Análise numérica e validação experimental de compósitos naturais, sintéticos e híbridos submetidos a ensaios de tração

Abstract

Os materiais compósitos reforçados com fibras são amplamente utilizados na fabricação de componentes estruturais de aeronaves, esses materiais são constituídos por fibras unidas por uma matriz, criando um material com propriedades mecânicas combinadas. Embora a fibra de vidro e a resina epóxi sejam os materiais mais comuns, o uso de fibras naturais tem se tornado uma opção mais sustentável. O estudo deste trabalho avaliou a utilização de diferentes tipos de fibras, incluindo as fibras sintéticas, as fibras naturais tratadas quimicamente em solução de hidróxido de sódio e uma combinação dessas fibras, como reforço para a resina epóxi. Para isso, foram confeccionados compósitos de resina epóxi com tecidos de fibras unidirecionais, contendo 20% em volume de fibras – sisal, vidro ou híbrido (sisal/vidro). Os materiais foram avaliados por meio de análises numéricas, térmicas e ensaios de tração experimentais, além de serem submetidos a microscopia eletrônica de varredura após a ocorrência de fratura. Em relação à fabricação, os resultados indicaram que os compósitos apresentaram variações de 1,30% a 4,65% em termos de fração de vazios. Quanto ao comportamento térmico, as curvas DSC, TG e DTG apontam que o compósito sintético curado deteve das maiores temperaturas de transição vítrea (94,86 ∘C) e de estabilidade térmica (308,41 ∘C). Enquanto, o compósito híbrido apresentou maior grau de cura (98,32%) e menor perda de massa ao final da análise (68,55%). As análises numéricas revelam divergências em relação aos resultados experimentais, pois o modelo não levou em conta a existência de espaços vazios e as propriedades específicas da resina epóxi de cura rápida e das fibras utilizadas. Contudo, experimentalmente, ao analisarmos as propriedades dos compósitos com relação à resina epóxi pura, observou-se um aumento quanto a resistência à tração, cerca de 36,59% para o compósito natural, 204,25% para o compósito sintético e 132,21% para o compósito híbrido. Quanto à microscopia das superfícies fraturadas, apesar de serem observados fenômenos de arrancamento e deslocamento de fibras, as amostras mostram que a adesão entre as fibras e a resina epóxi desempenha papel fundamental nas propriedades mecânicas finais dos compósitos. Apesar do aumento da resistência à tração obtido com a adição de fibras naturais à resina epóxi pura, os valores resultantes ainda estão distantes do necessário para substituir completamente as fibras sintéticas. Da mesma forma, embora os compósitos híbridos apresentem desempenho mecânico considerável, ainda não são uma solução viável para a substituição total de materiais sintéticos.