RESSALVA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Atendendo solicitação da  autora, o texto 
completo desta tese será 

disponibilizado somente a partir de 
18/12/2016. 



  

 

                      UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA  
                                                     “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” 

                      CAMPUS DE GUARATINGUETÁ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

THATIANE BROCKS 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PREDIÇÃO DE VIDA EM FADIGA DE COMPÓSITOS ESTRUTURAIS 

BASEADO EM ANÁLISES DINÂMICO-MECÂNICAS 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Guaratinguetá 

2015 



  

 

THATIANE BROCKS 

 

 

 

 

  PREDIÇÃO DE VIDA EM FADIGA DE COMPÓSITOS ESTRUTURAIS 

BASEADO EM ANÁLISES DINÂMICO-MECÂNICAS 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tese apresentada à Faculdade de 

Engenharia do Campus de Guaratinguetá, 

Universidade Estadual Paulista, para a obtenção 

do título de Doutor em Engenharia Mecânica na 

área de Materiais. 

 

 

  

 

                                                 Orientadora: Profa. Dra. Maria Odila Hilário Cioffi  

                                                              Coorientador: Prof. Dr. Herman J. Cornelis Voorwald 

 

 

 



  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B864p 

Brocks, Thatiane  

        Predição de vida em fadiga de compósitos estruturais baseado em 

análises dinâmico-mecânicas / Thatiane Brocks– Guaratinguetá, 2015. 

      108 f. : il.  

      Bibliografia : f. 97-101 

 

      Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de 

Engenharia de Guaratinguetá, 2015. 

      Orientadora: Profª Drª Maria Odila Hilário Cioffi 

      Coorientador: Prof Dr Herman Jacobus Cornelis Voorwald 

 

      1. Compósitos poliméricos - Fadiga  2. Resistência de materiais           

3. Laminação (Metalurgia)  I. Título 

 

CDU 621.1         



  

  

 



  

DADOS CURRICULARES 

 

THATIANE BROCKS 

 

 

 

 

 

 

 

 

NASCIMENTO 08.03.1983 – SANTA BÁRBARA D´OESTE/SP 

  

FILIAÇÃO José Geraldo Brocks 

 Mara Silvia Liasch Brocks 

  

2001/2002 Curso Técnico em Administração de Empresas, no Centro 

Paula Souza de Americana-SP. 

  

  

2004/2008 

 

 

 

2009/2011 

Curso de Graduação em Engenharia de Materiais, na 

Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da 

Universidade Estadual Paulista. 

 

Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de 

Mestrado, na Faculdade de Engenharia do Campus de 

Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. 

 

 

2011/2015 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de 

Doutorado, na Faculdade de Engenharia do Campus de 

Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                      ...ao meu amado esposo Leonardo Zanetti de Lima, 

amigo, incentivador e auxiliador.  

 

 

 



  

AGRADECIMENTOS 

 

Ao meu querido Jesus, que por estar vivo, me capacitou e conduziu meu trabalho. Ele 

não precisaria ter feito mais nada, afinal, já fez o mais importante: morreu por mim. Mas 

como de costume, sempre gentil e amoroso, me ajudou durante todos esses anos.      

Ao meu amado esposo Leonardo Zanetti de Lima pelo apoio, paciência e 

compreensão. Sem as muitas conversas, conselhos, lágrimas enxugadas e palavras de 

incentivo e motivação teria sido muito mais difícil.  

Aos meus pais José Geraldo Brocks e Mara Silvia Liasch Brocks, agradeço o apoio, a 

confiança e o suporte financeiro que me deram na graduação. Se vocês não tivessem 

acreditado eu não teria chegado até aqui. Às minhas irmãs Mariana Brocks e Bárbara Brocks, 

obrigada pelas conversas divertidas e incentivos. 

