COMPOSITOS INCLUÍDOS POR PARTÍCULAS

1. Introdução

A síntese de materiais compósitos consiste em misturar compostos de naturezas distintas visando imprimir novas propriedades aos materiais. Por ser um material multifásico, um compósito exibe além das propriedades inerentes de cada constituinte, propriedades intermediárias decorrentes da formação de uma região interfacial. As fases dos compósitos são chamadas de matriz – que pode ser cerâmica, polimérica e metálica – e a fase dispersa – geralmente fibras ou partículas que servem como carga.

A matriz geralmente é um material contínuo que envolve a fase dispersa. As propriedades do compósito é uma função de fatores como a geometria da fase dispersa, distribuição, orientação e também da compatibilidade interfacial entre os constituintes da mistura. Ou seja, para que se forme um compósito é necessário que haja afinidade entre os materiais que serão unidos. Por isso, é muito importante conhecer as propriedades químicas e físicas dos diferentes materiais envolvidos; mais especificamente as propriedades das interfaces dos constituintes dos compósitos.

Muitas das nossas tecnologias modernas requerem materiais com combinações bem peculiares de propriedades que não podem ser atendidas por ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos, são exemplos de tecnologias indispensáveis em aplicações aeroespaciais, subaquáticas e de transporte.

Principalmente na última década, a busca por materiais ecologicamente corretos tem desenvolvido materiais de matrizes poliméricas com fibras naturais. A princípio as fibras naturais apresentaram poucas vantagens, pois geralmente às propriedades mecânicas são pioradas ou se mantêm quase inalteradas. Contudo, o apelo comercial venceu em vista dos baixos custos destas fibras, que são originárias de fontes renováveis e inesgotáveis, por possuírem baixa densidade, menor abrasão causada nas máquinas de processamento e também por terem a capacidade de boa adesão à matriz e o uso destas fibras em compósitos estruturais tem crescido no setor industrial.

2. COMPÓSITOS REFORÇADOS COM PARTÍCULAS

Compósitos com partículas grandes e compósitos reforçados por dispersão são duas subclassificações de compósitos reforçados com partículas. A distinção entre essas classificações se baseia no mecanismo de reforço e aumento de resistência mecânica. O termo "grande" é usado para indicar que as interações partícula-matriz não podem ser tratadas em níveis atômicos ou moleculares; em vez disso, a mecânica do contínuo deve ser empregada.

Para muitos destes compósitos, a fase particulada é mais dura e rígida do que a matriz. Estas partículas de reforço tendem a restringir o movimento da fase matriz na vizinhança de cada partícula. Em essência, a matriz transfere alguma tensão aplicada às partículas, que suportam uma fração da carga. O grau de reforço ou melhoria do comportamento mecânico depende da forte ligação na interface matriz-partícula.

2.1 COMPÓSITOS COM PARTÍCULAS GRANDES

Tipos comuns de compósitos de partículas grandes são materiais poliméricos aos quais enchedores foram adicionados e o concreto, composto de cimento (a matriz) e areia e cascalho (os particulados).

Partículas podem ter uma boa variedade de geometrias, mas elas devem possuir aproximadamente a mesma dimensão em todas as direções e ser pequenas e igualmente distribuídas através de toda a matriz. Além disso, a fração de volume das duas fases influencia o comportamento, as propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor de particulados. Duas expressões matemáticas têm sido formuladas para a dependência do módulo elástico sobre a fração de volume das fases constituintes para um compósito bifásico. Estas equações de regra de mistura prevêm que o módulo elásticodeveria cair entre um limite superior representado por

Ec = EmVm + EpVp

e um limite infeior

Ec = (EmEp) / (VmEp + VpEm)

Nestas expressões, E e V denotam o módulo elástico e a fração volumétrica, respectivamente, enquanto que os subscritos c, m e p representam as fases compósito, matriz e particulado. Observam-se as curvas dos limites superior e inferior Ec versus Vp para um compósito cobretungstênio, no qual tungstênio é a fase particulado; pontos de dados experimentais caem entre as duas curvas.

Compósitos de partícula grande são utilizados com todos os três tipos de materiais –metais, polímeros e cerâmicas. Os cermetos são exemplos de compósitos cerâmica-metal. Estes compósitos são utilizados extensivamente como ferramentas de corte de aços duros. A tenacidade é melhorada pela sua inclusão na matriz do metal dúctil, que isola as partículas de cerâmica entre si e previne a propagação de trincas. As fases tanto matriz quanto particulada são bastante refratárias, para suportar as altas temperaturas geradas pela ação de corte sobre materiais que são extremamente duros.

Tanto elastômeros quanto plásticos são frequentemente reforçados com vários materiais particulados. A aplicação muitas das borrachas modernas seria gravemente restringida sem particulados de reforço, tais como “negro de fumo”. Estes particulados consistem de partículas muito finas e essencialmente esféricas de carbono, produzidas pela combustão de gás natural ou óleo em atmosfera que tem suprimento de ar limitado. Quando adicionado a borrachas vulcanizadas, este material extremamente barato melhora a resistência à tração, tenacidade e resistências ao rasgamento e à abrasão.

• Concreto: É um compósito comum de partícula grande no qual as fases tanto matriz quanto dispersa são materiais cerâmicos. Trata-se de um material compósito formado por partículas agregadas que são interligadas num corpo sólido por algum tipo de meio ligante, isto é, um cimento. Os dois tipos de concretos mais familiares são aqueles feitos com cimentos portland e asfáltico, onde o agregado é cascalho e areia. Concreto asfáltico é largamente usado principalmente como um material de pavimentação, enquanto que o cimento portland é empregado extensivamente como um material estrutural de construção civil.

• Concreto de cimento Portland: Os ingredientes para este concreto são cimento portland, um agregado fino (areia), um agregado grosso (cascalho ou saibro) e água. As partículas do agregado agem como um material de enchimento (carga) para reduzir o custo global do produto concreto