O desenvolvimento de materiais compósitos poliméricos proporcionou avanços significativos em propriedades como resistência mecânica, rigidez e tenacidade. Explique como um polímero termofixo reforçado com fibras resulta em: (valor: 10,0 pontos).
(a) maior resistência à tração e rigidez em comparação ao polímero isolado;
(b) maior tenacidade à fratura em relação ao polímero e às fibras isoladamente.

Passo 1

O enunciado pede para entendermos por que um compósito de polímero termofixo reforçado com fibras apresenta (a) maior resistência à tração e rigidez que o polímero puro e (b) maior tenacidade à fratura que o polímero e que as fibras isoladamente. O conteúdo envolve mecânica dos compósitos, especialmente a “regra das misturas” para propriedades elásticas e os mecanismos de toughening (têmpera) de fratura.

Passo 2

Para (a), usamos a ideia de que as fibras têm módulo de elasticidade e resistência à tração muito maiores que o polímero. Quando as cargas são aplicadas, a matriz transfere esforço para as fibras pela interface. Se considerarmos fibras contínuas e alinhadas, a rigidez longitudinal do compósito segue aproximadamente a regra das misturas:
Ec = Ef Vf + Em Vm,
onde Ec, Ef e Em são, respectivamente, os módulos de elasticidade do compósito, da fibra e da matriz, e Vf, Vm seus teores volumétricos ( Vf+Vm=1). Como Efgg Em e Vf é significativo, temos Ecgg Em. De modo similar, a resistência à tração sigmac cresce pela contribuição das fibras:
sigmac = sigmaf Vf + sigmam Vm,
e como sigmafggsigmam, resulta sigmac>sigmam. Em outras palavras, as fibras “suportam” a maior parte do esforço, deixando o compósito mais rígido e resistente que o polímero isolado.

Passo 3

Para (b), a tenacidade à fratura do compósito supera a da fibra e da matriz graças a vários mecanismos de dissipação de energia na região do defeito (fenda ou trinca). Os principais são:
  1. Desvio de trinca: ao encontrar fibras, a ponta de trinca muda de direção, aumentando o caminho de propagação e a energia necessária para avançar.
  2. Bridging (ponteamento) de fibras: as fibras que atravessam o plano de fratura mantêm as faces da trinca unidas, exigindo energia extra para se deslizarem ou quebrarem.
  3. Desprendimento (debonding) e pull-out: as fibras se destacam da matriz, consumindo energia adicional durante o arrancamento.
    Tudo isso faz com que a tenacidade efectiva KIC,c do compósito seja muito maior que KIC,m (matriz) ou KIC,f (fibra) isolados.

Resposta

(a) A rigidez (Ec) e a resistência à tração (sigmac) do compósito aumentam porque as fibras, com Ef e sigmaf muito maiores que os da matriz, suportam a maior parte do esforço, seguindo a regra das misturas.
(b) A tenacidade à fratura do compósito cresce devido aos mecanismos de desvio de trinca, ponteamento de fibras e pull-out, que dissipam muita mais energia do que a matriz ou as fibras isoladas.

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