 A minha orientadora Prof.ª Dr.ª Maria Odila Hilário Cioffi, por tudo o que aprendi 

desde que cheguei ao Grupo de Fadiga e Materiais Aeronáuticos. Ensinamentos que não se 

resumem à conhecimento técnico, mas vivencias que me fizeram amadurecer e deixar de ser 

aluna para me tornar uma profissional.  

Aos meus queridos amigos de profissão Kelly C. C. C. Benini, Marcos Y. Shiino, 

Andressa C. Milanese e Sérgio R. Montoro. Vocês fizeram com que esse período fosse 

incrível. Obrigada pelas risadas, por toda ajuda nos laboratórios, pelos cafés e bolos e pelo 

consolo quando algo não saia como o planejado. Já sinto saudades de trabalhar diariamente 

com vocês!  

Aos novos amigos que tem chegado ao GFMA, Francisco Monticelli, Dielly 

Cavalcanti, Thiago Minto e Veronica Oliveira, pela simpatia e disponibilidade. E aos que já 

passaram pelo grupo, Midori Y Pitanga e Rafael Bonora pela experiência e conhecimentos 

compartilhados. 

Ao professor Luis Rogério de Oliveira Hein do DMT/FEG/UNESP pelas imagens 

feitas no MEV e ao professor Carlos Yujiro Shigue do DMAR/EEL/USP pela doação de 

nitrogênio líquido e ao Prof. Valdir Alves Guimarães por toda a ajuda.  

À todos os funcionários do DMT que colaboraram para o andamento deste trabalho, 

especialmente ao técnico Manoel Francisco que se dispôs inúmeras vezes a trabalhar aos 

sábados e domingos para me ajudar. 

À FAPESP (Projeto 2011/11311-1) pelo apoio financeiro para realização deste 

trabalho. 

 



  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Este trabalho contou com apoio da seguinte entidade 

- FAPESP – Processo nº 2011/11311-1. 

- FAPESP (BEPE) – Processo nº 2012/13431-7 

  

 

 



  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

"Àquele que é capaz de fazer infinitamente 

mais do que tudo o que pedimos ou pensamos, de 

acordo com o seu poder que atua em nós, 

a ele seja a glória na igreja e em Cristo Jesus, por todas 

as gerações, para todo o sempre! Amém!" 

                                               (Efésios 3: 20-21) 

 



  

BROCKS, T. Predição de vida em fadiga de compósitos estruturais baseada em análise 

dinâmico-mecânica. 2015. 108f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de 

Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 

2015. 

 

RESUMO 

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. 

     

 

 

PALAVRAS-CHAVE: compósito estrutural, DMA, superposição tempo-temperatura, 

fadiga. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



  

 

BROCKS, T. Structural composite fatigue life prediction based on dynamical mechanical 

analysis. 2015. 108f. Thesis (Doctor in Mechanical Engineering) – Faculdade de Engenharia 

do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2015. 

 

ABSTRACT 

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. 

 

 

  

KEYWORDS: structural composite, DMA, time-temperature superposition, fatigue. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



  

LISTA DE FIGURAS 

 

 

Figura 3.1 - Degradação da resistência durante a solicitação cíclica. ...................................... 17 
Figura 3.2 – Estado de tensão plana em uma lâmina................................................................ 21 
Figura 3.3 – Níveis de observação e tipo de análise para materiais compósitos. ..................... 22 
Figura 3.4 – Microflambagem das fibras: (a) microflambagem (b) para fibras dúcteis e (c) 

para fibras frágeis. ............................................................................................................ 24 
Figura 3.5 – Superfície de falha determinada pelo critério de Máxima Tensão. ...................... 26 
Figura3.6 – Classificação da tensão de degradação. ................................................................ 28 
Figura 3.7 – Diagrama de vida constante. ................................................................................ 29 
Figura 3.8 – Diagrama CDL construído com dados experimentais. ........................................ 30 

Figura 3.9 – Variação da tensão e da deformação com o tempo para um sinal oscilatório...... 32 

Figura 3.10 – Pontos de determinação da temperatura de transição vítrea utilizando DMA. .. 34 

