O que é orientação da fibra e por que isso importa?

Um compósito é uma mistura heterogênea de dois ou mais materiais distintos reunidos para superar as limitações individuais de cada material e tornar um produto mais forte em geral. As propriedades finais do compósito dependem, em última análise, das propriedades físicas e químicas dos materiais com os quais é feito.

No entanto, de um modo geral, os compósitos podem ser reforçados mecanicamente através da adição de fibras. Resistência, elasticidade e capacidade de fabricação são aprimoradas pelo reforço da fibra, mas até que ponto depende da posição das próprias fibras ou da orientação da fibra.

Mas como a orientação da fibra afeta a qualidade e o desempenho de uma peça em seu uso final? Aqui está tudo o que você precisa saber sobre a orientação da fibra, além de considerações importantes para engenheiros.

O que é orientação da fibra?

A orientação da fibra na moldagem por injeção refere-se à maneira como as fibras individuais são dispostas para facilitar o arranjo estrutural ideal em um compósito de polímero reforçado com fibra. À medida que o material injetado flui através do molde, o alinhamento da fibra resultante altera a geometria da cavidade do molde, o que tem um impacto direto nas propriedades mecânicas.

Um compósito de polímero reforçado com fibra (FRP) consiste em três partes - a matriz de polímero, reforços de fibra e a região de interfase fina. A matriz de polímero, tipicamente um termofixo ou termoplástico, é um agente de ligação que mantém as fibras de reforço no lugar durante a moldagem por injeção. Também determina as propriedades degradativas do compósito, como resistência química ou fluência. Se a matriz é a carne e os reforços de fibra são o osso, juntos eles formam um membro ou compósito forte.

Os FRPs são conhecidos por seu alto desempenho mecânico, resistência à corrosão e ao desgaste, durabilidade e flexibilidade de projeto. Por essas razões, os compósitos poliméricos reforçados com fibras têm amplas aplicações nos setores aeroespacial, biomédico e marítimo, mas são especialmente populares na indústria odontológica.

Os engenheiros podem personalizar compósitos poliméricos reforçados com fibra misturando e combinando diferentes matrizes e fibras de reforço para alcançar o efeito desejado. A orientação da fibra é a principal maneira pela qual os engenheiros tornam os materiais moldados por injeção mais fortes e o segredo do sucesso de um FRP.

Vidro x fibras de carbono

Um compósito de polímero reforçado com fibra é tão forte quanto seus materiais compósitos, e isso vale para matrizes de polímero, bem como reforços de fibra. Matrizes feitas de termofixos como poliésteres ou epóxis têm alta estabilidade dimensional e térmica e resistência a solventes. Os termoplásticos como o poliéter éter cetona (PEEK), por outro lado, são mais resistentes que os termofixos nesse caso, e qualquer compósito feito com essa matriz polimérica seria menos quebradiço.

Os materiais de reforço de fibra têm um tremendo impacto na densidade composta, nas propriedades mecânicas e nas condutividades elétrica e térmica de uma peça. Geralmente, os melhores tipos de fibras para uso em moldagem por injeção são o vidro e o carbono.

As fibras de vidro são acessíveis e têm alta resistência à tração e alta resistência química/calor. Eles também são bons isolantes, perfeitos para aplicações elétricas. Os compósitos de fibra de vidro também têm um módulo de tração muito maior do que os plásticos sem fibra de vidro.

As fibras de carbono vêm em duas variedades:carbono à base de poliacrilonitrila (PAN) e carbono derivado de piche. As fibras de carbono são extremamente condutoras de calor, com um baixo coeficiente de expansão térmica linear. Eles também têm alta resistência à tração e módulo, além de alta resistência à fadiga.

As desvantagens das fibras de carbono incluem o fato de que podem ser relativamente ineficientes em termos de custo, têm baixa resistência ao impacto e muitas vezes oxidam na presença de alto calor. Além disso, a alta condutividade elétrica das fibras de carbono pode causar descargas elétricas indesejadas em equipamentos desprotegidos.

Por que a orientação da fibra em compósitos é importante?

Dentro de materiais compósitos, a orientação da fibra pode impactar muito a resistência de uma peça. Quatro das orientações mais comuns em compósitos reforçados com fibra são unidirecional, aleatória, bidirecional e multidirecional. Independentemente da direção das fibras dentro do material, a orientação da fibra pode melhorar drasticamente as propriedades mecânicas e químicas de uma peça moldada por injeção.

As fibras de reforço podem ajudar a distribuir uniformemente a carga estrutural de uma peça em uma rede de pontos de suporte, em vez de colocar tudo em um ou dois pontos de pressão centralizados. A orientação da fibra fornece rigidez e resistência macroscópicas, o que desempenha um papel vital na melhoria das propriedades mecânicas de uma peça.

Além disso, os compósitos reforçados com fibras se beneficiam das propriedades químicas que lhes são conferidas por suas matrizes poliméricas e reforços de fibras. As fibras de vidro oferecem excelente resistência ao calor, enquanto as fibras de carbono oferecem condutividade térmica superior. Os engenheiros podem imbuir suas peças moldadas por injeção com quase todas as propriedades mecânicas ou térmicas com a ajuda de compósitos reforçados com fibra.

Orientação da fibra com raio rápido

Os compósitos reforçados com fibra são tão fortes quanto a soma de suas partes, o que significa que são muito fortes. Os materiais compostos são uma boa escolha para engenheiros que desejam criar peças que exigem alta resistência ao calor, resistência e durabilidade. Um parceiro de fabricação experiente pode ajudá-lo a escolher a orientação de fibra de vidro ou carbono que tornará seu projeto o mais forte possível.

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