Acidic Medium. São Paulo. FATEC. 2019. Abstract Composite materials are widely used in the aeronautics and automotive industries, as this combination combines unusual characteristics such as mechanical strength, stiffness, resistance to high temperatures, and especially weight reduction, ie the mass of the composite, which is the property that differs from metallic materials. One of the difficulties in applying PPS / carbon fiber composite materials on an industrial scale is getting these components together. In this sense, we have been studying the joining of these materials by welding processes. There are numerous tests to evaluate the welding efficiency for composite materials, each with a particular application, among the most indicated in the literature, the Lap Shear test. This work aims to study the parameters in the welding of PPS-Carbon Fiber composites, evaluating their mechanical properties when subjected to acid etching. KEYWORDS: Welding, Composite, Welding by Oxy-gas.
Fatec Pindamonhangaba LISTA DE TABELAS Tabela 1. Condições utilizadas de soldagem das amostras....................................................... 26 Tabela 2. Valores de resistência mecânica obtida através do ensaio Lap Shear sem condicionamento em meio ácido.............................................................................................. 26 Tabela 3. Valores de resistência mecânica obtida através do ensaio Lap Shear após a imersão em ácido Nítrico........................................................................................................................ 27
Fatec Pindamonhangaba 1.2. OBJETIVO Este trabalho de graduação tem como objetivo analisar mecanicamente e micro estruturalmente do compósito PPS/fibra de carbono soldadas pelo processo oxiacetileno após serem submetidos a meio ácido e teste de Lap Shear. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os compósitos são produzidos quando dois ou mais materiais (ou fases) são utilizados juntos para resultar em uma combinação de propriedades que não podem ser obtidas de outra maneira. Essa formação de materiais resulta na combinação incomum de rigidez, resistência mecânica, peso, desempenho em altas temperaturas, resistência à corrosão, dureza ou condutividade. Ossos, dentes e madeira são exemplos de compósitos que existem na natureza. Materiais como plástico reforçado com fibras de vidro ou com fibras de carbono são compósitos em microescala. Esses compósitos oferecem ganho significativo nos valores de resistência específica, e seu emprego é feito em aeronaves, componentes eletrônicos, equipamentos automotivos (ASKELAD; PHULÉ, 1985). Esses materiais envolvem alguma combinação de dois ou mais componentes dos tipos fundamentais. Essa categoria de matérias estruturais deve fornecer “o melhor dos dois mundos”. A combinação desses dois componentes fornece um produto superior a qualquer um deles isolados. Essas categorias são demonstradas por dois de nossos materiais estruturais mais comuns: fibra de vidro e concreto. A fibra de vidro, ou polímero reforçado com fibra sintética. A utilidade dos materiais compósitos se deve as suas propriedades. Um exemplo é o modulo de elasticidade. O modulo é uma função sensível da geometria do componente de reforço. Também importante é a resistência da interface entre o componente de reforço e a matriz (SHACKELFORD, 2004). Por volta do século XX os compósitos foram considerados uma classe distinta de materiais, com a fabricação de compósitos multifásicos deliberadamente projetados, como por exemplo, os polímeros reforçados com fibra de vidro. Não existe mais a necessidade de materiais com propriedades específicas, tais como os encontrados nas indústrias aeroespacial, submarina, de bioengenharia e de transporte. Como por exemplo, os engenheiros aeronáuticos buscam cada vez mais materiais estruturais que
Fatec Pindamonhangaba apresentam baixa massa específica, sejam resistentes, rígidos e tenham resistência à abrasão e ao impacto, e que não sejam corroídos com facilidade (CALISTER; RETHWISCH, 2016).
A fibra de carbono é um material muito utilizado desde aeronaves até as bicicletas mais potentes do mundo. Podemos ver suas aplicações em acessórios para esportes, como tacos, raquetes e entre outros, e nos painéis de carros também (HAMMAN, 2017). Segundo Hamman (2017) esse material é construído em maior parte por fibra de carbono. Sua principal matéria-prima é o polímero de poliacrilonitrila, obtido a partir da polimerização de uma variação do acrílico. Uma das principais vantagens dessa fonte é a alta concentração de carbono, uma vez que mais de 90% dos átomos no material são justamente disso. Segundo Reis (2016) as fibras de carbono são de grande interesse comercial e cientifico. Sua utilização oferece diversas vantagens como, facilidade de processamento, elevada taxa de resistência/densidade, a possibilidade de reciclagem e a obtenção de peças com formas complexas, sendo então cada vez mais utilizadas como materiais estruturais em diversas aplicações na engenharia. 2.3. PPS – SULFETO DE POLIFENILENO É um polímero semi-cristalino, plástico de engenharia de elevado desempenho com propriedades mecânicas, como resistência à fluência, rigidez, resistência a corrosão e apresenta uma elevada resistência térmica (BOTELHO; PARDINI; REZENDE, 2007. NOHARA et al, 2006). É um termoplástico de engenharia especial, ou seja, um polímero cuja estrutura é composta por anéis, que intercalados a átomos de enxofre, impõem restrições à movimentação da cadeia polimérica. Esta estruturação resulta em uma cadeia homopolimérica linear, com uma elevada cristalinidade entre 50 e 60% que permite sua aplicação em elevadas temperaturas, devido ao baixo coeficiente de dilatação térmica e alta resistência a chama,