Figura 3.11 – a) Dados coletados para diversas temperaturas e b) curva de superposição 

tempo-temperatura, gerada com os dados do item a. ....................................................... 35 
Figura 5.1 – Fluxograma da Etapa 1......................................................................................... 44 
Figura 5.2 - Ilustração do processamento por RTM. ................................................................ 46 

Figura 5.3 – Sistema RTM utilizado. ....................................................................................... 48 
Figura 5.4 – Esquema da aplicação do silicone nas laterais do laminado. ............................... 48 

Figura 5.5 – Fluxograma da Etapa 2......................................................................................... 50 
Figura 5.6 – Sequência de testes com DMA. ........................................................................... 51 
Figura 5.7  - Resultados da análise do compósito em DSC e DMA para auxílio da 

determinação da faixa de temperatura de teste em fadiga. .............................................. 53 
Figura 5.8 – Esquema para construção das curvas mestras. ..................................................... 55 

Figura 5.9 – Tela de acompanhamento dos valores utilizados para cálculo de E durante a 

fadiga. .............................................................................................................................. 58 

Figura 6.1 – Viscosidade versus tempo da resina epóxi PRISM EP2400 para as temperaturas 

de 90 oC, 100 ºC e 120 ºC. ............................................................................................... 59 
Figura 6.2 – Curva de DSC dinâmica da resina epóxi PRISM EP2400 ................................... 60 

Figura 6.3 – Curvas de DSC isotérmica da resina PRISM EP2400. ........................................ 61 

Figura 6.4 – Curva termogravimétrica (a) da resina epóxi PRISM  EP2400 e (b) do compósito, 

sob atmosfera de N2. ........................................................................................................ 62 
Figura 6.5 - Mapa de atenuação C-Scan para os laminados a) L1, b) L2 e c) L3 .................... 63 
Figura 6.6 – Escala de cores para mapas de C-Scan ................................................................ 63 
Figura 6.7 – Curvas de T-Tref/Log aT versus T-Tref para determinação dos valores de C1 e C2 

para (a) resina epóxi Prism EP 2400 e (b) compósito carbono/epóxi. ............................. 64 
Figura 6.8 – Região de frequência de transição vítrea do compósito definida pela curva de E’ 

para (a) Tref = 0 °C, (b) Tref = 25 °C (amb) e (c) Tref = 80 °C. ......................................... 67 

Figura 6.9 – Sobreposição das curvas mestras de E’(t) do compósito para temperaturas de 

referência de 0 °C, Tamb e 80 °C. ................................................................................... 68 
Figura 6.10 – Curvas STT de E” em função do tempo para as Tref escolhidas. ....................... 69 
Figura 6.11 – Curvas STT de tanδ em função do tempo para as Tref escolhidas. ..................... 70 

Figura 6.12 – Curva de resistência interfacial “b” do compósito em função do tempo para (a) 

Tref = 80°C e (b) Tref = amb e (c) Tref = 0°C . ................................................................... 71 
Figura 6.13 -  Curva de resistência interfacial “b” do compósito em função da frequência para 

(a) Tref = 80°C e (b) Tref = amb e (c) Tref = 0°C . .............................................................. 73 
Figura 6.14 – Curva S-N sobreposta para as três temperaturas de teste. .................................. 75 
Figura 6.15 – Decaimento de E durante carregamento cíclico para testes a (a) T = 80 °C, (b) T 

= 25 °C e (c) T = 0 °C. ..................................................................................................... 77 



  

Figura 6.16 – Decaimento de E em função do tempo durante a fadiga. ................................... 78 
Figura 6.17 – Tensão residual pós-fadiga para os compósitos testados. .................................. 80 

Figura 6.18 – Aspecto geral da fratura do compósito testado a 0°C e solicitado sob (a) 90%, 

