Otimização da determinação de vazios em compósitos híbridos processados por RTM - Monticeli, Francisco Maciel [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2017)
O compósito híbrido surgiu com o objetivo de reduzir a quantidade de materiais de elevado custo e, ao mesmo tempo, manter as elevadas propriedades mecânicas. Além disso, viu-se a possibilidade de, em se usando reforços diferentes, obter um novo material que evidenciasse as vantagens dos reforços e diminuísse as desvantagens simultaneamente. Um importante fator durante o processamento de compósitos poliméricos para aplicação estrutural é o controle da formação de vazios, pois estes atuam como concentradores de tensão. O objetivo deste trabalho foi produzir compósitos híbridos utilizando diferentes disposições de tecidos de fibra de vidro e carbono, sem perda significativa de propriedades mecânicas. Para a produção do compósito, a pré-forma foi inicialmente caracterizada quanto à impregnação, sendo, para isto desenvolvido um modelo analítico geral que determina o parâmetro de permeabilidade dos compósitos híbridos. O modelo foi validado através de teste de permeabilidade e a qualidade dos laminados (híbridos, e não híbridos) foi certificada pelo processamento dos compósitos e pela quantificação da fração volumétrica de vazios. Este projeto propôs, ainda, a melhoria da análise de vazios pela técnica de porosimetria de Hg com auxílio do planejamento de experimentos. Assim foi possível determinar a fração volumétrica de poros abertos e fechados, a distribuição do diâmetro dos poros e a distância entre os poros dos compósitos, em uma análise conjunta com as técnicas de digestão ácida e microscopia óptica. A pré-forma de carbono apresentou elevada taxa de resistência ao fluxo; por outro lado, observou-se um comportamento oposto para a pré-forma de vidro. Contudo, as pré-formas híbridas apresentaram um efeito híbrido positivo, resultado de uma sinergia que proporcionou um maior valor de permeabilidade. Consequentemente, pode-se conseguir uma otimização do tempo de injeção, considerando uma combinação de tecidos de vidro e carbono equilibrados. O modelo analítico foi capaz de prever o comportamento da frente de fluxo mostrando um valor superestimado de 10%. A técnica de porosimetria de Hg foi validada para análise de poro em compósito avançados com valores próximos obtidos pelas técnicas de digestão ácida e de microscopia óptica. Em função dos resultados obtidos dos valores de diâmetro dos poros, que foi semelhante para todos os compósitos, concluí-se que este ocorre em função do tipo de processo e da resina. Do mesmo modo, a distância e a fração de poros abertos dependem diretamente da quantidade de poros presente no material. Os resultados encontrados indicaram que os compósitos híbridos estudados neste trabalho são materiais promissores para a aplicação aeronáutica, combinando as excelentes propriedades mecânicas da fibra de carbono com a viabilidade do ciclo de injeção da fibra de vidro. Com isso, o laminado híbrido 2 foi o compósito ideal para um processamento com fração de vazios próximo ao uso aeronáutico, resultando em uma redução de custo de matéria prima e tempo de processamento.

Hybrid composite arose with the aim of reducing high cost materials and, at the same time, maintaining mechanical properties suitable for use. In addition, using different reinforcements, a new material could be obtained which would evidence the advantages of the reinforcements and decrease the disadvantages simultaneously. An important factor, during the processing of polymeric composites for structural application, is the voids formation control, since they act as stress concentrators. The aim of this work was to produce hybrid composites using different stacking of glass and carbon fabrics without significant loss of mechanical properties. For the composite manuftacturing, the preform was initially characterized as the impregnation, for which a general analytical model was developed that determines the permeability parameter of the hybrid composites. In addition, the model was validated by conducting permeability test and the quality of several laminates (hybrid, and non-hybrid) was certified by processing them, and voids were quantified thereof. This project also proposed the improvement of voids analysis by the Hg porosimetry technique with the support of design of experimental. Therefore, it was possible to determine the volumetric fraction of open and closed voids, pore diameter distribution and the distance between voids, in an ensemble analysis with acid digestion and optical microscopy. Carbon preform presented high flow resistance; on the other hand, an opposite behavior was observed for the glass preform. The hybrid architecture presented a positive hybrid effect, which means a synergy that provided a higher permeability value. Therefore, optimization in injection time can be achieved, considering a combination of balanced glass and carbon fabrics. The analytical model was enabled to predict the flow front behavior by showing an overestimated value of 10%. The Hg porosimetry technique was validated for advanced composite voids analysis with similar results obtained by acid digestion techniques and optical microscopy. Based on the results obtained from pore diameter values, which were similar for all composites, it was concluded that this occurs as a function of the type of process and the resin. Although, the distance and the open pores fraction depend directly on the amount of pores along the laminate. Hybrid composites have proven to be a promising material in which it combines the excellent mechanical properties of carbon fiber with the viability of the fiberglass injection cycle. With that, hybrid 2 laminate is the ideal composite for a processing with voids fraction close to the aeronautical use requirement with reduction of high-cost material and processing time.
Voids measurement optimization in hybrid composites processed by RTM
Keywords: Compósito híbrido; Vazios; RTM; Planejamento de experimentos; Hybrid composite; Void; Design of experiments