Fatec Pindamonhangaba De acordo com Callister e Rethwish (2016) os materiais plásticos e plásticos reforçados com fibras também apresentam deterioração quando exposto ao ambiente, porém através de processos não corrosivos, e para esta é dado o nome de degradação. A deterioração destes materiais é dada através de um processo físico-químico, sua deterioração ocorre através de processos químicos (oxidação das ligações químicas), degradação térmica e ação de solventes. Todos os materiais são afetados pela corrosão, seja ela madeira em decomposição que apresenta um fenômeno de degradação biológica, que também é o caso da fibra de carbono, onde não sofre corrosão e sim degradação. Nos seres humanos também sofremos esse processo, lento e gradual processo corrosivo do tempo liderado pelos agentes oxidantes do corpo, os chamados radicais livres (JAMBO; FÓFANO, 2008). 2.6. TESTE LAP SHEAR De acordo com Abrahão (2015) há várias alternativas e métodos de avaliação envolvendo compósitos, dentre elas dois grupos se distinguem: ensaios mecânicos e técnicas de avaliação por análises térmicas e ensaios morfológico. Nos ensaios mecânicos, dois métodos de análise são mais amplamente utilizados quando se trata de juntas soldadas de material compósitos, sendo elas teste de Lap Shear e teste de resistência ao cisalhamento DCB. Já o segundo grupo é utilizado normalmente para analisar a qualidade do interior do material tais como: DSC (calorimetria exploratória diferencial); técnicas de microscopia e ultrassom (ABRAHAO, 2015). Segundo Abrahão (2015) teste Lap Shear (LSS) é considerado como sendo o método mais utilizado para a investigação da resistência de ruptura de juntas soldadas pelo processo de resistência elétrica ou outro meio de união. Este método consiste em aplicação de força de tração em corpos de prova soldados até a ruptura. Os ensaios serão realizados na máquina de tração marca Shimadzu AG-X com célula de carga de 50 KN e velocidade de 1,5 mm/min baseando-se na norma ASTM D1002-10.
Fatec Pindamonhangaba 2.7. CONDICIONAMENTO AMBIENTAL 2.7.1. Ácido nítrico O ácido nítrico é um ácido forte, pois seu grau de ionização (α) é de 92%. É um composto químico viscoso, inodoro e incolor, muito volátil, forte e oxidante, miscível em água, representado pela formula HNO3, com 70% em massa de nitrato de hidrogênio. É fumegante em contato com o ar, seus vapores são extremamente tóxicos e corrosivos também, podendo causar queimaduras e manchas amareladas na pele. Ele entra em ebulição a 83ºC a 1 atm, isto é, ao nível do mar (FOGAÇA, 2019). É um ácido incompatível com a maioria dos compostos orgânicos. O ácido nítrico reage de três maneiras quimicamente, como ácido forte, como agente oxidante, como agente de nitração. Como ácido forte, provoca reação com produtos alcalinos e óxidos, formando sais denominados nitratos. Já como agente oxidante, oxida produtos orgânicos como a anilina e o álcool furfurílico, sendo usado em combustíveis para foguetes. E tal como reações de nitração, envolve a nitração comum (com hidrocarbonetos) e a esterificação (com álcoois), o que possibilita a síntese de explosivos orgânicos (CARDOSO, 2019). Ele é muito utilizado na fabricação de explosivos (nitroglicerina ou dinamite, trinitrotolueno ou TNT e trinitrocelulose ou algodão-pólvora). Também é usado na fabricação de salitre (NaNO3 e KNO3), para produzir fertilizantes agrícolas, como o NH4NO3, e pólvora negra. O ácido nítrico também pode ser usado na fabricação de corantes, de fibras sintéticas (náilon e ceda artificial), de nitratos (FOGAÇA, 2019). A escolha desse ácido foi devido a ele ter um nível elevado ionização, sendo um ácido forte, e possibilitando aproximar a condições naturais de exposição, como por exemplo, a chuva ácida.
A soldagem a gás ou soldagem a oxicombustível no qual a união dos metais é promovida pela união das peças até a fusão com uma chama de um gás combustível e oxigênio. Se usado um metal de adição, ele é fundido junto à peça. Esse processo tem um excelente controle que se pode exercer sobre a entrada do calor e a temperatura das peças que
Fatec Pindamonhangaba francês, que observou que quando acetileno queima com oxigênio produz uma chama que queima em uma temperatura aproximadamente de 3000°C. O processo começou a ser comercializado no século XX, onde foram produzidos processos de produção de acetileno e oxigênio. As principais vantagens desse processo é o baixo custo, emprega equipamento portátil e permite fácil controle da operação. Já as principais desvantagens são a exigência de um soldador hábil, tem baixa taxa de deposição e apresenta riscos de acidentes com cilindros de gases (WAINER; BRANDI; MELLO, 1992).
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3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. LAMINADOS Os laminados termoplásticos avaliados neste trabalho foram os compósitos PPS/fibras de carbono, processado e fornecido pela empresa holandesa TEN CATE Advanced Composites. 3.2. CONDICIONAMENTO EM MEIO ÁCIDO Foi usado para o condicionamento ambiental o ácido nítrico 65% da empresa Química Moderna, apresentado na Figura 1, devido a este causar grande degradação quando em contato com o material. Foram imersas em 500 ml de ácido nítrico as juntas soldadas durante um período de 2 dias (48 horas), como apresentado na Figura 2, para a análise da resistência do compósito e da proteção proporcionada pela matriz. Na Figura 3 podemos ver o béquer utilizado. Figura 1 - Ácido nítrico utilizado. Fonte: autor, 2019.