(b) 85% e (c) 75% da σmáxf. ............................................................................................. 82 
Fonte: (autor) ............................................................................................................................ 82 
Figura 6.19 – Detalhes da fratura do compósito testado à 0 °C e solicitado sob (a) 90%, (b) 

85% e (c) 75% da σmáxf. ................................................................................................... 83 

Figura 6.20 – Aspecto geral da fratura do compósito testado a temperatura ambiente e 

solicitado sob (a) 90%, (b) 80% e (c) 70% da σmáxf. ........................................................ 84 
Fonte: (autor) ............................................................................................................................ 84 
Figura 6.21 – Deformação na matriz do compósito testado a temperatura ambiente e solicitado 

sob (a) 90%, (b) 80% e (c) 70% da σmáxf. ........................................................................ 85 

Figura 6.22 – Aspecto geral da fratura do compósito testado a 80 °C e solicitado sob (a) 85%, 

(b) 68% e (c) 66% da σmáxf. ............................................................................................. 87 

Fonte: (autor) ............................................................................................................................ 87 
Figura 6.23 – Deformação na matriz do compósito testado a T = 80 °C e solicitado sob (a) 

85%, (b) 68% e (c) 66% da σmáxf. .................................................................................... 88 
Figura 6.24 – Superfície de fibras com matriz aderida para as amostras testadas com mesmo 

nível de carga para (a) T = 0 °C, (b) Tamb e (c) T = 80 °C. ............................................ 90 
Figura 6.25 – Tempo de estabilidade de E’ em função da temperatura. .................................. 91 

Figura 6.26 – Curvas S-N com linha de tendência polinomial e suas equações. ..................... 92 
Figura 6.27 – Relação entre tempo de estabilidade de E’ e a constante (a) A, (b) B e (c) C da 

equação da curva S-N. ..................................................................................................... 93 

Figura 6.28 – Ilustração do passo-a-passo do método de predição de vida em fadiga proposto.

 ......................................................................................................................................... 94 

Figura 6.29 – Predição da curva S-N a 50 °C para o material estudado. ................................. 95 
Figura 1A – Segmentos de curva para a) Log E’ x Log f, b) Log E” x Log f e c) LogTδ x Log 

f para a resina epóxi Prism EP 2400. ............................................................................. 102 
Figura 2A – Segmentos de curva para a) Log E’ x Log f, b) Log E” x Log f e c) LogTδ x Log f 

para o compósito. ........................................................................................................... 102 

Figura 1B – Curva STT de Log E’ x Log f do compósito para a) Tref = 80 °C e b) Tref = 0 °C 

. ...................................................................................................................................... 103 
Figura 2B – Curva STT de Log E’ x Log f para Tref = 25 °C para a) Resina e b) compósito.

 ....................................................................................................................................... 103 
Figura 3B – Curva STT de Log E” x Log f para Tref = 25 °C para a) Resina e b) compósito.

 ....................................................................................................................................... 104 

Figura 4B – Curva STT de Log tanD x Log f para Tref = 25 °C para a) Resina e b) compósito.

 ....................................................................................................................................... 104 
Figura 1C – Curva STT de Log E’ x Log t para Tref = 0 °C para a) Resina e b) Compósito.105 

Figura 2C – Curva STT de Log E” x Log t para Tref = 0 °C para a) Resina e b) Compósito.

 ....................................................................................................................................... 105 
Figura 3C – Curva STT de Log tanδ x Log t para Tref = -70 °C para a) Resina e b) 

Compósito. ..................................................................................................................... 106 

Figura 4C – Curva STT de Log E’ x Log t para Tref = 25 °C para a) Resina e b) Compósito.

 ....................................................................................................................................... 106 
Figura 5C – Curva STT de Log E” x Log t para Tref = 25 °C para a) Resina e b) Compósito.

 ....................................................................................................................................... 106 
Figura 6C – Curva STT de Log tanD x Log t para Tref = 25 °C para a) Resina e b) Compósito.

