Influência da orientação das fibras na soldagem de laminados fibras de carbono/PAEK - Campos, Carlos Alberto Gonçalves de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
A utilização de compósitos poliméricos em projetos estruturais tem aumentado significativamente nas últimas décadas, conduzindo a avanços nas tecnologias de fabricação, processamento e no desenvolvimento de materiais multifuncionais com maior versatilidade em relação aos materiais convencionais de engenharia. Esses materiais estão atraindo um interesse especial na indústria de petróleo e gás, porém, um dos principais desafios associados à utilização em projetos estruturais relaciona-se à união efetiva na integração de componentes. Nesse cenário, o presente trabalho avaliou a influência da orientação das fibras na soldagem por resistência elétrica de laminados CF/PAEK, nas arquiteturas [0]12, [90]12 e [0/90]6, estabelecendo condições e faixas de parâmetros de soldagem adequadas por meio de técnicas de caracterizações térmicas, mecânicas e morfológicas. As caracterizações térmicas indicaram que o perfil térmico do semipreg é condizente com o descrito na literatura. O grau de cristalinidade do material processado (~18%) não foi impactado pelo resfriamento nas taxas de 5°C/min, 10°C/min e 20°C/min. Os resultados das análises termomecânicas (TMA) evidenciaram a influência da orientação das fibras na variação dimensional dos laminados, com maior deformação observada na arquitetura [0]12. Por outro lado, as análises dinâmico-mecânica (DMA) indicaram um aumento (~13%) no módulo de armazenamento devido a soldagem com malha metálica, enquanto a associação do filme intermediário de PAEK no processo preservou a rigidez próxima à do laminado consolidado. Observou-se ainda que o processo de soldagem não alterou a Tg do material (~155 °C), confirmando a elevada estabilidade térmica do CF/PAEK. Os resultados de Lap Shear (LSS) destacaram a influência da orientação das fibras na resistência ao cisalhamento das amostras soldadas, com a arquitetura [0]12 apresentando maior dispersão nos resultados devido ao efeito de borda mais acentuado ((4,96 ± 2,85) MPa). Os mecanismos de falhas observados nessa condição foram majoritariamente interlaminares. Com a incorporação do filme, a resistência média ao cisalhamento aumentou em 354,2%, enquanto as dispersões diminuíram em 75,4%. Quanto aos mecanismos de falhas, somente a arquitetura [0/90]6 sofreu alteração, passando de interlaminar para predominantemente intralaminar, sendo essa considerada uma falha ideal em processos de união em compósitos. Esses resultados evidenciam a influência da orientação das fibras no processo de soldagem e na qualidade final da união, sugerindo a necessidade de otimização dos parâmetros em função da arquitetura.

The use of polymer composites in structural designs has increased significantly over the past decades, leading to advances in manufacturing and processing technologies, as well as in the development of multifunctional materials with greater versatility compared to conventional engineering materials. These materials have attracted particular interest in the oil and gas industry, however, one of the main challenges associated with their use in structural applications lies in achieving effective bonding during the integration of components. In this context, the present work evaluated the influence of fiber orientation on the resistance welding of CF/PAEK laminates with [0]12, [90]12, and [0/90]6 architectures, establishing suitable welding conditions and parameter ranges through thermal, mechanical, and morphological characterization techniques. Thermal analyses indicated that the thermal profile of the semipreg was consistent with that reported in the literature. The degree of crystallinity of the processed material (~18%) was not affected by cooling rates of 5 °C/min, 10°C/min and 20 °C/min. Thermomechanical analysis (TMA) results evidenced the influence of fiber orientation on the dimensional variation of the laminates, with greater deformation observed in the [0]12 architecture. On the other hand, dynamic mechanical analysis (DMA) showed an increase of approximately 13% in storage modulus due to welding with a metallic mesh, while the incorporation of an intermediate PAEK film in the process preserved the stiffness close to that of the consolidated laminate. It was also observed that the welding process did not alter the glass transition temperature (Tg) of the material (~155 °C), confirming the high thermal stability of CF/PAEK. Lap shear test results highlighted the influence of fiber orientation on the shear strength of welded samples, with the [0]12 architecture showing greater dispersion in the results due to a more pronounced edge effect (4,96 ± 2,85 MPa). The failure mechanisms observed under this condition were predominantly interlaminar. With the incorporation of the PAEK film, the average shear strength increased by 354,2%, while the dispersions drecreased by 75,4%. Regarding failure mechanisms, only the [0/90]6 architecture exhibited a transition from interlaminar to predominantly intralaminar failure, which is considered an ideal failure mode in composite joining processes. These results demonstrate the influence of fiber orientation on the welding process and the final joint quality, suggesting the need for parameter optimization according to the laminate architecture.
Influence of fiber orientation on the welding of carbon fiber/PAEK laminates
Keywords: Termoplásticos; Compósitos poliméricos; Fibras de carbono; Soldagem