Fabricação e comportamento termomecânico de compósitos estruturais adaptativos de liga de Ni-Ti

Abstract

Este trabalho refere-se a uma investigação, experimental e teórica, sobre o comportamento elástico de componentes estruturais de compósitos híbridos nos quais foram incorporados filamentos ativos de liga de Níquel-Titânio (Ni- Ti). Nele, inicialmente, foi desenvolvido um processo de fabricação manual, com e sem bolsa de vácuo, utilizando resinas epóxi de cura a frio e a quente, de vigas e barras compositas hibridas com liga de memória de forma (“Shape Memory Alloy Hybrid Composites”, SMAHC). Para todos os componentes estruturais adaptativos concebidos, as dimensões entre o comprimento longitudinal (C) e a espessura (h) foram superiores a 16, i.e., C/h > 16. As vigas SMAHC prismáticas foram produzidas em um molde fechado, tipo macho-fêmea, com duas camadas de até quatro fios de Ni-Ti unidirecionais cada uma, afastadas simetricamente o máximo possível do plano médio, e intercaladas por 17 camadas de mantas de fibras curtas de vidro-E, todas embebidas em matriz epóxi. As vigas SMAHC têm dimensões de 300 mm de comprimento, 31,4 mm de largura e espessura variável de 8,93 mm a 14,37 mm. Também foram fabricadas barras SMAHC para tração, com seção transversal variável, mesma largura que as vigas e comprimento de 285 mm. Nas barras foram adicionados ate oito fios de Ni- Ti unidirecionais, no plano médio entre camadas de mantas de vidro-E, todos embebidos em resina epóxi. As vigas foram analisadas e ensaiadas sob flexão estática, no regime elástico, bem como submetidas a cargas dinâmicas de curta duração; e as barras sob tração uniaxial, com a finalidade de verificar se o modulo de elasticidade destes componentes estruturais poderia ser elevado, mediante o aquecimento controlado dos fios de Ni- Ti embebidos, no escopo do princípio de Sintonização Ativa de Propriedades (“Active Properties Tunning”, APT). Em ensaios de flexão de três pontos, de vigas hibridas com fios de Ni- Ti na austenita (69 oC), obteve-se módulos de elasticidade experimentais maiores, em ate 6,53 %, em relação a ensaios com os fios de Ni-Ti na martensita (25 oC), apresentando frações volumétricas de Ni Ti próximas a 1,8 %. Já as barras SMAHC, com frações volumétricas de Ni- Ti de 5,8 %, apresentaram um aumento relativo de ate 16,8 % no modulo elástico, pela mudança de fase da martensita para a austenita, nos ensaios estáticos de tração. Portanto, houve um ganho de ate 28 % no modulo de elasticidade por unidade de fração volumétrica de Ni- Ti incorporado nas vigas adaptativas, em comparação as barras. Estes resultados foram confirmados por estimativas teóricas, baseadas em simulações numéricas via método dos elementos finitos e soluções analíticas. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This work is concerned with a theoretical and experimental investigation, about the elastic behavior of structural components based on hybrid composites incorporating Nickel-Titanium (Ni-Ti) active filaments. Initially, it was developed a hand lay up process, with and without vacuum bag, utilizing cold and hot cure epoxy resins, for beams and bars of Shape Memory Alloys Hybrid Composites (SMAHC). It was kept for all designed smart structures, the ratio of longitudinal length (C) over thickness (h) above than 16, i.e. C/h>16. The fabrication process produced beams in a closed mould, female-male type, with two symmetric plies of up to four Ni-Ti (SMA) wires, with a maximum possible distance in respect to middle plane, installed in the axial direction of specimen and intercalated with 17 E-glass chopped mat plies, all embedded in epoxy matrix. The SMAHC beams have 300 mm of length, 31.4 mm of width and 8.93 to 14.37 mm of variable thickness. Also, SMAHC bars for tensile loads were fabricated, with variable cross section, same width as the beam and length of 285 mm. In the bars, was introduced a ply of up to eight Ni-Ti (SMA) wires along the axial direction in the mean plane between six plies of E-glass chopped mat, all embedded in epoxy resin. The beams were analyzed and tested at static bending loads, in elastic regime, as well as with dynamic short duration loads; and the bars were subjected to axial tensile loads, with the purpose to verify if the elasticity modulus structural components could increase, by the controlled heating of Ni-Ti wires embedded, in the scope of Active Properties Tuning (APT). At three point flexural tests in hybrid beams, with Ni-Ti wires at the austenite phase (69 oC), the experimental elasticity modulus increased up to 6.53 %, compared to identical beams with Ni-Ti wires at the martensite phase (25 oC), with Ni-Ti volumetric fractions about 1.8 %. And the SMAHC bars, with Ni-Ti volumetric fraction of 5.8 %, showed a relative increase of 16.8 %. Then, it had a gain up to 28 % in the elasticity modulus per volumetric fraction unit of Ni- Ti incorporated in adaptative beams compared to bars. These results were confirmed by theoretical estimations, based in numerical simulations of finite element methods and analytical solutions.