 ....................................................................................................................................... 107 
Figura 7C – Curva STT de Log E’ x Log t para Tref = 80 °C para a) Resina e b) Compósito.



  

 ....................................................................................................................................... 107 
Figura 8C – Curva STT de Log E” x Log t para Tref = 80 °C para a) Resina e b) compósito.

 ....................................................................................................................................... 107 
Figura 9C – Curva STT de Log TanD x Log t para Tref = 80 °C para a) Resina e b) 

Compósito. ..................................................................................................................... 108 



  

LISTA DE TABELAS 

 

 

Tabela 4.1 – Comparação entre as propriedades das resinas Cycom 890 RTM e Prism EP 

2400 ................................................................................................................................. 42 
Tabela 4.2 – Propriedades e características do reforço ............................................................ 43 
Tabela 5.1 – Limites de operação de jatos leves quanto à temperatura e frequência de 

vibração, segundo ANAC. ............................................................................................... 53 
Tabela 5.2 – Parâmetros de temperatura de frequência de vibração para os ensaios de DMA e 

fadiga em flexão. .............................................................................................................. 54 
Tabela 6.1 – Pressões e temperaturas envolvidas no processamento dos laminados. .............. 62 
Tabela 6.2 – Parâmetros C1, C2 e D determinados para resina e compósito. .......................... 65 

Tabela 6.3 – Dados de força interfacial para os compósitos em função do tempo. ................. 72 

Tabela 6.4 – Log b para frequência de 8 Hz. ............................................................................ 74 

Tabela 6.5 – Limite de estabilidade de E durante a fadiga em função de Log t. ...................... 79 
Tabela 6.6 – Equações das curvas S-N e valores dos termos A, B e C para cada temperatura.

 ......................................................................................................................................... 92 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



  

 

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 

  

 

  

ANAC Agência Nacional da Aviação Civil 

ASTM Association Standards Testing Materials   

ATM Metodologia de Teste Acelerado   

CLD Diagrama de Vida Constante  

DMA Análise Dinâmico-Mecânica 

DSC Calorimetria Exploratória Diferencial 

DTG Derivada Termogravimétrica 

FTIR Infravermelho por Transformada de Fourier 

MEV Microscopia Eletrônica de Varredura 

NCF Non Crimp Fabric 

RTCA Regulamentação brasileira da Aviação Civil 

STT Superposição Tempo Temperatura 

Tg Transição vítrea 

TGA Termogravimetria 

Tr Temperatura de referência 

WLF William-Landel-Ferry 



  

SUMÁRIO 
  

 
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 12 

2 OBJETIVO ......................................................................................................................................... 14 

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................................... 15 

3.1 COMPÓSITOS ESTRUTURAIS COM APLICAÇÕES AEROESPACIAIS ..................................... 15 

3.2 FADIGA EM COMPÓSITOS .............................................................................................................. 15 

3.3 COMPÓSITOS E FADIGA: HISTÓRICO DE ESTUDOS DESENVOLVIDOS ............................... 17 

3.4 MODELO DE PREDIÇÃO DE VIDA EM FADIGA PARA COMPÓSITOS .................................... 21 

3.4.1 Modelos para Cargas Estáticas ......................................................................................................... 22 

3.4.2 Modelos para Cargas Cíclicas ........................................................................................................... 27 

3.5 FUNDAMENTOS DA ANÁLISE DINÂMICO-MECÂNICA ........................................................... 31 

3.5.1 Sobreposição Tempo-Temperatura (STT) ....................................................................................... 35 

3.5.2 Termorrígidos e DMA ........................................................................................................................ 37 

3.6 RELAÇÃO ENTRE DMA E FADIGA ................................................................................................ 37 

4 MATERIAIS ....................................................................................................................................... 42 

4.1 MATRIZ POLIMÉRICA PRISM EP2400 ........................................................................................... 42 

4.2 REFORÇO – NCF QUADRIAXIAL ................................................................................................... 42 

5 METODOLOGIA............................................................................................................................... 44 

