Medição das propriedades mecânicas de laminados compósitos poliméricos de reforço de fibra de vidro obtidos por diferentes processos de fabricação

O compósito polimérico reforçado com fibras (FRP) é um tipo de material de alta resistência fabricado pela mistura de reforço de fibras e matrizes poliméricas ^1,2,3. É amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial ^4,5,6, construção^7,8, automotiva 9 e naval^10,11 devido à sua baixa densidade, alta rigidez e resistência específicas^, propriedades de fadiga e excelente resistência à corrosão. As fibras sintéticas comuns incluem fibras de carbono, fibras de vidro e fibras de aramida¹². A fibra de vidro foi escolhida para investigação neste trabalho. Em comparação com o aço tradicional, os laminados compósitos de reforço de fibra de vidro (GFRPs) são mais leves, com menos de um terço da densidade, mas podem atingir uma resistência específica maior do que o aço.

O processo de preparação do FRP inclui moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (VARTM)13, enrolamento filamentar (FW)¹⁴ e moldagem de prepreg, além de muitos outros processos avançados de fabricação15,16,17,18. Em comparação com outros processos de preparação, o processo de lay-up/vacuum bag (WLVB) tem várias vantagens, incluindo requisitos de equipamento simples e tecnologia de processo descomplicada, e os produtos não são limitados por tamanho e forma. Este processo tem um alto grau de liberdade e pode ser integrado com metal, madeira, plástico ou espuma.

O princípio do processo WLVB é aplicar maior pressão de conformação através de sacos a vácuo para melhorar as propriedades mecânicas dos laminados preparados; A tecnologia de produção deste processo é fácil de dominar, tornando-o um processo de preparação de material compósito simples e econômico. Este processo é completamente manual, e é muito influenciado pelas habilidades do pessoal de preparação. Portanto, os produtos são propensos a defeitos como vazios e espessura irregular, levando a qualidades instáveis e propriedades mecânicas do laminado. Assim, é necessário descrever detalhadamente o processo de VVE, controlar finamente as etapas e quantificar a proporção do material, a fim de obter uma alta estabilidade das propriedades mecânicas dos laminados.

A maioria dos pesquisadores tem estudado o comportamento quase-estático 19,20,21,22,23 e dinâmico 24,25,26,27,28, bem como a modificação da propriedade ^29,30 de materiais compósitos. A razão da fração volumétrica da fibra para a matriz desempenha um papel crucial nas propriedades mecânicas do laminado FRP. Em uma faixa apropriada, uma fração de maior volume de fibra pode melhorar a resistência e a rigidez do laminado FRP. Andrew et ^al.31 investigaram o efeito da fração volumétrica da fibra nas propriedades mecânicas de corpos de prova preparados pelo processo de fabricação aditiva com modelagem de deposição fundida (FDM). Os resultados mostraram que, quando a fração volumétrica da fibra foi de 22,5%, a eficiência da resistência à tração atingiu seu máximo, e uma pequena melhora na resistência foi observada quando a fração volumétrica da fibra atingiu 33%. Khalid et al.32 estudaram as propriedades mecânicas de compósitos impressos em ^3D reforçados com fibra de carbono (CF) com diversas frações volumétricas de fibra, e os resultados mostraram que tanto a resistência à tração quanto a rigidez foram melhoradas com o aumento do teor de fibras. Uzay et ^al.33 investigaram os efeitos de três métodos de fabricação – lay up manual, moldagem por compressão e ensacamento a vácuo – sobre as propriedades mecânicas do polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). A fração volumétrica e a nulidade dos laminados foram mensuradas, e ensaios de tração e flexão foram realizados. Os experimentos mostraram que quanto maior a fração volumétrica da fibra, melhores as propriedades mecânicas.

Os vazios são um dos defeitos mais comuns no laminado de FRP. Os vazios reduzem as propriedades mecânicas dos materiais compósitos, como resistência, rigidez e resistência à fadiga³⁴. A concentração de tensões geradas ao redor dos vazios promove a propagação de micro-fissuras e reduz a resistência de interface entre armadura e matriz. Os vazios internos também aceleram a absorção de umidade do laminado FRP, resultando em descolamento da interface e degradação do desempenho. Portanto, a existência de vazios internos afeta a confiabilidade dos compósitos e restringe sua ampla aplicação. Zhu et ^al.35 investigaram a influência do conteúdo de vazios nas propriedades estáticas de resistência ao cisalhamento interlaminar de laminados compósitos CFRP, e verificaram que um aumento de 1% no teor de vazios, variando de 0,4% a 4,6%, levou a uma deterioração de 2,4% na resistência ao cisalhamento interlaminar. Scott et ^al.36 apresentaram o efeito dos vazios no mecanismo de dano em laminados compósitos de PRFC sob carregamento hidrostático usando tomografia computadorizada (TC), e verificaram que o número de vazios é 2,6-5 vezes o número de fissuras distribuídas aleatoriamente.

Laminados FRP confiáveis e de alta qualidade podem ser fabricados usando uma autoclave. Abraham et ^al.37 fabricaram laminados de baixa porosidade e alto teor de fibras, colocando um conjunto WLVB em autoclave com pressão de 1,2 MPa para cura. No entanto, a autoclave é um equipamento grande e caro, resultando em custos consideráveis de fabricação. Embora o processo de transferência de resina assistida a vácuo (VARTM) esteja em uso há muito tempo, ele tem um limite em termos de custo de tempo, um processo de preparação mais complicado e consumíveis mais descartáveis, como tubos de desvio e meios de desvio. Em comparação com o processo WL, o processo WLVB compensa a pressão de moldagem insuficiente através de um saco de vácuo de baixo custo, absorvendo o excesso de resina do sistema para aumentar a fração de volume de fibra e reduzir o teor de poros internos, melhorando assim consideravelmente as propriedades mecânicas do laminado.

Este estudo explora as diferenças entre o processo de CT e o processo de VVE e detalha o processo meticuloso do processo de LVVE. O volume de fibra dos laminados foi calculado pelo método da fórmula, e os resultados mostraram que o teor volumétrico de fibra dos laminados WL foi de 42,04%, enquanto o dos laminados WLVB foi de 57,82%, aumentando em 15,78%. As propriedades mecânicas dos laminados foram caracterizadas por ensaios de tração e impacto. Os resultados experimentais revelaram que, com o processo WVB, a resistência e o módulo de elasticidade dos laminados foram aumentados em 17,4% e 16,35%, respectivamente, e a energia absorvida específica foi aumentada em 19,48%.