5.1 ETAPA 1 – OBTENÇÃO DO MATERIAL ........................................................................................ 44 

5.1.1 Caracterização da Matriz Polimérica ............................................................................................... 44 

5.1.2 Processamento dos Laminados Compósitos ..................................................................................... 46 

5.1.3 Inspeção do Laminado Compósito .................................................................................................... 49 

5.1.4 Preparação de amostras de resina para DMA ................................................................................. 50 

5.2 ETAPA 2 – CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL .......................................................................... 50 

5.2.1 Compósitos .......................................................................................................................................... 51 

5.2.2 Matriz .................................................................................................................................................. 58 

6 RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................................................... 59 

6.1 CARACTERIZAÇÃO DA RESINA .................................................................................................... 59 

6.1.1 Viscosidade .......................................................................................................................................... 59 

6.1.2 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) .................................................................................. 60 

6.1.3 Termogravimetria (TGA) .................................................................................................................. 61 

6.2 PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DOS LAMINADOS COMPÓSITOS ....................... 62 

6.3 SUPERPOSIÇÃO TEMPO-TEMPERATURA ................................................................................... 63 

6.3.1 STT de E’, E” e tanδ do compósito ................................................................................................... 66 

6.4 FORÇA INTERFACIAL ...................................................................................................................... 70 

6.5 RESISTÊNCIA À FADIGA ................................................................................................................. 74 

6.6 ANÁLISE MICROSCÓPICA DAS FRATURAS POR FADIGA ....................................................... 80 

6.7 PREDIÇÃO DE VIDA EM FADIGA .................................................................................................. 90 

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................................. 96 



  

REFERÊNCIAS .................................................................................................................................................. 97 

APÊNDICE A – SEGMENTOS DE CURVA NECESSÁRIOS PARA CONSTRUÇÃO DAS CURVAS 

STT 102 

APÊNDICE B – CURVAS STT EM FUNÇÃO DA FREQUÊNCIA ............................................................ 103 

APÊNDICE C – CURVAS STT EM FUNÇÃO DO TEMPO ....................................................................... 105 

 
 

 



12 

 

  

1 INTRODUÇÃO  

 

Materiais compósitos de matriz polimérica começaram a ser fabricados em 1940 e 

aplicados estruturalmente em 1970. Apesar de o material ter se mostrado vantajoso e muito 

atrativo, o custo do processo era muito alto e as propriedades do material ainda pouco 

conhecidas. Os grandes desafios nesta ocasião foram: definir processos de fabricação 

adequados e entender os principais mecanismos de falha destes (CARLSON, 

KARDOMATEAS, 1995).  

Acreditava-se que estes materiais não sofreriam com fadiga devido a sua alta rigidez 

na direção das fibras, o que faz com que a deformação seja tão baixa que se torna incapaz de 

gerar qualquer dano local que inicie a degradação por fadiga. No entanto, mais tarde 

observou-se que, apesar de mínima deformação, a anisotropia dos compósitos gerava tensões 

normais às fibras danificando a interface fibra/matriz e iniciando os danos por fadiga 

(HARRIS, 2003).  

Uma grande corrida foi feita para determinação das propriedades e características dos 

compósitos e, com isso, melhorar processos produtivos e projeto de componentes. 

A evolução nos estudos mostrou que matrizes poliméricas sofriam processos de 

relaxação das cadeias, sendo estas influenciadas pelo tempo, ambiente, histórico térmico e 

adição do reforço. Surgia, então, a frente de estudo das propriedades viscoelásticas dos 

compósitos, que influenciam a resistência à fadiga dos laminados (POCHIRAJU; TANDON; 

SCHOEPPNER, 2012). 

O estudo da vida em fadiga dos compósitos passou a contar, então, com o auxílio de 

técnicas como a análise dinâmico-mecânica, reconhecidamente sensível à relaxação das 

cadeias poliméricas da matriz. Essas relaxações proporcionam o aumento da movimentação 

molecular, que por sua vez, tem efeito significativo sobre as propriedades macroscópicas de 

compósitos poliméricos (CASSU; FELISBERTI, 2005). Existem faixas de frequência e 

temperatura que favorecem essas relaxações e podem ser facilmente detectadas pelo DMA. 

A combinação de técnicas de análise de materiais possibilitou o surgimento de 

métodos e modelos matemáticos para a predição de vida em fadiga de materiais compósitos. 

A relação entre DMA e fadiga é muito pouco explorada até o momento devido à dificuldade 

em relacionar parâmetros viscoelásticos e propriedades mecânicas.  

Neste trabalho os parâmetros medidos com DMA foram trabalhados de modo que 

fornecessem informações sobre faixas de frequência de relaxações e interface do compósito 

para as temperaturas de referência de 0 °C, 25 °C e 80 °C. O comportamento sob fadiga em 



13 

 

  

flexão foi avaliado para as mesmas temperaturas. Os resultados obtidos com DMA e fadiga 

em flexão foram utilizados para elaboração de um gráfico que defina os limites de aplicação 

do compósito estudado. 

Este gráfico relaciona a resistência interfacial com a resistência à fadiga, ambas em 

função do tempo. O decaimento de E’ e de E também foram monitorados, sendo E’ utilizado 

para mostrar o início das relaxações e E o decaimento da rigidez do material devido à 

delaminações internas no compósito.  

A fadiga em flexão de compósitos ainda é pouco estudada e, portanto, não 

normalizada. No entanto, é muito interessante para a indústria aeronáutica, uma vez que 

componentes primários como asas, empenagem e alguns itens do trem de pouso e fuselagem 

sofrem esforços de flexão. O uso das temperaturas de 0°C, 25°C e 80°C foi definido de modo 

que englobasse as temperaturas limites de aplicação do material e uma temperatura mais 

próxima da temperatura ambiente.  

   

    

 

 

 



96 

 

  

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS 

 

Considerando os resultados obtidos, conclui-se que: 

- As curvas STT em função da frequência permitiram determinar C1, C2 e D, 

caracterizando o compósito quanto à sua sensibilidade a alteração de temperatura; 

- As curvas STT em função do tempo mostraram que o aumento da temperatura 

diminui o tempo em que o módulo de armazenamento E’ se mantém estável, considerando 

que o limite de escoamento diminui. 

- Não houve diferença entre as curvas STT de E” e tanδ, quanto à largura e altura do 

pico, em função do tempo para as temperaturas de referência. A única diferença está no tempo 

necessário para que o pico se formasse, sendo que menores temperaturas exigiram maiores 

tempos para atingir-se o pico de cada curva. 

- As curva STT para a força interfacial mostraram-se idênticas, com exceção do tempo 

necessário para que a redução da faixa de variação dos valores de b. Para maiores 

temperaturas a redução da faixa de valores de b ocorre mais lentamente, sugerindo uma 

melhor adesão interfacial. 

- A resistência à fadiga do compósito aumentou com a redução da temperatura devido 

à delaminação mais lenta. 

- O decaimento do valor de E, causado por delaminações e trincas na matriz, é função 

da temperatura e da tensão de solicitação. O aumento destes parâmetros acelera o decaimento 

de E. 

- A análise das fraturas com MEV mostra que a falha do compósito é dominada pela 

matriz e que a combinação de menores níveis de carga e maiores temperaturas causam mais 

deformações na matriz. 

- O método de predição de vida em fadiga proposto neste estudo considera o tempo de 

estabilidade de E’ em função da temperatura e utiliza-se da equação da curva S-N conhecida. 

A relação entre as constantes da equação da curva S-N e o tempo de decaimento de E’ para a 

temperatura escolhida permite criar uma nova curva S-N para o material sem a necessidade de 

novos ensaios mecânicos; 

- Portanto, o objetivo do trabalho foi atingido.  

 



97 

 

  

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